王昭輝
台電第三核能發電廠
B.儲能式操作機構（Stored Energy Operating Mechanisms）
儲能式操作斷路器皆屬於金屬殼外罩式開關箱（ Metal-Clad Switchgear），開關箱 （Switchgear）這個術語（或名詞）被用來描述整體金屬包封物件內斷路器和它們的保 護設施。開關箱於設計上有不同電壓等級的應用，本章節我們將討論低電壓（＜600VAC） 及中電壓（ 4.16KV to 13.8KV）斷路器類型。
圖 22是本廠 GE典型低電壓金屬包封開關箱（ Metal-Clad Switchgear）AKR斷路器 負載中心（ load center）盤面前視圖。在低電壓配線系統中開關箱提供了安全、方便且 又經濟的控制和保護。這些斷路器的款式如圖 22d所示，最高額定電壓為 635VAC，連 續額定電流是 800安培至 2000安培，遮斷容量是 30000安培至 200000安培。
如附圖 22所示照片，在外蓋後面即為斷路器本體，圖 22a所示為本廠單只可抽出 式 AKR低電壓開關箱 (LOW VOLTAGE SWITCHGEAR）前觀外型，版面配置如圖 22a 及 22b所說明。斷路器能夠完全遙控電動、現場開啟（跳脫）或手動儲能（僅在測試位 置）的操作。斷路器控制電源為 125VDC，如附圖 22c及 22d銘牌所示。
（A）負載中心斷路器（AKR-4BE-30 480VAC）操作介紹
AKR斷路器內部控制接線圖 如附圖 22e所示，當斷路器於搖入 位置時，只要控制電源 125VDC 開關投入後儲能馬達立即啟動，經 齒輪和連桿將投入彈簧拉長儲 能，一旦斷路器接受投入訊號時， 電源 125VDC從 A3接頭經過防止 再投入輔助電驛（ 52Y）b接點及 兩組併聯的彈簧儲能極限接點 （52SM/LSa）賦能輔助投入線圈 （52X），然後 52/X輔助接點閉合 賦能投入線圈（52CC）後，彈簧 因此被釋能推動連桿使斷路器動、靜主接觸子閉合電源 480VAC因此流入馬達啟動設 備，同時機械連桿亦將開啟彈簧（ Opening Spring）儲能和輔助接點（ 52/a、52/b）轉態。 投入線圈（52/CC）賦能當時也使其接點 52/CC閉合激磁防止再投入線圈（52Y、anti-pump auxiliary relay），52Y再靠本身輔助接點 52/Y自激，防止當投入訊號仍存在時，投入的 斷路器不明原因跳脫，再度重複投入與開啟，此種防範措施俗稱自由跳脫（ TRIP FREE）。釋放能量後的彈簧，馬上經由 52/X串聯 52SM/LSb（兩組）接點再加壓儲能馬 達（Charging Motor）將彈簧再度儲能，以備下次投入用。當斷路器投入同時間其輔助 接點 52/b會開啟使投入輔助電驛 52X失能，接點 52/X開啟， 52/CC因而失能。斷路器 指示紅燈亮起，綠燈熄滅。
當斷路器接收開啟指令時，跳脫訊號會旁通紅燈，斷路器控制電源 125VDC經斷路 器 A6接頭及輔助接點（ 52/a）賦能開啟或跳脫線圈（ 52TC），儲能的開啟彈簧因而被 釋放拉動連桿使斷路器動、靜主接觸子瞬間被拉開，設備因此而斷電停止運轉，這時斷 路器 52/b接點閉合，指示綠燈亮起， 52/a開啟，指示紅燈熄滅。
斷路器須維修測試時，必須壓入斷路器 TRIP/RESET按鈕後打開斷路器搖入 /出掀 蓋，插入曲柄工具將斷路器搖出至測試位置（ TEST POSITION），斷路器有一位置輔助 接點（ 33a）會閉合，電源 125VDC因而連線至斷路器接頭 A2，只要於現場斷路器前盤 蓋子按下投入按鈕（ PB/CLOSE）賦能 52/X線圈，斷路器投入情形和前述動作相同， 此時若欲開啟斷路器則須按下跳脫 /復歸（ TRIP/RESET）機械按鈕，透過釋放連鎖將開 啟彈簧釋能，將斷路器打開。至於斷路器跳脫兼復歸按鈕另一功能即為當斷路器因為過 電流跳脫時做為復歸過載接點 52BA。註:本廠 AKR斷路器過電流跳脫係利用負載比流 器以電流成比例方式傳遞至電子式電流感測器【 Electronic Current Sensor,ECS】（如圖 22u照片）來監視負載運轉電流，若測出電流超越過電流設定則 ECS就會動作驅使 52BA 接點導通，跳脫斷路器。
參考圖片 22f~22u為本廠負載中心（Load Center）GE AKR-4BE-30 480VAC 斷路器內部各組件及現場操作展示照片。
B.中高電壓開關箱型斷路器（Medium Voltage Switchgear）操作介紹
中高電壓開關箱提供發電 機、馬達、變壓器和多數饋線 迴路等集中式控制和保護。開 關箱（ SWITCHGEAR）電壓額 定從 4.16KV至 13.8KV，最大 正常遮斷容量為 350MVA至 1000MVA。開關箱種類有空氣 型與真空型兩者，它們能有效 使用於室內（本廠為室內型開 關箱，如圖 23b）和室外。開 關箱外櫃如照片圖 23和 23a。
在後續章節裡吾將從開關箱 （SWITCHGEAR）基本結構圖與操作 做說明。基本上中高電壓斷路器 （ Medium Voltage Switchgear Breakers）的操作非常相似於前章節低 電壓開關箱斷路器（ Low Voltage Switchgear Breakers）。
本廠 13.8KV開關箱斷路器 （AM-13.8-750-5 1200 & 2000Ampere 型式）為例（圖 23c），該款式屬 GE 公司生產製造的磁吹型斷路器 （Magne-Blast Circuit Breaker），斷路 器額定連續工作電流為 1200A。斷路 器控制電源為 125VDC，它能夠完全遙 控和現場操作及測試。斷路器開啟的 電弧遮斷（ interrupting）是利用斷路器開啟時之操作機構擠壓活塞吹氣加上誘導電磁力 將電弧導入消弧室深處以熄滅電弧。開關箱斷路器平常是被推入櫃內，定位後再使用一 個小型直流升降馬達（ Elevating Motor）經由斷路器手動離合器驅動升降機構鍊條（如 圖 23d&23e）將斷路器緩緩上升直到斷路器上部六只絕緣襯套球形接頭（如圖 23c左側 照片）與匯流排及負載套筒（如附圖 23f）相結合。斷路器於櫃子內搖上和搖下狀態（如 圖 23a所示）。
（A）13.8KV中高電壓斷路器操作機構介紹
磁吹式斷路器包括兩個基本組件：斷路器與操作機構。斷路器元件是三相似的電 極單元組成，每極單元組件包含電流流徑的主接點（ Main Contact 圖 23g）和電弧接點（ Arcing Contact圖 23g）吹熄氣缸（ booster cylinder圖 23g）、 遮斷器（或稱消弧室如圖 23h）及屏蔽以提供相間絕緣。
斷路器操作機構（ ML-13）屬儲能式設計，給予斷路器快速投入和開啟。投入及開 啟斷路器可藉由電氣遙控或現場電氣控制或機械式壓按手動投入和開啟槓桿。所有的二 次側控制線路連接是透過斷路器的公耦合器 (如圖 23b、23c所示)銜接於開關箱金屬外殼 上的母耦合器 (如圖 23d所示)。
為了工作人員的安全，斷路器本身 設置有彈簧釋放機構連鎖（如圖 23k所 示），當斷路器被搖出開關箱金屬外殼 時，投入和開啟儲能彈簧因此被釋能放 鬆。
斷路器設有一個定位連鎖（ positive interlock，如圖 23j藍框線所示）及連鎖 開關(interlock switch，如圖 23j紅框線所 示)以避免當斷路器於升降過程中，還沒 完全搖出或搖入時投入的操作。為了確 保該連鎖功能，於手動操作或電氣操作 斷路器期間，設備提供了機械及電氣閉 鎖，因此投入彈簧不論任何原因被釋放 對抗定位連鎖，機構將被軋住而無法動 作。機構須要藉由按壓跳脫手桿（Manual Trip Lever，如圖 23L紅框線所示），此 時按壓力量需比平常更多以重置（ reset） 機構。
如圖 23d所示，當金屬 開關箱斷路器搖入定位時柱 塞螺栓會上頂一輔助開關， 此開關可作為和其他斷路器 之電氣連鎖用，譬如 5th EDG和 Delava EDG輸出斷 路器之間的電氣連鎖。
（B）彈簧儲能（ Spring Charging）
斷路器操作機構裝設一 台高速齒輪馬達（ high speed gear motor，圖 23j & 23L藍框線所示），馬達轉動透過偏心齒輪（ eccentric gear）轉換成 垂直動作操縱驅動爪桿（driver pawl lever）和驅動爪鉤（driving pawl）轉動棘輪盤（ratchet wheel）以壓縮投入彈簧 （closing spring）。於每次 壓縮儲能操作期間，當驅 動爪鉤驅使棘輪盤小角度 轉動時防逆轉爪子 （latching pawls）能保持棘 輪盤於定位不至於後退， 當棘輪盤轉動約 180度後 投入彈簧就此完成壓縮儲 能【參考圖 23i】。於棘輪 盤持續旋轉壓縮彈簧儲能 期間，一旦旋轉超過棘輪盤中心線時彈簧負荷將轉 換，企圖釋能或稱釋放，此刻因為投入滾輪（ closingroller圖 23j、23m所示）已經嚙合 投入閉鎖（ closing latch，圖 23m），壓縮儲能彈簧因此被固持於閉鎖位置直到需要斷路 器投入的操作，當棘輪盤轉動至最後些許小角度時開關動作器（ Switch striker，圖 23m） 會離開極限開關令儲能馬達電源接點開啟停止馬達轉動，此刻驅動爪鉤被浮起離開棘輪盤表面，因而儲能馬達和其操縱機構能夠消 耗所有餘能回到起初停止的狀態。
於投入彈簧壓縮期間電驛 52Y（圖 23m） 是賦能的，直到彈簧完成儲能及控制開關接 點重置（re-set）為止。
一旦喪失直流控制電源 125VDC，投入 彈簧是可以手動操作壓縮儲能彈簧（操作方 式如圖 23n所示範）。手動壓縮儲能需要一支 5/8英吋的扳手套筒套入儲能螺栓後以逆時 鐘方向轉動偏心機構直到彈簧指示牌顯現出 『儲能（ charged）』字樣（圖 23p）和驅動爪 鉤離開棘輪盤（ ratchet wheel）。於無預警情 況下突然喪失控制電源時棘輪扳手（ ratchet wrench）提供了最大的安全防護，一旦控制 電源恢復後馬達將凌駕棘輪扳手繼續驅動壓 縮儲能彈簧。
（C）投入操作（ closing operation）
斷路器能夠藉由電力賦能 投入線圈（ closing solenoid，圖 23m所示）或手動按壓投入按 鈕（closing button，如圖 23）， 任一種方法都會使在投入滾軸 （closing roller）下方之投入閉 瑣（closing latch）裝置離開閉 鎖位置釋放投入彈簧（ closing spring）。彈簧的能量是透過斷 路器操作機構連桿轉動凸輪 （cam，如圖 23q），於投入操 作期間的任何時刻整體機構是 屬自由跳脫（ trip-free）的機制。 斷路器藉由投入支柱（ closing prop，圖 23q項目 5）
移動位置到支撐栓（ prop pin，圖 23q項目 4）下方以保持於投入位置。在斷路器投 入操作期間開啟彈簧（ opening springs，圖 23i項目 4）被壓縮儲能並連合跳脫閉瑣（ trip latch，圖 23q第 17項）頂住跳脫閉瑣滾輪（ trip latch roller，圖 23q第 19項）以做為斷 路器開啟的準備狀態。當斷路器已經完成投入操作且投入閉鎖（ closing latch，圖 23m） 也完全地重置 （re-set），同時因為 投入閉鎖監視接點 （ latch monitoring switch，圖 23s第 13 項）閉合允許儲能馬 達賦能重新再儲能 投入彈簧。
（D）開啟操作（ opening operation）
斷路器可以電氣賦能跳脫線圈（ trip coil，圖 23第 3項或 23p黃框線所示）或手動按壓跳脫桿 （manual trip lever，圖 23L）開啟斷路器。
任一跳脫方式均是讓跳脫閉瑣（ trip latch， 圖 23q）轉離跳脫滾輪（ trip latch roller，圖 23q）以瓦解支撐操作機構連動裝置，這麼 一來儲存於開啟彈簧的能量被釋放，成功地 遮斷迴路提供了必要的開啟速度。
當斷路器開啟遮斷電流時，電弧首先發 生於電弧接觸子（ arcing contacts，圖 23s第 5&21項）再傳遞至電弧收入器（ arc runner， 圖 23s第 3&8項）及賦能吹熄線圈 （blow-coil，圖 23s第 2&7或圖 23g），於遮 斷器極塊（ pole pieces，圖 23s第 4&9）間 產生磁場強制電弧更深入消弧槽（ arc chute，圖 23s第 6項）同時吹熄氣缸經由吹 氣管及活塞（ booster tube & piston，圖 23s 第 22項）擠壓空氣吹向電弧，驅逐電弧遠 離接觸子進入消弧槽（ arc chute）。當磁場強 制電弧沿著分叉的電弧收入器（ arc runner） 深入遮斷器，隨著每段迴路增加插入的吹熄線圈（blow-out coils）磁場逐步增強。消弧槽（ arc chute）是一連串的插入式陶瓷鰭片 （ceramic fins，圖 23h所示）組成，當電弧被強迫深入遮斷器後於陶瓷鰭片間逐漸被拉 長並經過蜿蜒的路徑，因此電弧的電阻快速地增加且它的熱能則由陶瓷物吸收。增加的 電阻降低了電流的規模及相角且在電流為零前電弧無法再建立。
（E）自由跳脫操作（ trip-free operation ）
當斷路器投入的同時，假設跳脫線圈迴路賦能驅動跳脫電樞（ trip armature，圖 23q 第 13項）將強制跳脫閉鎖（ trip latch，圖 23q第 17項）離開跳脫滾輪（ trip latch roller， 圖 23q第 19項）導致機構連動裝置崩潰使斷路器再開啟（re-open）。但是投入凸輪（closing cam，圖 23q第 8項）則繼續完成投入動作且投入彈簧再被儲能。為使讀者對於所謂斷 路器自由跳脫（ trip-free）的意義更清楚，吾簡單定義自由跳脫：『只要斷路器於投入操 作期間發生跳脫行為致使斷路器開啟後即使投入訊號仍然存在，斷路器亦無法再投入， 稱為斷路器自由跳脫（ trip-free）。』
（F）13.8KV磁吹斷路器（ AM-13.8-750-5）操作機構控制線路介紹
基本上13.8KV磁吹斷路器控制線路和 480VAC負載中心斷路器控制方式是很相似 的，所以吾不再贅述，只簡易說明如下。
磁吹斷路器（ magne-blast breakers）典型的基本控制線路如圖 24所示。當控制開關轉至閉合（ close）時投入接點（ CS-C）閉合，控制電源透過連鎖接點（ 52/IS）、防再投 入控制電驛（ 52Y）接點、閉鎖確認或稱監視接點（ 52/LC）【註：該接點視需求而使用】、 斷路器輔助接點（52/AUX.SW）及馬達極限 a接點（52/SM-LSa）後賦能投入線圈（52X）， 當 52X被激磁後其電樞將往上頂開投入閉鎖機構（ CLOSE LATCH），投入彈簧能量被 釋放去推動操作機構連桿將斷路器投入啟動設備。當斷路器投入後其輔助 b接點 （52/AUX.SW）會開啟截斷投入線圈（ 52X）的控制電源，同時因為投入彈簧被釋放後 儲能馬達極限 b接點（ 52/SM-LSb）會再閉合賦能起動彈簧壓縮馬達（ 52/MOTOR），再 度將投入彈簧（ CLOSING SPRING）儲能並且賦能防再投入控制電驛（ 52Y），52Y電 驛則透過其 a接點自行封磁，此時 52Y電驛串連於 52X線圈的 b接點開啟，維持斷路 器於投入操作期間只可以投入一次之限制，這就是俗稱【 TRIP-FREE】運作，也稱為防 再重覆投入【 ANTI-PUMP】。此防衛的機制在避免斷路器的重覆投入導致設備和斷路器 的損壞。斷路器投入後串聯於開啟線圈的 52輔助 a接點會閉合，以等待斷路器開啟或 稱跳脫的需求。當開啟控制開關切至跳脫時， CS-T接點閉合控制電源經過 52輔助 a接 點賦能開啟線圈（ 52/TC），其電樞會往上拉動跳脫閉鎖（ TRIP LATCH）崩解操作機構 連桿再靠儲能的開啟彈簧（ OPENING SPRING）能量的釋放快速的將斷路器開啟。圖 25為本廠 4.16KV磁吹斷路器前視圖和右側視圖部分各設施說明照片提供讀者參考。
