ขวัญชัย กุลสันติธำรงค์
kwanchai2002@hotmail.com

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

ในการติดตั้งทางไฟฟ้าสามารถต่อเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแรงดันปานกลางลงดินได้หลายวิธี ซึ่งแต่ละวิธีก็มีข้อดีและข้อเสียด้านสมรรถนะที่แตกต่างกันในขณะที่เกิดกระแสรั่วลงดิน ติดตามรายละเอียดในบทความฉบับนี้ได้เลยครับ

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

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

ในรูปที่ 2 เป็นตัวอย่างของระบบการต่อลงดินหลายจุด เครื่องกำเนิดไฟฟ้าแต่ละชุดได้ต่อลงดินผ่านตัวต้านทานแต่ละตัว จึงไม่มีความเสี่ยงที่เครื่องกำเนิดไฟฟ้าแต่ละตัวจะไม่ต่อลงดินรวมถึงไม่มีความเสี่ยงในขณะที่ซ่อมบำรุงเครื่องกำเนิดไฟฟ้า

เนื่องจากมีเครื่องกำเนิดไฟฟ้าต่อขนานกันในระบบไฟฟ้า กระแสรั่วลงดินจึงมีค่าสูงมากจนสามารถสร้างความเสียหายให้กับจุดที่เกิดกระแสรั่วลงดินได้ โดยเฉพาะอย่างยิ่งถ้าหากว่าจุดที่เกิดกระแสรั่วลงดินเกิดอยู่ที่สเตเตอร์ที่อยู่ภายในเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเอง ก็จะสร้างความเสียหายอย่างมากให้กับขดลวดสเตเตอร์

ระบบต่อลงดินที่มีค่าอิมพีแดนซ์สูงจะต่อตัวนำนิวตรอลของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าลงดินผ่านอิมพีแดนซ์ตามไดอะแกรมในรูปที่ 1 ในระบบนี้ อิมพีแดนซ์ที่มีค่าสูงจะจำกัดค่ากระแสรั่วลงดินที่ไหลให้มีค่าน้อยภายในช่วงเวลาที่นานขึ้น ข้อดีของระบบต่อลงดินที่มีค่าอิมพีแดนซ์สูง ก็คือ 

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

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

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