中壓開關設備（MV Switchgear）— 額定與保護¶

從市電進線的責任分界點進來後，第一個你擁有、你可以操作的節點。它把一路進線分成數路饋線送去變壓器、發電機或其他機房區。不改電壓也不改功率，卻決定故障時多快被切斷。

另一半——服務連續性分級 LSC 與抽出式斷路器互鎖——單獨寫成 dc-03b。今天先講額定與保護。

六格¶

拓撲位置：上游責任分界點（dc-01），下游變壓器與 dc-04 ATS 的中壓來源。它是電力鏈上第一個一對多的節點。

容量單位：四個獨立額定，缺一個就不是規格——Ur（台灣 22.8 kV 用 24 kV 級，含 Ud / Up）、匯流排 Ir（630 / 1250 / 2500 A）、短時耐受 Ik / tk（必成對，例 25 kA 3 s）、內部電弧分級 IAC（例 IAC A FLR 31.5 kA 1 s）。

冗餘表達：單母線不可維護；單母線分段與 main-tie-main（雙進線＋常開母聯）才有 N+1 語意。但拓撲只是一半，另一半是 LSC（見 dc-03b）。

遙測介面：主流 IEC 61850（MMS 給監控、GOOSE 給保護互鎖，< 3 ms），對外常再加一層 Modbus TCP。三種資料型態混在同一台設備：三相量測（time-series）、電驛旗標與操作次數（事件）、事故波形 COMTRADE（blob）。

故障域：匯流排故障最貴——整段饋線同時失電，且只有 87B 母線差動能在 10–30 週波內清除，過流協調要 30–60 週波。另一個常被忽略的故障域是人：電弧閃絡傷的是櫃前的維護者。

維護特性：PD 與紅外線帶電可做；真空斷路器本體幾乎免維護，負擔在操作機構與二次電路。

關鍵數字與計算¶

一、由電業短路容量反推需要多少 Ik

Isc = MVA_sc × 10⁶ ÷ (√3 × V)
假設 22.8 kV 側短路容量 500 MVA：
500,000,000 ÷ (1.732 × 22,800) ≈ 12,660 A ≈ 12.7 kA

25 kA 的櫃體餘裕充裕。但電業擴充變電所會讓這個數字變大——不是算一次就永久有效。

二、kA 沒有時間就不是規格（I²t）

I₁²t₁ = I₂²t₂  →  I₂ = I₁ × √(t₁ ÷ t₂)
25 kA 3 s 換到 1 s：25 × √3 ≈ 43.3 kA
「40 kA 1 s」換到 3 s：40 ÷ √3 ≈ 23.1 kA

標示 40 kA 的那台換到同一基準後反而弱，不同時間基準的 kA 不能直接比大小。

三、保護協調時間直接換算成人身風險

協調時間間隔取 0.3 s 級聯：饋線 0.2 s → 主進線 0.5 s → 電業側 0.8 s，母線電弧要等 0.5 s。改用光學電弧偵測電驛：偵測 2.5 ms + 斷路器 60 ms ≈ 0.065 s。IEEE 1584 的入射能量近似正比於電弧持續時間 → 能量降到約 1/8。

⚠️ 地區差異：台灣 22.8 kV 對應 IEC 24 kV 級（Ud 50 kV / Up 125 kV），北美同級是 ANSI 27 kV 級。更關鍵的是 IEC 62271-200 的 IAC 與 IEEE C37.20.7 的 arc-resistant 判定條件不同（指示物 300 mm vs 914 mm、1 s vs 2 s 不起燃），額定不可互換——看到「arc resistant 40 kA」別自動當成 IAC 合格。

常見誤解¶

以為「25 kA 耐受」是這台設備的能力值，但實際上沒搭配時間就沒有意義（見 I²t）。規格表把時間寫在小字裡，比價時最常掉這一項。
以為通過 IAC 電弧測試就不必擔心電弧，但實際上 IAC 保護的是櫃外的人，不保護櫃內設備、也完全不縮短清除時間，且測試前提是門關著。降能量只能靠電驛與電弧偵測。
以為機房越大就要選電流更大的櫃，但實際上中壓側電流小得驚人：10 MVA 在 22.8 kV 只有 10,000,000 ÷ (1.732 × 22,800) ≈ 253 A，630 A 匯流排綽綽有餘。綁住選型的是 Ik 與 IAC，不是 Ir——拿低壓側直覺（dc-02 1500 kVA 就 2,279 A）套過來會抓錯重點。

來源分歧：arc-resistant 算不算保護¶

顧問／工程文獻（CSE 電弧防護系列）：arc-resistant 櫃體與電弧偵測電驛互補，IAC 只改變後果分佈，能量必須靠清除時間去壓。
部分廠商文獻：把 arc-resistant 額定當成電弧風險的主要解方，較少同時要求光學偵測或 87B。

建議問法：要對方提出入射能量計算報告，而非只交 IAC 型式試驗證明——前者才回答「人站在櫃前會怎樣」。

對資料模型的意涵¶

所有耐受額定都要存成 (值, 時間) 對：ik_ka + ik_duration_s、iac_ka + iac_duration_s + iac_sides + iac_standard（IEC / IEEE）。比較前必須換算到同一基準，這個換算屬於模型的方法。
這裡第一次出現分支，關係要能一對多。 upstream_id 保持單值、units 必須是集合；寫成一進一出，dc-03b 與 dc-04 都會卡住。
保護清除時間是欄位，不是文件。 clearing_time_s 要進模型且能算出入射能量估計值——它是「設定值變更會改變人身風險」的唯一可查詢載體。只存在電驛工程師筆電裡，系統就無法在變更審查時提出異議。
dc-01 的 event/blob 路徑在這裡具體化。 COMTRADE 波形事件觸發、非等間隔、單筆數百 KB，與量測的 time-series 必須是兩條 pipeline，用同一個 event_id 關聯。

該問 facility 的問題¶

電業給的 22.8 kV 短路容量幾 MVA？櫃體 Ik 與時間各多少、餘裕幾成？
IAC 依 IEC 62271-200 還是 IEEE C37.20.7 測？標到哪幾面、幾 kA 幾秒？
有 87B 或光學電弧偵測嗎？主進線清除時間設幾秒——有人算過入射能量嗎？

動手練習（30–40 分鐘）¶

把 MVSwitchgear 插進 UtilitySource 與 Transformer 之間。第一次改動既有拓撲，也第一次讓節點有多個下游。

@dataclass
class MVFeederUnit:
    id: str
    downstream_id: str | None = None   # → Transformer.id
    clearing_time_s: float = 0.2

@dataclass
class MVSwitchgear:
    id: str
    upstream_id: str                   # → UtilitySource.id（單值）
    ik_ka: float; ik_duration_s: float # 25, 3
    iac_ka: float | None = None
    iac_standard: str | None = None    # "IEC" | "IEEE"
    units: list[MVFeederUnit] = field(default_factory=list)
    # TODO ik_at(duration_s)                    I²t 換算
    # TODO validate_against_utility(mva_sc, kv)
    # TODO incident_energy_ratio(t_fast_s)      能量比

驗收標準：ik_at(1)（25 kA / 3 s）≈ 43.3 kA；用在 40 kA / 1 s 的櫃上 ik_at(3) ≈ 23.1 kA，且能判斷前者更強；validate_against_utility(500, 22.8) 合格並算出 ≈ 12.7 kA；incident_energy_ratio(0.065) 對 0.5 s 基準回 ≈ 0.13。

加分題：把 Transformer.upstream_id 改指向 MVFeederUnit.id（不是 MVSwitchgear.id），再寫 trace_upstream(device) 回 UtilitySource。

明天 dc-03b 會在 MVFeederUnit 上長出互鎖狀態機，今天先留薄類別。

自我檢核¶

Q1. A 櫃標 25 kA 3 s，B 櫃標 40 kA 1 s。哪台短路耐受強？

答案

換到 1 s：A 是 25 × √3 ≈ 43.3 kA，強過 B。標示數字大的反而弱。

Q2. 裝了母線差動 87B，為什麼電弧入射能量會下降？

答案

IEEE 1584 的入射能量近似正比於電弧持續時間。87B 在 10–30 週波清除母線故障，過流協調要 30–60 週波，時間差等比反映在能量上。它降的是能量不是發生機率。

Q3. 「額定必須是 (值, 時間) 對」會讓你的資料模型長出什麼？

答案

每個耐受額定都要兩個欄位（ik_ka / ik_duration_s）、一個依 I²t 換算的方法，加上 iac_standard 標明測試標準。單一 ik_ka: 25 欄位是 bug。延伸：這是「數字不能脫離量測條件」第二次出現——dc-02 的銘牌 kVA 綁 40 °C，這裡的 kA 綁時間。之後 UPS runtime 綁放電率、冰水主機 RT 綁進出水溫，同一結構。

下一張：dc-03b LSC 服務連續性分級與抽出式斷路器互鎖