ผลลัพธ์ที่ปรากฏขึ้น แสดงให้เห็นเป็นประจักษ์ ไร้ข้อโต้เถียงใด ๆ ทั้งสิ้น ถึงปัญหาความไร้คุณภาพของกำลังไฟฟ้าที่เกิดขึ้น ทั้งในโรงงานอุตสาหกรรม ระบบสื่อสาร ระบบขนส่ง โรงพยาบาล สำนักงานอาคารพาณิชย์ เป็นต้น

.

ความมีประสิทธิภาพที่เพิ่มสูงขึ้นของกระบวนการผลิต การจัดการขององค์กรต่าง ๆ ที่ได้นำพาเทคโนโลยีสมัยใหม่ (เทคโนโลยีทางด้านวัสดุสารกึ่งตัวนำ) เข้ามาเป็นกลไกสำคัญ ในการดำเนินงาน ถึงแม้ประสิทธิภาพ ประสิทธิผลที่องค์กรต่าง ๆ ได้รับจากเทคโนโลยีเหล่านี้จะมีคุณค่าอนันต์ แต่ทว่าเทคโนโลยีสมัยใหม่เหล่านี้มีความเปราะบางต่อความไร้คุณภาพของกำลังไฟฟ้า อีกทั้งก่อปัญหาขึ้นในระบบไฟฟ้าของระบบงาน หรือกล่าวอีกนัยหนึ่งว่าเทคโนโลยีสมัยใหม่ (อิเล็กทรอนิกส์กำลัง) ตัวมันกำลังฆ่าตัวมันเอง

หากท่านใดอยู่ในภาคสนามมานาน เชื่อแน่ว่าจะต้องพบเจอกับปัญหาต่าง ๆ นับครั้งไม่ถ้วน ตัวอย่างเช่น ความเสียหายที่เกิดขึ้นกับหม้อแปลงไฟฟ้า ขดลวดต่าง ๆ ที่ประกอบอยู่ในเครื่อง AC Voltage Regulator หรือ Stabilizer ตลอดถึง Surge Filter เกิดไหม้ขึ้นมาโดยใช้แคลมป์มิเตอร์วัดค่าขนาดกระแสไฟฟ้า ปรากฏว่ามีค่าไม่เกินความสามารถที่ขดลวดหรือหม้อแปลงไฟฟ้าเหล่านี้จะรับได้ หรือบางครั้งคาปาซิเตอร์แบงก์ (Cap. Bank) เกิดไหม้หรือระเบิดขึ้นโดยไม่ทราบสาเหตุ เหล่านี้คือตัวอย่างของปัญหาจากหลาย ๆ ปัญหาที่ได้ยกขึ้นมาให้เห็นภาพพอเป็นแนวทาง

ปัจจัยที่นำมาเป็นดัชนีชี้วัดคุณภาพกำลังไฟฟ้าประกอบด้วย 3 ตัวแปรด้วยกันได้แก่ แรงดันไฟฟ้า กระแสไฟฟ้า และค่าความถี่ หากพูดถึงในภาพรวมแล้ว การจัดการคุณภาพกำลังไฟฟ้าในปัจจุบัน เหนือกว่าการจัดการคุณภาพกำลังไฟฟ้าในอดีตมาก แต่ทำไมปัญหาในปัจจุบันจึงส่งผลให้เกิดความเสียหายมากกว่าในอดีต คำตอบต่อคำถามนี้ คือ กระบวนการจัดการคุณภาพกำลังไฟฟ้าในปัจจุบัน เคลื่อนตัวไม่ทันต่อการเกิดขึ้นของปัญหาและจุดด้อยของเทคโนโลยีสมัยใหม่ ตัวอย่างเช่นเรื่องฮาร์มอนิก ปัญหาในเรื่องฮาร์มอนิกในปัจจุบันได้ทวีความรุนแรงเพิ่มสูงขึ้น ฮาร์มอนิกมีแหล่งกำเนิดมาจากไหน แหล่งกำเนิดของฮาร์มอนิกหลัก ๆ คือ วัสดุสารกึ่งตัวนำที่ทำงานในลักษณะสวิตชิ่ง (อิเล็กทรอนิกส์กำลัง) ที่อยู่ในส่วนงานในภาคกำลังไฟฟ้า

สายงานการผลิตของโรงงานอุตสาหกรรมในอดีต ประกอบขึ้นด้วยระบบงานที่มีความทนทานสูงต่อความไร้ซึ่งคุณภาพกำลังไฟฟ้า มีความแตกต่างกันโดยสิ้นเชิงกับปัจจุบัน ระบบควบคุมในอดีตนั้นอาศัยหลักการทำงานแบบแมคานิกเป็นหลัก แต่ปัจจุบันระบบควบคุมในโรงงานอุตสาหกรรม ได้มีการเปลี่ยนแปลงมาใช้วัสดุประเภทไมโครโปรเซสเซอร์ ไมโครคอนโทรลเลอร์ ตลอดถึงวัสดุสารกึ่งตัวนำประกอบร่วมอื่น ๆ ถึงแม้ว่าประสิทธิภาพการทำงานของระบบควบคุมในปัจจุบันจะเหนือกว่าในอดีตมาก แต่ความไว้วางใจในเรื่องความทนทานต่อความไร้ซึ่งคุณภาพกำลังไฟฟ้า เป็นเรื่องยากมากที่จะทำให้เกิดความมั่นใจได้ จึงกลายมาเป็นเหตุผลสำคัญต่อคำถามที่ว่า ทำไมระบบงานหลักจึงต้องมีระบบงานสนับสนุน

ความต้องการค่าระดับคุณภาพกำลังไฟฟ้าในแต่ละระบบงานย่อมมีไม่เท่ากัน แหละเป็นเรื่องยากมากต่อการหาผลเฉลย (Solution) ดังนั้นในลำดับเริ่มต้นสำหรับการจัดการคุณภาพกำลังไฟฟ้า จะเป็นการมองในเชิงภาพรวมของค่าระดับคุณภาพกำลังไฟฟ้าในระบบงาน โดยเป็นขั้นตอนในการเฝ้ามอง (Monitoring) สัญญาณแห่งปัญหา ตามมาด้วยการเจาะลึกลงไปในรายละเอียดของปัญหาแต่ละชนิด โดยเป้าหมายการจัดการคุณภาพกำลังไฟฟ้าที่เราจะเดินไปหา คือ การจัดการกำลังไฟฟ้าให้เกิดความเหมาะสม (Optimization) ต่อความต้องการของระบบงาน

ความอ่อนแอ เปราะบางต่อความไร้ซึ่งคุณภาพของกำลังไฟฟ้าของวัสดุสารกึ่งตัวนำ ตลอดถึงปัญหาที่วัสดุสารกึ่งตัวนำเป็นตัวก่อขึ้นเอง (เช่น ฮาร์มอนิก) มีความจำเป็นอย่างยิ่งที่ระบบงานจะต้องดำเนินการเพิ่มระบบสนับสนุนเข้าสู่ระบบงาน ระบบสนับสนุนมิได้หมายความว่า เป็นระบบที่จะเข้ามาเพิ่มความทนทานให้กับระบบงาน แต่ระบบสนับสนุนจะเข้ามากลั่นกรองกำลังไฟฟ้า ให้เกิดความเหมาะสมกับความต้องการของระบบงาน

บทความฉบับนี้ จะกล่าวนำเสนอปัจจัยที่ต้องคำนึงถึงในการวิเคราะห์คุณภาพกำลังไฟฟ้าเพียงเท่านั้น ซึ่งเป็นกระบวนการเริ่มแรกในการจัดการคุณภาพกำลังไฟฟ้าในเชิงบูรณาการที่เราจะต้องทำความเข้าใจ ส่วนกระบวนการหรือขั้นตอนในการจัดการคุณภาพกำลังไฟฟ้าจะขอนำเสนอในโอกาสต่อ ๆ ไป แต่อย่างไรก็ดี การจัดการคุณภาพกำลังไฟฟ้านั้น จะเกิดผลที่พึงพอใจได้ ก็ต่อเมื่อดำเนินการจัดการในเชิงบูรณาการเพียงเท่านั้น

เพื่อไม่ต้องการหลุดกรอบของบทความมากเกินไป สามารถสรุปใจความสำคัญในการพิจารณาระบบสนับสนุนได้ว่า สัญญาณแห่งปัญหาที่แตกต่างกัน จะต้องใช้เครื่องมือที่แตกต่างกันออกไป แหละความเป็นจริงที่เกิดขึ้นในภาคสนาม นั่นก็คือ เครื่องมือชนิด หนึ่ง นำมาใช้แก้ปัญหาอย่าง หนึ่ง แต่เครื่องมือชนิดนี้กลับไปพ่ายแพ้กับอีกปัญหา หนึ่ง ตัวอย่างเช่น MOV มีความสามารถในการลดทอนแรงดันไฟฟ้าไฟกระโชก (Magnitude สูง, Rise Time สูง, Duration สั้น) แต่ MOV กลับไปพ่ายแพ้ให้กับปัญหาในเรื่อง Over Voltage (Duration ยาวประมาณ 2-3 วินาที อ้างอิงนิยามตาม IEEE Std. 1100-1992) โดยทางแก้ปัญหาในเรื่อง Over Voltage เราจะต้องพึ่งพาเครื่อง AC Voltage Regulators หรือ Stabilizer แหละเป็นไปในลักษณะเดียวกันอีก นั่นก็คือ AC Voltage Regulators หรือ Stabilizer ซึ่งประกอบด้วยขดลวดหรือหม้อแปลง  กลับไปแพ้พ่ายให้กับปัญหาในเรื่องฮาร์มอนิก รวมไปถึงคาปาซิเตอร์แบงก์ (Cap. Bank) ซึ่งมีความสามารถชดเชยกำลังไฟฟ้า (Imaginary) ให้กับระบบไฟฟ้าได้เป็นอย่างดี แต่ Cap. Bank สามารถระเบิดได้โดยง่ายเมื่อเกิดเรโซแนนซ์กับความถี่ฮาร์มอนิก

ที่นำมาแสดงให้เป็นตัวอย่าง เพื่อต้องการให้เรามองปัญหาเพื่อนำไปสู่แนวทางการจัดการคุณภาพกำลังไฟฟ้าเชิงบูรณาการ เพราะหากเรามองแค่เพียงมิติเดียว ผลที่ตามมาคือ แก้ปัญหาไม่ครบองค์รวมของปัญหา และทำให้เราต้องสูญเสียงบประมาณในการอุดรูรั่วที่ไม่มีวันปิดสนิท

ลักษณะของสัญญาณแห่งปัญหา

ลักษณะโดยพื้นฐานของสัญญาณแห่งปัญหาทางด้านคุณภาพกำลังไฟฟ้า สามารถจำแนกออกได้ 2 ลักษณะใหญ่ด้วยกัน

1. Disturbances สัญญาณแห่งในลักษณะ Disturbance จะเข้ามาก่อให้เกิดความผิดปกติทั้งทางแรงดันไฟฟ้าและกระแสไฟฟ้า ซึ่งจะอยู่ในรูปแบบที่เป็น Transient Voltage Transient Voltage จะทำให้ค่าขนาด (Peak Magnitude) มีค่าสูงเกินว่าปกติ โดยเราจะพิจารณาค่าขนาดของ Transient Voltage ในรูปของ V_peak ลักษณะสัญญาณแห่งปัญหาในกลุ่ม Disturbance จะกินขอบเขตไปถึงลักษณะความคลาดเคลื่อนของแรงดันไฟฟ้า กระแสไฟฟ้าในย่านวัด RMS ตัวอย่างเช่น Sag/Swell เป็นต้น

2. Steady State ความผิดเพี้ยนหรือคลาดเคลื่อนของแรงดันไฟฟ้า กระแสไฟฟ้าในย่านวัด RMS และรวมไปถึงสัญญาณรบกวนฮาร์มอนิก ลักษณะความคลาดเคลื่อนของแรงดันไฟฟ้า กระแสไฟฟ้าในลักษณะ Steady State เราสามารถใช้เครื่องมือวัดมาสุ่มตรวจเมื่อไหร่ก็เจอ แตกต่างไปจากสัญญาณแห่งปัญหาในลักษณะ Disturbance จำต้องเฝ้ามอง (Monitoring) อยู่ตลอดเวลา เพราะเราไม่รู้ว่าจะเกิดขึ้นเมื่อไหร่

ความคลาดเคลื่อนไปของแรงดันไฟฟ้า (Steady State) ย่อมเกิดขึ้นได้ตลอดเวลา เพราะโหลดในระบบงานย่อมมีการเปลี่ยนแปลงอยู่ตลอดเวลา รวมไปถึงการปรับเปลี่ยนค่ากำลังไฟฟ้าจากภายนอก (ให้สังเกตช่วงเที่ยง ช่วงเลิกงาน) การพิสูจน์ทราบอย่างง่าย ๆ ในข้างต้นนี้ สำหรับระบบงานใหญ่ ๆ เช่น สถานีทวนสัญญาณโทรทัศน์ หรือโรงงานอุตสาหกรรม เป็นต้น ให้ทุกท่านตรวจวัดค่าระดับแรงดันไฟฟ้าในช่วงที่ระบบงานทำงานปกติ แล้วลองปิดเครื่องมือแต่ละตัวลง ให้สังเกตการเปลี่ยนแปลงไปของค่าระดับแรงดันไฟฟ้า แต่ทั้งนี้ทั้งนั้น การเปลี่ยนแปลงไปของค่าแรงดันไฟฟ้าอาจจะไม่ส่งผลกระทบต่อระบบงานเลย ขึ้นอยู่กับระบบงานนั้นมีความทนทานอยู่ในระดับใด

ความคลาดเคลื่อนไปของแรงดันไฟฟ้า กระแสไฟฟ้า อันสืบเนื่องมาจากฮาร์มอนิก ซึ่งฮาร์มอนิกจะก่อกำเนิดเกิดขึ้นจากวัสดุ Nonlinear ทั้งหลายที่อยู่ในส่วนงานภาคกำลังไฟฟ้า เช่น เกิดจากเครื่อง Power Rectifier, Single Phase Power Supply, AC Voltage Regulator, UPS เป็นต้น เครื่องมือต่าง ๆ เหล่านี้ ล้วนแล้วแต่ประกอบขึ้นด้วยวัสดุประเภท Nonlinear ทั้งหลาย จะกำเนิดฮาร์มอนิกและยิงหรือปล่อยออกมาสู่ระบบไฟฟ้า ส่งผลให้กระแสไฟฟ้าในระบบงานมีความผิดเพี้ยนไปจากที่ควรจะเป็น ดังรูปคลื่นตัวอย่าง (Draft) ที่ยกขึ้นมาแสดง

การควบคุมกระแสฮาร์มอนิก IEEE 591-1992 ได้แสดงแนวทางในการควบคุมเอาไว้ 2 แนวทาง

1.  จะต้องจำกัดกระแสฮาร์มอนิกที่จะถูกยิงออกสู่ระบบไฟฟ้าตรงเครื่องมือที่ก่อกำเนิดขึ้นมา

2.  จะต้องควบคุมไม่ให้เครื่องมือต่าง ๆ ในระบบงานเกิดการรีโซแนนซ์กัน (บันทึก รวมถึงเครื่องมือที่จะติดตั้งเข้าไปใหม่)

Transient เป็นสัญญาณแห่งปัญหาในลักษณะ Disturbance ซึ่งจะมีลักษณะการเปลี่ยนแปลงที่รวดเร็วมาก ทำให้การวัดค่าขนาดของ Transient จึงมองไปที่ V_peak ค่า Rise Time และค่า Duration ลักษณะของTransient จะมีการพิจารณาที่แตกต่างไปจากลักษณะของสัญญาณแห่งปัญหาในลักษณะ Steady State แรงดัน Transient จะมีลักษณะการเกิดขึ้นตรง Peak สูงสุดของลูกคลื่นและจะไปสิ้นสุดที่ลูกคลื่นถัดไป (รูปที่ 2) แต่อย่างไรก็ดี แรงดัน Transient ไม่มีความจำเป็นที่จะต้องมีลักษณะการเกิดขึ้นเหมือนกับรูปที่ 2 เสมอไป เพราะ Transient สามารถจำแนกออกมาได้ 2 ลักษณะใหญ่ด้วยกัน คือ Impulsive Transient (เช่น ฟ้าผ่า ) กับ Oscillation Transient (Transient Recovery Voltage)

ชนิดของสัญญาณแห่งปัญหาและแนวทางการระวังป้องกัน

 1. lmpulsive  Transients

ตัวแปรที่ต้องพิจารณา                          Peak Magnitude, Rise Time, Duration 

ตัวอย่างสาเหตุ                                      ปรากฏการณ์ฟ้าผ่า, การดิสชาร์จประจุไฟฟ้ากระแสสถิต, การสวิตชิ่งของ โหลด

ตัวอย่างเครื่องมือระวังป้องกัน            Surge Suppression, Filter, Isolation Transformer

รูปที่ 3 ลักษณะรูปคลื่น Surge มาตรฐาน IEEE C62.41 (Impulsive Transient)

2. Oscillatory Transients (พิจารณารูปที่ 2)

ตัวแปรที่ต้องพิจารณา                    ลักษณะของรูปคลื่น , Peak Magnitude, ค่าความถี่

ตัวอย่างสาเหตุ                                การสวิตชิ่งของสายสายกำลังไฟฟ้า, การสวิตชิ่งของคาปาซิสเตอร์, การสวิตชิ่งของโหลด

3. Sag/Swell

ตัวแปรที่ต้องพิจารณา                          ค่า Magnitude, ค่า Duration (RMS vs Time)

ตัวอย่างสาเหตุ                                      ระบบ Remote Fault

ตัวอย่างเครื่องมือระวังป้องกัน            หม้อแปลงไฟฟ้าแบบ Ferroresonant, UPS

รูปที่ 4 ตัวอย่างลักษณะรูปคลื่นแรงดันไฟฟ้าที่เกิด Sag/Swell

4. Interruptions (ไฟดับ)

ตัวแปรที่ต้องพิจารณา                          ค่า Duration

ตัวอย่างสาเหตุ                                      เบรกเกอร์ทริป, ฟิวส์ขาด, แห่งจ่ายไฟฟ้าจากภายนอก

ตัวอย่างเครื่องมือระวังป้องกัน            Generator, UPS

5. Under Voltage/Over Voltage

ตัวแปรที่ต้องพิจารณา                 ค่า Magnitude, ค่า Duration (RMS vs Time) สถิติการเกิดปัญหา

ตัวอย่างสาเหตุ                             การสตาร์ทของมอเตอร์ การเปลี่ยนแปลงโหลดในระบบงาน ปัจจัยอื่นจากแหล่งจ่ายไฟฟ้าภายนอก

ตัวอย่างเครื่องมือระวังป้องกัน  Voltage Regulators, หม้อแปลงไฟฟ้าแบบ Ferroresonant

6. Harmonics Distortion

ตัวแปรที่ต้องพิจารณา                          Harmonics Spectrum, THD, ข้อมูลเชิงสถิติ

ตัวอย่างเครื่องมือระวังป้องกัน            Harmonics Filter (Passive หรือ Active)

7. แรงดัน Flicker

ตัวแปรที่ต้องพิจารณา                    ค่า Magnitude ที่เปลี่ยนแปลง, ค่าความถี่ที่เกิดขึ้น, ค่าความถี่ในเชิง Modulation

ตัวอย่างสาเหตุ                                โหลดมีการทำงานไม่สม่ำเสมอ (เดิน ๆ หยุด ๆ) การสตาร์ทของมอเตอร์, การอาร์กที่เกิด

                                                          ขึ้นกับบ่อหลอมรีดเหล็ก

ตัวอย่างเครื่องมือระวังป้องกัน      ระบบ Static Var

สิ่งที่นำเสนอในบทความนี้ เป็นเพียงปัจจัยทางด้านสัญญาณแห่งปัญหาที่เราจะต้องคำนึงถึง เมื่อเราต้องการจัดการคุณภาพกำลังไฟฟ้าให้เกิดความเหมาะสมกับระบบงานของเรา แต่การดำเนินการเพื่อจัดการคุณภาพกำลังไฟฟ้าให้เกิดความเหมาะสมกับระบบงานนั้น เราจะต้องให้ความสำคัญในเรื่องอื่น ๆ เพิ่มเข้ามาอีก เช่น การประหยัดกำลังไฟฟ้าในระบบงานโดยใช้คาปาซิสเตอร์แบงก์ ตลอดถึงความเข้าใจในเรื่องการกราวด์ระบบงาน เป็นต้น และตามที่ได้กล่าวไปแล้วในช่วงต้นนั้น การจัดการคุณภาพกำลังไฟฟ้าให้เกิดความเหมาะสมกับระบบงานได้นั้น เราจะต้องมองในเชิงบูรณาการ