ปัจจุบันคำว่า คุณภาพกำลังไฟฟ้า (Power Quality) เป็นคำที่พูดถึงบ่อยในเรื่องความมั่นคงของการจ่ายไฟฟ้าของระบบ จากการไฟฟ้า ฯ หรือ กรณีเมื่อเกิดปัญหาอุปกรณ์ไฟฟ้ามีการทำงานผิดพลาด หรือหยุดการทำงานจากผู้ใช้ไฟฟ้า  ซึ่งเห็นได้ว่านิยามของคำว่า คุณภาพกำลังไฟฟ้า ระหว่างการไฟฟ้าฯ และผู้ใช้ไฟฟ้า จะพูดถึงในกรณีที่แตกต่างกันไป แต่ในความเป็นจริงแล้วมีความหมายเดียวกัน ซึ่งนิยามของคุณภาพกำลังไฟฟ้า ตามมาตรฐานสากล IEC และ IEEE ให้ความหมาย คือ คุณลักษณะ กระแส แรงดัน และความถี่ของแหล่งจ่ายไฟฟ้าในสภาวะปกติ ไม่ทำให้อุปกรณ์ไฟฟ้ามีการทำงานผิดพลาดหรือเกิดการเสียหาย

.

เหตุผลหลักที่ทำให้มีการพิจารณาถึงคุณภาพกำลังไฟฟ้า

- เนื่องจากในปัจจุบันกระบวนการผลิตของภาคอุตสาหกรรม อุปกรณ์ไฟฟ้ามีเทคโนโลยีสูงขึ้น ซึ่งจะมีความไวในการตอบสนองต่อการเปลี่ยนแปลงคุณภาพของกำลังไฟฟ้ามากกว่าในอดีต โดยเฉพาะอุปกรณ์ประเภทอิเล็กทรอนิกส์กำลัง ดังเช่น อุปกรณ์ที่ถูกควบคุมด้วยไมโครโปรเซสเซอร์, Programmable Logic Controller (PLC), Adjustable Speed Drive (ASD) และรีเลย์บางชนิด ฯ

- การเพิ่มขึ้นของการใช้อุปกรณ์ไฟฟ้าที่มีเทคโนโลยีสูงขึ้น เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพในระบบไฟฟ้า ดังเช่น ตัวอย่างของกระบวนการผลิตในโรงงานอุตสาหกรรม หนึ่ง มีการใช้อุปกรณ์ ASD เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพในการผลิต ซึ่ง ASD เป็นแหล่งจ่ายฮาร์มอนิก ก็จะทำให้เกิดปัญหาฮาร์มอนิกส่งผลกระทบต่อระบบไฟฟ้านั้นได้ และถ้ามีคาปาซิเตอร์ติดตั้งอยู่ในระบบเพื่อปรับปรุงกำลังไฟฟ้า ก็ยิ่งทำให้เกิดปัญหาฮาร์มอนิกรุนแรงมากยิ่งขึ้น

-  ผู้ใช้ไฟฟ้าทราบถึงปัญหาคุณภาพไฟฟ้าที่มีผลกระทบต่อกระบวนการผลิตในอุตสาหกรรมของตัวเองมากขึ้น ดังเช่น ปัญหาจากแรงดันตกชั่วระยะสั้น (Voltage Sag) ทำให้การไฟฟ้า ฯ ต้องหาแนวทางและวิธีการเพื่อปรับปรุงคุณภาพไฟฟ้าให้ดีขึ้น

- ระบบไฟฟ้าที่มีการเชื่อมต่อถึงกัน ถ้าส่วนใดของระบบเกิดปัญหาคุณภาพไฟฟ้า ก็จะทำส่วนอื่น ๆ ของระบบได้รับผลกระทบจากปัญหาคุณภาพตามไปด้วย ดังเช่น โรงงานอุตสาหกรรม หนึ่ง มีการใช้โหลดที่เป็นแหล่งจ่ายฮาร์มอนิก  ฮาร์มอนิกนั้นอาจไหลเข้าสู่ระบบไฟฟ้าอาจทำให้โรงงานบริเวณข้างเคียงได้รับผลกระทบจากปัญหาฮาร์มอนิกด้วยเช่นกัน

 ปัญหาคุณภาพไฟฟ้าที่เกิดขึ้นโดยทั่วไปเกิดจาก 5 สาเหตุใหญ่

1. จากปรากฎการณ์ธรรมชาติ เช่น ฟ้าผ่า 

2. จากการเกิดสภาวะความผิดพร่อง (Fault) ทางไฟฟ้าในระบบสายส่งและระบบจำหน่ายของการไฟฟ้า

3. จากการกระทำการสวิตชิ่งอุปกรณ์ในระบบ

4. จากการใช้งานอุปกรณ์ที่ไม่เป็นเชิงเส้นในระบบอุตสาหกรรม

5. จากการต่อลงดินที่ไม่ถูกต้อง

สาเหตุที่ทำให้เกิดปัญหาคุณภาพกำลังไฟฟ้าดังกล่าวข้างต้น  การไฟฟ้า ฯ และผู้ใช้ไฟฟ้า อาจจะมีมุมมองแตกต่างกันไป  ดังเช่น ตัวอย่างการสำรวจจากหน่วยงาน (Courtesy of Georgia Power Co.)ในประเทศอเมริกา ดังตารางที่ 1

ตารางที่ 1 แสดงมุมมองต้นเหตุทำให้เกิดปัญหาคุณภาพไฟฟ้าจากการไฟฟ้าและผู้ใช้ไฟฟ้าในประเทศอเมริกา

แนวทางการแก้ไขปัญหาคุณภาพกำลังไฟฟ้าที่ถูกต้องนั้น จำเป็นต้องได้รับความร่วมมือกันระหว่างการไฟฟ้า ฯ และผู้ใช้ไฟฟ้า เช่น ในส่วนของการไฟฟ้า ฯ จะต้องมีการปรับปรุงแก้ไขคุณภาพกำลังไฟฟ้าของแหล่งจ่ายไฟ หรือระบบสายส่ง และในระบบจำหน่ายไฟฟ้า และส่วนของผู้ใช้ไฟฟ้าต้องมีการควบคุมปัญหากำลังคุณภาพไฟฟ้าที่เกิดขึ้นจากการใช้อุปกรณ์ไฟฟ้า และอาจต้องนำข้อมูลทางไฟฟ้าและปัญหาต่าง ๆ มาร่วมปรึกษากัน และมีการร่วมกับบริษัทผู้ผลิตอุปกรณ์ไฟฟ้า เพื่อพิจารณาระดับการทำงานที่สัมพันธ์กันของอุปกรณ์กับแหล่งจ่ายไฟฟ้าซึ่งจะช่วยลดปัญหาคุณภาพไฟฟ้าในระดับ หนึ่ง ในบทความนี้จะกล่าวเพียงคำนิยามปัญหาคุณภาพไฟฟ้าและสาเหตุ เพื่อพื้นฐานก่อนที่นำเสนอบทความที่เกี่ยวข้องกับคุณภาพกำลังไฟฟ้าต่อไป

ปัญหาคุณภาพกำลังไฟฟ้า

1. ภาวะชั่วครู่ (Transient)

คือ ปรากฏการณ์การเปลี่ยนแปลงของสภาพไฟฟ้า (แรงดัน กระแส) ในเวลาทันทีทันใด จากสภาพปกติแบ่งออกเป็น 2 ประเภทคือ Impulsive Transients และ Oscillatory Transients

1.1 อิมพัลส์ชั่วครู่ (Impulsive Transients) คือ ขนาดกระแสและแรงดันที่มีค่าความชันสูงมาก เกิดขึ้นในทันทีทันใด ไม่มีความถี่เปลี่ยนแปลง กำหนดให้มีขั้วทิศทางเดียว หรือ เรียกว่าเสิร์จ (Surge) ดังรูปที่ 1 มีสาเหตุเกิดจากฟ้าผ่าซึ่งอาจเกิดได้โดยตรง หรือในบริเวณใกล้เคียง ส่งผลทำให้อุปกรณ์ในระบบได้รับความเสียหายจากแรงดันไฟฟ้าเกิน

มาตรฐาน IEEE std 1159 – 1995 มีการกำหนดค่าอิมพัลส์ตามช่วงระยะเวลาที่เกิดกับค่าระยะเวลาที่แรงดันเริ่มสูงขึ้น (Rise Time) ดังตารางที่ 2                       

ตารางที่ 2 แสดงค่าระยะเวลาที่แรงดันเริ่มสูงขึ้นกับช่วงระยะเวลาการเกิดของอิมพัลส์

1.2 ออสซิเลทชั่วครู่ (Oscillatory Transient) คือ ลักษณะของแรงดันหรือกระแสแรงดันมีค่าสูง เกิดขึ้นในทันทีทันใด ไม่มีความถี่เปลี่ยนแปลง มีการเปลี่ยนแปลงขั้ว (บวก, ลบ) ของรูปคลื่นอย่างรวดเร็ว ดังรูปที่ 2, 3 และ 4 มีสาเหตุเกิดจากการสวิตชิ่งของอุปกรณ์ในระบบ ส่งผลทำให้อุปกรณ์ไฟฟ้าได้รับความเสียหาย และฉนวนของอุปกรณ์มีการเสื่อมสภาพ หรือมีการสูญเสียความเป็นฉนวนเร็วขึ้น    

มาตรฐาน IEEE std 1159 – 1995 มีการแบ่งการเกิดออสซิเลตในภาวะชั่วครู่ตามขนาดแรงดันและช่วงระยะเวลาการเกิดตามความถี่ ดังตารางที่ 3

ตารางที่ 3 แสดงขนาดแรงดันและช่วงเวลาตามความถี่ออสซิเลตชั่วครู่

รูปที่ 4 แสดงแรงดันออสซิเลตความถี่ต่ำชั่วครู่เกิดจากเฟอโรเรโซแนนซ์ในสภาวะหม้อแปลงไม่มีโหลด

2. การเปลี่ยนแปลงแรงดันช่วงระยะสั้น (Short Duration Voltage Variation)

คือ การเปลี่ยนแปลงค่าแรงดัน RMS ที่มีระเวลาการเปลี่ยนแปลงค่าไม่เกิน 1 นาที มีสาเหตุส่วนใหญ่เกิดจากสภาวะความผิดพร่อง (Fault) ทางไฟฟ้า ทำให้เกิดเหตุการณ์แรงดันตก (Voltage Sag หรือ Voltage Dip) แรงดันเกิน (Voltage Swell) และไฟดับ (Interruptions) 

มาตรฐาน IEEE Std 1159-1995 มีการเรียกชื่อแรงดันดังกล่าวตามระยะเวลาที่เกิดคือ เวลาทันทีทันใด (Instantaneous) ชั่วขณะ (Momentary) และชั่วครู่ (Temporary) ดังตารางที่ 4

ตารางที่ 4 แสดงระยะเวลาการเกิดแรงดันตก แรงดันเกิน และไฟดับของการเปลี่ยนแปลงแรงดันช่วงเวลาสั้น ๆ

2.1 แรงดันตกช่วงสั้น (Voltage Sag) คือ ค่าแรงดัน RMS มีขนาดลดลงระหว่าง 0.1-0.9 pu. ในช่วงเวลาระหว่าง 10 ms – 1min สาเหตุส่วนใหญ่จะเกิดขึ้นกับเฟสที่เกิดความผิดพร่องทางไฟฟ้า ดังรูปที่ 5 ทำให้แรงดันมีค่าลดลงเหลือ 0.2 pu. ของแรงดันปกติ (80% Sag) ในช่วงเวลา 3 ไซเคิล และรูปที่ 6 แรงดันมีค่าลดลงจากผลของการสตาร์ทมอเตอร์ขนาดใหญ่ ซึ่งมอเตอร์อินดักชั่นขณะสตาร์ทจะมีกระแสสูงสูงถึง 6-10 เท่าของกระแสโหลดปกติ ผลทำให้อุปกรณ์ที่ไวต่อการเปลี่ยนแปลงคุณลักษณะของแหล่งจ่ายไฟมีการทำงานผิดพลาดหรือหยุดการทำงาน

2.2 แรงดันเกินช่วงสั้น (Voltage Swell) คือ ค่าแรงดัน RMS มีขนาดเพิ่มขึ้นระหว่าง 1.1-1.8 pu. ในช่วงเวลาระหว่าง 10 ms – 1min ดังรูปที่ 7 สาเหตุส่วนใหญ่จะเกิดขึ้นกับเฟสที่ไม่ได้เกิดความผิดพร่องทางไฟฟ้าโดยตรง หรืออาจเกิดจากการปลดโหลดขนาดใหญ่ออกจากระบบ หรือมีการต่อคาปาซิเตอร์ขนาดใหญ่เข้าระบบ ผลทำให้อุปกรณ์ได้รับความเสียหายหรือทำให้อุปกรณ์ ที่ไวต่อการเปลี่ยนแปลงคุณลักษณะของแหล่งจ่ายไฟมีการทำงานผิดพลาด หรือหยุดการทำงาน

2.3 ไฟดับช่วงสั้น (Voltage Interruption) คือ ค่าแรงดัน RMS มีค่าลดลงต่ำกว่า 0.1 pu. ในช่วงระหว่าง 10 ms – 1 min มีสาเหตุเกิดจาก สภาวะความผิดพร่อง ทางไฟฟ้าในระบบ ทำให้อุปกรณ์ป้องกันมีการตัดวงจรแหล่งจ่ายไฟออก ดังรูปที่ 8 แสดงการเกิดไฟดับช่วงระยะเวลาสั้น ๆ ประมาณ 1.8 sec จากการทำงานของรีโคลสเซอร์ตัดวงจรแหล่งจ่ายออกจากระบบก่อนจะมีการต่อวงจรเข้าไปดังเดิมอีก ผลทำให้อุปกรณ์ไฟฟ้าหยุดการทำงาน

รูปที่ 8 แสดงไฟฟ้าดับชั่วขณะสาเหตุจากการทำงานของรีโคลสเซอร์ตัดวงจรแหล่งจ่ายออกจากระบบ    

3. การเปลี่ยนแปลงแรงดันช่วงระยะยาว (Long Duration Voltage Variation)

คือ การเปลี่ยนแปลงค่าแรงดัน RMS ที่มีระยะเวลาการเปลี่ยนแปลงค่าเกิน 1 นาที มีสาเหตุส่วนใหญ่เกิดจากการเปลี่ยนแปลงการทำงานโหลดขนาดใหญ่ ทำให้เกิดเหตุการณ์แรงดันตก (Undervoltage) แรงดันเกิน (Overvoltage) และไฟดับ (Sustained Interruptions)

3.1 แรงดันตก (Undervoltage) คือ ค่าแรงดัน RMS มีขนาดลดลงระหว่าง 0.8-0.9 pu. ในช่วงเวลาที่นานกว่า 1min มีสาเหตุเกิดขึ้นจากผลของการสวิตชิ่งโหลดขนาดใหญ่เข้าระบบ หรือมีการปลดคาปาซิเตอร์ออกจากระบบ ผลทำให้อุปกรณ์ได้รับความเสียหายเนื่องจากเกิดการรับภาระเกิน (Overload)

3.2 แรงดันเกินช่วง (Overvoltage) คือ ค่าแรงดัน RMS มีขนาดเพิ่มขึ้นระหว่าง 1.1-1.2 pu. ในช่วงเวลาที่นานกว่า 1min มีสาเหตุเกิดขึ้นจากผลของการปลดโหลดขนาดใหญ่ออกจากระบบ หรือมีการสวิตชิ่งคาปาซิเตอร์เข้าระบบ        หรือการปรับแทปหม้อแปลงไม่เหมาะสมกับระบบ ผลทำให้อุปกรณ์ได้รับความเสียหายเนื่องจากแรงดันเกิน 

3.3 ไฟดับ (Voltage Interruption) คือ ค่าแรงดัน RMS มีค่าลดลง 0.0 pu. ในช่วงเวลาเกินกว่า 1 min มีสาเหตุเกิดจาก สภาวะความผิดพร่อง ทางไฟฟ้าในระบบ ทำให้อุปกรณ์ป้องกันมีการตัดวงจรแหล่งจ่ายไฟออกถาวร ดังรูปที่ 9 แสดงการเกิดไฟฟ้าดับช่วงระยะยาว จากการทำงานของรีโคลสเซอร์ตัดวงจรแหล่งจ่ายออกจากระบบถาวร (Lockout) เมื่อสภาวะความผิดพร่องทางไฟฟ้ายังอยู่ในระบบ เป็นผลทำให้อุปกรณ์ไฟฟ้าหยุดการงาน

4.  แรงดันไม่สมดุล (Voltage Unbalance)

คือ แรงดันของระบบ 3 เฟสมีขนาดแตกต่างกัน (0.5-2%) หรือมีมุมเปลี่ยนไปจาก 120 องศา เกิดจากความไม่สมดุลขนาดของโหลดแต่ละเฟส สามารถกำหนดได้จากอัตราส่วนขององค์ประกอบลำดับลบ V2 (Negative Sequence) หรือองค์ประกอบลำดับศูนย์ V0 (Zero Sequence) ต่อองค์ประกอบลำดับบวก V1 (Positive Sequence) ดังรูปที่ 10 ผลทำให้อุปกรณ์เช่น มอเตอร์ หม้อแปลงไฟฟ้า มีอายุการใช้งาน น้อย ลงเนื่องจากผลความร้อนที่เกิดขึ้น

5. ความผิดเพี้ยนรูปคลื่น (Waveform Distortion)

การผิดเพี้ยนของรูปคลื่น คือ การเบี่ยงเบนในสภาวะคงตัวของรูปคลื่นไซด์ที่มีความถี่ทางกำลังไฟฟ้า และสามารถอธิบายคุณลักษณะได้โดยแยกองค์ประกอบทางความถี่ออกมา ซึ่งแบ่งรูปคลื่นออกได้ 5 ชนิด คือ

5.1 องค์ประกอบไฟตรง (DC Offset) คือ การที่มีกระแสหรือแรงดันไฟตรงปะปนอยู่ในระบบไฟฟ้ากระแสสลับ เป็นผลมาจากการใช้อุปกรณ์เรียงกระแสแบบครึ่งคลื่น (Half-Wave Rectifier) เป็นผลทำให้ เกิดความร้อนและค่ากำลังสูญเสียของหม้อแปลง และอาจจะทำให้เกิดการผุกร่อนของแท่งกราวด์ได้

5.2 ฮาร์มอนิก (Harmonic) คือ ส่วนประกอบในรูปสัญญาณคลื่นไซน์ (Sine  wave) ของสัญญาณหรือปริมาณเป็นคาบใด ๆ ซึ่งมีความถี่เป็นจำนวนเต็มเท่าของความถี่หลักมูล(Fundamental Frequency ในระบบไฟฟ้าเรามีค่า 50 Hz) เช่น ฮาร์มอนิกลำดับที่ 3 มีค่าความถี่เป็น 150 Hz  ฮาร์มอนิกลำดับที่ 5 มีค่าความถี่เป็น 250 Hz ผลของฮาร์มอนิก เมื่อรวมกันกับสัญญาณความถี่หลักมูลด้วยทางขนาด (Amplitude) และมุมเฟส (Phase Angle)ทำให้สัญญาณที่เกิดขึ้นมีขนาดเปลี่ยนไปและมีรูปสัญญาณเพี้ยน(Distortion)ไปจากสัญญาณคลื่นไซน์  เป็นผลเกิดจากการใช้อุปกรณ์ประเภทที่ไม่เป็นเชิงเส้น ทำให้อุปกรณ์ในระบบไฟฟ้ามีการทำงานผิดพลาดและถ้ามีการขยายของฮาร์มอนิกที่มีขนาดมากพออาจจะทำให้อุปกรณ์เกิดการชำรุดขึ้นได้

5.3 อินเตอร์ฮาร์มอนิก (Interharmonic) คือ ส่วนประกอบในรูปสัญญาณคลื่นไซน์ของสัญญาณ หรือปริมาณเป็นคาบใด ๆ ซึ่งมีความถี่ไม่เป็นจำนวนเต็มเท่าของความถี่หลักมูล เช่น มีความถี่ที่ 104 Hz, 117 Hz, 134 Hz, 147 Hz ลักษณะการเกิดและผลกระทบจะมีลักษณะเช่นเดียวกับฮาร์มอนิก      

5.4 คลื่นรอยบาก (Notching) คือ สิ่งรบกวนทางแรงดันไฟฟ้าลักษณะคล้ายกับฮาร์มอนิกและทรานเชียนต์ที่มีลักษณะต่อเนื่อง เป็นผลเกิดจากใช้อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลัง เมื่อกระแสถูกเปลี่ยนจากเฟส หนึ่ง ไปยังอีกเฟส หนึ่ง ผลทำให้อุปกรณ์ประเภทอิเล็กทรอนิกส์มีการทำงานผิดพลาด

5.5 สัญญาณรบกวน (Noise) คือ สัญญาณทางไฟฟ้าที่ไม่ต้องการ จะมีความถี่ต่ำกว่า 200 kHz ปะปนบนสัญญาณแรงดัน หรือกระแสในสายเฟส เป็นผลเกิดจากการต่อลงดินของระบบไฟฟ้าที่ไม่ถูกต้อง ที่มีการใช้ประเภทอิเล็กทรอนิกส์ หรืออุปกรณ์ควบคุมอยู่ในระบบ ผลทำให้อุปกรณ์ดังกล่าวมีทำงานผิดพลาดหรือไม่สามารถทำงานได้

6. แรงดันกระเพื่อม (Voltage Fluctuation)

คือ การเปลี่ยนแปลงอย่างต่อเนื่องของค่าแรงดัน RMS มีขนาดไม่เกินช่วงแรงดัน 0.95-1.05 pu. เป็นผลเกิดจากการใช้อุปกรณ์ประเภทเตาหลอมแบบอาร์ก ทำให้เกิดไฟกะพริบ (Flicker) ที่หลอดไฟ และอาจส่งผลกระทบต่ออุปกรณ์ในระบบถ้ามีการเปลี่ยนแปลงของแรงดันมาก

7. การแปรเปลี่ยนความถี่กำลังไฟฟ้า (Power Frequency Variation)

คือ ปรากฏการณ์ที่ความถี่ของระบบไฟฟ้า มีค่าเปลี่ยนไปจากค่าความถี่ปกติ 50 Hz เป็นผลเกิดจากการทำงานของผิดพลาดของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าขนาดใหญ่หรือมีการหลุดออกจากระบบ ทำให้มีกระทบต่อการทำงานของอุปกรณ์ไฟฟ้าที่มีการทำงานสัมพันธ์กับความถี่ระบบไฟฟ้า เช่น เครื่องกลไฟฟ้า

จากที่กล่าวมาดังข้างต้น คำว่าคุณภาพกำลังไฟฟ้าคงจะไม่ใช่เรื่องใหม่สำหรับท่านอีกต่อไปแล้ว ซึ่งในการแก้ไขปัญหาคุณภาพกำลังไฟฟ้าที่ได้ผลสูงสุด จะต้องอาศัยความร่วมมือกันระหว่างการไฟฟ้าฯและผู้ใช้ไฟฟ้า เพื่อให้การแก้ไขเป็นในแนวทางเดียวกัน  สิ่งแรกที่ควรทำคือ ความเข้าใจของคำจำกัดความ ลักษณะของการเกิด และผลกระทบปัญหาคุณภาพกำลังไฟฟ้าในเบื้องต้น ซึ่งผู้เขียนหวังว่า บทความนี้อาจจะเป็นประโยชน์สำหรับการนำมาศึกษาเพิ่มเติมเพื่อจะทำการวิเคราะห์ แก้ไข และปรับปรุงทำให้ระบบการจ่ายไฟฟ้าในบ้านเรามีคุณภาพดียิ่งขึ้น

เอกสารอ้างอิง

1. IEEE std 1159-1995, IEEE Recommended Practice for Monitoring Electric Power Quality

2. Electrical Power Systems Quality, Roger C. Dugan, Mark F. McGranaghan, H. Wayne Beaty