1電工概要

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檔案名稱	1電工概要.doc
路徑	public data/職訓局訓練資料/用電設備講義/第一部分--學科/1電工概要.doc
類型	DOC
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修改日期	2006-04-12 11:01
轉換日期	2026-04-24 09:16

原始檔案

內容

第一部分

學科重點

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1、電工概要

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電工概要

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1. 電（Electricity）：

   1. 電的發現：

西元以前，「靜電」的效應就已經出現，一開始人們只是經由羊毛的摩擦產生吸引而注意到電的現像，後來經過不斷的實驗，科學家才逐漸替「電」訂下一些基本概念：

1. 二不同物體經過摩擦而產生的電，有正、負電之分，各由摩擦物體所攜帶；此時帶電的物體稱為「帶電體」，而二物體經由摩擦所產生的電稱為「摩擦電」。

2. 帶同種類電之帶電體會互相排斥。

3. 帶不同種類電之帶電體會互相吸引。

爾後直到18世紀，因為證實了「電荷」的存在，電學的理論及研究，才逐漸的開始建立與發展。

2. 電的單位：

英制單位、公制單位， CGS制單位系統、MKS制單位系統等等，太多的單位系統轉換，經常造成工作人員使用上的困擾，聯合國為配合實際之應用，訂出SI實用系統（International system units），期能推廣應用於全世界。

有關SI制中「電」的常用單位概述如下：

1. 電流：

單位為安培（A），通用符號為「I」；係指自由電子在導體中的運動情形。

例如：KA（仟安）＝1000A（安培）＝1000000mA（毫安）

2. 電壓：

單位為伏特（V），通用符號為「E」，意指在一個迴路中，任意二點電位差之值。

1KV（仟伏）＝1000V（伏特）

3. 電荷：

單位為庫侖（G）；1個庫侖約相當於6.25×10^18^個電子所帶的電荷量。

4. 電容：

單位為法拉（F），通用符號為「C」；係指在二極板間，以絕緣介質隔離，可以儲存和釋放電荷；電容器二極板間之電位差為1伏特而能儲蓄1庫侖電荷時，其電容量即為1法拉。

1法拉＝10^6^微法拉（μF）

5. 電感：

單位為亨利（H），通用符號為「L」；每單位電流所引起的磁通鏈數，具有阻止電路電流變化的作用。

6. 頻率：

單位為赫茲（Hz），通用符號為「ƒ」；係指交流電其每秒交變循環的周波數。

7. 能量：

單位為焦耳（J）；1焦耳（N-m）係指1牛頓的力推動1公尺位移所作的功。

8. 功率：

單位為瓦特（W），通用符號為「P」；指單位時間內作功所消耗的能量，或稱每秒消耗1焦耳能量的功率＝1瓦特。

電功率與時間的乘積，是為電氣用具作功所消耗的電能，其單位為瓦特-小時（WH）。目前台電對於電能消耗的計算，以1瓩（KW）的用電負載，累積消耗1小時（H）的電能，視為1度電力，也就是：

1仟瓦特-小時（瓩-時）＝1KWH＝1度電

9. 電阻：

單位為歐姆（Ω），通用符號為「R」；係指電荷在導體中流動，所遭受的阻力；這種基於導體自身特性，而為反對電荷流動的阻力，稱為導體的電阻。

1MΩ＝1000KΩ＝1000000Ω

10. SI系統屬於10進位關係，因此實際運用時，若有太過繁複的數目不易表達時，可以「次方」的數學型式或英文代號表現之：（表1）

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中文名稱 十進位次方 英文代號

兆 10^12^ T

十億 10^9^ G

百萬 10^6^ M

千 10^3^ K

百 10^2^ ----

十 10 ----

---- 0 ----

分 10^-1^ d

釐 10^-2^ c

毫 10^-3^ m

微 10^-6^ μ

奈 10^-9^ n

微微 10^-12^ p

---

表1 10進位中英文名詞對照表

3. 物質的電性：

一切物質均由各類「元素」所構成，而各類元素的基本單位則是「原子」。

原子係由帶正電的「質子」、不帶電的「中子」與帶負電的「電子」所結合而成（表2）。質子與中子結合成「原子核」，帶正電；電子則在原子核外環繞，帶負電；兩者電性形成穩定的平衡狀態。是故所有的元素或物質，基本上都是「電中性」。

+------+----------------+-----------------------+-------------------------+ | | 重 量 | 帶 電 量 | 直 徑 | +------+----------------+-----------------------+-------------------------+ | 電子 | 9.11×10^-31^㎏ | (－)1.602×10^-19^庫侖 | 原 子＝1.0×10^-10^公尺 | | | | | | | | | | 原子核＝1.0×10^-14^公尺 | | | | | | | | | | 電 子＝2.8×10^-15^公尺 | +------+----------------+-----------------------+-------------------------+ | 質子 | 1.67×10^-27^㎏ | (＋)1.602×10^-19^庫侖 | | +------+----------------+-----------------------+-------------------------+ | 中子 | 1.67×10^-27^㎏ | 不帶電 | | +------+----------------+-----------------------+-------------------------+

表2 原子的組成

但當電子掙脫了原子核的束縛，脫離而成為「自由電子」時，電中性便失去平衡。一個少了電子的原子將具有正電性，自由電子則帶有負電，兩者的電量是相等的。此時原本電中性的物質，將因為電子的脫離或含有自由電子，而改變其電性。

由於不是每一種元素都容易產生自由電子，所以物質可依其電性概分為：

1. 導體：

導體是導電性極佳的物質，因其構成元素的原子中，存在有較多，又容易受到外力作用脫離的自由電子，因而使得該物質容易成為帶電的導體。例如銀、鐵、銅等金屬物質。

2. 絕緣體：

絕緣體是導電性極差的物質，因其構成元素原子的束縛力強，極為穩定，自由電子不易產生，因此較不會成為帶電的導體。例如雲母、塑膠、玻璃等。

3. 半導體：

依照物質的特性，給予適當的外加條件時（例如加溫、加壓等等），可改變其導電性的物質，即稱為半導體。例如矽、鍺等。

4. 直流電與交流電：

直流電

＋

0V

↨定值

時間(t) ↙

－

負載

極大值(1)

單相交流電

0V

↨有效值

時間(t) ↙

負載

↨有效值

極大值

(-1)

三相交流電

0V

時間(t) ↙

負載

← 1Hz（週期） →

圖1 直流電與交流電示意圖

我們日常接觸到的電有「直流電」與「交流電」（圖1），其中交流電又可分為單相交流電（1Ø）、V相交流電（2Ø）與三相交流電（3Ø）等使用類別。

因為直流發電機係定額輸出電壓，且無法直接予以提高，使得負載將順著導線一路的分壓下去，限制了大用電量的使用範圍。故目前對於直流電的使用，多在一些特殊場合，例如電解化學、弱電通信等系統或個人可攜式的電器用品等。

交流電因可直接使用變壓器來提高電壓，就同等功率的傳輸而言，提高電壓可以降低電流量，如果以歐姆定律（P＝I^2^R）的基本觀念，線路損失在於「傳輸的電流越大，線路損失及壓降也越大」。所以採用高壓電進行遠距離的傳輸，可降低線路的電流，減少線路的傳輸損失，使能源的利用效率提高。

故我國電力事業單位以提供交流電力給客戶為主，單相交流電多用於商店、住宅等等的小型低壓燈力用電；三相交流電則依客戶需要，對於動力需求較大的事業單位、工廠或大樓、賣場等等大電力用戶，以多種方式，提供最有效率的電力能源。

5. 電流與電子流：

「電」是以電子的移動造成電子流予以定義，人們長期以來認為「電流」是正電荷自電源的”＋“極，經過外部電路（迴路），流回電源的”－“極；但事實上，是帶負電的電子，自電源的負端，經過外部電路，流回電源的正端。

因此為了避免混淆，一般來說，除非特別指明，否則均將前者：由正極流到負極的電稱為「電流」；後者「由負極流到正極」的電稱為「電子流」。

於是，吾人便可將直流電與交流電解釋為：

1. 直流電：

電流的流向，永遠由某一點流向另一點，其大小雖可改變，但流向一定不變。

2. 交流電：

電流的流向循著固定週期交互變化，在一個週期內，電壓可在極大值（1或-1）與極小值（0V）間交變，每完成一個週期，即為「1Hz」；在一秒之內能夠完成幾個「Hz」的變化，即為該交流電的「頻率」（ƒ）。

目前我國電力事業單位係以「ƒ＝60Hz」頻率的交流電，提供客戶，也就是說該交流電在一秒之內，有60個周波數的變化。

2. 基本定理與公式：

   1. 直流電基本定理與公式：

      1. 歐姆定律：

對於直流電路而言，影響電路行為最明顯也最多的是「電阻」，因此許多的定理與公式，都與其相關，最早獲得驗證也最簡明的當屬「歐姆定律」。

其計算公式為

---

I＝$\frac{E}{R}$ I：電流（A）

                                  E：電壓（V）

                                  R：電阻（Ω）

---

2. 電功率：

---

                            I →                           

＋

－ R

             圖2 直流電路                                 

---

對一個純電阻直流電路（圖2）而言，電功率（P）是電壓（E）與電流（I）的乘積：

計算公式為

P＝E．I P：瓦特（W）

套用歐姆定律，電功率計算公式可轉換為：

---

P＝E．I＝I ^2^．R＝ E^2^

                                                      R       

---

3. 克希荷夫電流電律（KCL）：

在電路中的任一節點，其流入的電流和等於流出的電流和。

---

A R1 B

             I~AB~          →              I~BC~          

                                                          

                                           ↓              R2

                            ←              I~CD~          

                                                          

D R3 C

             圖3 串聯電路                                 

---

所以串聯電路（圖3）中，每一個節點或每一段的電流均相等：

IAB＝IBC＝ICD

+---------+---------+---------------+---------+---------+---------+---------+ | A | | R4 | IAB | B | IBC | | | | | | | | | | | | | | → | | | | +---------+---------+---------------+---------+---------+---------+---------+ | | | | E | | ↓ | G | +---------+---------+---------------+---------+---------+---------+---------+ | | | | | | | | +---------+---------+---------------+---------+---------+---------+---------+ | | | | IEF | R6 | IGH | R7 | | | | | | | | | | | | | ↓ | | ↓ | | +---------+---------+---------------+---------+---------+---------+---------+ | | | | F | | | H | +---------+---------+---------------+---------+---------+---------+---------+ | | | | | | | | +---------+---------+---------------+---------+---------+---------+---------+ | D | | R5 | ← | | C | | | | | | | | | | | | | | ICD | | | | +---------+---------+---------------+---------+---------+---------+---------+ | | | 圖4串並聯電路 | | | | | +---------+---------+---------------+---------+---------+---------+---------+

然而串並聯電路中，串聯電路（ABCD）每一節點的電流固然相等，但並聯電路（EF及GH）則等於「BC」段的電流和，所以在（圖4）中：

IAB＝IBC＝ICD

IBC＝IEF＋IGH

ICD＝IEF＋IGH

因此由克希荷夫電流定律（KCL）可引申出「分流定律」------並聯電路中，大電阻分小電流，小電阻分大電流。

其計算公式為

IEF＝IBC×$\frac{R7}{R6+R7}$

IGH＝IBC×$\frac{R6}{R6+R7}$

4. 克希荷夫電壓電律（KVL）：

在正常的電路中，各部分電壓降之代數和等於 0。

所以

---

A R1 B

             V~AB~                         V~BC~          

                                                          

T R2

                                           V~CD~          

                                                          

D R3 C

             圖5 串聯電路                                 

---

VT＋VAB＋VBC＋VCD＝0

同樣由克希荷夫電壓定律（KVL）可以引申出「分壓定律」------在串聯電路中，大電阻分大電壓，小電阻分小電壓。

其計算公式為

VAB＝VT×$\frac{R1}{R1+R2+R3}$

VBC＝VT×$\frac{R2}{R1+R2+R3}$

VCD＝VT×$\frac{R3}{R1+R2+R3}$

2. 交流電基本定理與公式：

   1. 正弦波曲線：

---

      最大值(1)                                                                                 

                                                                      有效值                    

                                                                                                

0V 270^○^ 360^○^ t

                  90^○^                          180^○^                                         

                                                                                                

                  有效值                                                                        

－ 最大值(-1) 1HZ

                  圖6 交流電正弦波曲線                                                          

---

導體因切割磁力線而產生電流，設若導體為固定的「定子」，則「轉子」依順時針方向旋轉N、S磁極時，導體中產生一「感應電勢」，此感應電勢於曲線變化圖中，形成一正弦波曲線，便是所謂的交流電。

交流電有幾種表示方法：

1. 瞬間值（e）：

此數值甚少應用於電工實務上，指的是交流曲線瞬時角度的數值 。

其計算公式為

e ＝ E sinωt

其中ωt為經過的時間用角度表示。

2. 平均值：

取交流曲線週期面積之和的平均值表示，但同樣甚少應用於電工實務上。

3. 有效值：

取與交流曲線有相同功率效果的直流值，做為該交流電之表現值，也就是我們一般用電表所測試讀出之數值。

其計算公式為

最大值 ＝ $\sqrt{2}$．有效值

有效值 ＝ 0.707．最大值

2. 阻抗：

交流電路中，線圈與電容的設計會使電路額外增加不同狀態的電阻，這是因為交流電「相位關係」的影響，我們稱之為「電感抗」與「電容抗」，二者合稱為「電抗」，與原本單純的「電阻」合併為交流電路的「阻抗」。

1. 相位關係：

正常的交流電路，其電壓與電流都是相同頻率的正弦波，二者通過零點的時間存在著差距，這個差距稱為「相位」。

在純電阻電路中，電壓波形與電流波形通過零點的時間相同，也就是說純電阻電路沒有相位存在，稱為「同相」。在線圈（電感）或電容的電路中，電壓、電流波形通過零點是有時間差，故則稱之為「異相」。

異相二波形交互比較的結論是：

「電感會造成電流落後電壓」

「電容會造成電流超前電壓」

2. 電阻：

交流電路中的「電阻」，與直流電相同，僅是一個阻礙電子移動的純量，其作用只是在變化電流，造成電壓降而已，所以對純電阻交流電路而言：

電阻的計算公式為

R＝$\frac{E}{I}$

單位是歐姆「Ω」。

3. 電感抗：

線圈感應產生「電感」，造成電流波形落後電壓，則感應電勢對抗磁通增加的過程，對於電流的流通是一種阻力，稱之為「電感抗」，其變化恰為正弦波關係，因此與頻率有關。

計算公式為

XL＝2πƒL

電感抗的通用符號為「XL」，單位為歐姆「Ω」。

4. 電容抗：

交流電路中的電容器，造成電流波形超前電壓，同樣對於電流的流通是一種阻力，稱之為「電容抗」，其變化同樣與頻率有關。

計算公式為

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XC＝ 1

                                       2πƒC            

---

電容抗的通用符號為「XC」，單位為歐姆「Ω」。

電感抗是電流落後電壓，電容抗則是電流超前電壓，二者向量的方向剛好相反，故其合向量稱為「電抗」。

當電感抗大於電容抗時，電路因為電流落後電壓，於是呈現電感性；反之，當電流超前電壓時，電路則呈電容性。

5. 阻抗：

電阻、感抗、容抗三者的合向量，稱為電路的「阻抗」。

計算公式為

Z＝$\sqrt{R^2+(X_L-X_C{)}^2}$…電感性電路

Z＝$\sqrt{R^2+(X_C-X_L{)}^2}$…電容性電路

通用符號為「Z」，單位為歐姆「Ω」。

6. 功率因數：

---

                    KVA                                KVAR       

                    θ                                             

0 KW

                    圖7 功率圖                                    

---

交流電路中有電感的作用，產生「無效功率」，使得用電設備實際消耗的電能，比所輸出的功要大，實際與輸出二個功率向量所形成的夾角，被稱為「功率因數角θ」。（圖7）

「無效功率」是由電感抗造成的虛功，也就是線路運轉的損失，單位為（KVAR），通用符號為「Q」；對於從事電機工作的人來說，電氣的使用，應盡量減少虛功，才能省錢。

「實在功率」指的是電氣設備輸出實際作的功，其單位為（KW）。

「視在功率」指的是電氣設備輸出實際能使用的電能，其單位為（KVA）。

電氣系統「視在功率」與「實在功率」二者的比值，即為該系統的「功率因數」（cosθ），通用符號為「PF」：

---

PF＝ 實在功率 ＝ $\text{KW}$ ＝ $\text{KW}$

                         視在功率        $$\text{KVA}$$        $$\sqrt{{(\text{KW})^{2} + (\text{KVAR})}^{2}}$$

---

7. 電功率：

直流電的電功率（P）是電壓（E）與電流（I）的乘積：

P＝E．I

交流電的電功率，則因有功率因數角（θ）的影響，以及3Ø交流電的向量關係，所以：

P1Ø＝E．I cosθ

P2Ø＝$\frac{\sqrt{2}}{2}$ E．I cosθ （$\sqrt{2}$≒1.414）

P3Ø＝$\sqrt{3}$ E．I cosθ （$\sqrt{3}$≒1.732）

8. 諧振：

當電感抗與電容抗的大小相等時（XC＝XL），稱為交流電路的「諧振」，電路的功率因數（PF＝1）。

a. 串聯諧振時，電路的阻抗最小，電流最大。

b. 並聯諧振時，電路的阻抗最大，電流最小。

<!-- -->

9. 3Ø交流電的運用：

1Ø交流電是一個波動型態的電功率，能量的傳輸也受到限制，因此工商業等大電力用戶多使用3Ø交流電源系統，以獲得比較穩定的電功率，同時若以相同的導線材料而言，3Ø電源也比1Ø電源的傳輸功率高。

a. 3Ø電路△接線：

線電壓＝相電壓 EL＝ EØ

線電流＝$\sqrt{3}$相電流 IL＝$\sqrt{3}$ IP

b. 3Ø電路Y接線：

線電壓＝$\sqrt{3}$相電壓 EL＝$\sqrt{3}$ E P

線電流＝相電流 IL＝ IØ

3. 電力的使用：

   1. 電力系統基本架構：

電力系統基本架構包括發電、輸變電與配電三大系統：（圖8）

超高壓用戶 （大型工廠）

特高壓用戶 （一般工廠）

高壓用戶 (小型工廠、大樓)

水力 發電廠

345KV

超高壓變電所

一次 變電所

二次 變電所

桿上或亭置式變壓器

(商店、住宅)低壓用戶

161KV

69KV

11.4KV

火力 發電廠

345KV

火力 發電廠

110／220V

161KV

配電 變電所

22.8or11.4KV

核能 發電廠

345KV

高壓用戶

發電

輸變電

配電

圖8 電力系統基本架構示意圖

1. 發電系統：

發電系統主要設施包含「發電廠」、「電廠變電所」與「開關場」三大部分。發電廠利用水力、火力或核能等方式，將能源轉換成為電能，送到電廠變電所昇壓，經過開關場，再輸出到電廠以外運用。

「發電廠」本身所能產生並輸出的電壓大約「20KV」，這種高壓電並不適於長距離的傳輸，如前所述，功率的損耗與電流的大小有關，相同功率的傳輸，提高電壓可以降低電流，所以為了確保供電品質，發電廠內另設「電廠變電所」，將發電廠20KV的高壓電，再予以提昇成「345KV」的超高電壓，然後利用超高電壓傳送電力，可將電阻影響忽略不計的特性，使得傳輸途中電功率的耗損減到最小，確保長距離傳輸的供電品質。

2. 輸變電系統：

345KV的超高電壓，雖然有利於電力的傳輸，但卻無法直接配送給電力用戶使用，故先必須予以降壓，再利用各區域變電所或用電中心，依照地區或客戶的需求（設備與契約容量），作不同的供電方式。

例如對煉鋼廠、煉油廠及捷運線等大型電力用戶，電力系統提供其「161KV」超高壓電力；一般大型工廠、鐵路電氣化系統等，則提供「69KV」的特高壓電力。

3. 配電系統：

自二次變電所以下高壓電力傳輸到區域用電中心，再經過降壓，直接利用線路分配到各用戶之供電狀態，稱之為「配電」。

配電包含高低壓線路、配電變壓器、電容器及開關等設備，對工業用戶及大樓直接提供高壓電力；對於商店住宅等一般用戶則利用桿上變壓器或亭置式變壓器的降壓，提供低壓電力用電。

2. 用電與用電設備：

電力系統配送電力，線路的「責任分界點」，對一般低壓用戶而言，係以接戶線的接戶端點為分界，前段屬於供電單位（台電公司）負責，後段則由電力用戶自理；自用住宅大樓另需無償撥出適當地點，以供電力公司設置受配電設備。

大中小型工廠供電（簡稱工業配電），則是以用戶自備受電設備前之受電端，做為責任分界點始，因此工業配電在設計時，有必要將電力系統、受電設備容量與用電設施負載等，統統納入考量的範圍。其中「負載」是工業配電用戶在設計用電設備時，最重要的考量基礎：

1. 負載因數（Load Factor，簡稱LD）：

事業單位各用電設備在實際運用上，不一定會同時運轉，所以常時用電的「平均負載」與高峰用電時的「最高負載」，兩者的比值，即為該設備的「負載因數」。

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負載因數＝ 平均負載 × 100％

                              最高負載            

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負載因數百分比越大，即表示設備有效利用的程度越高。

2. 需量因數（Demand Factor，簡稱DF）：

事業單位各用電設備使用的「最高負載」與設計投資的「設備總容量」，兩者的比值，即為該設備的「需量因數」。

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需量因數＝ 最高負載 × 100％

                              設備總容量              

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需量因數百分比越大，表示設備使用的程度越高。