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低壓配電設備基礎概論
[作者 Mark Rumpel]   2017年11月14日 星期二 瀏覽人次: [472]


依據家用住宅、商業與工業用戶不同的用電需求,運用低壓或中壓受電設備(service equipment),單點控制或切斷建築物電力供應。低壓配電設備的操作電壓大多低於600伏特;反之,中壓設備則可提供600 ~ 38,000伏特範圍的各種電壓。


本文將探討低壓配電設備相關基礎概論的定義、零組件、應用與其他詳細相關資訊,包含分電箱、配電盤、開關設備與電壓低於600伏特的交流(AC)或直流(DC)開關裝置。這些資訊可以幫助讀者瞭解配電系統的用途與相關設備,並提升專業技術知識。


發電基本知識

和其他國家一樣,美國長期倚賴煤礦、石油或天然氣等寶貴的天然資源進行發電。直至二十世紀末,新型核能與水力發電的出現,發電能力始獲得提升。時至今日,地熱能、風力發電、生質能及太陽能等替代或再生燃料的運用已經日益普及,這些能源由於具備高效與永續的特性而受到大眾歡迎。


自然資源與機械能源經採集後,必須先轉換為電能才得以進行後續的傳輸與使用。發電廠則是運用汽輪機來達到產生電能的目的。


透過大型鍋爐加熱水後產生蒸汽,蒸汽帶動渦軸發電機上的葉片組,利用蒸汽的力量,帶動連接發電機的機軸,而轉動的渦輪機機軸則進一步驅動發電機內部由巨大銅線線圈纏繞的電磁鐵,如此一來即可形成磁場,使銅線中的電子穿梭於原子間,產生電力。


汽輪機發電後必須加壓才能傳輸電力。透過升壓變壓器組將電壓提升,以傳輸至高壓輸電線路所組成的電網,電力才能高效且安全地經高壓輸電線路長距離輸送。



圖1 : 發電與配電示意圖:發電、輸電、用電
圖1 : 發電與配電示意圖:發電、輸電、用電

配電系統以經濟實惠且安全的方式將電力配送至家用、商用建築或工業設施等各項電氣設備。電力首先傳輸至配電變電所,再透過降壓變壓器組將電壓降至可用電壓範圍,最後電力會經由某一端點進入建築物,此端點即用戶進線端。電力經由配電盤裡的主開關(即斷路器或熔絲開關),也就是所謂的用戶進線端配電設備進入。


分電箱、配電盤、開關設備均可作為用戶進線端配電設備,在下游線路中端僅稱作配電設備。不同設備對於多租戶(multi-tenant)住宅、商用設施或工業場所各有其特殊的用途與優點,接下來將深入剖析各個設備。


分電箱

分電箱為分路配電的系統組件,內部的每條電路一般設有保護熔絲或斷路器。配電盤除完整分配建築物或工廠廠房電力外,實際上還能避免電氣過載及短路。


分電箱主要組件一般包含外箱、內板、線路保護裝置、標示、正面不帶電面板與外緣,以及填隙板。


圖2 : 屋主應熟悉配電盤基本組件
圖2 : 屋主應熟悉配電盤基本組件

一般又稱之為「分電箱」或「變電箱」,這類分電箱組件裝配於外箱內部。分電箱外殼以鍍鋅或塗鋼處理,確保人員與內部設備的安全。可拆式盤面可安裝簡易導線管,安裝人員可依需求輕易地定位鑽孔。


箱內的電流保護裝置、匯流排及其他裝置皆嵌裝於支撐架,這些內部組合套件俗稱內板。斷路器通常作為線路保護裝置,以匯流排連接器的插接零件連接匯流排。


匯流排是用來連接多條電路的導體。匯流排嵌於內部支架的絕緣?子,並固定在箱體內的側螺柱。中性排線同樣安裝於內板旁的箱體或溝槽,以作為進線端與負載電路中性線的連接點。


分電箱應有清楚標示。標示須載明設備額定電壓、安培容量、啟斷額定值、製造日期、配電盤固有零件與更新零件等資訊。這些資訊能確保人身與設備安全,非常重要。


外箱有前蓋,即分電箱正面不帶電面板及其外緣。該組件包含分電箱正面,開啟鉸鏈門即可操作斷路器,並避免誤觸帶電的內部組件。填隙板則可遮蓋所有斷路器以外尚未使用的孔洞。


美國國家電機製造業協會(NEMA)制定了電氣設備外箱準則,NEMA第1型(Type 1)為室內分電箱外箱標準。


分電箱有兩種安裝方式。嵌入式安裝法須將分電箱安裝於牆體立柱間的內凹區域;掛裝式則需將分電箱掛裝於牆面。


嵌入式安裝法節省空間且美觀大方,掛裝式則適合水泥牆、磚牆、鐵牆及梁柱等表面。嵌入式安裝一般常見於商辦空間、校舍與其他公共建築。工業用建築物、電子櫥櫃與地下室等場所則多採用掛裝式安裝法。


分電箱用途廣泛,種類繁多,常供照明、家電或作為電源之用。照明用與家電用分電箱含過電流保護,用於斷開照明、家電、插座及其他小型負載電路。其他各類分電箱則作為電源,同時供電給建築物或工廠內整體配電系統的其他分電箱、馬達與變壓器。


電力分電箱一般用於工業廠房與新建/改裝的商用建築,其配電系統相對複雜,需要系統級解決方案。分電箱廣泛用於進屋設備或一般電路分配適用的各項應用。例如,多租戶住宅所使用的設備通常會利用分電箱進行配電。愈來愈多電力分電箱經過特別設計,讓各種應用的變動與擴充更加迅速便捷。


現今的新型電力分電箱已大幅縮小設備體積,以最節能的方式達到穩定功率效能。電力分電箱最大的優點在於能夠在小空間內配置各種不同的交流電壓,容納更多斷路器。斷路器與熔絲開關均可採用單一螺絲加以固定。電力分電箱的種類多樣,設備維護管理者可彈性地做電力配電保護協調,遠端精密計畫並監視用電狀況,同時還能提供電弧與故障保護,確保人身安全。


配電盤

在大型建物或工廠內,大型單一盤體、框架或盤體之組合可用以安裝過電流開關與保護裝置、匯流排以及其他設備,此落地型自立式解決方案亦稱為配電盤。配電盤通常靠牆安裝於地面,可從正面接觸操作。


配電盤功能與分電箱相同(一般可簡易饋電至其他分電箱),但體積較為龐大,配置 600 VAC 及以下的低壓。配電盤可將大電流分解成小電流,供電器設備使用。分解電流有助於依負載分配電力、斷開負載進行安全維護,以及保護導線與設備避免因為過載、短路與接地故障而遭受電流過大的危險。


配電盤主要組件有框架、匯流排、過電流保護裝置、儀表、外箱及外蓋板配電。配電盤框架是裝設其他組件的金屬支架。框架內裝設匯流排,可從進線電纜進行分路裝置配電。水平匯流排則配電至各配電盤區,其標準排列方向為由上至下依A-B-C依序排列。反之,垂直匯流排則進行電路保護裝置配電,排列方向一般為由左至右或由前向後依序排列。


在盤體前側可將過電流保護裝置安裝於垂直匯流排。常見類別分為四種,依序是電源斷路器、塑殼斷路器、熔絲開關與螺栓壓力開關。其他配電盤內所使用的保護裝置可能包括電錶、突波保護裝置 (SPD)、設備器室、切換開關、變壓器與其他設備。


配電盤內也可裝設特殊儀錶。電錶用於測量進線端的電流、電壓、用電量、峰值需量及其他重要的電氣參數。儀表特別有助於測量與管理用電量,確保用電效率維持在最高水準。


配電盤標準外箱分為室內用的NEMA第1型(Type 1)與戶外用的NEMA 3R型(Type 3R)。各項設備安裝完畢即以外殼蓋板密封。就像配電盤的正面不帶電面板,開啟外殼蓋板即可使用保護裝置,而匯流排與電線經過包覆,可避免不慎碰觸。


配電盤結構體一般分為四類,然而並非所有的配電盤結構體都能夠劃歸在這四種類型中:


*主要結構體有主隔離開關或主接線端子,一般包含突波保護、設備及/或用戶測量裝置。


*拉線結構體為空箱體,可從中拉引電纜。若須經由地面饋電,一般會與進線端配電盤並用。電力由上端供應,因此不會有裸露的導線。


*配電結構體先進行分路保護裝置的配電作業,電力經分路抵達下游的電力負載,再從進線端結構體經由匯流排傳輸至配電結構體。


*最後,整合式設備系統 (Intergrated Facility System,IFS) 配電盤結構體有分電箱、乾式變壓器、切換開關、以及現場安裝其他設備專用的空白背板。在同一空間將配電盤和乾式變壓器用作配電盤,IFS 可有效減少設備佈線所需的牆面空間和區域。IFS的主要優點是能夠大幅降低安裝佈線所需要的空間,同時減少需要處理的設備數量。



圖3 : 配電盤內裝設多項重要零組件
圖3 : 配電盤內裝設多項重要零組件
圖4 : 整合式設備系統(IFS)結構體佈線經簡化後,更容易安裝且經濟實惠
圖4 : 整合式設備系統(IFS)結構體佈線經簡化後,更容易安裝且經濟實惠

低壓開關裝置

在某些情況下,為了加強重要配電系統的維護監控,以及兼顧安全與效率,因此需要更多功能強大的低壓配電設備。低壓開關裝置通常是達成這些目標的最佳解決方案。


低壓開關裝置集中控制與保護包含變壓器、發電機、馬達與饋線等設備在工業、商業及公共事業中所使用的低壓電力設備及電路。


和其他選擇不同的是,開關裝置能夠長時間承受短路電流(30個電氣周波),這段期間內可啟斷最接近故障處的下游保護裝置來排除故障。因此這些功能稱為短時間耐受額定值。配電盤組件的塑殼斷路器並不附有這些額定值。


低壓開關裝置含下列組件:抽出式斷路器、斷路器室、一次及二次電源連接導體、第二控制器室、結構體、匯流排(主匯流排與支線匯流排)與用戶端區域。


低壓抽出式斷路器可自動保護電路免於過載或短路造成的危險。取名抽出式是由於這類斷路器不須藉由螺帽、螺栓、連接用套件或其他機械件,即可連接一次及二次電源。



圖5 : 抽出式(Drawout)斷路器容易安裝,可減少材料成本。
圖5 : 抽出式(Drawout)斷路器容易安裝,可減少材料成本。

匯流排安裝於框架內,將進線端電纜的電力分配至分路裝置,水平斷路器室配電至配電盤區段,垂直斷路器室則配電至單一結構體中的電路保護裝置。


電源連接分為一次與二次電源。主電源系統電源導入盤體中,饋電至已連接的負載電源,此即一次電源。匯流排延伸至斷路器室連接抽出式斷路器的主系統電源組件,即完成連接。


二次電源包括供電至監控設備的電路,藉此監控各項用電裝置,如固態跳脫裝置、分路跳脫、指示燈、儀表(meters)、控制開關等。


由各結構體開關裝置前端可接近操作,器室間彼此有所區隔,用以隔離低壓監控電纜,避免電纜受到開關裝置組件其他區域之干擾。第二控制器室可單獨裝設於端子台,專屬於特殊斷路器室以及其他控制裝置。第二控制器室能經由專屬控制電路,相互連接不同控制器室的裝置。


獨立式(freestanding)鋼製外箱內部的主要開關組件稱為結構體。包括各個斷路器室、一次及二次電源連接以及第二控制器室。


結構體中裝有鍍銀或鍍錫的銅匯流排。開關裝置組合內的主匯流排會依序垂直配電至各結構體。每個結構區內的垂直區匯流排會連接至水平主排線。垂直結構的排線對斷路器供電,因此能夠向外饋電至獨立負載裝置。


用戶端區域通常與結構體相鄰,這些區域是保留給進線入口電源與輸出電源線或匯流排連接之用。各項組件的輸出負載連接均止於此處,輸出後可到達已經連接的設備。為提高安全性,此區藉由金屬接地銅牌與斷路器作良好隔離。


開關裝置一般安裝在高階的電力系統。開關裝置透過連接線或導線管饋電至其他配電盤,進行系統或分段區隔配置。如此一來,若發生大規模停電,開關裝置或可將危害降至最低程度。


開關裝置固然是穩固可靠的選擇,但體積龐大,價格也較其他低壓配電設配高昂。如需決定是否值得額外投資裝設開關裝置,務必要從可靠性、安全性、永續性與便捷性的方面進行評估。


一般而言,只有需要最高等級的電力可靠性才有裝設開關裝置的必要。其中又以重要電氣應用最為需要,例如無法承受電力中斷的企業,可藉此防止收益與生產大幅減損,或保障人身安全。適合裝設低壓開關裝置的電力應用領域包括:醫療機構、石化廠、機場、水處理設備、資料中心、重要政府機關、國防支援設備、金融機構以及大型辦公大樓等。


若以系統持續運作為優先考量,通常會利用發電機或備用供電設備等緊急電源,常用電源與緊急電源的切換開關輸出與各種電路、設備或系統電源相連,切換開關即用於迅速切換供電電源。


圖6 : 切換開關的基本元件
圖6 : 切換開關的基本元件

切換開關可切換正常與緊急電源間的負載,有兩種基本方式:開路切換(open)與閉路切換(closed)。開路式切換開關會先斷開其中一個電源連接,才會連接其他電源。開路延遲切換開關進行切換前會預留一小段延遲時間,以避免切換過程中電流高於正常值(亦即「湧浪電流」)。開路對相切換開關會自動執行這項程序,相當靈敏精確。


若是閉路切換式解決方案,切換開關會先連接至新電源,再斷開既有電源,由於斷電與連接無時間延遲,因此在切換過程中,下游的負載會持續受電。


切換開關用以傳輸額定電流與切換電源,此切換機制即屬於其中一環。低壓切換機制技術基本上可劃分為兩種型態,一般稱為「接觸器型」與「斷路器型」。斷路器型切換機制又可細分為兩種次要型態:塑殼型與斷路器型。負載電源的特定效能表現與其安全性非常重要,在決定採用何種切換方式或何種切換開關合適時,皆須納入考量。


匯流排解決方案

如受時間與空間所限,匯流排解決方案能夠取代電纜或導線管進行配電。此替代方案效率優異,包含三種主要元件:輸電用的銅製或鋁製導體(即匯流排)、架設匯流排的金屬外殼、以及絕緣物,可避免排線分離時所導致的故障,空氣絕緣或環氧樹脂均適用。



圖7 : 主要元件示意圖:匯流排解決方案包括外殼包覆之絕緣導體,目前提供各式尺寸匯流排,包含模組化與可擴充設計,選擇相當靈活。
圖7 : 主要元件示意圖:匯流排解決方案包括外殼包覆之絕緣導體,目前提供各式尺寸匯流排,包含模組化與可擴充設計,選擇相當靈活。

針對需要經常重新執行設定或升級擴充的配電需求,匯流排是相當理想的解決方案。新匯流排插頭可隨時加入原有匯流排中,無須支付高昂的基礎設施費用,也不用另行斷電。匯流排的模組化設計可在現有排線上輕鬆增添元件,其擴充能力目前是電纜/導線所缺乏的。以上特色讓匯流排非常適合應用在資料中心、醫療機構、工業或製造設備,也適用於商業與住宅建築結構。


匯流排主要分為饋電和插入式兩種解決方案。饋電匯流排設定可自行調整,具備超乎想像的靈活度。插入式匯流排可於固定位置支援一至數個匯流排插頭(電源線連接點),但僅限平直段。部分產品系列包括斷路器的匯流排插頭、熔絲開關、接觸器,以及各類需求適用的啟動器,同時還有多款突波保護與測量替代方案供選擇。


戶內外均適用匯流排,可配置各種額定電流。如需保護敏感電氣設備,請挑選具備高故障電流額定值的產品。如需確保系統安全性,請挑選美國優力(UL)、加拿大標準協會(CSA), 或國際電工委員會(IEC)所認證的匯流排產品。


匯流排雖不是所有應用中的最佳選擇,卻具有諸多優點,而且近來也日益普及。匯流排的價格低廉、容易安裝、尺寸小巧、具備良好的適應與擴充性,甚至能兼顧永續性。匯流排是綠色節能的選擇,可為建築更加分,以取得ENERGY STAR或能源與環境先導設計(LEED)的標章認證。


結論

目前市面上的低壓配電設備種類繁多,能滿足各類住宅、商業建築以及工業設施的不同需求。消費者若充分瞭解分電箱、配電盤、低壓開關裝置及匯流排選項之間的不同之處,當挑選電力控制、配電產品、與電力品質產品與服務時,就能做出更聰明的選擇。高品質廠商運用創新與專業擴充產品類別的同時,也要能提供客製化指引,才能滿足不同消費者的需求。


(本文作者Mark Rumpel任職於Eaton生產線經理)


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