เนื้อหาวันที่ : 2009-11-03 16:34:22 จำนวนผู้เข้าชมแล้ว : 5739 views

การเกิดกระแสรั่วลงดินในเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแรงดันปานกลาง (Ground Faults on MV Generators)

เครื่องกำเนิดไฟฟ้าแรงดันปานกลาง (Medium Voltage Generator) ไม่ได้ออกแบบให้ทนต่อกระแสรั่วลงดินหนึ่งเฟส (Single Phase to Ground Fault) ที่กระแสสูงสุด (Full Fault Current) ดังนั้นจึงต้องต่อตัวนำนิวตรอลของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าสำรองพร้อมตัวต้านทานที่มีค่าอิมพีแดนซ์ต่ำ หรือสูงก็ได้ลงดิน ในการติดตั้งทางไฟฟ้าสามารถต่อเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแรงดันปานกลางลงดินได้หลายวิธี ซึ่งแต่ละวิธีก็มีข้อดีและข้อเสียด้านสมรรถนะที่แตกต่างกันในขณะที่เกิดกระแสรั่วลงดิน

ขวัญชัย กุลสันติธำรงค์
kwanchai2002@hotmail.com

.

.

เครื่องกำเนิดไฟฟ้าแรงดันปานกลาง (Medium Voltage Generator) ไม่ได้ออกแบบให้ทนต่อกระแสรั่วลงดินหนึ่งเฟส (Single Phase to Ground Fault) ที่กระแสสูงสุด (Full Fault Current) ดังนั้นจึงต้องต่อตัวนำนิวตรอลของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าสำรองพร้อมตัวต้านทานที่มีค่าอิมพีแดนซ์ต่ำ หรือสูงก็ได้ลงดิน

.

ในการติดตั้งทางไฟฟ้าสามารถต่อเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแรงดันปานกลางลงดินได้หลายวิธี ซึ่งแต่ละวิธีก็มีข้อดีและข้อเสียด้านสมรรถนะที่แตกต่างกันในขณะที่เกิดกระแสรั่วลงดิน ติดตามรายละเอียดในบทความฉบับนี้ได้เลยครับ

.
การต่อลงดินที่มีค่าอิมพีแดนซ์ต่ำ (Low-impedance Grounded) 

ระบบการต่อลงดินที่มีค่าอิมพีแดนซ์ต่ำเป็นการต่อตัวนำนิวตรอลของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าลงดินผ่านตัวต้านทานที่มีค่าอิมพีแดนซ์ต่ำตามรูปที่ 1 โดยทั่วไปตัวต้านทานจะจำกัดกระแสรั่วลงดินที่เกิดขึ้นในช่วงเวลาที่สั้นมากไว้ระหว่าง 100 A ถึง 800 A การเลือกขนาดกระแสรั่วลงดินต้องไม่ทำให้จุดที่เกิดกระแสรั่วลงดินเกิดความเสียหายและค่ากระแสรั่วลงดินที่เลือกต้องทำให้เกิดการทำงานอย่างประสานกัน (Selective Coordination) ของระบบป้องกันกระแสเกินของวงจรภายในระบบไฟฟ้ากำลัง 

.

ระบบการต่อลงดินที่มีค่าอิมพีแดนซ์ต่ำยังช่วยลดอันตรายที่เกิดจากไฟฟ้าดูด ลดความร้อนและความเครียดทางกลที่เกิดกับอุปกรณ์ไฟฟ้า รวมถึงควบคุมการเกิดแรงดันเกินชั่วขณะ (Transient Overvoltage) เนื่องจากกระแสรั่วลงดินที่เกิดขึ้นมีค่าไม่สูงมาก

.

รูปที่ 1 ไดอะแกรมของระบบต่อลงดินที่มีค่าอิมพีแดนซ์ต่ำ

.

เมื่อกำลังการผลิตไฟฟ้าเพิ่มขึ้น ตามรูปที่ 2 กระแสรั่วลงดินก็จะเพิ่มขึ้นตาม เช่น ถ้าเครื่องกำเนิดไฟฟ้าจำนวน 4 ชุดจ่ายไฟเข้ากับ Common Bus เดียวกัน กระแสรั่วลงดินที่เกิดขึ้นในระบบต่อลงดินที่จำกัดค่าอิมพีแดนซ์ไว้ไม่ให้กระแสรั่วลงดินเกิน 800 A ก็จะมีค่าตั้งแต่ 800 A (ในกรณีที่เครื่องกำเนิดไฟฟ้าจ่ายไฟฟ้า 1 ตัว) จนถึง 3,200 A (ถ้าเครื่องกำเนิดไฟฟ้าทำงานพร้อมกัน 4 ตัว) ถ้ามีเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเพิ่มมากขึ้น ข้อดีของระบบต่อลงดินที่มีค่าอิมพีแดนซ์ต่ำก็จะหายไปอย่างรวดเร็ว (เนื่องจากกระแสรั่วลงดินที่เกิดขึ้นจะมีค่าสูงมาก)

.

รูปที่ 2 ไดอะแกรมการต่อลงดินหลายจุด (Multiple–point Grounded System)

.

นอกจากนี้ จุดอ่อนที่สำคัญของระบบนี้ก็คือหากเกิดกระแสรั่วลงดินที่ Stator (ขดลวดที่อยู่กับที่) ภายในเครื่องกำเนิดไฟฟ้า กระแสรั่วลงดินยังคงไหลอยู่ต่อไปถึงแม้ว่าสวิตซ์อัตโนมัติของเครื่องกำเนิดไฟฟ้า (Generator Breaker) จะเปิดวงจรก็ตาม ในความเป็นจริง เครื่องกำเนิดไฟฟ้าจะยังคงจ่ายกระแสรั่วลงดินจนกว่าสนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่เกิดขึ้นภายในเครื่องกำเนิดไฟฟ้า (Generator’s Field Excitation) จะลดลงจนหมด

.

ดังนั้นความเสียหายที่เกิดขึ้นกับเครื่องกำเนิดไฟฟ้าจึงขึ้นอยู่กับช่วงเวลาการเกิดกระแสรั่วลงดิน แต่ไม่ได้ขึ้นอยู่กับขนาดของกระแสรั่วลงดิน ดังนั้นเพื่อรักษาข้อดีของระบบต่อลงดินที่มีค่าอิมพีแดนซ์ต่ำ จะมีวิธีต่อเครื่องกำเนิดไฟฟ้าลงดินวิธีอื่นอีกหรือไม่

.
การต่อลงดินจุดเดียว (Single–point Grounded System)

ระบบการต่อลงดินแบบนี้รับประกันว่าจะมีเครื่องกำเนิดไฟฟ้าหรือแหล่งกำเนิดไฟฟ้าอื่นในระบบไฟฟ้าเดียวกันต่อลงดินเพียงจุดเดียว โดยสามารถเกิดขึ้นได้ 3 กรณี

.

รูปที่ 3 ไดอะแกรมแสดงการควบคุมการทำงานเพื่อให้มีการต่อลงดินเพียงจุดเดียว

.

ไดอะแกรมในรูปที่ 3 แสดงเครื่องกำเนิดไฟฟ้าจำนวนหลายชุดต่อกันโดยมี Isolator ติดตั้งที่ตัวนำนิวตรอลเพื่อควบคุมให้มีการต่อลงดินในระบบไฟฟ้ากำลังในเวลาใดเวลาหนึ่งเพียงจุดเดียว ข้อเสียของการต่อลงดินแบบนี้ก็คือมีความสลับซับซ้อนเนื่องจากต้องมี Isolator จำนวนมากและต้องมีการ Interlock ระหว่าง Isolator ของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าและหม้อแปลงไฟฟ้า 

.

การทำงานของระบบไฟฟ้ากำลังต้องมีขั้นตอนในการทำงานที่ชัดเจนสำหรับผู้ปฏิบัติงาน และยังมีข้อเสียอื่นก็คือ ระบบไฟฟ้ากำลังอาจจะอยู่ในสภาพที่ไม่มีการต่อลงดินเลย (Ungrounded System) ถ้าหากว่าหม้อแปลงไฟฟ้าที่ต่อตัวนำนิวตรอลลงดินอยู่ถูกแยกออกจากระบบ (Isolated)

.

รูปที่ 4 ไดอะแกรมแสดงการต่อตัวนำนิวตรอลร่วมกัน (Common Neutral) เพื่อให้มีการต่อลงดินเพียงจุดเดียว

.

ไดอะแกรมในรูปที่ 4 ปรับปรุงจุดอ่อนของไดอะแกรมในรูปที่ 3 ในกรณีนี้ตัวนำนิวตรอลของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าต่อร่วมกันและต่อเข้ากับตัวนำนิวตรอลของระบบเป็น Common Bus มีเส้นทางของกระแสรั่วลงดินเส้นทางเดียวที่กระแสรั่วลงดินจะไหลกลับสู่แหล่งกำเนิด อย่างไรก็ตามการต่อลงดินวิธีนี้มีจุดอ่อนประจำตัวอยู่แล้ว ก็คือจะทำให้กระแสฮาร์มอนิกลำดับที่ 3 ไหลวนอยู่ในตัวนำนิวตรอล เนื่องจากตัวนำนิวตรอลต่อถึงกัน

.

ดังนั้นเมื่อเกิดกระแสรั่วลงดินในจุดใดจุดหนึ่งขึ้น ตัวนำนิวตรอลของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าทั้งหมดไม่ว่าจะจ่ายพลังงานไฟฟ้าอยู่หรือไม่จะมีความต่างศักย์สูงขึ้น เกิดอันตรายในขณะซ่อมบำรุงเครื่องกำเนิดไฟฟ้า

.

รูปที่ 5 ไดอะแกรมแสดงการต่อแบบ Zig–zag โดยมีการต่อลงดินเพียงจุดเดียว

.

ไดอะแกรมในรูปที่ 5 เป็นการใช้หม้อแปลงไฟฟ้าแบบ Zig–zag Transformer ต่อเข้ากับตัวนำนิวตรอลของระบบทำให้เกิดการต่อลงดินเพียงจุดเดียว วิธีนี้ก็ยังคงมีจุดอ่อนอยู่ก็คือเครื่องกำเนิดไฟฟ้าจะไม่ต่อลงดินเมื่อไม่ได้จ่ายพลังงานไฟฟ้าเข้าระบบ

.
ระบบที่มีการต่อลงดินหลายจุด (Multiple–point Grounded System)

ในรูปที่ 2 เป็นตัวอย่างของระบบการต่อลงดินหลายจุด เครื่องกำเนิดไฟฟ้าแต่ละชุดได้ต่อลงดินผ่านตัวต้านทานแต่ละตัว จึงไม่มีความเสี่ยงที่เครื่องกำเนิดไฟฟ้าแต่ละตัวจะไม่ต่อลงดินรวมถึงไม่มีความเสี่ยงในขณะที่ซ่อมบำรุงเครื่องกำเนิดไฟฟ้า

.

เนื่องจากมีเครื่องกำเนิดไฟฟ้าต่อขนานกันในระบบไฟฟ้า กระแสรั่วลงดินจึงมีค่าสูงมากจนสามารถสร้างความเสียหายให้กับจุดที่เกิดกระแสรั่วลงดินได้ โดยเฉพาะอย่างยิ่งถ้าหากว่าจุดที่เกิดกระแสรั่วลงดินเกิดอยู่ที่สเตเตอร์ที่อยู่ภายในเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเอง ก็จะสร้างความเสียหายอย่างมากให้กับขดลวดสเตเตอร์

.
ระบบต่อลงดินที่มีค่าอิมพีแดนซ์สูง (High–impedance Grounded System) 

ระบบต่อลงดินที่มีค่าอิมพีแดนซ์สูงจะต่อตัวนำนิวตรอลของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าลงดินผ่านอิมพีแดนซ์ตามไดอะแกรมในรูปที่ 1 ในระบบนี้ อิมพีแดนซ์ที่มีค่าสูงจะจำกัดค่ากระแสรั่วลงดินที่ไหลให้มีค่าน้อยภายในช่วงเวลาที่นานขึ้น ข้อดีของระบบต่อลงดินที่มีค่าอิมพีแดนซ์สูง ก็คือ 

.

* ลดกระแสผิดพร่อง (Fault Current) ที่จุดที่เกิดกระแสรั่วลงดินให้น้อยที่สุด
* ให้เครื่องกำเนิดไฟฟ้ายังทำงานได้อย่างต่อเนื่อง
* ลดการเกิดแรงดันเกินชั่วขณะที่จะสร้างผลกระทบกับระบบไฟฟ้าที่ไม่ได้ต่อลงดิน (Ungrounded System)

.

ส่วนจุดอ่อนของระบบนี้ก็คือ เนื่องจากกระแสรั่วลงดินถูกจำกัดให้มีค่าน้อยประมาณ 10 A ดังนั้นจึงต้องการเครื่องตัดวงจรไฟฟ้าเมื่อกระแสรั่วลงดิน (Ground–fault Circuit–interrupter) ที่มีความไวในการตรวจจับกระแสรั่วลงดิน

.
การต่อลงดินแบบลูกผสม (Hybrid Grounding)

รูปที่ 6 ไดอะแกรมการต่อลงดินแบบลูกผสม

.

รูปที่ 7 ไดอะแกรมการต่อลงดินแบบลูกผสมที่มีการดัดแปลง

.

จากไดอะแกรมในรูปที่ 6 การต่อลงดินแบบนี้เป็นการผสมระหว่างการต่อลงดินแบบมีค่าอิมพีแดนซ์ต่ำและมีค่าอิมพีแดนซ์สูง ในกรณีที่เกิดกระแสรั่วลงดินทั่วไปในระบบไฟฟ้ากำลัง ระบบต่อลงดินที่มีค่าอิมพีแดนซ์จะทำงาน แต่ถ้าเกิดกระแสรั่วลงดินภายในเครื่องกำเนิดไฟฟ้า ระบบต่อลงดินที่มีค่าอิมพีแดนซ์สูงจะทำงานแทนเพื่อลดความเสียหายให้น้อยที่สุด โดย Differential Relay จะแยกเครื่องกำเนิดไฟฟ้าออกจากระบบ และจำกัดกระแสรั่วลงดินให้มีค่าไม่เกิน 10 A จนกว่าเครื่องกำเนิดไฟฟ้าจะหยุดนิ่ง 

.

ระบบนี้จะสร้างความปลอดภัยให้เกิดขึ้นกับเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเพราะเครื่องกำเนิดไฟฟ้าจะไม่เกิดสภาพการไม่ต่อลงดินขึ้นเลย รวมถึงขดลวดสเตเตอร์จะได้รับการป้องกัน ในกรณีที่มีเครื่องกำเนิดไฟฟ้าหลายชุด เราสามารถประยุกต์การต่อลงดินแบบลูกผสมได้ตามไดอะแกรมในรูปที่ 7 ได้

.

โดยกรณีที่เกิดกระแสรั่วลงดินทั่วไปในระบบไฟฟ้ากำลัง ระบบต่อลงดินที่มีค่าอิมพีแดนซ์ต่ำจะทำงานจำกัดค่ากระแสรั่วลงดินไว้ประมาณ 400 A แต่ถ้าเกิดกระแสรั่วลงดินภายในเครื่องกำเนิดไฟฟ้า Differential Relay ตามไดอะแกรมในรูปที่ 6 จะทำงานทำให้สวิตซ์อัตโนมัติของเครื่องกำเนิดชุดดังกล่าวเปิดวงจร และ ทำให้เครื่องกำเนิดไฟฟ้าดังกล่าวอยู่ในสภาวะระบบต่อลงดินที่มีค่าอิมพีแดนซ์สูงจนเครื่องกำเนิดไฟฟ้าหยุดนิ่ง

.

เอกสานอ้างอิง

1. www.ecmweb.com
2. EC&M July 2009: PQ Corner–Addressing Ground Fault on MV Generators page 20–26 & 109

สงวนลิขสิทธิ์ ตามพระราชบัญญัติลิขสิทธิ์ พ.ศ. 2539 www.thailandindustry.com
Copyright (C) 2009 www.thailandindustry.com All rights reserved.

ขอสงวนสิทธิ์ ข้อมูล เนื้อหา บทความ และรูปภาพ (ในส่วนที่ทำขึ้นเอง) ทั้งหมดที่ปรากฎอยู่ในเว็บไซต์ www.thailandindustry.com ห้ามมิให้บุคคลใด คัดลอก หรือ ทำสำเนา หรือ ดัดแปลง ข้อความหรือบทความใดๆ ของเว็บไซต์ หากผู้ใดละเมิด ไม่ว่าการลอกเลียน หรือนำส่วนหนึ่งส่วนใดของบทความนี้ไปใช้ ดัดแปลง โดยไม่ได้รับอนุญาตเป็นลายลักษณ์อักษร จะถูกดำเนินคดี ตามที่กฏหมายบัญญัติไว้สูงสุด