ธงชัย คล้ายคลึง
ภาควิชาวิศวกรรมไฟฟ้า มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีอีสาน นครราชสีมา

การเชื่อมต่อคาปาซิเตอร์แบงก์ เข้าระบบไฟฟ้าของโรงงานอุตสาหกรรมหรือระบบจำหน่าย จัดได้ว่าเป็นสิ่งสำคัญยิ่ง ทั้งนี้เนื่องจากมีข้อดีหลายประการ ดังนี้

1. สามารถปรับปรุงค่าตัวประกอบกำลังของระบบ ให้มีค่าสูงขึ้นตามความต้องการได้ ซึ่งจะส่งผลให้ภาระค่าใช้จ่าย ลดลง เมื่อเทียบกับการลงทุนหรือค่าใช้จ่ายในการติดตั้งคาปาซิเตอร์แบงก์ เพิ่มเข้าไปในระบบได้

2. การสูญเสียของระบบลดลง ทำให้ประสิทธิภาพของไฟฟ้าสูงขึ้น
3. ขนาดแรงดันในระบบเพิ่มขึ้น เป็นผลดีต่อการส่งผ่านกำลังของโหลดบางชนิด เช่น อินดักชันมอเตอร์
4. ทำให้ระบบมีพิกัดการจ่ายกำลังไฟฟ้าสูง ทั้งนี้เพราะว่า คาปาซิเตอร์แบงก์ จ่ายกำลังไฟฟ้ารีแอกตีฟเข้าสู่ระบบแทน

เมื่อพิจารณาถึงข้อดีของการติดตั้งคาปาซิเตอร์แบงก์เข้ากับระบบแล้ว พบว่าจะช่วยส่งเสริมให้ระบบไฟฟ้ามีคุณภาพที่ดีมากยิ่งขึ้น แต่การติดตั้งคาปาซิเตอร์แบงก์ในสภาวะที่มีฮาร์มอนิก จะมีผลหรืออาจก่อให้เกิดสถาวะเรโซแนนซ์ได้

ซึ่งสภาวะนี้ จะทำให้เกิดความเสียหายอย่างรุนแรงต่อคาปาซิเตอร์แบงก์เอง หรือทำให้อุปกรณ์ป้องกันแรงดันเกิน (Arrester) เสียหาย และส่งผลให้เกิดแรงดันเกินในระบบได้ และถ้าติดตั้งคาปาซิเตอร์เข้าไปในระบบที่มีขนาด (Amplitude) ของสัญญาณรบกวนหรือมีฮาร์มอนิกสูง ๆ จะทำให้ฟิวส์ขาดบ่อย ๆ ได้ง่าย

จากกรณีที่ได้กล่าวมานั้น จะพบว่าการติดตั้งคาปาซิเตอร์แบงก์มีทั้งผลดีและผลเสียกระทบต่อระบบได้เช่นกัน ไม่ว่าในส่วนของระบบการผลิตในงานอุตสาหกรรมหรือระบบไฟฟ้า ตลอดจนในเรื่องของคุณภาพไฟฟ้า ดังนั้น จำเป็นอย่างยิ่งจะต้องมีการติดตั้งคาปาซิเตอร์แบงก์เข้าไปในระบบ พร้อมทั้งมีระบบการป้องกันกระแสเกินที่ดีพอ

การติดตั้งคาปาซิเตอร์ในระบบไฟฟ้านั้น จะต้องติดตั้งในจุดที่จัดเตรียมไว้เฉพาะมีการป้องกันการกระทบกระแทกอย่างปลอดภัย โดยมีพื้นที่และมีช่องว่างเพียงพอ ไม่แออัดหรือแน่นจนเกินไป โดยให้สอดคล้องกับขนาดหรือพิกัดตามหน่วยกิโลวาร์ (KVAR) ที่เลือกใช้

ค่าระดับแรงดันพิกัด (Voltage Rating) ของคาปาซิเตอร์ที่จะนำมาติดตั้ง จะต้องพิจารณาให้เหมาะสมกับระดับแรงดันของระบบ (System Voltage) นั้น ๆ โดยสามารถเลือกการต่อได้ทั้งแบบ สตาร์ (Y-Connection) หรือแบบเดลต้า ( -Connection) กรณีต่อแบบสตาร์ จะสามารถแยกออกเป็นการต่อแบบสตาร์-กราวด์ และสตาร์-ไม่มีกราวด์

ส่วนการควบคุมการทำงานและการเลือกวิธีการต่อใช้งานคาปาซิเตอร์แบงก์ เพื่อให้คุ้มค่ากับการลงทุนจะขึ้นอยู่กับปัจจัยหลายอย่าง ๆ เช่น ผลของฮาร์มอนิกจะขึ้นอยู่กับวิธีการต่อ (สตาร์หรือเดลต้า) และค่าระดับแรงดันไลน์ (Line–Line Voltage) จะต้องเลือกให้สามารถรองรับกับพิกัดแรงดันของระบบ (System Voltage) ตัวอย่างเช่น 2.4 kV–24.0 kV (ในระบบที่ไม่เกิน 24 kV)

ซึ่งพิกัดของคาปาซิเตอร์แบงก์แต่ละตัว โดยปกติจะมีขนาดตั้งแต่ 50, 100, 150, 200, 300, 400 และ 500 kVAR เมื่อเทียบกับตามมาตรฐานของอเมริกา ANSI/IEEE. 18-1992 (IEEE. Standard for shunt power capacitor) และมาตรฐาน IEEE. C37.99-1990 (IEEE. Guide for the protective of shunt capacitor banks) โดยในมาตรฐานดังกล่าวนั้นได้กำหนดไว้ว่า คาปาซิเตอร์แบงก์จะต้องสามารถทำงานได้อย่างต่อเนื่องภายใต้เงื่อนไข ดังต่อไปนี้

1. ต้องทนแรงดันได้ไม่ต่ำกว่า 110% ของแรงดันพิกัด (RMS. Rated Voltage) โดยที่ระดับแรงดัน 110% ดังกล่าว อาจจะมีแรงดันที่มีส่วนประกอบของฮาร์มอนิกรวมอยู่ด้วย แต่รวมแล้วจะต้องไม่เกิน  ของแรงดันพิกัด หรือ 1.2 x V_rms ของแรงดันระบบ

2. ต้องสามารถจ่ายพิกัดกำลังรีแอกตีฟได้ไม่ต่ำกว่า 135% ของพิกัด kVAR ตามที่ระบุในเนมเพลต
3. ต้องสามารถทนกระแส (ทั้งกระแสความถี่กำลัง (50Hz) และกระแสฮาร์มอนิก) ได้ถึง 180% ของกระแสพิกัด

สำหรับวิธีการป้องกันกระแสเกิน (Over Current Protection) ของคาปาซิเตอร์แบงก์ บทความนี้ต้องการนำเสนอเฉพาะในระบบจำหน่ายและระบบงานอุตสาหกรรมขนาดใหญ่ ที่ใช้คาปาซิเตอร์แรงดันสูง (ตั้งแต่ 2.4 kV ขึ้นไป) และเลือกวิธีการต่อคาปาซิเตอร์แบงก์แบบสตาร์ (Y-Connection) เท่านั้น

ในส่วนของการต่อแบบเดลต้าจะไม่ได้กล่าวถึง ทั้งนี้เนื่องจากไม่ค่อยใช้ในระบบแรงดันสูงหรือระบบที่มีการติดตั้งคาปาซิเตอร์ขนาดใหญ่ ทั้งนี้เนื่องจากมีปัญหาในเรื่องระดับแรงดันของคาปาซิเตอร์แบงก์ ปัญหาด้านราคา และปัญหาการเลือกใช้ฟิวส์ป้องกัน ซึ่งโดยส่วนใหญ่แล้ว การป้องกันกระแสเกินของคาปาซิเตอร์แบงก์ มักจะเลือกใช้ฟิวส์ โดยมีหลักในการเลือกใช้ดังนี้

การเลือกใช้ฟิวส์

1. ฟิวส์จะต้องสามารถทนต่อกระแสสภาวะคงตัว (Steady State Current ) และกระแส สภาวะชั่วขณะ (Transient Current) ได้
2. เมื่อเกิดสภาวะกระแสเกิน ฟิวส์ต้องสามารถปลดวงจรคาปาซิเตอร์ออกจากระบบได้ทัน โดยจะไม่ทำให้เกิดความเสียหายต่อคาปาซิเตอร์หรืออุปกรณ์ประกอบรอบข้าง

ดังนั้น การออกแบบระบบป้องกันกระแสเกินด้วยฟิวส์  วิศวกรผู้ออกแบบจะต้องพิจารณาถึงสภาพแวดล้อม มลภาวะ ว่าควรจะใช้ Expulsion Fuse หรือ Current Limiting Fuse จากนั้นเลือกพิกัดกระแส แรงดันของฟิวส์ ค่ากระสอินเตอร์รัปต์ และค่า BIL หรือปัจจัยอื่นที่จำเป็นหรือตามที่ผู้ผลิตฟิวส์แนะนำ

แนวทางการออกระบบป้องกันกระแสเกินด้วยฟิวส์ ในบทความนี้ขออธิบาย 2 วิธีการ ได้แก่ การออกแบบฟิวส์ป้องกันคาปาซิเตอร์แบงก์เป็นกลุ่ม (Group Fusing) และการออกแบบฟิวส์ป้องกันแบบแยก (Individual Fusing) ดังนี้

ฟิวส์กลุ่ม (Group Fusing)

การป้องกันกระแสเกินแบบฟิวส์กลุ่ม (ดังแสดงในรูปที่ 1) หมายถึงการใช้ฟิวส์เพียงตัวเดียวป้องกันคาปาซิเตอร์แบงก์หลายตัวในแต่ละเฟส ซึ่งวิธีการป้องกันแบบนี้ จะเหมาะสำหรับใช้ในการป้องกัน คาปาซิเตอร์แบงก์ ที่ติดตั้งอยู่บนเสาไฟฟ้าของระบบจำหน่ายซึ่งมักเรียกว่า ฟิวส์ลิงค์ (Fuse Links) ซึ่งติดตั้งตำแหน่งไม้คอนเสา 

รูปที่ 1 การป้องกันกระแสเกินแบบฟิวส์กลุ่ม สำหรับการป้องกันคาปาซิเตอร์แบงก์ ต่อแบบสตาร

ฟิวส์แยก (Individual Fusing)

การป้องกันกระแสเกินแบบฟิวส์แยก หมายถึงการต่อฟิวส์เข้ากับคาปาซิเตอร์ทุกตัวที่อยู่ในชุดคาปาซิเตอร์แบงก์ โดยฟิวส์จะป้องกันกระแสเกินของคาปาซิเตอร์แบงก์แต่ละตัวแยกออกจากกัน ดังแสดงในรูปที่ 2 ซึ่งเหมาะสำหรับป้องกันคาปาซิเตอร์แบงก์ที่ติดตั้งอยู่ที่สถานีไฟฟ้าย่อย (Sub Station) หรือคาปาซิเตอร์แบงก์ที่ติดตั้งและมีการหอหุ้มมิดชิด

รูปที่ 2 การป้องกันกระแสเกินแบบฟิวส์แยก สำหรับการป้องกันคาปาซิเตอร์แบงก์ต่อแบบสตาร์

การป้องกันกระแสเกิน

สำหรับการป้องกันกระแสเกินของคาปาซิเตอร์แบงก์ที่ติดตั้งในโรงงานอุตสาหกรรมจะขึ้นอยู่กับปัจจัยหลายอย่าง เช่น ตำแหน่งของการติดตั้งคาปาซิเตอร์แบงก์ ดังนั้นในการพิจารณาเลือกการป้องกันด้วยฟิวส์ทั้งแบบกลุ่มหรือแบบแยก  จะต้องคำนึงถึงข้อกำหนดต่าง ๆ ดังนี้

1. พิกัดกระแสต่อเนื่อง (Continuous Current) ที่ไหลผ่านฟิวส์ 
2. พิกัดกระแสชั่วขณะ (Transient Current) ที่ไหลผ่านฟิวส์    
3. พิกัดกระแสฟอลต์ (Fault Current)  
4. กราฟความทนได้ของตัวถัง (Tank Rupture Curve)
5. ค่าแรงดันที่คาปาซิเตอร์ยังคงใช้งานได้ ทั้งก่อน/หลังการเกิดฟอลต์
6. ผลของฮาร์มอนิก
7. ผลจากค่าพลังงานจากคาปาซิเตอร์ที่ดิสชาร์จออกเมื่อเกิดการลัดวงจรในส่วนของเซลล์ขนานกัน
8. ผลกระทบจากพลังงานสูง
9. กระแสพุ่งออกจากคาปาซิเตอร์ (Outrush Current)
10. ความสามารถในการทำงานของอุปกรณ์ป้องกันต่อสภาวะเฟสไม่สมดุล

การเลือกฟิวส์สำหรับการป้องกันคาปาซิเตอร์แบงก์ จะต้องเลือกให้สามารถทนต่อค่ากระแสต่อเนื่องได้มากกว่าหรือเท่ากับ 135% ของกระแสพิกัด (Rated Current) ซึ่งในส่วนนี้ จะต้องสามารถรองรับกับสภาวะการเกิดแรงดันเกินที่ 10%, และมีผลของฮาร์มอนิกที่ 10% ซึ่งค่า 135% ดังกล่าวจะใช้กับการป้องกันเมื่อการต่อคาปาซิเตอร์เป็นแบบสตาร์-กราวด์ (ส่วนในกรณีต่อแบบสตาร์ -ไม่มีกราวด์ จะใช้ที่ 125%)

ดังนั้น ในการเลือกใช้ฟิวส์ วิศวกรผู้ออกแบบระบบป้องกันจะต้องรู้ค่าพิกัดกระแสต่อเนื่องของฟิวส์ว่ามีค่าเท่าใด  โดยอาจดูจากข้อมูลของบริษัทผู้ผลิตฟิวส์ แต่อย่าลืมว่าค่าที่บริษัทให้มานั้นอาจคิดที่ 100% ของกระแสพิกัดของฟิวส์ หรือบางครั้งอาจคิดที่ 150% ของกระแสพิกัด

ดังนั้นจะต้องดูให้ละเอียด หรือบางครั้งอาจไม่ได้บ่งบอกมา ซึ่งผู้ออกแบบจะต้องคำนวณหาเอง ซึ่งในการออกแบบการป้องกันสำหรับฟิวส์แบบกลุ่ม จะมีความยุ่งยากต่อการเลือกใช้ฟิวส์เพื่อให้สามารถทำงานและรองรับต่อการจัดลำดับความสัมพันธ์ (Co-ordination) เมื่อเทียบกับแบบฟิวส์แยก นอกจากนั้นแล้วจะต้องพิจารณาถึงค่าใช้จ่ายประกอบกับการตัดสินใจเลือกใช้ด้วยเช่นกัน

ในสภาวะที่กระแสมีขนาดและความถี่สูงในระยะเวลาสั้น ๆ หรือที่เรียกว่าสภาวะกระแสชั่วขณะ ในความเป็นจริงแล้วฟิวส์น่าจะทำงานในสภาวะกระแสชั่วขณะนี้ เนื่องจากกระแสมีค่าสูงขึ้นมากจากกระแสปกติหลายเท่าตัว แต่เนื่องจากเป็นช่วงเวลาสั้น ๆ ฟิวส์จึงไม่ทำงาน (ขาด) 

ดังนั้นในการป้องกันด้วยฟิวส์จึงต้องออกแบบเลือกให้ฟิวส์สามารถทนค่ากระแสชั่วขณะนี้ได้ ค่ากระแสชั่วขณะจะเกิดได้จาก 2 สาเหตุหลัก ๆ ได้แก่ เกิดจากการสวิตชิ่งคาปาซิเตอร์แบงก์ (Switching Capacitor) และเกิดจากฟ้าผ่า (Lightning Surge)

การสวิตชิ่ง หมายถึงการสับสวิตช์คาปาซิเตอร์แบงก์ เข้า-ออก กับระบบหรือบัสใด ๆ ไม่ว่าจะเป็นการสวิตชิ่งแบบ Back–to–Back Switching ซึ่งในกรณีนี้ คาปาซิเตอร์แบงก์ที่สวิตช์เข้าระบบจะไปกระตุ้นให้คาปาซิเตอร์แบงก์อื่น ๆ รอบข้างได้รับผลกระทบด้วย

นอกจากนั้นในระบบไฟฟ้าในโรงงานอุตสาหกรรม ที่ติดตั้งคาปาซิเตอร์แบงก์ 2 จุดหรือมากกว่าเข้าในระบบหรือบัสแรงดันต่ำก็มักจะได้รับผลดังกล่าวนี้ด้วยเช่นกัน แต่กรณีดังกล่าวนี้จะไม่ค่อยเกิดกับคาปาซิเตอร์แบงก์ที่ติดตั้งบนคอนเสา

ค่าขนาดและความถี่สูงจากการสวิทช์ชิ่งแบบ Back–to–Back จะทำให้เกิดกระแสชั่วขณะพุ่งเข้า (Inrush Current) มากน้อยแค่ไหนจะขึ้นอยู่กับส่วนประกอบอื่น ๆ อีกเช่น แรงดันของระบบในเวลานั้น ๆ หรือเรียกว่าจุดบนสัญญาณแรงดันที่ทำการสวิตช์เข้า-ออก (Point on Wave), ค่าอิมพีแดนซ์ คาปาซิเตอร์แบงก์เมื่อเทียบกับค่ารีแอกแตนซ์จุดอื่นในวงจร, จำนวนของคาปาซิเตอร์แบงก์ที่สวิตช์เข้าระบบแล้ว และผลการหน่วง (Damp) จากค่าความต้านทานของสวิตช์ หรือวงจรอื่น ๆ  

ในกลุ่มอุตสาหกรรมขนาดกลางและขนาดเล็ก ที่มีการสับสวิตช์คาปาซิเตอร์เพื่อการปรับปรุงค่าตัวประกอบกำลังของระบบ (การไฟฟ้ากำหนดไว้ที่ 0.85 PF. Lagging) เพื่อหลีกเลี่ยงการปรับค่ากิโลวาร์ที่รับจากการไฟฟ้า ถ้าต้องการลดผลของการเกิดกระแสชั่วขณะจากการสวิตชิ่งนี้ จะต้องทำการสวิตช์ ภายใต้การรองด้วยรีแอกเตอร์ (Tuned Filter)

จากรูปที่ 3 จะแสดงให้เห็นถึงรูปร่างของกระแสพุ่งเข้า (Inrush Current) ระหว่างการ Back–to–Back Switching ของคาปาซิเตอร์แบงก์ โดยแสดงให้เห็นถึงค่าความถี่ชั่วขณะ ของการสวิตชิ่งที่ความถี่ประมาณ 5000 Hz   

นอกจากนั้นแล้ว ในการเลือกใช้ฟิวส์ป้องกันคาปาซิเตอร์แบงก์จะต้องพิจารณาถึงอีกปัจจัย ได้แก่ผลของแรงดันเกินอันเนื่องจากผลของฟ้าผ่า ซึ่งในการออกแบบใช้งานกันโดยทั่วไป จะเลือกใช้ฟิวส์ชนิดทำงานเร็วคือชนิด T (T–Tin Links) ซึ่งเป็นชนิดที่ใช้กันโดยทั่วไป สำหรับพิกัดกระแสต่ำ ๆ จนถึง 25 A

สำหรับป้องกันคาปาซิเตอร์แบงก์แบบเป็นกลุ่ม ส่วนฟิวส์ชนิดทำงานช้าคือชนิด K (K-Tin Links) จะทนกระแสได้มากกว่า 25 A ขึ้นไป โดยชนิด K นี้ จะสามารถทนกระแสเกินชั่วครู่ได้ดีทั้งนี้เนื่องจากทำงานช้า ซึ่งเป็นชนิดที่นิยมใช้กันโดยทั่วไป เพราะให้ประสิทธิภาพที่ดี และมักใช้ในพื้นที่เกิดฟ้าผ่าบ่อย ๆ

รูปที่ 3 รูปคลื่นของกระแสชั่วขณะพุ่งเข้า (Inrush Current) ที่เกิดจากสวิทช์แบบ Back-to-Back Switching

ในสถานีไฟฟ้าย่อยซึ่งมีการออกแบบระบบป้องกันฟ้าผ่าที่ดีอยู่แล้ว จึงไม่มีผลของแรงดันเกินจากฟ้าผ่านี้ เนื่องจากจะถูกกำจัดโดย Lightning Arrester ก่อนที่จะเข้ามายังสถานีไฟฟ้าย่อย แต่ถ้าหากเกิดขึ้นจากสาเหตุอื่นนอกจากที่ได้กล่าวมาแล้วข้างต้น จะมีฟิวส์ป้องกันคาปาซิเตอร์แบงก์ ซึ่งจะคอยรองรับกระแสเกินจำนวนนั้นได้ 

ดังนั้นจะเห็นว่า ในการออกแบบป้องกันคาปาซิเตอร์แบงก์แบบฟิวส์แยก กระแสทั้งหมดจะถูกแบ่งออกไปตามจำนวนชุดคาปาซิเตอร์ที่ต่อขนานกันอยู่ ทำให้ขนาดของกระแสที่ไหลผ่านฟิวส์แต่ละตัว จะมีค่าลดลงตามจำนวนชุดของคาปาซิเตอร์แบงก์ที่ขนานกันตามไปด้วย กรณีที่ออกแบบระบบป้องกันกระแสเกินของคาปาซิเตอร์แบงก์ ที่เลือกแบบฟิวส์ กลุ่ม จะเห็นว่ากระแสชั่วขณะจะไหลผ่านฟิวส์ทั้งหมดเพียงตัวเดียว ซึ่งจะส่งผลให้เกิดความร้อนขึ้นที่ฟิวส์สูง โดยจะมีค่าขึ้นอยู่กับกระแส และเวลาที่กระแสดังกล่าวไหลผ่าน ตามสมการ  I²t 

3. กระแสฟอลต์ (Fault Current)

กระแสฟอลต์ เป็นอีกองค์ประกอบหนึ่งที่สำคัญต่อการเลือกฟิวส์ป้องกันคาปาซิเตอร์แบงก์ ถ้าต่อคาปาซิเตอร์แบงก์แบบสตาร์-กราวด์ หากติดตั้งในสถานีไฟฟ้าย่อยหรือติดตั้งอยู่บนเสาไฟฟ้าก็ตาม หากที่ขั้วต่อของคาปาซิเตอร์แบงก์เกิดการลัดวงจร (Capacitor Failure) และเกิดฟอลต์ในระบบ ทำให้กระแสฟอลต์ไหลผ่านจุดนั้นสูงจนกว่าฟิวส์จะขาด ซึ่งค่ากระแสฟอลต์สูงสุดที่คาปาซิเตอร์แบงก์แบบ All–Film ทนได้โดยไม่เกิดความเสียหาย จะแสดงในตารางที่ 1 ดังนี้

ตารางที่ 1 กระแสฟอลต์สูงสุดที่คาปาซิเตอร์แบงก์ทนได้ของผู้ผลิตคาปาซิเตอร์แบงก์รายหนึ่ง

การต่อคาปาซิเตอร์แบงก์ในสถานีไฟฟ้าย่อย มักจะจัดออกเป็นหลายกลุ่มย่อยที่ต่ออนุกรมกัน (ในกรณีต่อแบบสตาร์) ดังนั้นกระแสฟอลต์ที่เกิดขึ้นจะไม่สามารถไหลผ่านจุดฟอลต์ได้มากนัก ทั้งนี้เพราะว่ายังมีคาปาซิเตอร์แบงก์อื่น ๆ ที่ต่อนุกรมอยู่อีก

เว้นแต่ว่าจะเกิดลัดวงจรที่ขั้วของคาปาซิเตอร์แบงก์พร้อม ๆ กันหรือเกิดวาบไฟตามผิว (Flashover) จากส่วนอื่นแล้วทำให้เกิดฟอลต์ขึ้นพร้อมกัน ซึ่งเป็นไปได้ค่อนข้างยากมากในกรณีนี้ ในการออกแบบระบบป้องกัน มักจะใช้สมมุติฐานว่ากระแสฟอลต์ที่เกิดขึ้นจะไม่สามารถไหลผ่านได้ทั้งหมด อันเนื่องจากเหตุผลว่า มีคาปาซิเตอร์อื่น ๆ ต่ออนุกรมอยู่ ดังอธิบายไปแล้วนั้น

การเลือกใช้คาปาซิเตอร์แบงก์แบบ All-Film Capacitor จะให้ผลการรองรับกระแสฟอลต์และพลังงานที่ถ่ายเทระหว่างเซลล์ได้ดีกว่าแบบอื่น ๆ ตารางที่ 2 จะแสดงให้เห็นถึงความสามารถของคาปาซิเตอร์แบงก์ อีกชนิดหนึ่ง ที่ทนต่อกระแสฟอลต์สูงได้ ซึ่งคาปาซิเตอร์แบงก์ ชนิดนี้ได้ออกแบบการผลิต จากการใช้วัสดุ Foil ถักรอบภายในตัวถังของคาปาซิเตอร์แบงก์ เพื่อให้ทนต่อกระแสและพลังงานสูงที่อาจเกิดขึ้น

ตารางที่ 2  กระแสฟอลต์สูงสุดของคาปาซิเตอร์ชนิด High Energy Capacitor ของผู้ผลิตรายหนึ่ง

ค่าเวลาสูงสุดที่ฟิวส์ทำงานหรือขาด ซึ่งเรียกว่า Maximum Clearing Time Current Characteristics เมื่อนำมาเปรียบเทียบกันด้วยกราฟ Log-log Scale จะต้องให้เส้นกราฟ Maximum Clearing Time ของฟิวส์ อยู่ใต้เส้นกราฟเสียหายของตัวถังคาปาซิเตอร์แบงก์ (Tank Rupture Curve) เนื่องจากผลของกระแสและค่าพลังงานดิสชาร์จสูงที่อาจเกิดขึ้นในถังของคาปาซิเตอร์ จะทำให้ตัวถังเสียหายหรือระเบิดได้ง่ายขึ้น ดังแสดงในรูปที่ 4 ซึ่งเส้นกราฟความเสียหายของตัวถังคาปาซิเตอร์นั้น

ผู้ผลิตจะต้องมีการทดสอบเพื่อให้ได้เส้นกราฟมา ซึ่งแบ่งการทดสอบออกเป็น 3 ระดับ ดังนี้เส้นกราฟที่ 10%, 5%, และ 90% (เป็น % หมายถึง โอกาสที่จะเกิดการระเบิดของตัวถัง) ดังนั้นเวลาเลือกใช้อุปกรณ์ป้องกันกระแสเกินเพื่อให้อุปกรณ์ป้องกันสามารถทำงานสัมพันธ์กันได้ จะต้องพิจารณาถึงกราฟนี้ด้วย (นอกจากดูที่กระแสพิกัดที่ฟิวส์รองรับได้เพียงอย่างเดียว) ซึ่งในปัจจุบันจะไม่ค่อยได้ให้ความสนใจกับกราฟนี้เท่าใดนัก เพราะในการจัดการทำงานให้การจัดลำดับความสัมพันธ์ของฟิวส์ มักจะเลือกค่าที่ต่ำกว่า 10%

รูปที่ 4 กราฟคุณสมบัติ เวลา–กระแส เทียบกับ กราฟการทนได้สูงสุดของตัวถังคาปาซิเตอร์

จากรูปที่ 4 เป็นตัวอย่างการจัดลำดับความสัมพันธ์ของฟิวส์ขนาด 25 A, Type T-tin จะเห็นว่าฟิวส์ 25 A ดังกล่าวมีกราฟเส้นขาด (Clearing Time Curve) ต่ำกว่าหรืออยู่ใต้เส้นกราฟ Tank Rupture Curve ที่เส้น TCC 10% ของตัวถังคาปาซิเตอร์ นั่นหมายถึงฟิวส์จะขาดก่อนตัวถังคาปาซิเตอร์จะระเบิดนั่นเอง 

พิกัดการทนได้ของตัวถัง จะแสดงถึงประสิทธิภาพความสามารถทนได้ของโลหะที่ใช้ทำตัวถังของคาปาซิเตอร์แบงก์ โดยจะต้องทนกระแสได้มากกว่า กระแสพิกัดของคาปาซิเตอร์แบงก์ เพื่อป้องกันการระเบิด ซึ่งในการออกแบบป้องกัน จะต้องพิจารณาถึงกราฟนี้ประกอบด้วย และคุณสมบัติของกราฟนี้ ก็จะขึ้นอยู่กับพิกัดแรงดันและ ขนาด KVAR ของคาปาซิเตอร์แบงก์ นั้น ๆ ด้วย

กรณีต่อคาปาซิเตอร์แบงก์แบบสตาร์-ไม่ต่อกราวด์ เมื่อเกิดฟอลต์ที่ขั้วของคาปาซิเตอร์เพียงตัวใดตัวหนึ่งดังรูปที่ 5 ทำให้แรงดันที่คร่อมคาปาซิเตอร์แบงก์เฟสอื่น ๆ (B, C Phase) มีค่าเท่ากับแรงดันไลน์ของระบบ () และถ้าอุปกรณ์ป้องกันกำจัดฟอลต์ช้าหรือไม่ทัน จะทำให้คาปาซิเตอร์แบงก์ เหล่านั้นเสียหายได้

ดังนั้นต้องออกแบบระบบป้องกันให้ฟิวส์ทำงานได้ทันท่วงที เพื่อป้องกัน คาปาซิเตอร์แบงก์ที่เหลืออีก 2 เฟส ก่อนที่จะเกิดความเสียหายตามมา และควรเลือกใช้ฟิวส์ชนิด K–link ซึ่งเป็นแบบทำงานเร็ว (แต่ถ้าต้องการออกแบบให้ฟิวส์ทำงานช้าหรือตัดช้าเพื่อป้องกันผลของกระแสชั่วขณะ จะต้องเลือกใช้ T–link)

รูปที่ 5 แสดงการเกิดแรงดันเกินเมื่อฟอลต์ที่คาปาซิเตอร์แบงก์

สรุปได้ว่า การต่อคาปาซิเตอร์แบงก์แบบแยก ควรจะเลือกใช้ฟิวส์แบบตัดเร็วคือ K–type ถ้าเป็นคาปาซิเตอร์แบงก์ขนาดใหญ่และต่ออนุกรมกันหลาย ๆ กลุ่มดังรูปที่ 6 ควรเลือกใช้ฟิวส์ชนิด T–link ซึ่งเมื่อเกิดลัดวงจรขึ้นที่ขั้วของคาปาซิเตอร์ตัวใดตัวหนึ่งขึ้น คาปาซิเตอร์กลุ่มอื่น ๆ ที่ต่ออนุกรมอยู่จะยังคงทำงานต่อไปได้ จนกว่าฟิวส์จะขาด ดังนั้นอาจจะทำให้เกิดภาวะแรงดันเกินที่เฟสอื่นได้ ดังแสดงในตารางที่ 3 (เมื่อกำหนดให้เกิดการลัดวงจรขึ้นที่ขั้วคาปาซิเตอร์แบงก์เฟส A)

รูปที่ 6 แสดงการต่อคาปาซิเตอร์แบงก์อนุกรมกันหลายกลุ่ม

ตารางที่ 3 แสดงค่าแรงดันเกิน (pu.) ของคาปาซิเตอร์ในเฟสที่ไม่เกิดฟอลต์

ผลของฮาร์มอนิก เป็นอีกสาเหตุหนึ่งที่ทำให้คาปาซิเตอร์แบงก์และอุปกรณ์ป้องกันทำงานผิดพลาดได้ ถึงแม้ว่าคาปาซิเตอร์แบงก์ ไม่ได้ก่อให้เกิดฮาร์มอนิกก็จริง แต่การสวิตชิ่งคาปาซิเตอร์แบงก์เข้า-ออกในระบบไฟฟ้า จะทำให้เกิดการชาร์จความถี่เข้าไปในระบบ และบ่อยครั้งอาจจะส่งผลให้เกิดแรงดันเกินชั่วขณะได้ ทำให้กระแสและแรงดันของระบบมีรูปคลื่นผิดเพี้ยนไปจากความถี่กำลัง (Power Frequency) ซ้ำร้ายที่สุดอาจเข้าสู่สภาวะเรโซแนนซ์ได้ ดังแสดงในรูปที่ 7 ดังนี้

รูปที่ 7 รูปคลื่นฮาร์มอนิกเรโซแนนซ์ที่ 5 ที่เกิดจากการสวิตช์คาปาซิเตอร์

โดยปกติแล้วคาปาซิเตอร์แบงก์ถูกออกแบบมาให้สามารถทนต่อผลกระทบจากฮาร์มอนิกได้ แต่ถ้าระบบมีปริมาณของฮาร์มอนิกมาก ๆ (%THD สูง ๆ) ย่อมส่งผลให้การทำงานของฟิวส์ผิดพลาดได้ง่าย เช่น ในกรณีที่ไม่เกิดฟอลต์ แต่ฟิวส์ขาด อันเนื่องมาจากผลของฮาร์มอนิก และเมื่อฟิวส์ทำงานจะทำให้มีโอกาส เกิดสภาวะความถี่เรโซแนนซ์ได้ง่าย เมื่อเปลี่ยนฟิวส์ใหม่ทุกครั้ง ผลของความถี่เรโซแนนซ์ในระบบนี้ ก็จะเป็นตัวสร้างปัญหาให้ฟิวส์ขาดอยู่บ่อย ๆ ได้เช่นกัน

ฮาร์มอนิกในระบบนั้นจะมีต้นเหตุมาจากโหลดแล้ววิ่งเข้ามาในไลน์ของระบบ ซึ่งโดยทั่วไปแล้วค่าอิมพีแดนซ์แหล่งจ่ายของระบบจะน้อยกว่าค่าอิมพีแดนซ์ของโหลดเสมอ (ประมาณ 20–50 เท่า) ดังนั้นเมื่อระบบมีคาปาซิเตอร์แบงก์สวิตชิ่งเข้าไป จะสามารถปรับเปลี่ยนเส้นทางเดินของกระแสฮาร์มอนิกไปและทำให้ระดับแรงดันของระบบเพิ่มสูงขึ้นได้

แต่ค่าอิมพีแดนซ์ของคาปาซิเตอร์แบงก์จะลดลงเนื่องจากมีค่าความถี่ฮาร์มอนิกมากขึ้น ดังสมการ  X_c = 1/(2fC)  ผลจากค่าอิมพีแดนซ์ของคาปาซิเตอร์แบงก์ลดลงจะทำให้แรงดันฮาร์มอนิก จะตกคร่อมคาปาซิเตอร์แบงก์ได้น้อย แต่ค่ากระแสฮาร์มอนิกจะผ่านทะลุคาปาซิเตอร์แบงก์ได้มากขึ้นและทำให้ฟิวส์ป้องกันขาดได้

7. ผลจากค่าพลังงานจากคาปาซิเตอร์ที่ดิสชาร์จออกเมื่อเกิดการลัดวงจรในส่วนของเซลล์ขนานกัน

เมื่อคาปาซิเตอร์ตัวใด ๆ เกิดความเสียหายขึ้นในกลุ่มคาปาซิเตอร์แบงก์ ที่มีพิกัดสูง ๆ พลังงานที่ถูกสะสมตามจำนวนที่ต่อขนานอยู่กับตัวมัน จะสามารถดิสชาร์จ ผ่านคาปาซิเตอร์แบงก์ ที่เสียหายนั้นอย่างรวดเร็ว ดังแสดงในรูปที่ 8 ซึ่งอาจทำให้เกิดการระเบิดของคาปาซิเตอร์แบงก์ได้

ดังนั้น ฟิวส์จะต้องทำงานทันที เพื่อเปิดวงจรส่วนนั้นออก ในการออกแบบจะต้องคำนวณด้วยว่า จะสามารถขนาน คาปาซิเตอร์แบงก์ได้กี่ตัว เพื่อไม่ให้เกิดพลังงานสะสมใน คาปาซิเตอร์แบงก์ ที่ต่อขนานกัน มากกว่าค่าของพิกัดตัวถังหรือฟิวส์ทนได้และไม่ก่อให้เกิดการระเบิดขึ้น

รูปที่ 8 การดิสชาร์จพลังงานของคาปาซิเตอร์รอบข้างเข้าผ่านคาปาซิเตอร์ที่ลัดวงจร

การออกแบบการติดตั้งคาปาซิเตอร์แบงก์ ค่าพลังงานนี้จะต้องไม่เกิน 10,000 จูล (คาปาซิเตอร์แบงก์ไม่เกิน 3100 KVAR ในคาปาซิเตอร์ทั้งหมดที่ขนานกันสำหรับคาปาซิเตอร์ชนิดกระดาษหรือแบบแผ่นฟิล์ม) และไม่เกิน 15,000 จูล (คาปาซิเตอร์แบงก์ไม่เกิน 4650 KVAR ของชุดคาปาซิเตอร์แบงก์ที่ขนานกันสำหรับคาปาซิเตอร์แบงก์ ชนิดฟิล์มล้วน) 

ปัจจุบันเทคโนโลยีการผลิตคาปาซิเตอร์ สามารถออกแบบให้ทนพลังงานสะสมสูงถึง 30,000 จูล ได้ (9300 KVAR ของคาปาซิเตอร์แบงก์ที่ขนานกัน) โดยที่ คุณสมบัติของวัสดุที่ใช้ทำตัวถังคาปาซิเตอร์และคุณลักษณะทางไฟฟ้ายังคงอยู่ในสภาพที่ใช้งานได้ดี

ในการออกแบบคำนวณหาจำนวนคาปาซิเตอร์ที่สามารารถขนานกันได้เพื่อให้ทนกับค่าพลังงานที่อาจเกิดการดิสชาร์จนั้น สำหรับการต่อคาปาซิเตอร์แบงก์แบบกลุ่ม จะต้องคำนึงถึงความเป็นไปได้จาก 2 เหตุผล ดังนี้

1. ในการออกแบบคาปาซิเตอร์แบงก์ จะต้องพยายามลดจำนวนของ คาปาซิเตอร์แบงก์ที่ขนานกันลงเท่าที่จะทำได้  ทั้งนี้เพื่อลดพลังงานที่สะสมและลดความเสี่ยงต่อการระเบิด นอกจากนั้นแล้ว ยังช่วยลดค่าใช้จ่ายในส่วนของจำนวนคาปาซิเตอร์ด้วย ตลอดจนลดการสิ้นเปลืองพื้นที่ในสถานีไฟฟ้าลงได้

2. การเลือกใช้ฟิวส์จำกัดกระแส จะทำให้สิ้นเปลืองมากเพราะต้องมีฟิวส์เท่ากับจำนวนคาปาซิเตอร์ทั้งหมด (ดูรูปที่ 8) และยังเป็นการเพิ่มความร้อนและกำลังการสูญเสีย (Power Loss) ที่ฟิวส์บวกกับกำลังการสูญเสียที่คาปาซิเตอร์แบงก์ ทำให้เพิ่มกำลังสูญเสียเป็น 2 เท่าโดยปริยาย ปกติแล้วกำลังการสูญเสียที่ฟิวส์ จะมากกว่าหรือเท่ากับกำลังการสูญเสียที่คาปาซิเตอร์แบงก์   

เมื่อคาปาซิเตอร์เสียหายหรือเกิดการทะลุผ่านของเซลล์เมื่อเกิดแรงดันเกินขึ้นเนื่องจากสาเหตุใดก็ตาม ต้องพึงระวังถึงค่าพลังงานที่สะสมอยู่ภายในซึ่งพร้อมที่จะดิสชาร์จได้ โดยเฉพาะในกรณีที่ต่อคาปาซิเตอร์ต่อแบบขนาน ซึ่งสามารถคำนวณหาค่าพลังงานที่สะสมใน คาปาซิเตอร์ ได้จากสมการ

ค่าพลังงานสูงสุดที่อาจถูกดิสชาร์จออกจาก คาปาซิเตอร์นั้น จะเกิดก็ต่อเมื่อคาปาซิเตอร์เกิดการทะลุผ่านหรือคาปาซิเตอร์เกิดความเสียหาย ภายใต้สภาวะแรงดันเกินหรือมากกว่า 110% ของแรงดันระบบ ซึ่งการเกิดแรงดันเกินดังกล่าวนี้จะเกิดได้หลาย ๆ สาเหตุ เช่น เกิดจากการสวิตชิ่ง หรือจากการเกิดฟ้าผ่า เป็นต้น ค่าพลังงานสะสมในคาปาซิเตอร์แบงก์แบบกลุ่มนั้นสามารถหาได้จากสมการ

เมื่อ      Q   = ค่า kVAR ที่ต่อขนานกันต่อเซลล์
             V   = ค่าแรงดันระบบ (pu.)
              f   = ความถี่ของระบบ (Hz)
จากสมการที่ 3 ถ้าคาปาซิเตอร์แบงก์กลุ่มหนึ่งมีพลังงานสะสมรวมเท่ากับ E = 30 kJ, Q = 4650 kVAR, f = 60 Hz จงคำนวณหาค่า V สูงสุดที่กลุ่มคาปาซิเตอร์ทนได้เมื่อใช้กับระบบ 22 KV

ดังนั้นถ้าเกิดแรงดันเกิน 110 % ของแรงดันระบบซึ่งมีค่าเท่ากับ1.1 x 22 = 24.2 kV จะเห็นว่ากลุ่มคาปาซิเตอร์แบงก์ดังกล่าวยังคงทำงานได้โดยไม่เกิดความเสียหายเนื่องจากแรงดันเกินนี้ สำหรับการเลือกฟิวส์กำจัดกระแส ในทางปฏิบัติถ้าออกแบบเลือกคาปาซิเตอร์ให้มีพลังงานสะสมอยู่มาก ๆ คาปาซิเตอร์แบงก์ จะต้องเลือกฟิวส์ที่พิกัดกระแสต่ำลงมากขึ้นด้วย ทั้งนี้เพื่อเป็นการป้องกันความเสียหาย และเพิ่มความปลอดภัยให้มากขึ้น

9. กระแสพุ่งออก

ในกรณีคาปาซิเตอร์ตัวใดเกิดลัดวงจรหรือทะลุผ่าน ฟิวส์ป้องกันคาปาซิเตอร์นั้นจะต้องอยู่ภายใต้สภาวะความถี่และค่า I2t สูง ๆ คาปาซิเตอร์แบงก์ที่ต่อขนานอยู่ข้างจะดิสชาร์จพลังงานที่คงค้างอยู่ ผ่านเข้ามายังส่วนที่คาปาซิเตอร์ตัวที่เสียหายผ่านฟิวส์

.

ดังนั้น ในการเลือกใช้ฟิวส์จะต้องพิจารณาถึงส่วนนี้ด้วย โดยทั่วไปแล้วการออกแบบระบบป้องกันจะพิจารณาองค์ประกอบอยู่ 2 ประเด็นร่วมกันซึ่งประกอบด้วย ค่าเวลาสูงสุดของการทำงานของฟิวส์ (เริ่มจากหลอมละลาย   จนเปิดวงจรเสร็จสิ้น) และค่าเวลาสูงสุดที่ตัวถังของคาปาซิเตอร์แบงก์ทนได้ตามที่ได้กล่าวมา

การออกแบบระบบป้องกันกระแสเกิน จะต้องคำนึงอยู่เสมอว่า ฟิวส์ที่ขาดเร็วจะทน I2t ได้น้อยได้แก่ฟิวส์ชนิด K ส่วนฟิวส์ที่ขาดช้าจะต้องทนหรือรองรับ I2t ได้สูง ซึ่งได้แก่ฟิวส์ชนิด T สำหรับรายละเอียดต่าง ๆ ถ้าวิศวกรผู้ออกแบบระบบป้องกันสงสัยเกี่ยวกับ ข้อมูลคุณลักษณะของอุปกรณ์ที่สำคัญ สามารถสอบถามได้จากบริษัทผู้ผลิตโดยตรง

10. ความสามารถในการทำงานของอุปกรณ์ป้องกันต่อสภาวะเฟสไม่สมดุล

เมื่อเกิดความผิดปกติหรือเกิดฟอลต์ขึ้นแล้วฟิวส์ของคาปาซิเตอร์แบงก์นั้นทำงาน จะทำให้แรงดันเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็ว และก่อให้เกิดสภาวะเฟสไม่สมดุลได้ เมื่อขนาดของแรงดันสูงขึ้นเกินกว่า 110% ของแรงดันระบบ ฟิวส์จะต้องตัดวงจรคาปาซิเตอร์แบงก์ออกทันที โดยทั่วไปแล้วการสวิทช์คาปาซิเตอร์เข้า–ออก กับระบบ จะใช้โหลดเบรกสวิตช์ หรือเซอร์กิตเบรกเกอร์ แทนการสับเปลี่ยนฟิวส์เข้า–ออก โดยตรง ทั้งนี้เพื่อความสะดวกและยืดหยุ่นต่อการทำงาน

การออกแบบการจัดลำดับการทำงานของอุปกรณ์ป้องกันให้สัมพันธ์กันในสภาวะเฟสไม่สมดุลนี้จะต้องพิจารณาจากกราฟคุณลักษณะของกระแส–เวลาของฟิวส์และอุปกรณ์ป้องกันอื่น ๆ เพื่อให้การป้องกันความเสียหายที่จะเกิดกับคาปาซิเตอร์แบงก์ โดยจะต้องออกแบบให้ฟิวส์ทำงานก่อนเซอร์กิตเบรกเกอร์ เนื่องจากถ้าเซอร์กิตเบรกเกอร์ทำงานก่อนฟิวส์   จะทำให้เกิดความยุ่งยากต่อการตรวจสอบหาสาเหตุหรือการปรับเปลี่ยนคาปาซิเตอร์แบงก์ชุดใหม่ได้

บทสรุป

มีข้อแนะนำหลายประการ เกี่ยวกับการออกแบบระบบป้องกันคาปาซิเตอร์แบงก์ในระบบไฟฟ้า ทางเลือกสำหรับการออกแบบระบบป้องกันมีหลายวิธี สำหรับการใช้ฟิวส์ป้องกันคาปาซิเตอร์แบงก์ ต่างมีหลายชนิด หลายพิกัดให้เลือกใช้ตามบริษัทผู้ผลิตทำออกมา แต่ข้อสำคัญในการออกแบบระบบป้องกันคาปาซิเตอร์แบงก์ จะต้องเลือกชนิด และพิกัดของฟิวส์ให้ถูกต้องและเหมาะสม ไม่ว่าคาปาซิเตอร์แบงก์จะต่อแบบกลุ่ม หรือแบบแยกก็ตาม

การใช้ฟิวส์ป้องกันคาปาซิเตอร์แบงก์แบบแยกจะต้องมีการเผื่อ เพื่อการจัดลำดับความสัมพันธ์ต่อการทนได้ของตัวถังของคาปาซิเตอร์ และต้องคำนึงถึงกระแสฟอลต์สูงสุด ค่าพลังงานสะสมภายในคาปาซิเตอร์แบงก์ซึ่งอาจจะไหลผ่านจุดที่คาปาซิเตอร์แบงก์บางตัวเสียหายและทำให้เกิดการระเบิดขึ้นได้

ในการออกแบบและเลือกใช้ฟิวส์จำกัดกระแส จะต้องพิจารณาเหตุการณ์หรือลักษณะการเกิดฟอลต์หลาย ๆ กรณีผสมผสานกัน ทั้งนี้เพื่อให้ระบบการป้องกันมีความถูกต้องและครอบคลุมมากที่สุดเท่าที่จะทำได้ ซึ่งจะส่งผลต่อคาปาซิเตอร์แบงก์ ในโรงงานอุตสาหกรรมและระบบจำหน่ายจำหน่ายสามารถทำงานให้อย่างต่อเนื่องและปลอดภัยยิ่ง ๆ ขึ้น

เอกสารอ้างอิง

[1] S. R. Mendis, M. T. Bishop, J. C. McCall and W. M. Huast , “Capacitor over-current  protection for industrial distribution system”, Copper Power Systems, Engineering Group, Franksville, Wisconsin and  McGraw-Edison Power Capacitors Greenwood, South  Carolina, pp. 285-292.
[2] Roger, C.D. 1996. Electrical Power Systems Quality. McGraw- Hill, New York