หม้อแปลงดิน: เมื่อใดควรระบุหน่วยแบบซิกแซก และวิธีการกำหนดค่ากระแสให้ถูกต้อง

เมื่อฤดูใบไม้ผลิที่ผ่านมา วิศวกรโรงงานแห่งหนึ่งในรัฐโอไฮโอได้ส่งอีเมลมาหาเราเกี่ยวกับระบบวงจรแรงดัน 13.8 กิโลโวลต์ ที่จ่ายไฟให้กับอาคารผลิตสามหลัง ระบบดังกล่าวประสบเหตุลัดวงจรระหว่างเฟสกับดินซ้ำแล้วซ้ำเล่าเป็นเวลาสองสัปดาห์ — รีเลย์ป้องกันเกือบไม่สามารถตรวจจับเหตุการณ์นี้ได้ เนื่องจากระบบวงจรดังกล่าวเป็น ระบบที่ไม่ต่อลงดิน ซึ่งไม่มีเส้นทางสำหรับกระแสลำดับศูนย์ให้ไหลกลับไปยังจุดกำเนิด เมื่อผู้รับเหมาของเขาพบข้อต่อสายเคเบิลที่ไหม้เสีย ไดรฟ์มอเตอร์ขนาด 500 แรงม้าสองตัวบนเฟสที่ยังปกติอยู่ก็เสียหายไปก่อนหน้านั้นแล้ว ทางออกที่เขาสั่งซื้อคือหม้อแปลงดินระดับแรงดัน 15 กิโลโวลต์ ตัวแปลงไฟแบบต่อพื้น ที่มีขดลวดแบบซิกแซก คำถามของเขาต่อเรามีเพียงสั้นๆ ว่า "ฉันควรระบุค่ากระแสไว้ในใบสั่งซื้อเท่าไร — 10 วินาที หรือแบบต่อเนื่อง?"

คำถามนี้พบได้บ่อยกว่าที่ควรจะเป็น และเป็นจุดที่ข้อกำหนดทางเทคนิคมักผิดพลาด นี่คือสิ่งที่เราแจ้งผู้ซื้อทุกครั้งที่คำถามเช่นนี้ปรากฏขึ้นในโครงการของพวกเขา

 

 

หน้าที่ที่แท้จริงของหม้อแปลงดิน

มันไม่ใช่หม้อแปลงจ่ายไฟแบบทั่วไป หน่วยต่อพื้นดินชนิดนี้จะรับโหลดเกือบเป็นศูนย์ในภาวะการดำเนินงานปกติ หน้าที่หลักของมันคือการสร้างจุดกลางเทียมขึ้นในระบบไฟฟ้าที่ไม่มีจุดกลาง — โดยทั่วไปคือระบบที่ต่อดельตา หรือระบบที่ต่อสตาร์ซึ่งไม่มีขั้วกลางให้ใช้งาน หรือไม่อนุญาตให้ต่อพื้นดินแบบแข็งแรง

เมื่อเกิดเหตุลัดวงจรระหว่างเฟสกับพื้นดินในระบบที่ไม่ต่อพื้นดิน กระแสลัดวงจรจะไม่มีทางไหลผ่านใดๆ นอกจากความจุแบบกระจายตัวของสายเคเบิลและขดลวด ซึ่งมีค่าน้อยมาก ทำให้อุปกรณ์ป้องกันไม่สามารถตัดกระแสลัดวงจรออกได้ ระบบจึงยังคงทำงานต่อไปโดยมีเฟสหนึ่งอยู่ที่ศักย์พื้นดิน ในขณะที่เฟสที่ยังสมบูรณ์จะเพิ่มขึ้นถึงระดับแรงดันระหว่างสายเต็มค่า — ประมาณ 1.73 เท่าของแรงดันเฟสปกติ และอาจมีการกระชากชั่วคราวระหว่างการลัดวงจรแบบอาร์คที่เกิดขึ้นไม่ต่อเนื่อง มอเตอร์และสายเคเบิลบนเฟสที่ยังสมบูรณ์จึงต้องรับภาระเครียด ส่งผลให้ฉนวนเสื่อมสภาพและล้มเหลวในเวลาต่อมา ซึ่งมักเกิดขึ้นหลายสัปดาห์หลังจากเหตุการณ์จริง และอาจเกิดขึ้นห่างไกลจากตำแหน่งที่เกิดลัดวงจร

เชื่อมต่อหน่วยแบบซิกแซกที่มีจุดกลางต่อพื้นดิน และภาพจะเปลี่ยนไป ขดลวดให้เส้นทางกระแสลำดับศูนย์ที่มีอิมพีแดนซ์ต่ำ ทำให้กระแสลัดวงจรไหลย้อนกลับผ่านหม้อแปลง และอุปกรณ์ป้องกันสามารถตรวจจับได้ในที่สุดแล้วตัดวงจรออกไปได้ สำหรับขดลวดแบบซิกแซก (ดาวเชื่อมต่อกัน) แต่ละเฟสจะรับกระแสลัดวงจรลำดับศูนย์ประมาณหนึ่งในสามของค่ารวม จึงเป็นเหตุผลที่หน่วยเหล่านี้มีขนาดเล็กมากเมื่อเทียบกับโหลดที่มันปกป้อง

 

ซิกแซก เทียบกับ ไว-เดลตา: ขดลวดแบบใดเหมาะกับข้อกำหนดของคุณ

ผู้ซื้อมักถามเราเกี่ยวกับวิธีทั่วไปสองแบบในการสร้าง ตัวแปลงไฟแบบต่อพื้น คือ แบบซิกแซก และแบบไว-เดลตา

การเปรียบเทียบ	ซิกแซก (ดาวเชื่อมต่อกัน)	ไว-เดลตา
กระแสโหลดปกติ	ใกล้ศูนย์ — มีเพียงกระแสแม่เหล็กเหนี่ยวนำ	สามารถจ่ายโหลดเดลตาเสริมได้ด้วย หากระบุไว้ในข้อกำหนด
อิมพีแดนซ์ลำดับศูนย์	ต่ำ ควบคุมได้ตามการออกแบบ	ต่ำ กำหนดโดยรูปทรงของขดลวด
ขนาดจริง	ขนาดกะทัดรัด ราคาต่ำที่สุด	ขนาดใหญ่กว่า ราคาสูงกว่า
การใช้ทั่วไป	ใช้สำหรับการต่อสายดินอย่างแท้จริงในระบบแรงดัน 480 V ถึง 34.5 kV	ใช้สำหรับการต่อสายดินพร้อมภาระเสริมหรือภาระจ่ายไฟสถานี
ค่าอันดับที่นิยมใช้กัน	400 A เป็นเวลา 10 วินาที; ใช้งานต่อเนื่องได้สำหรับงานต่อสายดินแบบ HRG	มักออกแบบให้ใช้งานต่อเนื่องได้

สำหรับโครงการที่ต้องการเพียงจุดศูนย์กลางเท่านั้น หม้อแปลงแบบซิกแซก มักเป็นตัวเลือกที่เหมาะสมที่สุดเสมอ — มีขนาดเล็กกว่า ราคาถูกกว่า และติดตั้งภายในตู้กลางแจ้งได้ง่ายกว่า เรามีการผลิตทั้งสองแบบที่โรงงานของเรา แต่โดยเฉลี่ยแล้วเก้าในสิบคำสั่งซื้อสำหรับอุปกรณ์ต่อพื้นดินที่เราจัดส่งออกไปคือหน่วยแบบซิกแซก โปรดระบุแบบไว-เดลต้าเฉพาะเมื่อหน่วยนั้นจำเป็นต้องจ่ายพลังงานให้โหลดเสริม เช่น แผงจ่ายไฟสำหรับสถานี (station service panel) ที่ด้านเดลต้า

 

การเลือกระหว่างการให้กำลังแบบต่อเนื่อง กับแบบระยะสั้น: การตัดสินใจด้านข้อกำหนดที่สำคัญที่สุด

นี่คือการตัดสินใจที่ทำให้วิศวกรจากโอไฮโอต้องโทรศัพท์มาหาเรา และยังเป็นสิ่งที่ผู้ซื้อส่วนใหญ่เลือกผิดบ่อยที่สุด

เอ ตัวแปลงไฟแบบต่อพื้น ที่ใช้งานร่วมกับระบบต่อพื้นดินแบบความต้านทานต่ำ ถูกออกแบบมาเพื่อ ทำงานแบบระยะสั้น ระบบ ตัวต้านทานต่อพื้นดินของจุดกลาง (NGR) จำกัดกระแสไฟฟ้ารั่วลงดินให้อยู่ที่ค่าที่กำหนดไว้ — โดยทั่วไปคือ 400 แอมแปร์ บางครั้งอาจเป็น 200 หรือ 600 แอมแปร์ — และระบบป้องกันจะตัดข้อบกพร่องออกภายในไม่กี่วินาที ดังนั้นหม้อแปลงจึงต้องมีการระบุค่าความสามารถในการรับกระแสดังกล่าวได้เป็นระยะเวลาที่กำหนด ซึ่งโดยทั่วไปคือ 10 วินาที ตามขั้นตอนการทดสอบ IEEE C57.32 การระบุหน่วยแบบใช้งานช่วงสั้นว่า "แบบต่อเนื่อง" จะทำให้สิ้นเปลืองทองแดงและแกนเหล็กโดยไม่จำเป็น ส่วนการระบุหน่วยแบบใช้งานต่อเนื่องว่า "10 วินาที" นั้นถือเป็นอันตรายต่อความปลอดภัย

บน การต่อสายดินแบบมีความต้านทานสูง ในระบบ (HRG) กระแสจะถูกจำกัดโดยเจตนาให้อยู่ที่ประมาณ 5 หรือ 10 แอมแปร์ และระบบยังคงทำงานต่อไปแม้มีข้อบกพร่องเกิดขึ้น ขณะที่ทีมบำรุงรักษาทำการค้นหาตำแหน่งข้อบกพร่อง หน่วยดังกล่าวจึงต้องมีการระบุค่าความสามารถในการรับกระแส ต่อเนื่อง อย่างต่อเนื่อง เนื่องจากต้องรับกระแสไปเรื่อย ๆ โดยไม่มีกำหนด การสับสนระหว่างสองประเภทนี้ในเอกสารข้อกำหนดทางเทคนิคเป็นข้อผิดพลาดที่พบบ่อยที่สุดในเอกสารขอเสนอราคา — ผู้ซื้อเขียนว่า "หม้อแปลงต่อสายดิน 400 แอมแปร์" แต่ลืมระบุรอบเวลาการใช้งาน ทำให้โรงงานผลิตเสนอราคาเครื่องที่ไม่ตรงกับความต้องการ

 

ต่อสายดินระบบก่อน: แบบไม่ต่อสายดิน แบบต่อสายดินโดยตรง แบบต่อสายดินด้วยความต้านทานต่ำ หรือแบบ HRG

ก่อนที่ผู้ใดจะสามารถให้คะแนนหน่วยต่อพื้นดินได้ จำเป็นต้องกำหนดปรัชญาการต่อพื้นดินของระบบก่อน เพราะสิ่งนี้จะกำหนดค่ากระแส ภาระงาน และแผนการป้องกัน

• ระบบที่ไม่ต่อพื้นดิน ยังคงถูกกฎหมายตามรหัสอุตสาหกรรมหลายฉบับ — ข้อ ๒๕๐.๒๑ ของ NEC ยังคงอนุญาตให้ใช้ — แต่ระบบนี้ยอมรับความผิดพลาดครั้งแรกโดยไม่มีสัญญาณเตือน และทำให้อุปกรณ์ที่ใช้งานได้ปกติอยู่ภายใต้แรงดันเกิน นี่คือรูปแบบการติดตั้งที่มักกระตุ้นให้ผู้ซื้อตัดสินใจเพิ่มหน่วยต่อพื้นดินในภายหลัง
• ระบบที่ต่อพื้นดินแบบแข็ง แบบวาย (wye) ไม่จำเป็นต้องใช้หน่วยต่อพื้นดินเมื่อมีจุดศูนย์กลาง (neutral) พร้อมใช้งานและได้รับอนุญาตให้ใช้ อย่างไรก็ตาม หน่วยแบบซิกแซก (zigzag) จะถูกนำมาใช้เมื่อจุดศูนย์กลางไม่สามารถเข้าถึงได้ หรือไม่อนุญาตให้ต่อพื้นดินแบบแข็ง
• ระบบที่ต่อพื้นดินด้วยความต้านทานต่ำ โดยทั่วไปมีค่าความต้านทานที่ให้กระแสลัดวงจร ๒๐๐–๘๐๐ แอมแปร์ สำหรับภาระงานนาน ๑๐ วินาที เป็นทางเลือกมาตรฐานสำหรับระบบจ่ายไฟแรงปานกลางในภาคอุตสาหกรรม หน่วยแบบซิกแซกรวมกับตัวต้านทานต่อพื้นดิน (NGR) ให้การตรวจจับความผิดพลาดที่เชื่อถือได้ พร้อมจำกัดความเสียหายที่จุดเกิดความผิดพลาด
• ระบบที่ต่อพื้นดินด้วยความต้านทานสูง ระบบที่มีกระแสไฟฟ้าต่อเนื่อง 5–10 แอมแปร์ ช่วยให้โรงงานดำเนินการต่อได้แม้เกิดข้อผิดพลาดเพียงครั้งเดียว โดยมีสัญญาณเตือน ซึ่งใช้กันทั่วไปในระบบที่มีแรงดัน 480 โวลต์ ซึ่งไม่สามารถยอมรับการหยุดทำงานโดยไม่ได้วางแผนไว้ได้ มาตรฐาน NEC 250.36 ครอบคลุมระบบ HRG สำหรับระบบที่มีแรงดันตั้งแต่ 480 โวลต์ ถึง 1000 โวลต์

เพื่อเป็นข้อมูลอ้างอิง การต่อสายดินแบบหนึ่งที่จะช่วยตัดสินว่าแบบใดเหมาะสมกับโรงงานของคุณนั้น ได้อธิบายไว้ใน IEEE 142 แนวทางปฏิบัติที่แนะนำสำหรับการต่อสายดินของระบบไฟฟ้าสำหรับอุตสาหกรรมและพาณิชย์ ซึ่งเราถือเป็นมาตรฐานพื้นฐานเสมอเมื่อลูกค้าขอให้เราตรวจสอบหลักการของระบบ

 

สิ่งที่ต้องระบุไว้ในแผ่นข้อมูลจำเพาะ

เมื่อคุณส่งใบเสนอราคาสำหรับ ตัวแปลงไฟแบบต่อพื้น แผ่นข้อมูลจำเพาะที่สมบูรณ์จะต้องตอบคำถามเหล่านี้ — และวิศวกรผู้จัดทำใบเสนอราคาจะทราบทันทีหากสิ่งใดขาดหาย

1. แรงดันระหว่างสายของระบบและค่าความถี่ (เช่น 13.8 กิโลโวลต์ 60 เฮิร์ตซ์) รวมทั้งระดับ BIL ที่จำเป็นสำหรับระบบฉนวน
2. การต่อสายดินของจุดกลาง วิธีการ: แบบความต้านทานต่ำพร้อมค่ากระแสและเวลาของ NGR (400 แอมแปร์ เป็นเวลา 10 วินาที) หรือแบบ HRG สำหรับใช้งานต่อเนื่อง (5 แอมแปร์ หรือ 10 แอมแปร์)
3. การให้กำลังแบบต่อเนื่องหรือแบบระยะสั้น ซึ่งระบุไว้อย่างชัดแจ้ง — ห้ามปล่อยให้ผู้ใช้สรุปเองเด็ดขาด
4. ว่ามีตัวต้านทานต่อศูนย์กลาง (neutral grounding resistor) รวมอยู่ด้วยหรือไม่ และค่าความต้านทานเป็นกี่โอห์ม เนื่องจากขดลวดแบบซิกแซก (zigzag) เพียงอย่างเดียวไม่สามารถจำกัดกระแสได้
5. ประเภทของเปลือกหุ้มและสภาพแวดล้อมที่ใช้งาน: ภายในอาคาร ภายนอกอาคาร แบบติดตั้งบนแท่นคอนกรีต (pad-mounted) หรือแบบติดตั้งบนโครงสร้างสถานีไฟฟ้า (substation frame) พร้อมทั้งระดับอุณหภูมิที่รองรับ
6. มาตรฐานการทดสอบที่ใช้ — เราออกแบบ ผลิต และทดสอบตาม IEEE C57.32 ซึ่งครอบคลุมข้อกำหนด คำศัพท์เฉพาะ และวิธีการทดสอบสำหรับอุปกรณ์ต่อศูนย์กลาง (neutral grounding devices) รวมถึงการทดสอบการเพิ่มอุณหภูมิ (temperature-rise) และการทดสอบกระแสระยะสั้น (short-time current)
7. รูปแบบการพันขดลวดแบบเดลตา (delta) หรือแบบซิกแซก (zigzag) และว่าอุปกรณ์นี้จำเป็นต้องจ่ายโหลดเสริมใดๆ ด้วยหรือไม่

เอ หม้อแปลงแบบซิกแซก สำหรับระบบแรงดัน 15 kV ที่ต้องรองรับกระแส 400 A เป็นเวลา 10 วินาที อุปกรณ์ชนิดนี้จะมีขนาดเล็กและน้ำหนักเบาเมื่อเทียบกับหม้อแปลงไฟฟ้าสำหรับจ่ายจ่าย (distribution transformers) ที่อยู่รอบข้าง แต่คำว่า "เล็ก" ไม่ได้หมายความว่าออกแบบหรือผลิตได้ง่าย — ค่าอิมพีแดนซ์ลำดับศูนย์ (zero-sequence impedance) การประสานฉนวนที่จุดศูนย์กลาง (insulation coordination at the neutral) และความสามารถในการทนความร้อนระยะสั้น (short-time thermal withstand) ล้วนต้องผ่านการออกแบบเชิงวิศวกรรมอย่างรอบคอบ ไม่ใช่การประดิษฐ์ขึ้นมาอย่างไม่มีหลักการ

 

วิธีที่เราระบุขั้นตอนการผลิตและการทดสอบอุปกรณ์ต่อศูนย์กลางที่ Ryan

 

 

ตั้งแต่ปี ค.ศ. 2023 เราทำงานร่วมกับอีตันในฐานะพันธมิตรร่วมทุนอย่างเป็นทางการ และความร่วมมือดังกล่าวกำหนดแนวทางการจัดการผลิตภัณฑ์เฉพาะทาง เช่น ชุดนี้ — โดยผ่านกระบวนการควบคุมคุณภาพแบบเดียวกับสายการผลิตหลักของเรา ไม่ใช่งานรองหรืองานเสริม โรงงานของเราซึ่งมีพื้นที่ 120,000 ตารางเมตร ใช้อุปกรณ์มากกว่า 180 ชุด และหม้อแปลงกราวด์จะออกจากสายการผลิตก็ต่อเมื่อมีรายงานผลการทดสอบในโรงงานแล้วเท่านั้น ซึ่งรวมถึงการทดสอบอัตราส่วนจำนวนรอบขดลวด การต้านทานฉนวน การทดสอบแรงดันไฟฟ้าแบบประยุกต์และแบบเหนี่ยวนำ และในกรณีที่ค่ากำลังไฟฟ้าที่ระบุต้องการ การทดสอบกระแสไฟฟ้าระยะสั้นภายใต้การสังเกตการณ์ของทีมประกันคุณภาพของเรา

นิสัยหนึ่งที่เราสืบทอดมาจากห้องปฏิบัติการทดสอบ: เมื่อใบเสนอราคา (RFQ) ของลูกค้าระบุเพียงว่า “หม้อแปลงกราวด์” โดยไม่มีรายละเอียดเพิ่มเติม เราจะติดต่อลูกค้าทางโทรศัพท์ก่อนจัดทำใบเสนอราคา ในปีที่ผ่านมา เราพบข้อกำหนดที่อาจนำไปสู่การจัดส่งหม้อแปลงแบบให้กำลังต่อเนื่องไปยังระบบงานที่ใช้งานเพียง 10 วินาที และการสั่งซื้อหม้อแปลงแบบซิกแซกสำหรับระบบซึ่งแท้จริงแล้วต้องการหม้อแปลงแบบไว-เดลต้าพร้อมโหลดเสริม การสอบถามเหล่านี้ใช้เวลาเพียงห้านาทีทางโทรศัพท์ แต่ช่วยป้องกันปัญหาที่อาจเกิดขึ้นเป็นเวลาหลายเดือนในอนาคต

 

สรุปสำหรับผู้ซื้อ

หากสถานที่ของท่านใช้ระบบแรงดันกลางแบบไม่ต่อพื้น หรือระบบเดลตาที่ไม่มีจุดศูนย์กลางแบบแข็งให้ใช้งาน ตัวแปลงไฟแบบต่อพื้น หม้อแปลงแบบซิกแซก (zigzag transformer) คือวิธีแก้ปัญหาที่เหมาะสม — เพราะให้เส้นทางสำหรับกระแสลำดับศูนย์ จำกัดความเครียดจากแรงดันเกินบนอุปกรณ์ที่ยังใช้งานได้ตามปกติ และทำให้รีเลย์สามารถตรวจจับข้อบกพร่องการต่อพื้นได้จริง โปรดเลือกขดลวดตามความจำเป็นในการจ่ายโหลดเสริม และเลือกระยะเวลาใช้งาน (duty cycle) ตามวิธีการต่อพื้นของท่าน: ใช้ค่าอันดับ 10 วินาทีสำหรับระบบที่ใช้ NGR ควบคุมแบบความต้านทานต่ำ และใช้ค่าอันดับแบบต่อเนื่องสำหรับระบบที่ใช้ HRG

ส่งข้อมูลแรงดันระบบ หลักการต่อพื้นที่ท่านใช้ และค่ากระแสข้อบกพร่องเป้าหมายมาให้เรา และเราจะยืนยันค่าอันดับก่อนที่ท่านจะตัดสินใจลงทุน โปรดส่งอีเมลไปที่ [email protected]หรือขอใบเสนอราคาผ่านหน้าติดต่อ — การตรวจสอบข้อกำหนดนั้นให้บริการฟรี และเป็นขั้นตอนสำคัญที่ช่วยป้องกันไม่ให้ระบบแบบไม่ต่อพื้นกลายเป็นการหยุดทำงานโดยไม่ได้วางแผนไว้

 

เกี่ยวกับผู้เขียน

ไรอัน อิเล็กทริก คือผู้ผลิตหม้อแปลงไฟฟ้าในประเทศจีน ก่อตั้งขึ้นในปี ค.ศ. 2007 ให้บริการแก่หน่วยงานด้านสาธารณูปโภค ศูนย์ข้อมูล และลูกค้าภาคอุตสาหกรรมทั่วทวีปอเมริกาเหนือ เอเชียตะวันออกเฉียงใต้ และตะวันออกกลาง บทความนี้จัดทำโดยทีมวิศวกรและทีมเนื้อหาของบริษัท โดยอ้างอิงจากประสบการณ์การทดสอบที่โรงงานและข้อเสนอแนะจากภาคสนามเกี่ยวกับโครงการหม้อแปลงไฟฟ้าที่ส่งไปทั่วโลก