王昭輝（台電第三核能發電廠）
壹、前言
斷路器、隔離開關與電驛都是電力系統內重要的特殊設備，這些裝置於電力系統中各有其特別的用途。這些設備原本皆來至於國外，所以在英文專有術語上，中文翻譯是很難完整去表達及區分這些設施，譬如CIRCUIT BREAKER和SWITCHGEAR在英文上就很容易體會其不同，但在中文翻譯上兩者都是屬斷路器，唯獨其使用是以其容量和功能做區分，所以為了避免混淆，SWITCHGEAR吾就稱為開關箱，爾後仍然有不少開關的翻譯隨後都會加註英文名稱，以免學習者誤解。為了要讓學習者更容易瞭解，所以在此章節中本人儘可能特別放置較多之參考圖片，擴展學習者視野，但是有些圖片實在很難獲得，就只好用文字詳述。
這篇斷路器、隔離開關與電驛基本技術 文章所介紹內容如下：
＊概略基本的電力系統圖並說明何種裝置是斷路器（circuit breakers），隔離開關（disconnects）及開關箱（switchgear）。
＊說明下列各型式斷路器（circuit breakers）的運作：
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油斷路器（oil circuit breaker）。
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氣吹斷路器（air-blast circuit breaker）。
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六氟化硫斷路器（SF-6 circuit breaker）。
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真空斷路器（vacuum circuit breaker）。
＊論述不同型式斷路器投入方法。
＊論述低、中電壓開關箱（Low and Medium voltage switchgear）的功能及操作結構。
＊敘述隔離開關（Disconnects）的結構和功能。
＊敘述各種不同保護電驛（Protection Relaying）的用途。
貳、概述
電力能量的輸送一般不若電力的生產，可用來賺取巨額的利益。無論如何，能夠以安全及可靠的方式作電力傳輸是極為重要的。於電力系統發生故障時，我們使用斷路器、隔離開關和保護電驛等組合設施來執行電力的輸送及提供自動的隔離保護。
身為運轉人員，我們依賴這些不同的組件發揮正確的保護功能，以降低單一的故障而損害到其他組件或者是電力輸送的可能性。本文將介紹這些組件和敘述它們的構造和運作。
（一）典型的電力系統
在還沒論述各種組件的結構和操作前，讓我們先觀看一張典型的電力系統輸電線路圖（附圖1），從此線路圖中，我們可以看出許多斷路器、隔離開關和變壓器被安排於電力系統開關場及電廠之間。如本張線路圖所示，裡面需要有很多斷路器遍佈於電力系統中，這些斷路器都依據個自的電壓、電流及功率的需求而有不同的額定。各種的電力網路保護用來偵測迴路故障及藉由打開其供電斷路器以隔離受影響之組件及匯流排。如此就能幫助非故障組件確保得以持續的供應電力。
附圖1、典型的電力系統線路
1.斷路器（circuit breakers）
『電力斷路器』（Power Circuit Breaker）是一個廣用於切斷電力迴路的通用名稱。原則上，任何被用於輸、配電力系統中做負載切斷使用的開關裝置都被稱為電力斷路器（P.C.B），但是於通俗及工業標準上，這個名稱僅被適用於具有電力迴線短路切斷能力且額定電壓高於600伏特以上的電力開關設備。外貌結構的不同，也是另外一種區分斷路器的方式。電力斷路器（PCB）是可以搭配金屬外殼或各相獨立型式等組裝而成。
所有電力斷路器（Power Circuit Breakers）必須有能力切斷線路正常的負載及發生短路之迴路電流，且能夠撲滅接觸子分開時所產生的電弧。遮斷電弧的方式有很多種，較為通用的方法包括：利用絕緣油冷卻及熄滅電弧；高壓氣體或空氣系統吹滅電弧；近代則也使用真空遮斷器做消弧或六氟化硫氣體遮斷電弧。
(1)油斷路器（OCB）及油消弧器（Oil Interruption）
雖然很多較新穎的電力系統運用，選擇了氣體斷路器及真空斷路器，但對於大型電力斷路器，傳統上仍選用絕緣油為遮斷媒介，直至今日大部分的電力斷路器仍是用絕緣油斷路器設備。
基本上，油斷路器（OCB）是一個相對較為簡易的設備。附圖二是一個典型的油斷路器內單極遮斷器（one-pole interrupter）的展示，圖2a是油斷路器主接觸子實體照片。這些機械裝置是框於蓋內並和絕緣襯套同浸於槽內電氣絕緣油中。外接的電氣線路是連接於絕緣襯套的頂端，而迴路的閉合或開啟是藉由該設備底部馬蹄型接點。圖中固定接點是安置在絕緣襯套及遮斷器格柵『interrupter grids』底下，遮斷器格柵是由似如薄片狀疊成的方塊銜接於絕緣襯套的下方，馬蹄型可動接點（horseshoe-shaped moving contact）之上方。
關閉或稱呼『構成迴路』（”make”the circuit）是經由機械連桿拉起可動接點進入遮斷柵格與固定接點密合的意思。當迴路需要切斷時，斷路器機構會跳脫（tripped）同時將可動接點快速地從遮斷器抽出。假如整體組件沒有浸泡於絕緣油中或者其他適當的遮斷媒介，則會產生持續性之電弧，然後快速地毀損斷路器，如附圖3所示。若是浸泡於絕緣油中時，當接點分離產生電弧時，絕緣油會被化學分解成氫氣、甲烷（methane）和其他氣體，同時電弧被拉長且額外的絕緣油被『迫入（forced into）』電弧路徑，氫氣被電弧游離且油流（flow of oil）及其他氣體會擁入電弧流（arcing stream），幫忙冷卻並撲滅電弧以切開迴路。
於電弧發生的過程期間會產生可燃性氣體，這些氣體會從遮斷器柵格被逐出，且氣泡會通過絕緣油上升至槽頂。此外這些氣體藉由穿越絕緣油達到槽頂時，即使有氧氣存於油槽上方，也可以得到足夠的冷卻以避免被點燃，如附圖4所示。雖然根據斷路器額定電流和電壓其遮斷器機構款項有很多種，但是所有浸油型式的電力斷路器（PCB）其遮斷方式都如上所述。
A.單槽式油斷路器（Single-Tank Oil Breakers）
附圖5和6所示為電力系統和二次變電站普遍使用及應用上，一種非常重要類型的斷路器；因為三相和遮斷器都浸泡於同一個油槽內，因此稱為單槽式油斷路器。
斷路器遮斷裝置基本上如壹、前言所述，斷路器接點及遮斷柵格都浸泡於油槽深處。
雖然大部分這些斷路器皆應用於69KV或更低電壓，但有些廠家仍然提供設計至161KV等級。
低電壓系統使用單槽式油斷路器非常地普遍。美國在高電壓等級之應用上，仍不太接受單槽式油斷路器；目前大部分使用者仍然較偏好每相分開各自獨立之油槽，以避免單相故障而衍生為三相短路故障。
B.三槽式油斷路器（Three-Tank Oil Breakers）
附圖7和附圖8所示為兩種重要類型的三槽式油斷路器：架空型和落地型。這些斷路器的操作基本上和前面所述是相同的。
附圖7所示為一個三相式外框架空型油斷路器（Framed Mounted Oil Circuit Breaker），這款型式斷路器是每相裝設於獨立分離的油槽中，非常相似於單槽式斷路器，在應用上就是將每個單槽單極斷路器併聯而成三相之油斷路器。
三槽式油斷路器價錢是比單槽式油斷路器貴很多，但是三槽式油斷路器各相隔離之設計，對於斷路器三相故障相對提供較為安全的保障。然而，因為隨著科技之發展，斷路器是越來越可靠及二次變電站和其輸電線路之後備保護之改良，各相隔離之使用已傾向於不那麼重要了，尤其在電壓較低之電力系統。附圖8是一個大型之落地固定型（Floor-Mounted）三槽式油斷路器，它們普遍使用於電壓高於242KV的輸電線路系統。這些斷路器的功能在各方面皆相似於小型之外框架型式的斷路器。它們巨大的落地固定外表是由於它們使用於較高之電壓，因此需要大型的油槽以容納大量的絕緣油。
（2）氣吹式斷路器（Gas Type Circuit Breakers）
另外一種重要類型的電力斷路器，它是利用壓縮氣體作消弧遮斷。原則上，當斷路器接點開啟時利用氣體或空氣做為絕緣媒介，用來吹滅或撲滅電弧。不同的廠家所製造的各種型式的斷路器通常使用壓縮空氣做為電弧的遮斷媒介。
氣吹式斷路器之高壓空氣儲存槽是隨時在可用狀態，當迴路需要切斷時，機械連桿打開主迴路接點同時亦從壓縮空氣儲存槽開啟一個閥，閥嘴直接噴射高壓空氣侵入電弧路徑，這些空氣強流（brute force）吹熄電弧或將電弧鑿溝，並逼其進入消弧室（Arc Chute）（一種用來分割、拉長和冷卻電弧的遮斷裝置）。一個典型的壓縮空氣式斷路器如附圖9，附圖9a為氣吹式斷路器實際外貌及可動、靜接觸子照片。
A.六氟化硫斷路器SF-6(Sulphur-Hexaflouride Gas Circuit Breakers)
另外一種類型的氣體遮斷斷路器是利用六氟化硫（SF-6）作為遮斷媒介，基本上，六氟化硫斷路器的工作原理非常相似於壓縮氣吹式斷路器。以本廠161KV和345KV六氟化硫斷路器為例，它們皆屬於加壓式SF-6斷路器。如附圖10&11，遮斷器是和斷路器封裝在一起的，圖中所示為161KV斷路器運用吹氣器（Puffer）熄滅電弧的工作原理，當斷路器接點分開的瞬間，活塞壓縮SF-6氣體進入吹氣缸（Puffer Cylinder），藉著移動吹氣缸使SF-6壓縮氣體疾速地吹向電弧以熄滅電弧。
附圖10、161KV六氟化硫斷路器遮斷電弧示意圖
附圖11、裝置SF-6氣吹式遮斷器的典型斷路器
SF-6氣體不會像壓縮空氣式斷路器於撲滅電弧時將空氣排放至大氣。加壓的SF-6氣體是被包封於斷路器內，不斷地重覆循環使用，因為SF-6斷路器是密封及閉路循環的系統，所以在開、閉操作時格外地安靜。相反地，壓縮空氣式斷路器於開啟遮斷操作時就會因高壓氣體排放至大氣的聲音，顯得非常尖銳吵雜。
SF-6斷路器是當今超高壓（Extra High Voltage）輸配線路最重要類型的電力斷路器，此款式斷路器附帶空氣操作機構和封閉式循環氣體系統，疾吹至跳脫組件以撲滅電弧。之前所有圖面所示之斷路器也被稱為『死槽式』設計（dead-tank designs），就是整個金屬包封容器包括遮斷格柵及裝置皆必須接地，所以槽的外殼是可以觸摸的。如果斷路器金屬壓力槽和遮斷器是用陶瓷絕緣而沒有接地，稱為活槽式設計（Live-Tank Designs），如附圖12所示之簡易圖面。
圖14所是一個單極式550KV SF-6斷路器，照片中左側兩個垂直圓柱和遮斷器槽是斷路器的一部分，它們是串聯操作的。右邊陶瓷絕緣的金屬槽是550KV的比流器，它是用來提供電流給保護電驛以控制斷路器。除了外觀結構之外，活槽式斷路器亦能從這些氣吹式斷路器的遮斷器組件（Interrupters module）構造來分辨。圖中兩個頂部陶瓷遮斷器頭圓柱必須串聯運作，在如此高電壓系統置每相遮斷器於各別槽內且將其串接是比將所有的遮斷器置於同一巨大槽內更方便。
各種不同電壓等級的需求能夠透過修改其組件及它的外觀形狀作處理。如額定電壓為345KV每相僅需兩只接點和一個遮斷器單元（interrupter module），但是550KV及800KV每相則需兩只接點（two breaks/phase）和兩組遮斷器單元。每相皆各自有氣動操作裝置以關閉斷路器和彈簧儲能，這些機構提供所有三相同步的操作。
（3）真空遮斷（vacuum interruption）
於一次輸配電壓系統，極為普遍地利用真空遮斷器（vacuum interrupters）提供另一種消弧方法，電壓使用範圍可達34.5KV。基本上真空遮斷與氣體（gas）或油式（oil）斷路器非常不同。真空斷路器的接點是密封於陶製包封（envelope）或瓶（bottle）內，真空瓶（vacuum bottle）須要抽真空達約10-7陶爾（Torr）非常低的大氣壓力。雖然遮斷的技術相當複雜，但真空斷路器則是利用電弧的維持需要有可導電的路徑的工作原理，運用瓶內抽真空致沒有氣體可游離，也就無導電的路徑，因此於瓶內電弧就無法成形。
圖15所示為單極真空遮斷器（或真空瓶）內部結構圖。該裝置的外表出奇簡單，整個包封容器具有固定接點和開、關行程很短的可動接點（通常少於1吋）及配備一個金屬伸縮囊（flexible metal bellow）。雖然真空遮斷器的設計製造相當複雜，但是斷路器應用這些裝置在操作上會更簡單，斷路器接觸子的投入或開啟僅需要一個輕量的機械，如剛才所見，是非常不同於和含有大量絕緣油或氣吹式斷路器厚重的機械結構。
A.真空斷路器(vacuum circuit breakers）
圖15所示是一個電壓15KV的真空斷路器，圖中僅顯示單一遮斷器和電極。
一個完整的真空斷路器共有三組相同的電極和真空瓶式遮斷器（如附圖17a）。附圖16是真空遮斷器拆開後所展示的照片，附圖17是展示單一電極真空遮斷器安置於真空斷路器內之照片。
真空斷路器具小型的操作機構且不複雜，因為真空遮斷器所需要的只是些微的機械操作移動。
在圖18照片中，斷路器是利用一台儲能馬達（charging motor）透過機械連桿以壓縮彈簧做為斷路器投入使用，謂之投入彈簧，斷路器利用投入的力量將另外一組彈簧儲能以提供斷路器開啟用。
由於電流技術的極限，真空斷路器使用被侷限於一次輸配電系統；但無論如何，不斷研究發展以提高真空斷路器能使用於較高電壓的容量，仍於業界持續探索中。
（4）操作機構（Operating Mechanism）
所有電力斷路器（PCB）皆有相似的機械操作方式。當斷路器需要投入迴路時，有些操作機構除了閉合或開啟接點外，同時去壓縮或稱儲能（charges）另一只彈簧作為斷路器需要跳脫操作時，開啟接點的力量。例如附圖19所示，為一個氣吹型斷路器簡化式的操作機構。當斷路器需『跳脫（Tripped）』時，開啟彈簧被釋放且同時驅使連桿快速地打開接點。因為開啟的動作須非常快速，通常必須小於一個週期（one cycle），所以彈簧必須相當有力量（very powerful）。這就是說投入的機構在關閉接點的同時，壓縮或儲能跳脫彈簧也必須具備很大的力量，特別是在巨型的電力斷路器這些機械連桿及彈簧就顯得相當的巨大厚重。
由於業界所應用之各類巨大型電力斷路器款式很多，譬如油斷路器（OCB）或氣吹式（Air-Blast）或六氟化硫（SF-6）等氣體型斷路器（GCB）等。所以在此我們不逐一的介紹，在本課程內，吾就以本廠的345KV SF-6 GCB斷路器操作機構為例做簡單的說明。如附圖20所展示的畫面是一個典型345KV巨大斷路器之氣動式操作機構，氣動操作力來至於15kg/(cm2)空氣儲存槽。
A.投入操作（Closing operation）
當斷路器接收到投入訊號操作時，投入線圈（Closing coil C-12）被激磁賦能釋放鉤住器（Catch C-13），導致投入彈簧（Closing spring C-20）往左推動投入閥門（Closing valve C-2）。壓縮空氣因此進入止回閥門（Check valve C-9）並推動操作活塞（Operation piston C-3）至右側，這樣的移動再經油緩衝器（Oil dashpot C-6）傳動至消弧室使接點閉合，同時壓縮空氣也進入復歸活塞（Reset piston C-4）的左側，推動復歸活塞至右邊，因此使投入閥門（Closing valve C-2）再關閉，投入閥門左側壓縮空氣因而排放，同時間鉤住器（Catch C-13）再度閉鎖。此刻於操作氣缸（Operating cylinder C-8）內之空氣經由止回閥門（Check valve C-9）進入投入閥門（Closing valve C-2）左側快速地排放，完成投入操作，此刻斷路器的將藉由肘頂彈簧機構（Toggle spring mechanism C-7）保持在投入位置。
B.開啟或跳脫操作（Tripping operation）
當開啟訊號送到斷路器時，跳脫線圈（Trip coil C-10）被激磁賦能抵銷永久磁鐵（Permanent magnet C-14）作用於電樞（Amature C-19）的磁力線，因此跳脫彈簧（Trip spring C-15）的力量即足以將電樞（Amature C-19）拉離永久磁鐵（Permanent magnet C-14）。這樣的移動經連桿驅使跳脫閥門（Trip valve C-1）向右移動，壓縮空氣因而被引進操作氣缸（Operating cylinder C-8）推動操作活塞（Operation piston C-3）至左側，於是操作氣缸（Operating cylinder C-8）左側空氣經止回閥門（Check valve C-9）而排放。操作活塞（Operation piston C-3）是經連桿（Link C-5）及絕緣操作桿（Insulating operating rod A-10）機械連結至消弧室可動部分，當操作活塞移動至左側會壓縮存於吹弧氣缸（Puffer cylinder A-2）內的SF-6氣體及拖離指接點（Finger contact A-9），啟斷電流因此積聚於固定電弧接點（Fixed arcing contact A-1）與可動電弧接點（Moving arcing contact A-6）的間距上。當可動電弧接點與固定電弧接點分離時，移動中產生之電弧，隨即被壓縮的氣體（SF-6）吹熄。至於操作活塞連桿於動作尾聲的機械震動，則藉油緩衝器（Oil dashpot C-6）吸收。斷路器開啟操作的同時，壓縮空氣經通過跳脫閥門（Trip valve C-1）進入復歸活塞氣缸（Reset piston cylinder C-18）的右側推動復歸活塞（Reset piston C-4）至左邊，因而驅使電樞（Amature C-19）往右邊靠，同時電樞亦被永久磁鐵（Permanent magnet C-14）吸引使跳脫閥門往左關閉，因此存於操作氣缸（Operating cylinder C-8）和復歸活塞氣缸（Reset piston cylinder C-18）的空氣被排放出去，完成斷路器開啟或「跳脫」操作。斷路器藉肘頂彈簧機構（Toggle spring mechanism C-7）維持於開啟狀態。
附圖20、本廠345KV GCB操作機構圖
附圖20、20a、20b外觀和操作機構代號説明：
C-0 壓縮空氣儲存槽（Compressed air tank 15kg/cm2 ）
C-1 跳脫閥門（Trip valve） C-13 鉤住器（Catch）
C-2 投入閥門（Closing valve） C-14 永久磁鐵（Permanent magnet）
C-3 操作活塞（Operation piston） C-15 跳脫彈簧（Trip spring）
C-4 復歸活塞（Reset piston） C-16 輔助接點（Auxiliary contact）
C-5 連桿（Link） C-17 位置指示器（Position indicator）
C-6 油緩衝器（Oil dashpot） C-18 復歸活塞氣缸（Reset piston cylinder）
C-7 肘頂彈簧機構（Toggle spring mechanism） C-19 電樞（Amature）
C-8 操作氣缸（Operating cylinder） C-20 投入彈簧（Closing spring）
C-9 止回閥門（Check valve） C-21 吊耳（Lifting lug）
C-10 跳脫線圈（Trip coil）
C-11 肘頂彈簧機構（Toggle spring mechanism） C-12 投入線圈（Closing coil）
A-0 SF-6氣槽（Gas tank） A-1 固定電弧接點（Fixed arcing contact）
A-2 吹弧氣缸（Puffer cylinder） A-3 壓縮室（Compression chamber）
A-4 吹弧活塞（Puffer piston） A-5 管口（Nozzle）
A-6 可動電弧接點（Moving arcing contact） A-7 止回閥（Check valve）
A-8 並聯電容器（Parallel condenser） A-9 指接點（Finger contact）
A-10 絕緣操作桿（Insulating operating rod） A-11 絕緣支持物（Insulating support）
A-12 吸附劑（Adsorbent） A-13 關斷閥（Stop valve）
（5）電磁式及儲能式操作機構（Solenoid & Stored Energy Operating Mechanisms）
在所有巨大款式的斷路器通常都需要氣動式的操作機構；然而許多小和輕型的斷路器可以用簡易的電磁線圈操作投入機構，或以馬達儲能彈簧以操作投入機構。無論任一情況，斷路器的基本操作都是相似的。投入機構必須於閉合接點的同時去儲能或壓縮開啟彈簧。
電磁式操作機構是以簡易大型的電磁柱塞（electromagnetic plunger）取代活塞及氣缸當作斷路器機械力的操作，譬如本廠馬達控制中心（MCC）或直流馬達控制中心斷路器皆屬電磁操作方式。
當斷路器需要操作時，需有一接點連接至電磁線圈再連線至直流或交流電源以產生電磁力做為接點投入的力量。從電磁線圈產生的磁力拉動磁鋼柱塞閉合接點。
有些斷路器則應用一只電力小馬達壓縮或對彈簧「儲能」，隨時維持操作機構的有效性。譬如本廠負載控制中心（Load center）或中壓金屬外殼開關箱（Medium voltage metal-clad switchgear）皆屬彈簧儲能式斷路器。投入彈簧平常是閉鎖於壓縮位置，直到斷路器需要操作才被釋放。當儲能彈簧被釋放時提供斷路器投入的機械力量。於每次斷路器投入後，馬達會重新儲能（recharge）投入彈簧以做為下次投入操作的準備。因此，若斷路器跳脫則投入彈簧馬上就可為再投入斷路器做準備。
由於電磁式或彈簧儲能式種類也是很多，所以吾亦以本廠480VAC馬達控制中心和13.8KV 開關箱為例作說明。
A.電磁式操作機構（Solenoid operation mechanism）
電磁式開關基本上是利用電流通過電磁線圈產生磁力吸引電樞的移動，以使可動接點和固定接點緊密接觸後將電源輸送至馬達或其他設備。電磁開關（electromagnetic switch）動作基本原理如附圖21所示之簡易電磁開關組合元件，圖中包含電磁線圈（coil）、鐵芯（iron armature）、可動接點（Movable contact）及固定接點（Stationary contact）。當線圈沒有電流通過時鐵芯被彈簧頂住，當線圈賦能時產生電磁力吸引鐵芯往上移動，經彈性樞軸推動可動接點和固定接點閉合以接通電氣迴路。
因為業界使用的電磁開關型式非常繁雜，在此吾僅以本廠480VAC馬達控制中心（ITE MCC，附圖21a）電磁開關組件做介紹，照片中每個小抽屜皆屬可抽出式的小櫃子，小櫃子（附圖21b）內包括無熔絲開關（NFB）、無熔絲開關操作把手、電磁開關（Magnetic switch）、輔助接點、積熱型過載元件（49）、120VAC控制電源變壓器、保險絲及零相比流器（ZCT），櫃子門上則有瞬間接地過電流保護電驛（50GS）。附圖21c所示為馬達控制中心小櫃子後視圖，圖面中所示為電源端之接觸子及緊扣環，無熔絲開關導線則是由該接觸子之引線銜接起來。附圖21d、21e展示電磁開關動、靜主接點開啟（open）和閉合（close）情況。
馬達控制中心電磁開關組件小櫃子內各元件及連線如附圖21f紅線框內所示，紅框線內各元件如藍色線所圈示。平常無熔絲開關（52）是在投入狀態，所以480VAC主電源經由後面匯流排主接觸子連線至電磁開關主接點（42）前端接頭，當馬達接受起動指令時，電磁開關投入線圈（42 coil）經由小變壓器所提供120VAC控制電源賦能激磁，產生磁力克服跳脫彈簧的力量吸引電磁開關主接點閉合後，經由過載線圈連線至馬達。馬達接受480VAC電源而起動運轉設備。一旦馬達接受停轉指令，當起動開關接點打開後，電磁開關投入線圈（42 coil）因此失能，此時被壓縮的跳脫彈簧被釋放，將可動接點推離固定接點，主電源480VAC電源因而被截斷，馬達因此斷電停轉。若馬達過電流運轉會導致過載線圈（OL/49）積熱彎曲而頂開串接於電磁線圈（42）的過載接點（49b）開啟使42線圈失能開啟斷路器。若需要將過載接點恢復閉合則須等稍許時間後將過載復歸把柄（圖21d）向下按壓即可使過載接點恢復閉合，但是過載情形沒有查明前不可任意再啟動設備。
