Design of power system (การออกแบบระบบไฟฟ้ากำลัง)

พลังงานไฟฟ้าภายในโรงงานหรืออาคารจะต้องผ่านอุปกรณ์รับและแปลงไฟฟ้า  สายเมนไฟฟ้า ไปที่อุปกรณ์ควบคุมไฟสำหรับเครื่องใช้ไฟฟ้าและแสงสว่าง แล้วจ่ายให้ภาระที่ต้องการพลังงานไฟฟ้า เช่น มอเตอร์ อุปกรณ์ส่องสว่าง เป็นต้น

รูป การไหลของพลังงานไฟฟ้าในอาคาร

จากรูปด้านบน   สิ่งที่สิ้นเปลืองพลังงานมากที่สุด ได้แก่ ภาระพวกมอเตอร์และอุปกรณ์แสงสว่าง  อย่างไรก็ตาม ในเส้นทางจ่ายพลังงานไฟฟ้าไปยังภาระ กล่าวคือ ในหม้อแปลง สายเมนไฟฟ้า ก็ยังมีความสิ้นเปลืองพลังงานในรูปความสูญเสียอีกด้วย

การอนุรักษ์พลังงานของระบบไฟฟ้า (power system) จะขึ้นอยู่กับการออกแบบ  การจัดการการใช้งานก็มีบทบาทที่สำคัญเช่นกัน  การจัดการพลังงานของระบบไฟฟ้าอย่างมีประสิทธิผลจะต้องเข้าใจหลักการ ของการอนุรักษ์พลังงานตามเจตนารมณ์ของผู้ออกแบบ แล้วนำมาปฏิบัติในการจัดการการใช้งาน

วิธีลดกำลังสูญเสียในสายไฟทำได้ดังต่อไปนี้   ในการออกแบบต้องเลือกใช้แรงดันที่เหมาะสม (ลดกระแสในสาย) เลือกขนาดของสายไฟที่เหมาะสม (ลดความต้านทาน) และเลือกวงจรจ่ายโหลดที่ทำให้แหล่งจ่ายไฟอยู่ที่ศูนย์กลางของโหลด (ลดระยะทาง) นอกจากนี้ ในการเดินเครื่องต้องพยายามเลือกวงจรที่ทำให้กระแสของโหลดสมดุลที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้รวมทั้งการเดินเครื่องให้เหมาะสมสภาพโหลด เช่น การปลดหม้อแปลงบางลูกในแบงค์เพื่อลดกำลังสูญเสียจากการเหนี่ยวนำแม่เหล็ก หรือการย้ายโหลด เป็นต้น ต่อไปนี้จะอธิบายวิธีลดกำลังสูญเสียในอุปกรณ์แต่ละประเภท

การออกแบบทางไฟฟ้า

เพื่อให้เกิดการใช้พลังงานอย่างมีประสิทธิภาพ การออกแบบระบบจ่ายไฟฟ้า (Design of power system) ควรจะต้องดำเนินการดังต่อไปนี้

I) การจัดโหลดของหม้อแปลงไฟฟ้าให้สมดุลกันทุกเฟส

โหลดในระบบไฟฟ้า 3 เฟสมีทั้งที่เป็นโหลดสมดุลกับโหลดไม่สมดุล กล่าวคือ โหลดไม่สมดุล หมายความว่า อิมพีแดนซ์ที่นำมาต่อในแต่ละเฟสมีค่าไม่เท่ากัน ทำให้กระแสรวมของโหลดทางเวกเตอร์มีผลลัพธ์ไม่เป็นศูนย์  ถ้าโหลดนั้นต่อแบบสตาร์จะมีกระแสไหลในสายนิวทรัลด้วยจะทำให้       ขดลวดของเครื่องกำเนิดไฟฟ้า หรือหม้อแปลงไฟฟ้าชำรุดเสียหายได้โดยเฉพาะในระบบที่โหลดต่อแบบเดลต้าจะทำให้มีกระแสไหลวนในวงรอบในลักษณะที่เป็นภาระพึ่งพิงต่อกันระหว่างเฟส  ในทางปฏิบัติการที่จะทำให้โหลดสมดุลนั้นเป็นไปได้ยากมากหรือแทบเป็นไปไม่ได้เลยเพียงแต่ว่าทำอย่างไรจึงจะออกแบบและควบคุมระบบไฟฟ้ามิให้เกิดปรากฏการณ์โหลดไม่สมดุล

ออกแบบและควบคุมระบบไฟฟ้ามิให้เกิดปรากฏการณ์โหลดไม่สมดุล

1. พิจารณาโหลดที่ใช้ไฟฟ้า 1 เฟส เป็นพิเศษ เช่น การทำงาน ขนาด และความสำคัญ
2. ควรมีเครื่องมือตรวจวัดกระแสและแรงดันไฟฟ้าอย่างสม่ำเสมอ
3. ควรมีการบันทึกการทำงานของอุปกรณ์ไฟฟ้า
4. นำผลที่ได้มาทำการวิเคราะห์ เพื่อหาแนวทางในการจัดโหลดให้สมดุลกันทุกเฟส

ตารางโหลด  (Load Schedule)

การจัดทำตารางโหลด (Load Schedule) มีความจำเป็นมาก เพราะจะแสดงรายละเอียดต่างๆ ที่ไม่สามารถแสดงในแบบได้ และยังช่วยให้การออกแบบสะดวก ผู้ใช้งานหรือผู้ที่ทำการประมาณราคาและติดตั้งจะดูแบบได้ง่ายขึ้น ประโยชน์ที่ได้จากการจัดทำตารางโหลดพอสรุปได้ดังนี้

1. สามารถจัดการสมดุลของโหลดแต่ละเฟสได้ดี (Balanced Load) โดยเฉพาะที่โหลดส่วนใหญ่เป็นโหลด 1 เฟส
2. การคำนวณโหลดทำได้ง่ายและสะดวกขึ้น ไม่ว่าจะเป็นการหาผลรวมของโหลดทั้งหมด หรือบางส่วนในวงจรเช่นแต่ละแผงสวิตซ์ก็ตาม
3. แสดงรายละเอียดที่ไม่ปรากฏในแบบได้ เช่น ชนิดและขนาดสายไฟฟ้า รายละเอียดของท่อร้อยสาย หมายเลขวงจรและไดอะแกรมเส้นเดียว เป็นต้น

ตารางโหลดอาจมีรูปร่างแตกต่างกันออกไปตามความต้องการของผู้ใช้งาน แต่ตารางโหลดที่ดีจะต้องเป็นตารางโหลดที่แสดงรายละเอียดที่จำเป็นได้ครบมากที่สุด ตารางโหลดอาจแยกออกเป็นสำหรับโหลด 1 เฟส และโหลด 3 เฟส จากตารางโหลดข้างล่างนี้ ผู้ใช้งานอาจปรับปรุงให้ตรงตามความต้องการใช้งานได้ ตารางโหลดควรทำทุก ๆ แผงวงจรย่อยเพื่อสะดวกในการหาโหลดรวม

รูป ตารางโหลด

II) การคำนวณแรงดันตก

หากให้แรงดันเฟส (แรงดันเทียบกับสายนิวทรัล) ด้านแหล่งจ่ายไฟ เป็น E_S และให้แรงดันเฟส (แรงดันเทียบกับสายนิวทรัล)  ด้านโหลดเป็น E_R แล้ว จากเวกเตอร์ในรูปที่  2  แรงดันตก ΔE  จะมีค่าดังต่อไปนี้

ทั้งนี้    :    I  คือ กระแสในวงจร [A], R  คือ ความต้านทานต่อ 1 เฟสของวงจร [Ω], X  คือ  รีแอกแตนซ์ต่อ 1 เฟสของวงจร [Ω] และ cos θ     คือ  เพาเวอร์แฟกเตอร์ ตามลำดับ

แต่ถ้ากรณีที่แรงดันตกน้อยมาก จะเป็นดังต่อไปนี้

รูป เวกเตอร์ของแรงดัน

ซึ่งในทางปฏิบัติแล้วสูตรข้างต้นก็เพียงพอต่อการใช้งาน ดังนั้น แรงดันระหว่างสายของวงจร 3 เฟสที่ตกลงไป ΔV จะเท่ากับ รากที่สองของสาม เท่าของแรงดันเฟสที่ตกลงไป

และอัตราแรงดันตก ε จะเท่ากับ

แรงดันตกเป็นค่าที่สำคัญในการออกแบบขนาดสายไฟฟ้า  ความแตกต่างระหว่างไฟฟ้าที่จุดแหล่งจ่ายต้นทางและจุดรับไฟฟ้าทำให้เกิดแรงดันตก  ค่าแรงดันตกสามารถแก้ไขให้ดีขึ้นโดยการเพิ่มขนาดสายหรือลดความยาวของสายไฟ

รูป แสดงเปอร์เซ็นต์แรงดันตกตาม ว.ส.ท. 202 – 3

III) การคำนวณกำลังสูญเสีย

a) กำลังสูญเสียในสายไฟ

กำลังสูญเสียในสายไฟ W แสดงได้ดังสูตรต่อไปนี้

ทั้งนี้  I = กระแสในวงจร [A], r  = ความต้านทานต่อ 1 เมตรของวงจร 1 วงจร [Ω /m], ℓ  = ความยาวของวงจรจ่ายไฟ [m] ,N = ค่าคงที่ขึ้นอยู่กับประเภทของวงจร โดย ไฟ 1 เฟส 2 สาย ไฟ 1 เฟส 3 สาย  (N = 2) และ ไฟ 3 เฟส 3 สาย ไฟ 3 เฟส 4 สาย                    (N = 3)

รูป เวกเตอร์ของแรงดัน

ซึ่งในทางปฏิบัติแล้วสูตรข้างต้นก็เพียงพอต่อการใช้งาน ดังนั้น แรงดันระหว่างสายของวงจร 3 เฟสที่ตกลงไป ΔV จะเท่ากับ รากที่สองของสาม เท่าของแรงดันเฟสที่ตกลงไป

และอัตราแรงดันตก ε จะเท่ากับ

แรงดันตกเป็นค่าที่สำคัญในการออกแบบขนาดสายไฟฟ้า  ความแตกต่างระหว่างไฟฟ้าที่จุดแหล่งจ่ายต้นทางและจุดรับไฟฟ้าทำให้เกิดแรงดันตก  ค่าแรงดันตกสามารถแก้ไขให้ดีขึ้นโดยการเพิ่มขนาดสายหรือลดความยาวของสายไฟ

รูป แสดงเปอร์เซ็นต์แรงดันตกตาม ว.ส.ท. 202 – 3

b) กำลังสูญเสียในหม้อแปลง

กำลังสูญเสียในหม้อแปลงแบ่งได้เป็น Iron loss หรือ Core loss กับ Copper loss

Iron loss : เป็นกำลังสูญเสียที่เกิดขึ้นเมื่อมีแรงดันเข้ามาไม่ว่าจะมีโหลดหรือไม่ก็ตาม เป็นองค์ประกอบสำคัญของกำลังสูญเสียในสภาวะไม่มีโหลด เมื่อแรงดันเปลี่ยนไปกำลังสูญเสียจะเปลี่ยนแปลงไปด้วย

Copper loss : เป็นกำลังสูญเสียจากความต้านทานของขดลวดเนื่องจากกระแสของโหลด แปรผันตรงกับกำลังสองของกระแส

ทั้งนี้  T คือ พิกัดของหม้อแปลง [kVA], P คือ กำลังไฟฟ้าของหม้อแปลง [kW], I คือ กระแสทุติยภูมิที่กำลังไฟฟ้า P [A], W_i คือ  Iron loss ที่กำลังไฟฟ้า P [kW],  W′c คือ  Copper loss ที่กำลังไฟฟ้า P [kW], η คือ ประสิทธิภาพที่กำลังไฟฟ้า P [%], cos θ คือ เพาเวอร์แฟกเตอร์, V คือ แรงดันที่ขั้ว [V] และ K₁, K₂ คือ ค่าคงที่ ตามลำดับ

ดังนั้น พิกัดที่มีประสิทธิภาพสูงสุด P_e [kVA] จะเท่ากับ

นอกจากนี้ กรณีที่เดินเครื่องหม้อแปลง 2 ลูกขนานกัน โหลดที่หม้อแปลงแต่ละลูกต้องรับจะแสดงได้ดังสูตรต่อไปนี้

ทั้งนี้ P_A คือ  พิกัดของหม้อแปลง A [kVA], P_B คือ  พิกัดของหม้อแปลง B [kVA], Z_A คือ อิมพีแดนซ์ของหม้อแปลง A [%],

Z_B คือ  อิมพีแดนซ์ของหม้อแปลง B [%]

IV) การติดตั้งสายดิน

สายดินคือ สายไฟเส้นที่มีไว้เพื่อความปลอดภัยต่อการใช้ไฟฟ้าโดยจะต่อเข้ากับวัตถุหรือส่วนโครงภายนอกของเครื่องไฟฟ้าเพื่อให้มีศักย์ไฟฟ้าเป็นศูนย์หรือเท่ากับพื้นดิน   กระแสไฟฟ้ารั่วจากเครื่องใช้ไฟฟ้าจะไหลลงดินทางสายดินโดยไม่ผ่านร่างกายผู้สัมผัสเครื่องใช้ไฟฟ้านั้น อุปกรณ์ป้องกันไฟฟ้าช็อตและ/หรือไฟฟ้ารั่วจะตัดกระแสไฟฟ้าออกทันที  สีของสายไฟฟ้าที่แสดงว่าเป็นสายดินคือ  สีเขียวหรือสีเขียวสลับ

การต่อสายดินที่ถูกต้อง จะต้องเป็นไปตามมาตรฐานที่การไฟฟ้านครหลวงกำหนดโดยมีการต่อลงดินเพียงตำแหน่งเดียวที่ตู้เมนสวิตซ์ เช่น ใช้สายทองแดงขนาดไม่ต่ำกว่า 10 ตารางมิลลิเมตร ต่อจากขั้ว สายดินที่ตู้เมนสวิตซ์แล้วต่อเชื่อมด้วยวิธีหลอมละลายกับแท่งทองแดงขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 16 มิลลิเมตร ยาว 2.40 เมตรที่ฝังลึกจมลงไปในดิน เป็นต้น

ขั้นตอนการติดตั้งระบบสายดินมีดังนี้

1. จุดต่อลงดินของระบบต้องอยู่ด้านไฟเข้าของเครื่องตัดวงจรตัวแรกของตู้เมนสวิตซ์
2. ภายในอาคารหลังเดียวกันไม่ควรมีจุดต่อลงดินมากกว่า 1 จุด
3. สายดินและสายศูนย์สามารถต่อร่วมกันได้เพียงแห่งเดียว ที่จุดต่อลงดินภายใน
   ตู้เมนสวิตซ์ ห้ามต่อร่วมกันในที่อื่น ๆ อีก เช่น ในแผงสวิตซ์ย่อยจะต้องมีขั้วสายดินแยกจากขั้วต่อสายศูนย์และห้ามต่อถึงกัน โดยมีฉนวนคั่นระหว่างขั้วต่อสายศูนย์กับตัวตู้ ซึ่งต่อกับขั้วต่อสายดิน
4. ตู้เมนสวิตซ์สำหรับห้องชุดของอาคารชุดและตู้แผงสวิตซ์ประจำชั้นของอาคารสูงให้ถือว่าเป็นแผงสวิตซ์ย่อย จึงห้ามต่อสายศูนย์และสายดินร่วมกัน
5. ไม่ควรต่อโครงโลหะของเครื่องใช้ไฟฟ้าลงดินโดยตรง แต่ถ้าได้ดำเนินการไปแล้วให้แก้ไขโดยมีการต่อลงดินที่เมนสวิตซ์อย่างถูกต้อง แล้วเดินสายดินจากเมนสวิตซ์มาต่อร่วมกับสายดินที่ใช้อยู่เดิม

ประกาศบังคับให้ผู้ใช้ไฟ ติดตั้งระบบสายดิน ตั้งแต่ 1 ต.ค.2546  ดังนี้ :

1. สำหรับผู้ใช้ไฟรายใหญ่ใหม่ทุกราย ทุกประเภท ต้องมีระบบสายดินและมีการต่อลงดินตามมาตรฐาน ยกเว้นผู้ใช้ไฟประเภทที่อยู่อาศัยที่อยู่นอกเขตเทศบาล หรือ ผู้ใช้ไฟในเขตชนบท ซึ่งติดตั้งมิเตอร์ขนาดไม่เกิน 5(15) แอมป์ จะมีระบบสายดินหรือไม่ก็ได้

2. สำหรับผู้ใช้ไฟรายเดิมที่มีการขอเพิ่มขนาดมิเตอร์ ให้ทำการต่อลงดินที่แผงเมนสวิตซ์ (อุปกรณ์ประธาน) เท่านั้น ไม่ต้องทำระบบสายดินใหม่ก็ได้

รูป การติดตั้งสายดิน

V) การออกแบบฉนวนไฟฟ้า

แนวคิดพื้นฐานของการออกแบบฉนวนไฟฟ้า ได้แก่ ต้องให้สามารถทนแรงดันกระแสสลับตามปกติ และทนแรงดันผิดปกติที่เกิดขึ้นในระบบได้ และใช้เครื่องป้องกันฟ้าผ่าหรืออื่น ๆ ร่วมกับฉนวนไฟฟ้าเพื่อป้องกันเสิร์จจากฟ้าผ่า  นอกจากนี้ ในเขตที่มีมลพิษยังต้องมีมาตรการป้องกันความเสียหายจากมลพิษนั้นให้เพียงพอด้วย

VI) ความเชื่อถือได้

การทำให้ระบบมีความเชื่อถือได้สูง จำเป็นต้องให้อุปกรณ์ทุกชิ้นมีความเชื่อถือได้สูงไปด้วย โดยทั่วไปสาเหตุของอุบัติเหตุมักจะเกิดจากการเสื่อมสภาพตามธรรมชาติ การซ่อมบำรุงไม่ดี การออกแบบ ผลิต หรือติดตั้งไม่สมบูรณ์ การเดินเครื่องผิดพลาด และภัยธรรมชาติ แต่อุบัติเหตุอื่น ๆ นอกเหนือจากภัยธรรมชาติ สามารถป้องกันได้โดยตรวจซ่อมบำรุงเป็นประจำ

ปัจจัยพื้นฐานสำหรับการออกแบบระบบไฟฟ้า

ระบบการจ่ายพลังงานไฟฟ้า (Power distribution system) ที่ดีที่สุด สำหรับอาคารหลังหนึ่งๆ คือ ระบบซึ่งจะจ่ายพลังงานไฟฟ้าอย่างปลอดภัย และเพียงพอสำหรับโหลดในปัจจุบันและอนาคต เนื่องจากอาคารแต่ละหลังมีความต้องการพลังงานไฟฟ้าแตกต่างกัน ดังนั้นผู้ออกแบบจะต้องวิเคราะห์ความต้องการดังกล่าวอย่างรอบคอบแล้วนำข้อสรุปมาออกแบบระบบไฟฟ้านั้นๆ ปัจจัยพื้นฐานสำหรับการออกแบบระบบไฟฟ้า คือ

• ความปลอดภัย (Safety) ความปลอดภัยช่วยทำให้อายุของอุปกรณ์ไฟฟ้ายืนยาวขึ้น และเป็นสิ่งสำคัญสำหรับการออกแบบระบบไฟฟ้าในโรงงานอุตสาหกรรม และจะต้องไม่ทำให้เกิดอันตรายต่อบุคคล สิ่งที่จะต้องพิจารณาในเรื่องระบบความปลอดภัยคือ การเลือกชนิดของวัสดุตามมาตรฐานและอุปกรณ์ต่างๆ ที่จะใช้
• ความเชื่อถือได้ (Reliability) ในบางครั้ง ระบบไฟฟ้าอาจจะตัดกระแสไฟฟ้าในขณะที่เราต้องการใช้พลังงานอย่างต่อเนื่อง ดังนั้นการออกแบบระบบไฟฟ้าจะต้องทำให้จุดบกพร่องเหล่านี้เกิดขึ้นน้อยที่สุด เพื่อให้วางใจในระบบได้สูงสุดและมีราคาพอสมควร
• ความง่ายในการใช้งาน (Simplicity of operation) ความง่ายในการใช้งานนับเป็นสิ่งสำคัญมากเพื่อความปลอดภัยและสามารถทำงานที่เชื่อถือได้ ข้อสำคัญคือการทำงานของระบบจะต้องพยายามทำให้เป็นแบบที่ง่ายที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้และให้ตรงความต้องการของการผลิต
• ความสม่ำเสมอของแรงดัน (Voltage regulation) แรงดันที่ไม่สม่ำเสมอจะทำให้อายุของอุปกรณ์ไฟฟ้าสั้นลง แรงดันที่เป็นประโยชน์ต่ออุปกรณ์ไฟฟ้าจะต้องรักษาไม่ให้เกินขีดจำกัดภายใต้สภาวะโหลดปกติ
• การดูแลรักษา (Maintenance) ในการออกแบบระบบไฟฟ้า จะต้องให้ระบบการจ่ายไฟฟ้าสามารถดูแลรักษา ตรวจสอบ ซ่อมแซม และทำความสะอาดได้ง่าย
• ความคล่องตัว (Flexibility) ระบบไฟฟ้าจะต้องสามารถดัดแปลง ปรับปรุง และขยายได้ในอนาคต ข้อที่จำเป็นต้องพิจารณาคือ แรงดันไฟฟ้า และเผื่อที่ว่างสำหรับอุปกรณ์ไฟฟ้าให้เหมาะสมกับโหลดที่จะมีเพิ่มขึ้น
• ค่าใช้จ่ายเริ่มต้น (First cost) ค่าใช้จ่ายเริ่มต้นนับเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับความปลอดภัย ความเชื่อถือได้ ความสม่ำเสมอของแรงดัน การดูแลรักษา และเพื่อการขยายในอนาคต ดังนั้นจะต้องพิจารณาเลือกแบบที่ดีที่สุดเพื่อลดต้นทุน