วิธีการเลือกตัวตัดวงจรแบบสุญญากาศตามความต้องการของโหลด

การจับคู่ค่าอันดับของอุปกรณ์สวิตช์เกียร์ให้สอดคล้องกับความต้องการพลังงานของสถานที่โดยไม่ออกแบบเกินความจำเป็น

เอ เบรกเกอร์วงจรแบบสุญญากาศ ทำงานได้ดีที่สุดเมื่อค่ากระแสไฟฟ้าที่ระบุไว้สอดคล้องกับภาระไฟฟ้าที่มันป้องกันอย่างแม่นยำ หากเลือกขนาดเกินความจำเป็น จะทำให้ต้นทุนการลงทุนเพิ่มขึ้นโดยไม่จำเป็น ในขณะที่กลไกการปฏิบัติงานเชิงกลของเซอร์กิตเบรกเกอร์อาจไม่สามารถใช้งานในช่วงการออกแบบทั้งหมดได้ แต่หากเลือกขนาดต่ำกว่าความจำเป็น ก็จะเสี่ยงต่อการตัดวงจรโดยไม่จำเป็น หรือการเชื่อมติดกันของขั้วต่อภายใต้สภาวะขัดข้องจริงๆ การเลือกขนาดที่เหมาะสมจึงต้องอาศัยการวิเคราะห์พารามิเตอร์สี่ประการที่สัมพันธ์กันอย่างใกล้ชิด ได้แก่ กระแสไฟฟ้าปกติที่ระบุ, ความสามารถในการตัดกระแสลัดวงจรที่ระบุ, รอบการใช้งานตามสภาพการปฏิบัติงาน และลักษณะของภาระที่กำลังให้บริการ

จุดเริ่มต้นของการคำนวณขนาดใดๆ คือการศึกษาภาระอย่างละเอียด โรงงานผลิตแห่งหนึ่งที่ใช้กระแสไฟฟ้าอย่างต่อเนื่อง 800 แอมแปร์ และมีกระแสสูงสุดขณะสตาร์ทมอเตอร์สูงถึง 1200 แอมแปร์เป็นระยะเวลาสามถึงห้าวินาที จำเป็นต้องใช้ เบรกเกอร์วงจรแบบสุญญากาศ มีกระแสไฟฟ้าปกติที่กำหนดไว้สูงกว่าค่าพื้นฐานแบบต่อเนื่อง — โดยทั่วไปคือ 1250 A สำหรับสถานการณ์นี้ การศึกษากรณีลัดวงจรซึ่งคำนวณที่จุดติดตั้งเบรกเกอร์ในชุดแผงสวิตช์เกียร์ จะเป็นตัวกำหนดค่าความสามารถในการตัดกระแสขั้นต่ำ หากกระแสลัดวงจรสูงสุดที่คาดการณ์ได้มีค่า 22 kA การเลือกใช้อุปกรณ์ที่มีค่าการให้กระแสสูงสุด 25 kA หรือ 31.5 kA จะให้ค่าเผื่อที่เพียงพอโดยไม่ต้องเลือกขนาดใหญ่เกินความจำเป็น

ประเภทของโหลดมีผลต่อการเลือกคลาสของเบรกเกอร์

เฟดเดอร์สำหรับมอเตอร์และหม้อแปลงต้องการรอบการทำงานที่แตกต่างกัน

เฟดเดอร์สำหรับมอเตอร์ก่อให้เกิดกระแสเริ่มต้นซ้ำๆ ซึ่งค่าที่ระบุบนป้ายกำกับของเบรกเกอร์ทั่วไปไม่สามารถแสดงได้ เบรกเกอร์วงจรแบบสุญญากาศ เบรกเกอร์ที่ใช้กับศูนย์ควบคุมมอเตอร์ต้องรองรับการใช้งานบ่อยครั้ง — อาจมีการเปิด-ปิดหลายสิบครั้งต่อวันในโรงงานที่ดำเนินการแบบแบตช์ การจัดหมวดหมู่ความทนทานเชิงกล (M1 สำหรับ 2,000 ครั้ง หรือ M2 สำหรับ 10,000 ครั้ง ตามมาตรฐาน IEC 62271-100) จึงกลายเป็นพารามิเตอร์สำคัญในการเลือกใช้ มากกว่าเพียงแค่ค่าความสามารถในการตัดกระแสเมื่อเกิดข้อผิดพลาด

ในทางตรงกันข้าม สายจ่ายไฟสำหรับหม้อแปลงจะมีการเปิด-ปิดน้อยกว่า แต่กลับประสบกระแสแม่เหล็กเริ่มต้น (magnetizing inrush currents) ที่สูงมาก — สูงได้ถึง 8–12 เท่าของกระแสที่กำหนดไว้ ภายในไม่กี่คาบแรกหลังจากจ่ายไฟให้หม้อแปลง ในกรณีนี้ ความสามารถของเครื่องตัดวงจรในการรับมือกับกระแสเริ่มต้นดังกล่าวโดยไม่เกิดการตัดวงจรผิดพลาด ขึ้นอยู่กับการประสานงานที่เหมาะสมของรีเลย์ป้องกันมากกว่าค่ากระแสที่ระบุไว้ของตัวเครื่องตัดวงจรเอง อย่างไรก็ตาม การเลือกเครื่องตัดวงจรที่มีค่ากระแสปกติที่ระบุไว้สูงกว่ากระแสโหลดเต็มของหม้อแปลงเล็กน้อย จะช่วยเพิ่มระยะความปลอดภัยด้านความร้อน ซึ่งสามารถรองรับสภาวะโหลดเกินเป็นครั้งคราวได้โดยไม่ทำให้อายุการใช้งานลดลงอย่างรวดเร็ว

การเลือกอุปกรณ์สำหรับการเปิด-ปิดธนาคารตัวเก็บประจุและคอยล์เหนี่ยวนำ

การเปิด-ปิดแบบความจุ (capacitive) และแบบเหนี่ยวนำ (inductive) สร้างความท้าทายที่ขัดแย้งกัน โดยธนาคารตัวเก็บประจุจะสร้างกระแสเริ่มต้นความถี่สูงในระหว่างการจ่ายไฟ และต้องการให้เครื่องตัดวงจรสามารถทนต่อแรงดันฟื้นฟู (recovery voltages) ที่สูงขึ้นหลังจากการตัดวงจร เบรกเกอร์วงจรแบบสุญญากาศ ที่ออกแบบมาสำหรับการเปิด-ปิดตัวเก็บประจุ (capacitor switching) ควรได้รับการจัดประเภท C2 (มีความน่าจะเป็นในการเกิด restrike ต่ำมาก) เนื่องจากเหตุการณ์ restrike ในวงจรตัวเก็บประจุจะทำให้เกิดการเพิ่มขึ้นของแรงดันไฟฟ้า ซึ่งอาจส่งผลให้ทั้งเครื่องตัดกระแสไฟฟ้าและธนาคารตัวเก็บประจุเสียหาย

การเปิด-ปิดรีแอคเตอร์ (reactor switching) นั้นกลับกัน โดยเกี่ยวข้องกับการตัดกระแสไฟฟ้าแบบเหนี่ยวนำเป็นหลัก ซึ่งอาจก่อให้เกิดปรากฏการณ์ current chopping และตามมาด้วยแรงดันเกิน (overvoltages) เครื่องตัดกระแสไฟฟ้าที่ใช้วัสดุขั้วต่อแบบ CuCr และมีรูปทรงขั้วต่อที่ผ่านการปรับแต่งให้เหมาะสม โดยเฉพาะอย่างยิ่งมีคุณสมบัติในการจำกัดค่า current chopping ให้ต่ำกว่า 3 A จะช่วยลดความเสี่ยงนี้ได้

การวิเคราะห์ภาระจริงจากโรงงานแปรรูปอาหารแห่งหนึ่งในประเทศฟิลิปปินส์

โรงงานแปรรูปมะพร้าวแห่งหนึ่งในประเทศฟิลิปปินส์ มีแผนขยายสายการผลิต ซึ่งจะทำให้โหลดรวมที่เชื่อมต่อเพิ่มขึ้นจาก 1.8 เมกะวัตต์ เป็น 3.2 เมกะวัตต์ อุปกรณ์สวิตช์เกียร์ที่มีอยู่เดิมใช้แรงดัน 12 กิโลโวลต์ เบรกเกอร์วงจรแบบสุญญากาศ อุปกรณ์ย่อยที่มีค่ากระแสไฟฟ้าสูงสุด 630 แอมแปร์ และมีความสามารถในการตัดกระแสลัดวงจรสูงสุด 20 กิโลแอมแปร์ การศึกษากระแสลัดวงจรใหม่แสดงให้เห็นว่าการอัปเกรดหม้อแปลงจะทำให้ค่ากระแสลัดวงจรที่คาดการณ์ได้บริเวณบัสหลักเพิ่มขึ้นเป็น 26 กิโลแอมแปร์ ซึ่งเกินค่าความสามารถในการตัดกระแสลัดวงจรของเครื่องตัดกระแสไฟฟ้าที่มีอยู่เดิม

ทีมจัดซื้อวิศวกรรมร่วมงานกับบริษัทฮงซิน อินเทลลิเจนต์ เทคโนโลยี เพื่อกำหนดสเปกของชุดประกอบแบบ KYN28-12 ที่ใช้แทนที่ โดยมีกระแสปกติ 1,250 แอมแปร์ และความสามารถในการตัดกระแสลัดวงจรได้สูงสุด 31.5 กิโลแอมแปร์ สำหรับสายป้อนเข้าและตัวเชื่อมต่อสายหลัก ในขณะที่ยังคงใช้ชุดประกอบที่อัปเกรดแล้วซึ่งมีกระแสปกติ 630 แอมแปร์ และสามารถตัดกระแสลัดวงจรได้สูงสุด 25 กิโลแอมแปร์ สำหรับสายป้อนมอเตอร์แต่ละเส้น แนวทางแบบขั้นบันไดนี้ช่วยประหยัดค่าใช้จ่ายได้ประมาณ 15% เมื่อเปรียบเทียบกับการใช้ชุดประกอบทั้งหมดในระดับสเปกสูงสุด ทั้งนี้ยังคงให้การป้องกันกระแสลัดวงจรอย่างสมบูรณ์แบบในทุกระดับ

การตรวจสอบก่อนติดตั้งจริงเพื่อยืนยันขนาดที่เหมาะสม

การตรวจสอบให้แน่ใจว่าสิ่งที่เลือกไว้ เบรกเกอร์วงจรแบบสุญญากาศ การจับคู่โหลดเริ่มต้นด้วยการตรวจสอบชื่อแผ่นป้าย (nameplate) แรงดันที่ระบุไว้ต้องสอดคล้องกับแรงดันระบุของระบบ — ตัวตัดวงจรที่ระบุแรงดัน 12 kV สามารถใช้งานได้กับระบบที่มีแรงดัน 6.6 kV ถึง 11 kV โดยต้องปรับลดกำลังการใช้งาน (derating) ตามปัจจัยที่ผู้ผลิตกำหนดไว้ในเอกสารประกอบผลิตภัณฑ์ ความต้านทานการสัมผัสที่วัดระหว่างขั้วหลักต้องต่ำกว่าค่าจำกัดที่ผู้ผลิตกำหนด (โดยทั่วไปต่ำกว่า 35 µΩ สำหรับตัวตัดวงจรที่มีกระแสจัดอันดับไม่เกิน 2000 A) เพื่อยืนยันว่าพื้นผิวสัมผัสสะอาดและจะไม่เกิดจุดร้อนขณะใช้งานภายใต้โหลด

การทดสอบเวลา (Timing tests) ยืนยันว่าขั้วทั้งสามขั้วเปิดและปิดพร้อมกันภายในช่วงเวลา 2 มิลลิวินาที ซึ่งช่วยให้การตัดกระแสไฟฟ้าสมดุลกัน หากขั้วใดขั้วหนึ่งเปิดหรือปิดช้ากว่าขั้วอื่นๆ อย่างมีนัยสำคัญ อาจทำให้ขั้วนั้นรับพลังงานอาร์กสูงขึ้นและสึกหรอเร็วกว่าปกติ

คำถามที่พบบ่อย

ฉันจะทราบได้อย่างไรว่ากระแสจัดอันดับที่เหมาะสมสำหรับการใช้งานของฉันคือเท่าใด

เพิ่มกระแสโหลดแบบต่อเนื่องเข้ากับส่วนเกิน 15% ถึง 25% เพื่อรองรับการขยายระบบในอนาคต ตัวอย่างเช่น โหลดแบบต่อเนื่องที่ 780 A จะต้องใช้เบรกเกอร์ที่มีค่ากระแสกำหนดไม่น้อยกว่า 1000 A นอกจากนี้ยังต้องพิจารณาการลดค่ากระแสตามอุณหภูมิแวดล้อมด้วย — เบรกเกอร์ที่ติดตั้งในตู้ควบคุมซึ่งมีอุณหภูมิแวดล้อมสูงกว่า 40°C อาจต้องเลือกใช้เบรกเกอร์ที่มีค่ากระแสกำหนดสูงขึ้น เนื่องจากลักษณะการตัดของไทร์มัลจะเปลี่ยนแปลงไปเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น

ความแตกต่างระหว่างค่า Icw กับ Isc คืออะไร

ค่ากระแสทนทานชั่วคราว (Icw) หมายถึง กระแสไฟฟ้าสูงสุดที่เบรกเกอร์สามารถทนได้ในขณะอยู่ในตำแหน่งปิดเป็นระยะเวลาที่ระบุไว้ โดยทั่วไปคือ 1 หรือ 3 วินาที โดยไม่เกิดความเสียหาย ซึ่งมีความสำคัญต่อระบบการป้องกันแบบแบ่งระยะเวลากัน (time-graded protection) ส่วนค่าความสามารถในการตัดกระแสลัดวงจร (Isc) หมายถึง กระแสลัดวงจรสูงสุดที่เบรกเกอร์สามารถตัดได้อย่างปลอดภัย ทั้งสองค่านี้จำเป็นต้องตรวจสอบให้สอดคล้องกับผลการวิเคราะห์ระบบ (system study)

เบรกเกอร์แบบสุญญากาศหนึ่งตัวสามารถใช้งานร่วมกับทั้งเฟเดอร์มอเตอร์และเฟเดอร์หม้อแปลงได้หรือไม่

ใช่ แต่การตั้งค่ารีเลย์ป้องกันจะต้องปรับเปลี่ยนตามแต่ละการใช้งาน ตัวโครงของเบรกเกอร์สามารถรองรับได้ทั้งสองกรณี — เบรกเกอร์ขนาด 1250 A, 31.5 kA สามารถรองรับกระแสเริ่มเดินเครื่องของมอเตอร์ (motor inrush) และกระแสแม่เหล็กไฟฟ้าของหม้อแปลง (transformer magnetizing currents) ได้ทั้งคู่ ความแตกต่างในการเลือกอยู่ที่ลักษณะโค้งของรีเลย์ (relay curve), อัตราส่วนของ CT และว่าจำเป็นต้องมีองค์ประกอบป้องกันเพิ่มเติม เช่น แรงดันต่ำเสริม (auxiliary undervoltage) หรือการป้องกันจากความร้อน (thermal protection) หรือไม่ ชุดสวิตช์เกียร์ของบริษัท Hongxin Intelligent Technology รองรับการเปลี่ยนแปลงการตั้งค่าระบบป้องกันได้อย่างยืดหยุ่น

หากเลือกเบรกเกอร์ที่มีความสามารถในการตัดกระแสต่ำกว่าที่จำเป็น จะเกิดอะไรขึ้น

หากกระแสลัดวงจรเกินค่าความสามารถในการตัดกระแสที่ระบุไว้ของเบรกเกอร์ ห่วงอาร์คอาจไม่ดับลงอย่างสมบูรณ์ ซึ่งอาจนำไปสู่การเชื่อมติดกันของขั้วต่อ (contact welding) การระเบิดของหน่วยตัดกระแส (interrupter rupture) หรือความล้มเหลวอย่างรุนแรงของช่องติดตั้งสวิตช์เกียร์ นอกจากนี้ การคำนวณพลังงานอาร์คแฟลชตามมาตรฐาน IEEE 1584 ก็จะแสดงให้เห็นว่าระดับพลังงานที่เกิดขึ้นจริงที่แผงควบคุมสูงขึ้นอย่างมาก ส่งผลให้ความเสี่ยงต่อผู้ปฏิบัติงานเพิ่มขึ้น

ควรปรับปรุงการศึกษาภาระงาน (load studies) บ่อยแค่ไหน เพื่อยืนยันขนาดของเบรกเกอร์

ควรปรับปรุงการศึกษาภาระของสถานที่ให้บริการทุกครั้งที่มีการติดตั้งอุปกรณ์หลักเพิ่มเติมหรือจัดเรียงใหม่ — โดยทั่วไปแล้วควรดำเนินการทุกสามถึงห้าปี แม้จะไม่มีการเปลี่ยนแปลงใดๆ ก็ตาม การเปลี่ยนหม้อแปลงไฟฟ้าของบริษัทผู้ให้บริการไฟฟ้า ซึ่งทำให้ค่ากระแสลัดวงจรที่สามารถจ่ายได้เพิ่มขึ้นจาก 20 kA เป็น 31.5 kA อาจทำให้เครื่องตัดวงจรที่เคยเพียงพอต่อการใช้งานมาก่อนกลายเป็นอันตรายได้ แม้ไม่มีการเปลี่ยนแปลงใดๆ ที่ฝั่งโหลด

ความสูงเหนือระดับน้ำทะเลมีผลต่อค่ากระแสที่ระบุไว้หรือไม่

มีผลค่ะ ที่ความสูงเหนือระดับน้ำทะเลมากกว่า 1,000 เมตร ความหนาแน่นของอากาศลดลง ส่งผลให้การระบายความร้อนแบบพาความร้อนตามธรรมชาติมีประสิทธิภาพลดลง จึงจำเป็นต้องลดค่ากระแสที่ระบุไว้ (derating) เครื่องตัดวงจรที่ระบุค่ากระแสไว้ที่ 1,250 A ที่ระดับน้ำทะเล อาจต้องลดค่าลงเหลือประมาณ 1,090 A ที่ความสูง 2,000 เมตร ตัวตัดวงจรแบบสุญญากาศ (vacuum interrupters) นั้นไม่ได้รับผลกระทบโดยตรง แต่บัสบาร์และขั้วต่อภายนอกจะระบายความร้อนผ่านการพาความร้อนของอากาศ