112 專技高考高等考試 電機工程技師 工業配電 考古題詳解

核心觀念

本題考查低壓配電系統中兩種不同目的的接地：

• 系統接地：將電源系統的一點（通常是變壓器二次側中性點）接地，控制系統對地電位，並提供接地故障的參考點。
• 設備接地：將電氣設備平時不帶電、但故障時可能帶電的金屬外殼，經保護接地導線連接至接地系統，使外殼維持接近地電位，並讓故障保護裝置能及時動作。

兩者不可混為一談：系統接地是「電源的一點接地」；設備接地是「設備外露導電部分接地」。接地故障電流的主要回路應由低阻抗的保護接地導線及電源接地連接構成，不應依賴大地本身作為唯一回路。

相關規定依命題當年（民國 112 年）《用戶用電設備裝置規則》所定接地及保護原則說明。

（一）系統接地：方法與目的

接地方法

將電源系統的指定點接地；低壓三相四線系統通常將變壓器二次側中性點接地。常見方法如下：

1. 直接接地：中性點直接連接接地導體及接地電極，接地阻抗很小。
2. 電阻接地：中性點經接地電阻接地，用以限制接地故障電流。
3. 電抗接地：中性點經電抗器接地，用以限制故障電流。
4. 非接地系統：電源中性點不直接接地；系統對地電位主要受對地電容等因素影響，須配合適當的故障偵測與保護方式。

接地目的

• 穩定系統相對大地的電位，降低正常運轉時各相對地電壓的不確定性。
• 限制雷擊、開關操作或單相接地故障引起的異常對地電壓。
• 為接地故障建立可預期的電流路徑，使保護電驛、熔線或斷路器能偵測故障並切離故障電路。
• 依系統特性限制接地故障電流，兼顧人身安全、設備保護及供電連續性。

（二）設備接地：方法與目的

接地方法

將設備外露導電部分，例如馬達外殼、配電盤箱體及金屬管槽，以保護接地導線（PE）連接至接地端子板或接地母排，再依系統接地配置連接至接地端及接地電極。各設備外殼應以保護接地導線作可靠連接，不應只靠設備彼此串接來形成接地路徑。

接地目的

核心觀念

本題依序運用最高需量、參差因數與負載因數：

• 設備最高需量（kW）＝設備容量（kVA）×功率因數×需量因數。
• 一群負載的最大需量＝各設備最高需量總和÷參差因數。參差因數大於 1，表示各設備的最高需量不會同時發生。
• 平均功率＝設備最高需量×負載因數。
• 全月用電度數＝平均功率×全月時數。以下按 30 日計算，即 $24\times30=720$ 小時。

解題方法

（一）各設備的最高需量

依「設備容量 × 功率因數 × 需量因數」計算：

（二）各變壓器的最小容量

依題目所列單位 kW，以各變壓器下游設備的最高需量總和除以設備間參差因數：

這兩個數值是依題目 kW 單位求得的需量。實際選用變壓器額定容量時，通常以 kVA 表示，仍須依功率因數換算。

（三）總平均功率

核心觀念

本題考三相短路的 MVA 法：先把電源、變壓器及線路的阻抗換算成短路容量，再依故障點串聯阻抗合成短路 MVA，最後換算為故障點電壓側的對稱短路電流。

常用公式如下：

其中 $S_{\mathrm{sc}}$ 以 MVA、$V_{\mathrm{LL}}$ 以 kV、$Z$ 以 $\Omega$ 表示。兩個串聯阻抗對應的短路容量合成為：

由短路容量換算三相對稱電流：

解題方法

$F_1$：變壓器一次側故障

$F_1$ 位於電源與變壓器之間，故障電流由電源短路容量決定，不需計入下游變壓器及低壓線路。

故障電壓為 $11.4\ \mathrm{kV}$：

$F_2$：變壓器低壓側故障

變壓器額定容量為 $1\ \mathrm{MVA}$，阻抗為 $10\%$，其短路容量為：

電源與變壓器阻抗串聯，合成短路容量為：

核心觀念

三相短路電流由故障點往電源側看，取決於電源阻抗與變壓器阻抗的總和。先將兩者換算到同一個容量基準，再以總阻抗求故障電流。電驛部分則將故障電流除以啟動電流，代入題目給定的反時性時間公式求 $k$。

解題方法

以變壓器額定容量 $750\ \mathrm{kVA}$ 為共同基準。電源側三相短路容量為 $500\ \mathrm{MVA}$，故電源阻抗的標麼值為：

變壓器阻抗為 $5.7\%$，因此總阻抗為：

低壓側三相線電壓為 $380\ \mathrm{V}$，其額定線電流為：

故障點 $F$ 的對稱三相短路電流為：

因此，對稱故障電流約為 $19.48\ \mathrm{kA}$。

電驛動作時間與 $k$ 值

變壓器高壓側額定電流為：

啟動電流設定為滿載電流的 $135\%$：

核心觀念

本題考查高壓受電單線圖中的一次側設備配置及CT、PT 二次側保護與量測回路：

• **CT（比流器）**將一次側大電流轉為保護電驛及電表可用的二次電流，供 $50/51$、$51N$、A、KW 使用。
• **PT（比壓器）**將一次側高電壓降為二次電壓，供 $27$、V、KW 使用。
• AS、VS分別是電流表選擇開關、電壓表選擇開關，用來切換所要量測的相別或線間電壓。
• $50/51$ 是瞬時及時間過電流保護；$51N$ 是接地過電流保護；$27$ 是低電壓保護。保護電驛動作接點接至 CB 跳脫回路。

解題方法

先依功能把設備分為一次側與二次側。CT 串聯在受電主回路，PT 並聯於受電母線；再把保護電驛和電表接至相應的 CT、PT 二次回路。圖示採三相三線受電，接線如下：