เรียนรู้เรื่องระบบไฟฟ้ากำลัง (3) Switchgear

เรียนรู้เรื่องระบบไฟฟ้ากำลัง (3) Switchgear

อุปกรณ์ตัดตอนไฟฟ้า (Switch gear)
     ระบบการจ่ายไฟฟ้าดั้งเดิมเริ่มขึ้นจากการกระจุกตัวภายในเมือง การจ่ายไฟฟ้าเริ่มจากแรงดันไฟฟ้าต่ำ 110-220 Volt เมื่อมีการขยายตัวสูงขึ้นของการใช้ไฟฟ้า ระยะทางการจ่ายไฟฟ้าเริ่มไกลออกไป แรงดันไฟฟ้าที่จ่ายจึงต้องเพิ่มขึ้นเพื่อลดกระแสในสายไฟฟ้า เป็นการลดการสูญเสียพลังงานในสายไฟฟ้าและลดปัญหาเรื่องแรงดันไฟฟ้าตก แรงดันไฟฟ้าได้เพิ่มขึ้นเข้าสู่ระบบแรงดันปานกลาง (Medium Voltage) 3000 ถึง 33000 Volts ไปจนถึงระดับแรงสูง (High Voltage) 69000 ถึง 230000 Volts และปัจจุบันเข้าสู่ระดับสูงพิเศษ (Extra High or Ultra High Voltage) ที่ระดับแรงดัน 500000 Volts
     การจ่ายไฟฟ้าไปในระยะทางทั้งใกล้และไกล จึงต้องมีอุปกรณ์ป้องกันหรือใช้ตัด-ต่อไฟฟ้า ดังนี้

1. อุปกรณ์ตัด-ต่อไฟฟ้าแรงต่ำ (Low Voltage Switchgear)

• ฟิวส์ (Fuse)

     ฟิวส์ทำหน้าที่หลัก 2 ประการ คือ ป้องกันการใช้กระแสไฟฟ้าเกิน (Over Load) และป้องกันการลัดวงจรไฟฟ้า (Short circuit)
     ฟิวส์ทำงานโดยอาศัยหลักการของการหลอมละลายของโลหะ ซึ่งตัวฟิวส์ เป็นแผ่นโลหะบางๆ ที่ยอมให้กระแสไฟฟ้าไหลผ่านตามสเปคของตัวฟิวส์เอง หากกระแสไฟฟ้าไหลผ่านมากกว่าที่กำหนด ความร้อนที่เกิดขึ้นในตัวฟิวส์ก็จะหลอมตัวฟิวส์ให้ขาดและตัดกระแสไฟฟ้า การเลือกใช้ฟิวส์ปกติจะเลือกขนาดฟิวส์ประมาณ 1.3 ถึง 1.5 เท่าของกระแสใช้งานสำหรับอุปกรณ์ไฟฟ้าชนิดไม่มีกระแสกระชาก (Inrush Current)

• Circuit Breaker (C.B.)

     หรืออาจจะเรียกสวิตซ์ตัดตอนอัตโนมัติ คือ เมื่อมีการใช้กระแสเกิน หรือเกิดการลัดวงจรไฟฟ้า สวิตซ์จะตัด-ต่อระบบไฟฟ้าออก และเราสามารถสับสวิตซ์ให้จ่ายไฟฟ้าใหม่ได้อีกครั้ง โดยไม่จำเป็นต้องเปลี่ยนอุปกรณ์ โดยปกติ Circuit Breaker จะมีอายุการใช้งาน โดยขึ้นกับจำนวนครั้ง และขนาดของความรุนแรงในการตัดกระแส 
     ประเภทของ Circuit Breaker ที่ใช้งาน มีดังนี้
     Air Circuit Breaker (ACB) เป็น Circuit Breaker รุ่นแรกๆ ที่ผลิตมาใช้งาน รูปร่างค่อนข้างใหญ่ จุดสังเกตที่แสดงให้เรารู้ว่าเป็น ACB คือ Arc-Chute ที่ใหญ่อยู่ด้านบน และถอดออกได้ง่าย และมี Operating Mechanism ที่เห็นได้ชัดเจน
     Molded Case Circuit Breaker (MCB) เป็นพัฒนาการลำดับถัดจาก ACB โดยสรุปง่ายๆ คือ นำ ACB มาลดขนาดลงและสามารถทนต่อแรงดัน หรือทนต่อการเกิดการลัดวงจรที่รุนแรงได้ ขนาดของ MCB จึงเล็กกระทัดรัดกว่า ACB มาก และยังมีการปิดมิดชิด (Sealed) มากกว่า ACB แต่ยังมีช่องเล็กๆ บริเวณ Arc-Chute ดังนั้น MCB จึงเหมาะกับการใช้งานปกติ ในทุกๆ สภาวะ
     Miniature Molded Circuit Breaker (MMCB) โดยทั่วไปจะคล้ายๆ MCB เพียงแต่มีขนาดเล็กและมีกระแสไฟฟ้าต่ำๆ ซึ่งจะใช้ในบ้านที่พักอาศัย หรือวงจรจ่ายไฟฟฟ้าย่อยๆ ภายในอาคาร กระแสใช้งานทั่วไปจะอยู่ประมาณ 5-20 Amp
     Earth Leakage Circuit Breaker (ELCB) อุปกรณ์ไฟฟ้าบางชนิดมีโอกาสที่ไฟฟ้าจะรั่วเข้าสู่ผิวนอกของอุปกรณ์ หรือรั่วลงน้ำที่สัมผัสกับตัวคนได้ เช่น เครื่องสูบน้ำ เครื่องทำน้ำอุ่น หรือน้ำร้อน การป้องกันอันตรายที่จะเกิดขึ้น ทำโดยการใช้ ELCB ซึ่งจะตัดวงจรออกเมื่อมีกระแสรั่วลงสู่ดินทั่วไป ขนาดกระแสรั่วมีให้เลือกใช้ตั้งแต่ 5 mA ถึง 30 mA ขณะที่กระแสใช้งานปกติเหมือนกับ MMCB

• Magnetic Contactor

     เป็นอุปกรณ์ตัด-ต่อระบบไฟฟ้าอีกชนิดหนึ่งที่เป็นเครื่องมือสำคัญในการเปิด หรือปิด การใช้งานอุปกรณ์ไฟฟ้า เช่น Motor Start,ชุดควบคุมการเปิด ปิดแสงสว่าง
     ชนิดของ Magnetic Contactor ที่ใช้งานทั่วๆ ไป มี 2 แบบ
     แบบสุญญากาศ (Vacuum Contactor)บางครั้งจะใส่ไอปรอท หรือเรียกเป็น Mercury Type ซึ่งหน้าสัมผัสของ Contactor ต่างๆ จะถูกปิดมิดชิดจากอากาศภายนอก (Seal)ราคาจะค่อนข้างแพงมาก ดังนั้นจึงเหมาะที่จะใช้ในสถานที่มีฝุ่นมากๆ  
     แบบอากาศ (Air Type Contactor)แบบที่ใช้ในงานทั่วไป ตามท้องตลาด

2.อุปกรณ์ตัดตอนไฟฟ้าแรงสูง (High Voltage Switchgear)

• Drop-Out-Fuse

     เป็นอุปกรณ์ตัดตอนไฟฟ้าแรงสูงอย่างง่ายๆ ที่มีใช้ทั่วไปในระบบการจ่ายไฟฟ้าแรงสูงชนิดเดินลอยบนเสาไฟฟ้า (Over Head Line) ระดับแรงดันไฟฟ้าที่มีใช้สูงสุดคือ 33 KV. ตัวอุปกรณ์จะทำจากลูกถ้วยกระเบื้อง (Porcelain) พร้อมขาจับไม้คอนทำหน้าที่เป็นฉนวนไฟฟ้า จะมีตัวกระบอก Fibre ที่ภายในสามารถเปลี่ยนและใส่ Fuse-Link ขนาดต่างๆ Fuse-Link ที่ใส่จะไปดึงสลักไว้ เพื่อให้สามารถคล้องกระบอก Fuse ต่อเป็นสะพานไฟฟ้าได้

• Disconnecting Switch (DS)

     หากจะเปรียบเทียบ ก็นึกถึง Cut-Out ไฟฟ้าแรงต่ำ ซึ่ง DS มีหน้าที่ คือ ทำหน้าที่เป็นสะพานไฟฟ้าเปิด หรือปิด แต่จะต่างจาก Cut-Out ที่ใช้ตามบ้าน คือ DS ที่ใช้ เป็นระบบไฟฟ้ากำลัง หรือระบบจ่ายไฟฟ้ามากๆ กระแสต่างๆ ที่จะวิ่งผ่านขณะเปิด และปิดวงจรจะมีค่าสูง ดังนั้นการใช้งานที่ปลอดภัย และถูกต้อง DS จะต้องเปิด หรือปิดวงจรไฟฟ้า ขณะที่ไม่มีกระแสไฟฟ้าไหลผ่านเท่านั้น ทั้งนี้เพราะลักษณะของโครงสร้างของ DS ดังนี้

     DS ไม่มี Arcing Contact หากมีกระแสค่าสูงๆ ไหลผ่านขณะเปิด-ปิดวงจรที่ Main Contact แล้วเกิด Arc ขึ้นจะทำให้เกิดผลเสียต่อหน้าสัมผัส ทำให้อายุการใช้งานสั้นลง

     DS เกือบทุกประเภทไม่มีระบบสะสมพลังงาน (Spring Store Energy) ที่จะสับ หรือปลดชุดใบมีดให้มีความเร็วสูงเพื่อลดเวลาการเกิด Arc ให้สั้นที่สุด

     ประโยชน์ของ DS ที่ใช้ในงาน Power System คือเพื่อความปลอดภัยในการซ่อมบำรุง 

• Load Break Switch (LBS)

     คือเป็นอุปกรณ์ที่ใช้สำหรับตัดตอนขณะมีกระแสไหลผ่านตัวเองได้ ลักษณะโดยทั่วไปจะพัฒนาเพิ่มเติมจาก Disconnecting Switch คือ

     -เพิ่ม Arcing Contact เพื่อล่อให้กระแส Arc ที่เกิดขณะเปิด และปิดวงจรเกิดขึ้น โดยไม่มีหน้าที่หลักในการให้กระแสส่วนใหญ่ไหลผ่าน

     -เพิ่ม Arc-Chute เพื่อเป็นส่วนในการดับกระแส Arc หรือไม่ให้ Arc แพร่กระจายออกไป

     -เพิ่มความเร็วในการปลด-สับใบมีด โดยการเพิ่มระบบ Spring Store Energy 

• Circuit Breaker (CB)

     องค์ประกอบทางโครงสร้างของ Circuit Breaker สำหรับระบบไฟฟ้าแรงดันสูง จะคล้ายกับชนิดแรงดันต่ำ จะมีส่วนแตกต่างกันในอุปกรณ์สั่งตัดตอน (Tripping Unit) เท่านั้น ใน CB แรงดันต่ำการ Trip เกิดจาก Thermal Trip Unit หรือ Electro Magnetic Trip Unit ซึ่งเป็นลักษณะของส่วนประกอบหลัก (Built-In Unit) ในตัวอุปกรณ์ แต่ CB ในระบบไฟฟ้าแรงดันสูง ไม่มีอุปกรณ์ดังกล่าวในตัวเอง CB จะรับสัญญาณ Overload Current หรือ Short Circuit Current จากอุปกรณ์ตรวจจับภายนอก (Protection Relay) แล้วสั่งให้ Shunt Trip หรือ No-Voltage Release Coil ตัด CB ออกจากการจ่ายไฟฟ้า

     Circuit Breaker ไฟฟ้าแรงดันสูงมีการพัฒนามานาน ซึ่งจะเรียงลำดับรุ่นต่างๆ ได้ดังนี้

     Air Circuit Breaker เป็นพัฒนาการรุ่นแรกที่ใช้วิธีการดับ Arc ในอากาศภายในช่อง Arc-Chute สามารถทำได้ถึงระดับแรงดันไฟฟ้า 24 KV. การทำงานเหมือนกับชนิดไฟฟ้าแรงดันต่ำ

     Maximum Oil Circuit Breaker เป็นการพัฒนาการที่สูงขึ้นโดยใช้น้ำมันมาเป็นฉนวนไฟฟ้า และใช้ในการดับ Arc ที่เกิดขึ้น

     Minimum Oil Circuit Breaker เป็นการพัฒนาต่อจาก Maximum Oil Circuit Breaker โดยการพัฒนาวัสดุต่างๆ รวมถึงเทคนิคการออกแบบ ทำให้ขนาดอุปกรณ์เล็กลงพอที่จะบรรจุอยู่ในกระบอกเล็กๆ ที่ใส่น้ำมันไว้เพียงเล็กน้อย ระดับแรงดันที่ทำได้สูงสุดคือ 69 KV.

     Vacuum Circuit Breaker เป็นพัฒนาการที่จะทำให้อุปกรณ์มีขนาดเล็กลง โดยให้ส่วนที่มีไฟฟ้า เช่นหน้าสัมผัสต่างๆ อยู่ภายในกระบอกสุญญากาศ นั่นคือ Arc ที่เกิดขึ้นในสุญญากาศจะน้อยมาก อุปกรณ์ที่ใช้โดยทั่วไปจะคล้าย Minimum Oil

     Gas Circuit Breaker เป็นการพัฒนาชนิดเดียวที่สามารถใช้กับระบบไฟฟ้าแรงดันสูง เช่น 69 KV.,115 KV.,230 KV. และ 500 KV. ภายหลังที่เทคนิคการผลิต และปริมาณการใช้เริ่มสูงขึ้นจึงทำให้มีราคาถูกลงจนนำมาใช้กับระบบ 69 KV., 24 KV. ได้อย่างแพร่หลาย ก๊าซที่ใช้เป็นชนิด SF6 ขนาดของอุปกรณ์กะทัดรัด  และอุปกรณ์ได้มีการออกแบบไว้ให้มีความปลอดภัยโดยหากเกิดการรั่วของก๊าซแล้ว สุดท้ายจะยังคงมีก๊าซอยู่ภายในกระบอกซึ่งมีแรงดันเท่ากับ 1 บรรนากาศ และเพียงพอให้อุปกรณ์ Trip ได้ 1 ครั้ง โดยไม่เกิดอันตรายแต่อย่างใด หลังจากนั้นระบบจะ Lock ไม่ให้เกิดการสับสวิทช์ต่อไป

• High Voltage Switchboard

     Metal Enclose Switchboard

     เป็นแผงไฟฟ้าที่นำอุปกรณ์ไฟฟ้า เช่น Circuit Breaker หรือสวิตช์ต่างๆ Current Transformer,Potential Transformer, ฟิวส์, และ Busbar ต่างๆ บรรจุอยู่ภายในตู้เหล็กโดยอุแกรณ์ทั้งหมดบรรจุอยู่ภายในช่องตู้เดียวกัน (Single Compartment)

     Metal Clad Switchboard

     เป็นแผงไฟฟ้าแบบเดียวกับ Metal Enclose Switchboard แต่ช่องของอุปกรณ์จะถูกออกแบ่งเป็นส่วนๆ อย่างน้อยดังนี้

     -Metering Compartment

     -Busbar Compartment

     -Cable Compartment

     -Switchgear Compartment

     ข้อดี Metal Clad คือเมื่่อเกิดปัญหาในช่องใดช่องหนึ่งความเสียหายจะถูกจำกัดอยู่เพียงภายในช่องนั้น ไม่ลุกลามไปยังช่องอื่นๆ และแต่ละช่องต้องมีช่องระบายแรงดันอากาศ (Pressure Relief) เพื่อระบายแรงดันที่เกิดจากการลัดวงจร โดยแรงดันดังกล่าวที่ถูกระบายออกไปจะไม่ปะทะหรือทำอันตรายแก่ผู้ใช้งาน

     Ring Main Unit (RMU)

     ข้อกำหนดของ RMU มีอยู่ง่ายๆ คืออุปกรณ์ส่วนที่มีไฟฟ้าแรงสูงจะถูกหุ้มด้วยก๊าซ SF6

     ทฤษฏีของการจ่ายไฟแบบ Ring Main หรือที่เรียกว่าวงแหวน คือ จะมีการจ่ายไฟฟ้าได้จากปลายทั้งสองข้าง และเมื่อมีเหตุขัดข้องของการไฟฟ้าด้านใดด้านหนึ่ง RMU ก็จะสามารถย้ายการรับไฟฟ้าไปรับจากสายป้อนที่ดี ดังนั้นระบบจะมีไฟฟ้าใช้ตลอดเวลา
     Gas Insulated Switchgear (GIS)
     หลักการของ GIS คือการนำแผงไฟฟ้า (Switchboard) และอุปกรณ์ไฟฟ้า (Switchgear) บรรจุลงไปในถังที่มีก๊าซ SF6 บรรจุจากที่กล่าวมาแล้วในเบื้องต้น ว่า SF6 จะช่วยทำให้ขนาดของ Switchgear เล็กกะทัดรัดขึ้นมาก การใช้งานและการติดตั้งอุปกรณ์กระทำได้ง่ายขึ้น ความปลอดภัยสูง