หลักการออกแบบระบบจ่ายไฟแรงต่ำคืออะไร

วิศวกรไฟฟ้าคนหนึ่งที่โรงงานแปรรูปอาหารพบว่า การตัดวงจรเนื่องจากโหลดเกินเพียงครั้งเดียวที่เบรกเกอร์ย่อยส่งผลให้อุปกรณ์ป้องกันระดับเหนือขึ้นไปทำงานตามลำดับ จนทำให้สายการบรรจุภัณฑ์ทั้งหมดหยุดทำงาน — ไม่ใช่เพราะความผิดปกตินั้นมีความรุนแรงถึงขั้นวิกฤต แต่เป็นเพราะการศึกษาการประสานงานของระบบป้องกัน (protection coordination study) ถูกมองข้ามไปในช่วงการออกแบบระบบจ่ายไฟแรงต่ำเดิม ความสูญเสียจากการหยุดการผลิตเป็นเวลาสี่ชั่วโมงนั้นสูงกว่าค่าใช้จ่ายในการศึกษาการประสานงานอย่างเหมาะสมถึงยี่สิบเท่า แม้ว่าการออกแบบระบบจ่ายไฟแรงต่ำจะไม่ปรากฏให้ผู้ใช้อาคารหรือผู้จัดการการผลิตเห็นโดยตรง แต่เมื่อระบบล้มเหลว ผลกระทบจะส่งต่อไปยังทุกระบบที่พึ่งพาพลังงานไฟฟ้า

หลักการออกแบบพื้นฐาน

การคำนวณโหลดและปัจจัยความหลากหลาย

การออกแบบระบบจ่ายไฟแรงต่ำทุกระบบเริ่มต้นด้วยตารางโหลดที่แม่นยำ — ซึ่งเป็นรายการที่ระบุวงจรทั้งหมด โหลดที่เชื่อมต่อไว้แต่ละวงจร (หน่วยวัตต์-กิโลหรือโวลต์-แอมแปร์-กิโล) และลักษณะการใช้งานที่คาดการณ์ไว้ โหลดสามเฟส เช่น มอเตอร์ เครื่องควบคุมอากาศและเครื่องปรับอากาศ รวมถึงองค์ประกอบให้ความร้อนในโรงงาน จะถูกจัดสมดุลให้กระจายเท่าเทียมกันระหว่างเฟสทั้งสาม เพื่อลดกระแสไหลผ่านสายกลางและลดความไม่สมดุลของแรงดันไฟฟ้า สำหรับโหลดแบบเฟสเดียว เช่น วงจรแสงสว่าง ปลั๊กไฟทั่วไป และอุปกรณ์สำนักงาน จะถูกกระจายไปยังเฟสทั้งสามโดยมีเป้าหมายให้ความไม่สมดุลระหว่างเฟสที่มีโหลดสูงสุดกับเฟสที่มีโหลดต่ำสุดอยู่ต่ำกว่าร้อยละ ๑๕ ปัจจัยความหลากหลาย (diversity factors) สะท้อนข้อเท็จจริงที่ว่าโหลดที่เชื่อมต่อไว้ทั้งหมดไม่จำเป็นต้องทำงานพร้อมกันในระดับกำลังสูงสุดเสมอไป ตัวอย่างเช่น ปัจจัยความหลากหลายของโหลดแสงสว่างในอาคารเชิงพาณิชย์อาจอยู่ที่ ๐.๙ ส่วนวงจรปลั๊กไฟในพื้นที่สำนักงานอาจใช้ค่า ๐.๓ ถึง ๐.๕ ซึ่งสอดคล้องกับความเป็นจริงที่ว่ามีเพียงส่วนหนึ่งของปลั๊กไฟเท่านั้นที่เชื่อมต่อกับอุปกรณ์ที่กำลังใช้งานอยู่ ณ เวลาใดเวลาหนึ่ง การนำปัจจัยความหลากหลายที่เหมาะสมมาใช้จะช่วยป้องกันไม่ให้หม้อแปลงไฟฟ้า บัสบาร์หลัก และอุปกรณ์สวิตช์เกียร์ระดับบนถูกออกแบบให้มีขนาดใหญ่เกินความจำเป็น — การออกแบบที่เกินขนาดนี้จะเพิ่มต้นทุน ขยายพื้นที่ติดตั้ง และอาจลดประสิทธิภาพการใช้พลังงานลงด้วย เพราะหม้อแปลงไฟฟ้าจะมีประสิทธิภาพต่ำลงเมื่อทำงานภายใต้โหลดเบา

การประสานงานและแบบเลือกสรรของการป้องกัน

การประสานงานแบบเลือกสรร หมายถึง เมื่อเกิดความผิดปกติ อุปกรณ์ป้องกันที่อยู่ใกล้จุดความผิดปกติที่สุดจะทำงานเพียงอุปกรณ์เดียว — คือ เบรกเกอร์ที่จ่ายไฟให้วงจรที่มีความผิดปกติจะตัดวงจร ในขณะที่เบรกเกอร์ทั้งหมดที่อยู่ด้านต้นทางยังคงปิดอยู่ การบรรลุเป้าหมายนี้จำเป็นต้องดำเนินการศึกษาการประสานงาน โดยการวาดกราฟเส้นโค้งลักษณะเวลา-กระแสของอุปกรณ์ป้องกันทุกตัวในระบบจ่ายไฟ ตั้งแต่เบรกเกอร์หลักที่รับเข้าจนถึงเบรกเกอร์วงจรปลายทาง สำหรับเบรกเกอร์แบบกล่องพลาสติก (molded case circuit breakers) ที่ใช้ในแผงสวิตช์เกียร์แรงดันต่ำ การประสานงานมักทำได้โดยการเลือกเบรกเกอร์ที่มีค่าการตัดทันที (instantaneous trip settings) ต่างกัน หรือโดยการเพิ่มความล่าช้าเชิงเวลา (time delays) ให้กับอุปกรณ์ที่อยู่ด้านต้นทาง สำหรับการออกแบบแผงสวิตช์เกียร์แบบถอดออกได้ (withdrawable switchgear) เช่น แผงแรงดันต่ำแบบ MNS หรือ GCS จะสามารถติดตั้งเบรกเกอร์ที่มีหน่วยควบคุมการตัดแบบอิเล็กทรอนิกส์ (electronic trip units) ซึ่งปรับค่าการป้องกันแบบระยะยาว (long-time) ระยะสั้น (short-time) และทันที (instantaneous) ได้ตามต้องการ — ความยืดหยุ่นนี้ทำให้การประสานงานง่ายขึ้นเมื่อเทียบกับหน่วยควบคุมแบบเทอร์มอล-แม่เหล็ก (thermal-magnetic trip units) ที่มีค่าคงที่ การป้องกันจากภาวะกระแสไหลลงดิน (ground-fault protection) ต้องได้รับความสนใจเป็นพิเศษในการออกแบบระบบจ่ายไฟแรงดันต่ำ ตัวอย่างเช่น ภาวะกระแสไหลลงดินบนสายจ่าย 400 แอมแปร์อาจไม่สร้างกระแสสูงพอที่จะกระตุ้นระบบป้องกันกระแสเกินเฟส (phase overcurrent protection) ส่งผลให้ความผิดปกตินั้นยังคงดำรงอยู่โดยไม่ถูกตรวจจับ รีเลย์ป้องกันกระแสไหลลงดินเฉพาะทาง หรือเบรกเกอร์ที่มีระบบป้องกันกระแสไหลลงดินในตัว จะให้ความไวที่จำเป็นในการตรวจจับและตัดความผิดปกติอันตรายนี้ออกไป

บัสบาร์และการจัดการความร้อน

ระบบบัสบาร์หลักภายในชุดอุปกรณ์สวิตช์เกียร์แรงดันต่ำทำหน้าที่จ่ายกระแสโหลดรวมจากเฟดเดอร์ทั้งหมดที่เชื่อมต่อ ขนาดพื้นที่หน้าตัดของบัสบาร์ถูกเลือกตามค่ากระแสต่อเนื่องที่กำหนด ความสามารถในการทนต่อกระแสลัดวงจร และขีดจำกัดการเพิ่มอุณหภูมิซึ่งระบุไว้ในมาตรฐาน IEC 61439 หรือมาตรฐานที่เทียบเท่า บัสบาร์ทองแดงเป็นแบบมาตรฐานสำหรับการใช้งานส่วนใหญ่ ส่วนบัสบาร์อลูมิเนียมจะใช้เมื่อให้ความสำคัญกับน้ำหนักและต้นทุน โดยต้องมีการต่อเชื่อมระหว่างโลหะสองชนิดอย่างเหมาะสมเพื่อป้องกันการกัดกร่อนแบบกาลวานิกบริเวณจุดเปลี่ยนผ่าน การจัดการความร้อนภายในตู้สวิตช์เกียร์มีผลโดยตรงต่อประสิทธิภาพของบัสบาร์และเบรกเกอร์ การระบายความร้อนด้วยการพาความร้อนตามธรรมชาติผ่านช่องระบายอากาศนั้นเพียงพอสำหรับการติดตั้งส่วนใหญ่ แต่ชุดอุปกรณ์ที่ติดตั้งในสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิรอบข้างสูง หรือทำงานใกล้ค่ากระแสที่กำหนดอย่างต่อเนื่อง อาจจำเป็นต้องใช้ระบบระบายความร้อนแบบบังคับ ขีดจำกัดการเพิ่มอุณหภูมิมาตรฐานสำหรับจุดต่อของบัสบาร์คือ 70 เคลวินเหนืออุณหภูมิรอบข้างสำหรับบัสบาร์ทองแดงแบบไม่มีการเคลือบ และ 65 เคลวินสำหรับจุดต่อที่เคลือบด้วยดีบุก การเกินขีดจำกัดเหล่านี้จะเร่งกระบวนการออกซิเดชัน เพิ่มความต้านทานการสัมผัส และก่อให้เกิดวงจรเสื่อมสภาพที่เสริมตัวเอง

คำถามที่พบบ่อย

ความแตกต่างระหว่างชุดอุปกรณ์ควบคุมแรงดันต่ำแบบคงที่กับแบบถอดออกได้คืออะไร

ชุดอุปกรณ์ควบคุมแบบคงที่มีเครื่องตัดวงจรยึดติดอยู่กับระบบบัสบาร์อย่างถาวร จึงจำเป็นต้องตัดไฟก่อนเปลี่ยนเครื่องตัดวงจร ในขณะที่แบบถอดออกได้จะติดตั้งเครื่องตัดวงจรไว้บนรถเข็น ซึ่งสามารถดึงออกเพื่อการบำรุงรักษาโดยไม่ต้องตัดไฟทั้งแผง ทำให้ลดเวลาหยุดทำงานขณะเปลี่ยนหรือทดสอบเครื่องตัดวงจร

การกำหนดค่าอันดับความสามารถในการทนกระแสลัดวงจรของแผงจ่ายไฟแรงดันต่ำทำได้อย่างไร

ค่าอันดับความสามารถในการทนกระแสลัดวงจรของแผงต้องสูงกว่าค่ากระแสลัดวงจรสูงสุดที่อาจเกิดขึ้น ณ จุดติดตั้ง โดยค่าทั่วไปอยู่ระหว่าง 25 kA ถึง 100 kA สำหรับระยะเวลาหนึ่งวินาที ซึ่งคำนวณจากค่าอิมพีแดนซ์ของหม้อแปลง ค่าอิมพีแดนซ์ของสายเคเบิลจากแหล่งจ่ายไฟ และส่วนร่วมของกระแสจากมอเตอร์ที่เชื่อมต่ออยู่

มาตรฐานใดบ้างที่ใช้กับการออกแบบชุดอุปกรณ์ควบคุมแรงดันต่ำ

IEC 61439 ควบคุมชุดอุปกรณ์สวิตช์เกียร์และคอนโทรลเกียร์แรงดันต่ำ ครอบคลุมการทดสอบแบบชนิด (type testing) และการตรวจสอบตามปกติ (routine verification) ส่วนเฉพาะเจาะจงกล่าวถึงแผงแจกจ่ายไฟสำหรับผู้ปฏิบัติงาน อุปกรณ์สวิตช์แรงดันสูงสำหรับบุคคลที่มีความชำนาญ และระบบรางนำกระแส (busbar trunking systems) IEC 60947 ครอบคลุมอุปกรณ์สวิตช์และอุปกรณ์ป้องกันแต่ละตัว

อันตรายจากอาร์กแฟลชมีผลต่อการออกแบบระบบจ่ายไฟแรงดันต่ำอย่างไร

การศึกษาอันตรายจากอาร์กแฟลชคำนวณพลังงานที่ตกกระทบ (incident energy) ที่แต่ละจุดในระบบจ่ายไฟ เพื่อกำหนดการเลือกอุปกรณ์ป้องกันส่วนบุคคล (PPE) และส่งผลต่อการตัดสินใจด้านการออกแบบ เช่น การใช้เบรกเกอร์แบบดึงออกได้ (withdrawable breakers) จากระยะไกล การออกแบบสวิตช์เกียร์ที่ทนต่ออาร์ก (arc-resistant switchgear) และการใช้ระบบซีน-เซเลคทีฟ อินเทอร์ล็อก (zone-selective interlocking) เพื่อลดเวลาในการดับอาร์ก

ตัวนำกลาง (neutral) และตัวนำดิน (ground) มีบทบาทอย่างไรต่อการออกแบบระบบ

ตัวนำกลางจะทำหน้าที่ลำเลียงกระแสไฟฟ้าคืนกลับที่ไม่สมดุลจากระบบสามเฟส และต้องมีขนาดเหมาะสมตามนั้น — ในระบบที่มีโหลดฮาร์โมนิกมากจากอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ ตัวนำกลางอาจต้องรับกระแสไฟฟ้าที่สูงกว่าตัวนำแต่ละเฟส จึงจำเป็นต้องออกแบบให้มีขนาดใหญ่กว่าปกติ ตัวนำดินเพื่อความปลอดภัยทำหน้าที่เป็นเส้นทางคืนกลับของกระแสไฟฟ้าเมื่อเกิดข้อผิดพลาด และต้องมีขนาดเพียงพอที่จะทนต่อกระแสไฟฟ้าข้อผิดพลาดที่อาจเกิดขึ้นได้เป็นระยะเวลาที่กำหนด เพื่อให้อุปกรณ์ป้องกันสามารถทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพ

ควรทบทวนการศึกษาการประสานงานของระบบป้องกันบ่อยแค่ไหน

ควรทบทวนการศึกษาการประสานงานทุกครั้งที่มีการเพิ่มหรือลดโหลดสำคัญ หรือเมื่อลักษณะของการจ่ายไฟฟ้าจากบริษัทสาธารณูปโภคเปลี่ยนแปลง หรืออย่างน้อยทุกห้าปี การเปลี่ยนแปลงค่าการตั้งค่าอุปกรณ์ป้องกันด้านต้นทางโดยบริษัทสาธารณูปโภค การเสื่อมสภาพของฉนวนสายเคเบิลตามอายุการใช้งาน และการเปลี่ยนอุปกรณ์ด้วยรุ่นที่มีลักษณะต่างออกไป ล้วนส่งผลต่อความถูกต้องของผลการวิเคราะห์การประสานงานเดิม