การปฏิบัติงานแบบขนานของหม้อแปลงไฟฟ้า: การแบ่งโหลด, การจับค่าความต้านทานร้อยละ Z (%Z), และข้อผิดพลาดที่ทำให้หน่วยงานสาธารณูปโภคเกิดเวลาหยุดให้บริการ

เมื่อสองฤดูร้อนก่อน บริษัทสาธารณูปโภคแห่งหนึ่งในเท็กซัสได้ติดตั้งหม้อแปลงไฟฟ้าแบบฝังดินขนาด 1,000 กิโลวัตต์-แอมแปร์เพิ่มอีกหนึ่งตัวข้างหม้อแปลงเดิม เพื่อรับภาระจากสายจ่ายไฟสำหรับที่อยู่อาศัยที่เพิ่มขึ้น แผนงานดูเรียบง่าย: เชื่อมต่อขดลวดรองของทั้งสองตัวเข้ากับบัสเดียวกัน แล้วให้ทั้งสองตัวแบ่งภาระร่วมกัน บนเอกสารข้อมูลทางเทคนิค ค่าที่ระบุไว้ทั้งสองตัวตรงกัน แต่ในสนามจริง การปิดวงจรครั้งแรกกลับทำให้เกิดเสียงฮัมดังมาก ฟิวส์ฝั่งแรงดันต่ำขาด และสถานีไฟฟ้าย่อยหยุดให้บริการตลอดช่วงบ่าย สาเหตุไม่ได้เกิดจากอุปกรณ์เสีย แต่เกิดจากการไม่สอดคล้องกันของค่าอิมพีแดนซ์ ซึ่งไม่มีผู้ใดตรวจสอบก่อนจ่ายไฟ ทำงานแบบขนานของหม้อแปลง ดูเรียบง่ายบนแผนผังแบบเส้นเดียว แต่จะลงโทษรายละเอียดที่ไม่มีผู้ใดตรวจสอบ

เหตุใดบริษัทสาธารณูปโภคและโรงงานจึงเชื่อมหม้อแปลงแบบขนานกัน

การเดินเครื่องหม้อแปลงสองหน่วยบนบัสเส้นเดียวกันไม่ใช่กรณีพิเศษอีกต่อไป ความต้องการโหลดเพิ่มขึ้นเร็วกว่าที่จะสั่งซื้อและจัดส่งหม้อแปลงหนึ่งหน่วยให้ทันเวลา ดังนั้นผู้เป็นเจ้าของจึงวางแผนการเพิ่มกำลังการผลิตเป็นขั้นตอน: ติดตั้งหม้อแปลงหนึ่งหน่วยก่อน แล้วจึงเชื่อมหม้อแปลงหน่วยที่สองแบบขนานเมื่อบัสสายจ่ายเริ่มมีโหลดเต็ม บริษัทสาธารณูปโภคเชื่อมหม้อแปลงแบบขนานเพื่อสามารถนำหนึ่งหน่วยออกสำหรับการบำรุงรักษาโดยไม่ทำให้ผู้ใช้ไฟฟ้าขาดตอน ขณะที่โรงงานอุตสาหกรรมเลือกเชื่อมหม้อแปลงขนาดเล็กสองหน่วยแบบขนาน เนื่องจากหม้อแปลงสองหน่วยที่มีขนาดกะทัดรัดสามารถติดตั้งในอาคารได้ ในขณะที่หม้อแปลงหนึ่งหน่วยที่มีขนาดใหญ่เกินไปกลับไม่สามารถติดตั้งได้ ในทุกกรณีเป้าหมายยังคงเหมือนเดิม คือ มีบัสเส้นเดียว แต่มีแหล่งจ่ายสองแหล่ง โดยโหลดจะถูกแบ่งอย่างอัตโนมัติ

ข้อควรระวังคือ หม้อแปลงที่เชื่อมแบบขนานจะแบ่งโหลดตามที่คาดหวังได้ก็ต่อเมื่อลักษณะทางไฟฟ้าของทั้งสองหน่วยสอดคล้องกันอย่างถูกต้อง หากเงื่อนไขใดเงื่อนไขหนึ่งไม่ตรงตามข้อกำหนด คู่หม้อแปลงนั้นจะหยุดทำงานเสมือนธนาคารหม้อแปลงขนาด 2,000 kVA หนึ่งแห่ง และเริ่มทำงานเหมือนเครื่องจักรสองเครื่องที่ขัดแย้งกันแทน ความล้มเหลวจะแสดงออกมาในรูปของอุณหภูมิสูงเกินไป การทำงานของฟิวส์ และการตัดวงจรโดยระบบป้องกัน — ซึ่งมักเกิดขึ้นในช่วงเวลาที่เลวร้ายที่สุด โดยปกติแล้วจะเกิดขึ้นหลังจากที่การสนทนาเกี่ยวกับการรับประกันสินค้าได้สิ้นสุดลงแล้ว

 

เงื่อนไขสำหรับการปฏิบัติงานแบบขนานของหม้อแปลงอย่างปลอดภัย

ต้องมีเงื่อนไขห้าข้อที่เป็นไปตามก่อนที่หม้อแปลงสองเครื่องจะเชื่อมต่อกับบัสเดียวกัน:

• ลำดับเฟสและมุมเลื่อนเฟสต้องเหมือนกัน (กลุ่มเวกเตอร์) หม้อแปลงแบบ Dyn11 จะไม่สามารถทำงานแบบขนานกับหม้อแปลงแบบ Dyn1 หรือ Yyn0 ได้โดยไม่เกิดปัญหามุมเฟส
• อัตราส่วนแรงดันไฟฟ้าต้องเท่ากันที่ตำแหน่งแท็ปที่ใช้งานจริง ภายในความคลาดเคลื่อนประมาณร้อยละ 0.5 ตำแหน่งแท็ปที่ไม่ใช่ค่ามาตรฐานก็มีผลเช่นกัน — ทั้งสองเครื่องต้องอยู่ที่ตำแหน่งแท็ปเดียวกัน
• ค่าอิมพีแดนซ์ร้อยละต้องใกล้เคียงกันมาก โดยความแตกต่างไม่ควรเกินร้อยละ 10 ของกันและกัน ยิ่งค่า %Z ใกล้เคียงกันมากเท่าไร การแบ่งโหลดก็จะยุติธรรมมากขึ้นเท่านั้น
• ความสามารถในการรองรับกระแสลัดวงจรและระบบป้องกันต้องเข้ากันได้ บัส ฟิวส์ และเบรกเกอร์ต้องสามารถรองรับกระแสลัดวงจรรวมจากทั้งสองเครื่องได้
• ความถี่ของระบบต้องเท่ากัน และมีอ้างอิงร่วมกัน — หม้อแปลงสองเครื่องที่ออกแบบมาสำหรับโครงข่ายไฟฟ้าต่างระบบกัน ไม่ควรถูกนำมาใช้งานร่วมกันบนบัสเดียวกัน

ข้อความเหล่านี้ฟังดูเหมือนบทเรียนจากหนังสือเรียน จนกว่าจะมีโครงการจริงเข้ามาพิจารณา สิ่งที่วิศวกรของเราเปรียบเทียบก่อนเสนอทางเลือกแบบขนานใด ๆ คือค่าที่วัดได้จากรายงานการทดสอบตามปกติ — ไม่ใช่ค่าที่ระบุไว้บนป้ายชื่อ ค่า %Z ที่วัดได้และอัตราส่วนที่วัดได้ที่ตำแหน่งแท็ปที่ใช้งานจริง คือสิ่งที่กำหนดว่าหม้อแปลงสองเครื่องสามารถแบ่งโหลดบนบัสเดียวกันได้อย่างปลอดภัยหรือไม่

 

การแบ่งโหลดและการคำนวณ %Z: จุดที่คณิตศาสตร์เริ่มมีผล

กฎหลักของการ ทำงานแบบขนานของหม้อแปลง การแบ่งโหลดขึ้นอยู่กับอิมพีแดนซ์ ไม่ใช่ความตั้งใจดี การแบ่งโหลดสำหรับเครื่องสองเครื่องที่มีค่าเรตติ้งเท่ากัน จะแปรผกผันกับค่า %Z ของแต่ละเครื่อง กล่าวคือ เครื่องที่มีอิมพีแดนซ์ต่ำกว่าจะรับโหลดมากกว่า ตัวอย่างเช่น พิจารณาหม้อแปลงสองเครื่อง ที่แต่ละเครื่องมีค่าเรตติ้ง 1,000 กิโลโวลต์-แอมแปร์ โดยแผ่นป้ายระบุค่าอิมพีแดนซ์ไว้ที่ 5.5 เปอร์เซ็นต์ และ 6.5 เปอร์เซ็นต์ ตามลำดับ เมื่อโหลดรวมของธนาคารหม้อแปลง (bank) เท่ากับ 2,000 กิโลโวลต์-แอมแปร์ เครื่องที่มีค่าอิมพีแดนซ์ 5.5 เปอร์เซ็นต์ จะพยายามรับโหลดประมาณ 1,083 กิโลโวลต์-แอมแปร์ หรือคิดเป็น 108 เปอร์เซ็นต์ของค่าเรตติ้ง ส่วนเครื่องที่มีค่าอิมพีแดนซ์ 6.5 เปอร์เซ็นต์ จะรับโหลดเพียง 917 กิโลโวลต์-แอมแปร์ เท่านั้น ทั้งนี้ เครื่องที่มีอิมพีแดนซ์ต่ำกว่าจะถึงจุดโหลดเต็ม 100 เปอร์เซ็นต์ เมื่อโหลดรวมของธนาคารยังอยู่ที่ประมาณ 1,846 กิโลโวลต์-แอมแปร์ หรือราว 92 เปอร์เซ็นต์ของกำลังการผลิตสูงสุดที่ผู้ใช้งานจ่ายเงินไป

ธนาคารหม้อแปลง: หม้อแปลงสองเครื่อง เครื่องละ 1,000 กิโลโวลต์-แอมแปร์	ค่าอิมพีแดนซ์ไม่ตรงกัน (5.5% / 6.5%)	ค่าอิมพีแดนซ์ตรงกัน (5.5% / 5.5%)
การแบ่งโหลดที่โหลดรวม 2,000 กิโลโวลต์-แอมแปร์	1,083 กิโลโวลต์-แอมแปร์ / 917 กิโลโวลต์-แอมแปร์ (108% / 92%)	1,000 กิโลโวลต์-แอมแปร์ / 1,000 กิโลโวลต์-แอมแปร์ (100% / 100%)
กำลังการผลิตสูงสุดที่ใช้งานได้จริงของธนาคาร ก่อนที่หนึ่งในสองเครื่องจะถึงโหลดเต็ม 100%	ประมาณ 1,846 กิโลโวลต์-แอมแปร์ (92%)	2,000 กิโลโวลต์-แอมแปร์ (100%)
ความเสี่ยงเมื่อหม้อแปลงทำงานที่โหลดเต็ม	หน่วยที่มีค่าอิมพีแดนซ์ต่ำกว่าร้อนจัดเกินไป อายุการใช้งานสั้นลง และตัดวงจร	ไม่มีผลกระทบจากค่าอิมพีแดนซ์

นี่คือเหตุผลที่หน่วยสองหน่วยที่ดูเหมือน 'เหมือนกัน' แต่มีค่าอิมพีแดนซ์ตามแผ่นป้ายชื่อต่างกันถึงหนึ่งจุด เปอร์เซ็นต์ จะทำให้ธนาคารหม้อแปลงลดกำลังลงก่อนแม้แต่จะจ่ายไฟเข้าระบบเลย วิธีแก้ไขไม่ใช่การใช้ฟิวส์ขนาดใหญ่ขึ้น แต่เป็นการระบุค่า %Z ให้ตรงกันในข้อกำหนด — ขอให้โรงงานทั้งสองแห่งแจ้งค่าอิมพีแดนซ์ที่วัดได้จริงที่แทปหลัก — หรือยอมรับว่าธนาคารหม้อแปลงจะมีกำลังต่ำลง และระบุข้อจำกัดนี้ไว้ในการตั้งค่าระบบป้องกัน

สำหรับ การแบ่งโหลดหม้อแปลง กฎผกผันเดียวกันนี้ใช้กับหม้อแปลงที่มีกำลังต่างกันด้วย: แต่ละหน่วยจะจ่ายกำลังตามค่ากิโลโวลต์แอมแปร์ที่ระบุไว้หารด้วยค่า %Z ของหน่วยนั้น และทั้งคู่จะแบ่งโหลดแบบสัดส่วนกันได้ก็ต่อเมื่อค่า %Z ใกล้เคียงกัน เมื่อลูกค้าถามเราว่าหน่วยขนาด 750 กิโลโวลต์แอมแปร์สามารถทำงานขนานกับหน่วยขนาด 1,000 กิโลโวลต์แอมแปร์ได้หรือไม่ คำตอบของเราจะเริ่มต้นด้วยคำถามเดียวกัน — ค่าอิมพีแดนซ์ที่วัดได้จริงคือเท่าใด และทั้งสองหน่วยจะทำงานที่แทปใด

 

กระแสไหลวน: เหตุใดจึงเกิดขึ้นเมื่ออัตราส่วนไม่ตรงกัน

ความต่างของอัตราส่วนแรงดันไฟฟ้าก่อให้เกิดกระแสไฟฟ้าไหลระหว่างหน่วยที่เชื่อมขนานกันสองหน่วย แม้เมื่อระบบบัสไม่มีภาระใดๆ เลย วิศวกรเรียกกระแสชนิดนี้ว่า กระแสไหลวน และค่ากระแสดังกล่าวถูกจำกัดไว้เพียงโดยผลรวมของอิมพีแดนซ์ของทั้งสองหน่วยเท่านั้น ในการตรวจสอบอย่างรวดเร็ว ความต่างของแทป 2.5 เปอร์เซ็นต์ระหว่างหน่วยสองหน่วยที่แต่ละหน่วยมีอิมพีแดนซ์ 5.5 เปอร์เซ็นต์ จะทำให้เกิดกระแสไหลวนประมาณ 0.025 หารด้วย (0.055 + 0.055) หรือราว 23 เปอร์เซ็นต์ของกระแสที่กำหนดไว้สูงสุด ซึ่งไหลเวียนอยู่ขณะไม่มีภาระ กระแสดังกล่าวก่อให้เกิดการสูญเสียพลังงาน ทำให้ถังทั้งสองร้อนขึ้น และเพิ่มอุณหภูมิของขดลวดโดยไม่ได้ทำประโยชน์ใดๆ ที่เป็นรูปธรรม ความต่างของอัตราส่วนเพียง 0.5 เปอร์เซ็นต์จะช่วยควบคุมส่วนของกระแสไหลวนขณะไม่มีภาระให้อยู่ใกล้เคียง 5 เปอร์เซ็นต์ จึงเป็นเหตุผลที่หลักปฏิบัติทั่วไประบุว่า "ควรจับคู่อัตราส่วนให้ตรงกันภายในครึ่งเปอร์เซ็นต์"

ความไม่สอดคล้องกันของอัตราส่วนยังทำให้การแบ่งโหลดภายใต้ภาระเกิดความผิดเพี้ยน ส่งผลให้หน่วยที่มีอัตราส่วนสูงกว่าเข้าสู่ภาวะเหนี่ยวนำเกิน และคู่หน่วยนั้นเกิดความร้อนไม่สมดุล ข้อผิดพลาดของมุมเฟสแย่กว่านั้นอีก: การต่อเชื่อมหน่วยที่มีกลุ่มเวกเตอร์ไม่เข้ากันนั้นเทียบเท่ากับการลัดวงจรผ่านบัสโดยตรง และระบบป้องกันจะทำงานทันที ก่อนที่ผู้ใดจะมีเวลาแม้แต่จะอ่านค่าบนมิเตอร์ ทุกการติดตั้งแบบขนานที่เราเคยสังเกตเห็นมา ล้วนเริ่มต้นด้วยการตรวจสอบลำดับเฟสที่บัส — ไม่ใช่เพราะวิศวกรไม่ไว้วางใจข้อมูลบนป้ายชื่อ แต่เพราะการตรวจพบสายที่ต่อกลับด้านหนึ่งเส้นนั้นถูกกว่าการซ่อมหม้อแปลงที่ไหม้เสียทั้งธนาคาร

 

สิ่งที่ต้องตรวจสอบในรายงานการทดสอบก่อนการต่อขนาน

หน่วยแต่ละหน่วยที่เราจัดส่งออกมานั้นมาพร้อมรายงานการทดสอบประจำที่ระบุตัวเลขที่จำเป็นสำหรับการศึกษาการต่อขนาน ดังนั้น ก่อนนำหม้อแปลงใหม่ไปต่อขนานกับอุปกรณ์ที่มีอยู่แล้ว โปรดดึงค่าทั้งห้าข้อนี้จากรายงานการทดสอบของทั้งสองหน่วย

• ค่า %Z ที่วัดได้ที่แท็ปหลัก โดยใช้ฐานเดียวกัน — ไม่ใช่ค่าที่รับประกันไว้บนป้ายชื่อ
• อัตราส่วนแรงดันที่วัดได้ที่ตำแหน่งแท็ปที่ใช้งานจริง รวมถึงแท็ปที่ไม่ใช่ค่ามาตรฐานซึ่งคุณวางแผนจะใช้งาน
• กลุ่มเวกเตอร์หรือการเลื่อนเฟส พร้อมการตรวจสอบลำดับเฟสของสถานที่ก่อนการต่อวงจรครั้งแรก
• การสูญเสียขณะไม่มีโหลดและการสูญเสียขณะมีโหลด — ค่าเหล่านี้กำหนดประสิทธิภาพของหม้อแปลงคู่ และเปิดเผยความแตกต่างของแกนเหล็กหรือขดลวด
• ตำแหน่งและช่วงของการปรับแท็ป เพื่อให้หน่วยทั้งสองสามารถตั้งค่าไว้ที่แท็ปเดียวกันและคงค่าไว้ได้

ขั้นตอนการทดสอบที่ให้ผลลัพธ์ตัวเลขเหล่านี้ระบุไว้ในมาตรฐาน IEEE C57.12.90 ซึ่งเป็น รหัสการทดสอบมาตรฐานสำหรับหม้อแปลงแบบจุ่มในของเหลว และข้อกำหนดเกี่ยวกับการให้เรตติ้งและรูปแบบแผ่นป้ายชื่อมาจาก IEC 60076-1 ซึ่งขอบเขตครอบคลุม หน้าเว็บไซต์ IEC Webstore หากผู้จัดจำหน่ายไม่สามารถให้ข้อมูลค่าอิมพีแดนซ์และอัตราส่วนที่วัดได้จริงสำหรับหน่วยนั้น ๆ หน่วยนั้นไม่ควรนำมาเชื่อมขนานกับหน่วยใด ๆ

 

สิ่งที่เราตรวจสอบที่ Ryan Electric ก่อนจัดส่งหน่วยสองหน่วย

ในฐานะพันธมิตรร่วมทุนกับอีตันตั้งแต่ปี ค.ศ. 2023 พร้อมใบรับรองจาก UL, CSA, IEEE และ DEKRA ในพอร์ตโฟลิโอของเรา ฐานการผลิตขนาด 120,000 ตารางเมตร และสิทธิบัตร 37 ฉบับที่เราเป็นเจ้าของ เราถือว่าคำสั่งซื้อที่พร้อมใช้งานแบบขนานเป็นเพียงการจัดทำเอกสาร ไม่ใช่การรับประกัน เมื่อลูกค้าแจ้งว่าจะติดตั้งอุปกรณ์สองหน่วยบนบัสสายเดียวกัน เราจะบันทึกค่าความต้านทานร้อยละ (Z%) ที่วัดได้ที่ตำแหน่งแท็ปหลักและแท็ปที่เบี่ยงเบนจากค่ากำหนด ดำเนินการทดสอบตามมาตรฐาน IEEE C57.12.90 อย่างสม่ำเสมอ และระบุค่าความต้านทานและอัตราส่วนไว้ในรายงานการทดสอบด้วยรูปแบบที่วิศวกรประจำไซต์สามารถนำไปใช้งานได้ทันที โดยไม่จำเป็นต้องติดต่อกลับโรงงาน

คำแนะนำเชิงปฏิบัติสั้น ๆ คือ ใน ทำงานแบบขนานของหม้อแปลง , คู่ของอุปกรณ์จะมีประสิทธิภาพดีได้เท่าที่พารามิเตอร์ที่จับคู่กันได้แย่ที่สุด — และพารามิเตอร์ที่จับคู่กันได้แย่ที่สุดมักพบในข้อความเล็กๆ ที่ระบุไว้ในรายงานการทดสอบซึ่งไม่มีใครเปรียบเทียบกันมาก่อน ถ้าท่านกำลังจะเพิ่มหน่วยใหม่เข้าไปในแบงก์ที่มีอยู่แล้ว โปรดส่งรายงานการทดสอบของหน่วยเก่ามาพร้อมกับคำขอเสนอราคา (RFQ) ของท่าน และเราจะดำเนินการเปรียบเทียบค่าอิมพีแดนซ์และอัตราส่วนก่อนให้ใบเสนอราคา ขั้นตอนเดียวนี้ช่วยตรวจจับความไม่สอดคล้องกันที่อาจทำให้กำลังของแบงก์ลดลง หรือทำให้ฟิวส์ขาดตั้งแต่วันแรก

ท่านวางแผนจะเชื่อมต่อหม้อแปลงใหม่แบบขนานกับอุปกรณ์ที่มีอยู่หรือไม่? โปรดส่งรายงานการทดสอบของหน่วยที่มีอยู่และค่าแรงดัน-กระแสที่ต้องการสำหรับหน่วยใหม่ผ่านทาง ryantransformers.com — วิศวกรของเราจะตรวจสอบความเข้ากันได้ของค่า %Z อัตราส่วน และกลุ่มเวกเตอร์ จากนั้นจึงเสนอราคาหน่วยที่สามารถแบ่งภาระโหลดได้ตามที่แผนผังวงจรเดี่ยว (single-line diagram) ระบุไว้

เกี่ยวกับผู้เขียน — บทความนี้เขียนโดยทีมวิศวกรของไรอัน อิเล็กทริก ซึ่งเป็นพันธมิตรร่วมทุนกับอีตัน และผู้ผลิตหม้อแปลงที่ได้รับการรับรองตามมาตรฐาน UL/CSA ตั้งอยู่ที่มณฑลเจียงซู ประเทศจีน โดยให้บริการลูกค้าในภาคสาธารณูปโภค พลังงานหมุนเวียน และอุตสาหกรรมทั่วอเมริกาเหนือ เอเชียตะวันออกเฉียงใต้ ตะวันออกกลาง และแอฟริกา