อธิบายความต้านทานของหม้อแปลง: วิธีที่ค่าความต้านทานร้อยละกำหนดกระแสลัดวงจร แรงดันตก และการเชื่อมต่อแบบขนาน

หม้อแปลงไฟฟ้าสองเครื่อง ขนาด 2,000 กิโลโวลต์-แอมแปร์ ถูกส่งมาถึงสถานีย่อยแห่งเดียวกันเมื่อฤดูใบไม้ผลิที่ผ่านมา เครื่องทั้งสองมีอัตราส่วนแรงดันไฟฟ้าเท่ากัน มีแรงดันรองแบบ 208Y/120 โวลต์เหมือนกัน และได้รับการรับรองมาตรฐาน UL ไว้บนป้ายชื่อ ทีมงานติดตั้งจึงปิดเบรกเกอร์เชื่อมต่อเพื่อให้หม้อแปลงทั้งสองทำงานขนานกัน แต่ภายในเวลาสองชั่วโมง ระบบแจ้งเตือนอุณหภูมิของขดลวดเครื่องหนึ่งก็เปิดใช้งาน ทั้งที่ไม่มีส่วนใดเสียหาย ปรากฏว่าหม้อแปลงเครื่องหนึ่งซื้อมาพร้อมค่าความต้านทานเชิงจินตภาพ (impedance) ที่ร้อยละ 5.75 อีกเครื่องหนึ่งกลับมีค่าเพียงร้อยละ 4.0 — และเมื่อหม้อแปลงสองเครื่องเชื่อมต่อกับบัสสายเดียวกัน โหลดจะแบ่งกันตามสัดส่วนผกผันของค่าความต้านทานเชิงจินตภาพ ดังนั้นเครื่องที่มีค่าร้อยละ 4.0 จึงรับภาระประมาณร้อยละ 59 ของโหลดรวม ในขณะที่อีกเครื่องรับเพียงร้อยละ 41 เครื่องแรกจึงทำงานหนักเสมือนหม้อแปลงขนาดใหญ่กว่า และร้อนขึ้นตามไปด้วย

จุดต่างเพียงร้อยละหนึ่งนี้เองที่เป็นสาเหตุ ความต้านทานของหม้อแปลง สมควรได้รับความสนใจมากกว่าที่มักจะระบุเพียงบรรทัดเดียวในใบสั่งซื้อ ค่าอิมพีแดนซ์ร้อยละกำหนดสามสิ่งพร้อมกัน: กระแสลัดวงจรสูงสุดที่ชุดตู้ควบคุมไฟฟ้าของท่านต้องตัด, ค่าแรงดันตกจากสภาวะไม่มีโหลดถึงสภาวะโหลดเต็ม, และการที่หม้อแปลงสองเครื่องสามารถทำงานขนานกันได้หรือไม่ โดยไม่มีเครื่องใดเครื่องหนึ่งรับภาระแทนอีกเครื่อง หากคำนวณผิดตั้งแต่ขั้นตอนการออกแบบ ข้อผิดพลาดนั้นจะปรากฏขึ้นจริงในสนาม ในการศึกษาความเสี่ยงจากการลัดวงจรแบบอาร์ก (arc-flash study) หรือในการประชุมตรวจรับมอบงาน

 

ค่าอิมพีแดนซ์ของหม้อแปลงแท้จริงแล้ววัดอะไร

ค่าอิมพีแดนซ์ร้อยละวัดโดยการลัดวงจรขดลวดข้างหนึ่งไว้ และจ่ายแรงดันแปรผันไปยังขดลวดอีกข้างหนึ่ง จากนั้นค่อยเพิ่มแรงดันนั้นขึ้นเรื่อยๆ จนกระทั่งเกิดกระแสตามค่าที่ระบุไว้ (rated current) แล้วนำแรงดันที่จ่ายนั้นมาแสดงเป็นร้อยละของแรงดันที่ระบุไว้ (rated voltage) ตัวอย่างเช่น หม้อแปลงที่มีค่าอิมพีแดนซ์ร้อยละ 5.75 หมายความว่า ต้องใช้แรงดันเพียง 5.75% ของแรงดันที่ระบุไว้ เพื่อให้เกิดกระแสตามค่าที่ระบุไว้ผ่านจุดลัดวงจรแบบแน่นสนิท (bolted short) ส่วนใหญ่ของค่าอิมพีแดนซ์นี้เกิดจากฟลักซ์รั่ว (leakage flux) ที่ไม่เชื่อมโยงผ่านขดลวดทั้งสองข้าง รวมทั้งความต้านทานของตัวนำทองแดงเอง

ขั้นตอนการดำเนินการเป็นไปตามมาตรฐานที่กำหนดไว้ การวัดค่าอิมพีแดนซ์และค่าสูญเสียจากโหลดอยู่ใน IEEE C57.12.90 สำหรับหม้อแปลงแบบจุ่มในของเหลว ซึ่งเผยแพร่บน หน้าเว็บไซต์ของ IEEE Standards Association สำหรับรหัสการทดสอบ ข้อกำหนดทั่วไปสำหรับหม้อแปลงไฟฟ้ากำลัง รวมถึงวิธีการระบุค่าอิมพีแดนซ์ภายใต้ภาวะลัดวงจร ได้ระบุไว้ใน IEC 60076-1 ทั้งสองเอกสารนี้กำหนดให้ต้องระบุค่าดังกล่าวโดยอ้างอิงกับกระแสไฟฟ้าที่ระบุไว้และอุณหภูมิอ้างอิง เนื่องจากส่วนประกอบของความต้านทาน — และด้วยเหตุนี้จึงรวมถึงค่ารวมทั้งหมด — จะเปลี่ยนแปลงไปตามอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นของขดลวด

ช่วงค่าทั่วไปมีลักษณะดังนี้:

ประเภทหม้อแปลงไฟฟ้า	อิมพีแดนซ์ทั่วไป (%Z)	สิ่งที่กำหนดค่าดังกล่าว
ชนิดแห้ง ไม่เกิน 1,000 kVA	4% - 6%	การจำกัดกระแสไฟฟ้าลัดวงจรเพื่อลดผลกระทบจากการตกของแรงดันไฟฟ้า
การกระจายแบบจุ่มในของเหลว 500 - 2,500 กิโลโวลต์-แอมแปร์	4% - 6%	การประสานกระแสลัดวงจรของระบบสาธารณูปโภค
กำลังไฟฟ้าระดับกลาง 5 - 20 เมกะโวลต์-แอมแปร์	6% - 10%	อันดับของอุปกรณ์สวิตช์เกียร์ข้างทุติยภูมิ ความแข็งแกร่งของระบบ
กำลังไฟฟ้าขนาดใหญ่ มากกว่า 20 เมกะโวลต์-แอมแปร์	8% - 16%	กระแสลัดวงจร ต้นทุนต่อหน่วย การควบคุมแรงดันไฟฟ้า

 

ให้ถือว่าค่านี้เป็นช่วงค่าหนึ่ง ไม่ใช่กฎที่ตายตัว ผู้จัดจำหน่ายสองรายอาจเสนอราคาสำหรับค่ากิโลโวลต์-แอมแปร์เดียวกันที่ปลายทั้งสองข้างของช่วงนี้ และทั้งคู่ก็ถูกต้องทั้งหมด ตัวเลขที่ท่านได้รับคือผลลัพธ์ของการตกลงร่วมกันในการออกแบบซึ่งกำหนดไว้ตั้งแต่ขั้นตอนการระบุข้อกำหนด ไม่ใช่สิ่งที่จะค้นพบในระหว่างการทดสอบรับรองที่โรงงาน

 

เหตุใดค่าอิมพีแดนซ์ร้อยละจึงกำหนดกระแสลัดวงจรที่สามารถใช้งานได้

นี่คือการคำนวณที่ผู้ซื้อส่วนใหญ่ไม่เคยเห็น สำหรับแต่ละหน่วย ความต้านทานเชิงจินตภาพ (impedance) ของหม้อแปลงไฟฟ้าจะกำหนดกระแสไฟฟ้าที่สามารถจ่ายได้ที่ขดลวดรอง: กระแสลัดวงจร (Isc) เท่ากับกระแสไฟฟ้าที่ระบุไว้ที่ขดลวดรองหารด้วยความต้านทานเชิงจินตภาพในหน่วยสัมพัทธ์ (per unit) ตัวอย่างเช่น หม้อแปลงไฟฟ้าสามเฟสขนาด 2,000 kVA แรงดัน 480 V กระแสไฟฟ้าที่ระบุไว้ที่ขดลวดรองคือ 2,406 A ที่ 5.75%ความต้านทานเชิงจินตภาพ กรณีเกิดลัดวงจรแบบสามเฟสแบบแน่นสนิท (bolted three-phase fault) ที่ขดลวดรองอาจสูงถึงประมาณ 41,800 A - ไม่ ใน 4.0%หม้อแปลงตัวเดียวกันนี้จะให้กระแสสูงถึงประมาณ 60,150 A .

ความต่าง 1.75 จุดนี้ทำให้กระแสลัดวงจรที่สามารถจ่ายได้เพิ่มขึ้นราว 18 kA ซึ่งเป็นความแตกต่างระหว่างอุปกรณ์สวิตช์เกียร์แรงดันต่ำสองระดับ ความต้องการในการเสริมความแข็งแรงของบัสบาร์สองแบบ และผลพลอยได้จากค่าพลังงานเหตุการณ์ (incident energy) สองค่าในการศึกษาความเสี่ยงจากอาร์กแฟลช (arc-flash study) ผู้รับเหมาในเท็กซัสและอัลเบอร์ตาถามเราเรื่องนี้บ่อยครั้ง โดยมักเกิดขึ้นหลังจากที่การศึกษาความสอดคล้องกัน (coordination study) ให้ผลออกมาว่าอุปกรณ์ที่ระบุนั้นหาซื้อไม่ได้ตามราคาที่พวกเขาคาดการณ์ไว้

อิมพีแดนซ์ยังมีรูปร่างด้วย ค่าร้อยละนั้นคือผลรวมเวกเตอร์ขององค์ประกอบความต้านทาน ซึ่งก่อให้เกิดการสูญเสียพลังงานภายใต้ภาระ และองค์ประกอบรีแอคทีฟ ซึ่งเก็บพลังงานรั่วไหล ระยะสัดส่วนระหว่างสององค์ประกอบนี้จะกำหนดระดับความไม่สมมาตรของวงจรแรก ๆ ของกระแสลัดวงจร และเบรกเกอร์ที่คุณเลือกต้องสามารถปิดวงจรได้แม่นยำภายใต้สภาวะความไม่สมมาตรนั้น หม้อแปลงสองตัวที่มีค่าอิมพีแดนซ์เท่ากันแต่มีระยะสัดส่วนต่างกัน จะไม่สามารถใช้แทนกันได้ในการศึกษาเหตุลัดวงจร

 

 

การควบคุมแรงดันไฟฟ้า: อีกครึ่งหนึ่งของข้อแลกเปลี่ยนเดียวกัน

อิมพีแดนซ์ช่วยจำกัดกระแสลัดวงจร แต่ก็มีค่าใช้จ่ายในด้านการควบคุมแรงดันไฟฟ้า ภายใต้ภาระ แรงดันปลายทางจะลดลงเป็นจำนวนที่แปรผันตามค่าอิมพีแดนซ์และกระแสโหลด โดยค่าลดลงโดยประมาณเท่ากับองค์ประกอบความต้านทานคูณโคไซน์ของมุมโหลด บวกกับองค์ประกอบรีแอคทีฟคูณไซน์ หม้อแปลงที่มีความแข็งแรงมากกว่า — คือมีค่าอิมพีแดนซ์ต่ำกว่า — จะรักษาระดับแรงดันข้างรองได้ดีกว่า ซึ่งตรงกับสิ่งที่โรงงานที่ใช้มอเตอร์เป็นหลัก หรือห้องเซิร์ฟเวอร์ที่มีขอบเขตแรงดันแคบมาก ต้องการอย่างยิ่ง

ลดค่าอิมพีแดนซ์ลง ทำให้ขดลวดรองคงระนาบเรียบ แต่กระแสลัดวงจรที่พร้อมใช้งานจะเพิ่มขึ้น และต้นทุนของอุปกรณ์ทุกตัวที่อยู่ด้านหลังก็สูงขึ้นตามไปด้วย แต่ถ้าเพิ่มค่าอิมพีแดนซ์ขึ้นเพื่อควบคุมกระแสลัดวงจร โหลดเดียวกันนั้นจะประสบกับการตกของแรงดันมากขึ้น และสูญเสียพลังงานแบบรีแอคทีฟมากขึ้นเช่นกัน ไม่มีรูปทรงของขดลวดแบบใดแบบหนึ่งที่ให้ทั้งสองคุณสมบัตินี้พร้อมกัน จึงเป็นเหตุผลว่าทำไมค่าดังกล่าวจึงควรอยู่ในการอภิปรายเกี่ยวกับข้อกำหนดทางเทคนิค แทนที่จะใส่ไว้ในแม่แบบมาตรฐาน

มาตรฐานยังยอมรับว่าค่าที่ระบุไว้นั้นไม่ใช่ค่าที่แม่นยำทุกประการ IEC 60076-1 ระบุวิธีการระบุค่าอิมพีแดนซ์ขณะลัดวงจร และความคลาดเคลื่อนที่ยอมรับได้สำหรับค่าที่ระบุไว้ ซึ่งช่วงความคลาดเคลื่อนดังกล่าวกว้างพอสมควร จนทำให้หน่วยงานหนึ่งสามารถทดสอบแล้วพบว่าค่าเบี่ยงเบนไปเพียงเศษส่วนของร้อยละไม่กี่ส่วนเท่านั้นจากตัวเลขที่ระบุไว้ในสัญญา หากคุณมีแผนจะเชื่อมต่อหม้อแปลงแบบขนานในอนาคต ควรระบุช่วงความคลาดเคลื่อนไว้ชัดเจน แทนที่จะถือว่าค่าบนป้ายชื่อเป็นค่าที่แน่นอนทุกประการ

 

การเชื่อมต่อแบบขนาน: เมื่อหนึ่งจุดร้อยละกลายเป็นเงินจริง

การปฏิบัติงานแบบขนานมีเงื่อนไขสี่ประการ และค่าอิมพีแดนซ์เป็นเพียงหนึ่งในนั้น ได้แก่ อัตราส่วนแรงดันและตำแหน่งแท็ปที่ตรงกัน กลุ่มเวกเตอร์และมุมเลื่อนเฟสที่เหมือนกัน ลำดับเฟสที่เหมือนกัน และค่าอิมพีแดนซ์ที่ตรงกันทั้งในแง่ขนาดและอัตราส่วนของส่วนจินตภาพต่อส่วนจริง

เมื่อค่าอิมพีแดนซ์ของอุปกรณ์สองตัวไม่ตรงกัน โหลดจะแบ่งกันแบบผกผันกับค่าอิมพีแดนซ์นั้น ตัวอย่างการเดินเครื่องข้างต้นเป็นกรณีคลาสสิกตามตำราเรียน ให้เครื่องที่มีค่าอิมพีแดนซ์ 4.0% กับเครื่องที่มีค่าอิมพีแดนซ์ 5.75% ทำงานร่วมกันที่ 90% ของกำลังรวมสูงสุด ผลคือเครื่องที่มีค่าอิมพีแดนซ์ต่ำกว่าจะเกินกำลังที่กำหนดไว้สำหรับตัวเองแล้ว ในขณะที่อีกเครื่องยังมีความสามารถเหลืออยู่ เครื่องที่มีค่าอิมพีแดนซ์สูงกว่าจึงไม่เคยถูกใช้งานจนถึงขีดจำกัดสูงสุด เพราะภาระทั้งหมดถูกแบกรับโดยเครื่องคู่หู

สเปกสำหรับงานสาธารณูปโภคและอุตสาหกรรมส่วนใหญ่กำหนดให้ความต้านทานเชิงจินตภาพ (impedance) ระหว่างหน่วยที่ออกแบบมาให้ทำงานแบบขนานกันนั้นมีความแตกต่างกันไม่เกินร้อยละ 10 และคำเตือนนี้มีเหตุผล เพราะความไม่สมดุลจะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วเมื่อช่องว่างของค่าความต้านทานกว้างขึ้น หากในอนาคตอาจมีการเชื่อมต่อหม้อแปลงสองตัวเข้าด้วยกัน ควรระบุช่วงค่าความต้านทานไว้ในใบสั่งซื้อทั้งสองฉบับพร้อมกันตั้งแต่ต้น การจัดหาหน่วยที่ตรงกันหลังจากผ่านไปห้าปีคือจุดที่โครงการเหล่านี้กลายเป็นค่าใช้จ่ายสูง

 

วิธีระบุค่าความต้านทานโดยไม่จำกัดทางเลือกของตนเอง

ค่าความต้านทานของหม้อแปลงคือข้อมูลจำเพาะที่ต้องระบุไว้ล่วงหน้า ไม่ใช่ผลการทดสอบที่จะค้นพบภายหลัง หัวข้อเจ็ดข้อควรรวมอยู่ในส่วนความต้านทานของเอกสารขอเสนอราคา (RFQ) และส่วนใหญ่สามารถระบุได้โดยไม่มีค่าใช้จ่ายเพิ่มเติม:

• ค่าความต้านทานและค่าความคลาดเคลื่อนที่ยอมรับได้ ระบุค่าที่ระบุเป็นมาตรฐาน (nominal figure) และขอบเขตที่ยอมรับได้ ทั้งสองอย่างนี้ต้องระบุไว้ที่กระแสไฟฟ้าตามค่าที่กำหนด
• แท็ปอ้างอิง ค่าความต้านทานเปลี่ยนแปลงไปตามช่วงของการปรับแท็ป ดังนั้นจึงต้องระบุให้ชัดเจนว่าค่าที่ระบุนั้นใช้กับแท็ปใด และควรถามค่าที่สุดขั้ว (extreme-tap values) เพิ่มเติมด้วย
• อุณหภูมิอ้างอิง ค่าความต้านทาน (resistance) ขึ้นกับอุณหภูมิ และค่าตัวเลขที่ท่านระบุก็ขึ้นกับอุณหภูมิด้วย
• อัตราการรับมือกับข้อผิดพลาดด้านท้ายของระบบ แจ้งค่าอันดับของอุปกรณ์ตัดวงจรให้ผู้จัดจำหน่ายทราบ และให้พวกเขาเสนอช่วงค่าความต้านทานเชิงจินตภาพที่สอดคล้องกับค่านั้น
• ข้อกำหนดด้านการควบคุมแรงดัน ที่ค่าแฟกเตอร์กำลังภายใต้ภาระงานตามแบบแปลน
• เจตนาในการต่อพ่วงแบบขนาน หากอาจมีการเพิ่มหน่วยที่สองในอนาคต โปรดระบุไว้ตั้งแต่ตอนนี้ และระบุช่วงค่าความต้านทานเชิงจินตภาพที่ต้องตรงกัน
• ข้อกำหนดในการรายงาน ขอให้ระบุค่าความต้านทานเชิงจินตภาพและค่าสูญเสียขณะโหลดจริงในรายงานผลการทดสอบมาตรฐาน ไม่ใช่เพียงแต่ในผลการคำนวณเชิงแบบจำลองเท่านั้น

รายการสุดท้ายนี้มีความสำคัญมากกว่าที่เห็นได้ด้วยตา ในโครงการหลายแห่ง เราสังเกตเห็นว่าชุดหม้อแปลงสองตัวที่ต่อพ่วงแบบขนานกันไม่สามารถแบ่งภาระงานอย่างเท่าเทียมกันได้ เนื่องจากผลการทดสอบมาตรฐานทั้งสองฉบับไม่เคยถูกนำมาวางเปรียบเทียบเคียงข้างกันก่อนขั้นตอนการเดินเครื่องจริง

 

วิธีที่ไรอัน อิเล็กทริก วัดและรายงานค่าความต้านทานเชิงจินตภาพ

หม้อแปลงทุกตัวที่ออกจากห้องทดสอบของเราจะถูกวัดค่าความต้านทานเชิงจินตภาพและค่าสูญเสียขณะโหลดจริงที่กระแสไฟฟ้าตามอันดับ และรายงานค่าที่วัดได้เทียบกับค่าที่ประกาศไว้ ที่ตำแหน่งแท็ปที่จัดส่งจริง ไม่ใช่เพียงแค่ที่แท็ปหลักเท่านั้น สำหรับลูกค้าที่ระบุช่วงค่าความต้านทานเชิงจินตภาพที่ต้องตรงกันเพื่อการต่อพ่วงแบบขนานในอนาคตบน หม้อแปลงสามเฟสแบบปรับแต่ง รายงานฉบับเดียวกันนี้ระบุค่าที่ขั้วสุดขั้วไว้ด้วย เพื่อให้วิศวกรผู้รับมอบหมายสามารถตรวจสอบคู่ก่อนจ่ายไฟ

เราผลิตในโรงงานพื้นที่ 120,000 ตารางเมตร พร้อมอุปกรณ์การผลิตและทดสอบมากกว่า 180 ชุด และมีสิทธิบัตร 37 รายการ เราได้รับการรับรองตามมาตรฐาน UL, CSA, IEEE, DEKRA, CNAS และ CE ตั้งแต่ปี 2023 เป็นต้นมา ไรอัน อิเล็กทริก ดำเนินงานในฐานะพันธมิตรร่วมทุนอย่างเป็นทางการของอีตัน ซึ่งความร่วมมือนี้ทำให้มาตรฐานเอกสารสำหรับรายงานการทดสอบทุกฉบับที่เราออกมีความเข้มงวดยิ่งขึ้น ค่าอิมพีแดนซ์ที่ระบุบนป้ายชื่อของเราเป็นค่าที่วัดจริง และมีบันทึกย้อนกลับได้ ซึ่งเป็นเพียงค่าเดียวที่เหมาะสมสำหรับใช้ในการศึกษาการประสานงาน

 

ส่งแผนผังวงจรเดี่ยว (One-Line Diagram) ให้เราทราบก่อนสั่งซื้อ

ส่งแผนผังวงจรแบบเส้นเดียว ค่าแรงดันของหม้อแปลง ค่าแรงดันของอุปกรณ์สวิตช์เกียร์ด้านรอง และโปรไฟล์โหลดมาให้เรา ทีมวิศวกรของเราจะวิเคราะห์และแจ้งช่วงค่าอิมพีแดนซ์ของหม้อแปลงที่สามารถตอบสนองข้อกำหนดทั้งด้านกระแสลัดวงจรและค่าการตกของแรงดันพร้อมกันได้ และในกรณีที่มีแผนเชื่อมต่อหม้อแปลงแบบขนาน จะระบุช่วงค่าอิมพีแดนซ์ที่ตรงกันสำหรับทั้งสองหน่วย เพื่อให้หม้อแปลงทั้งคู่แบ่งโหลดอย่างสมดุลตั้งแต่วันแรกของการใช้งาน การกำหนดค่าอิมพีแดนซ์ไว้ล่วงหน้าในเอกสารไม่มีค่าใช้จ่ายใดๆ แต่การปรับแก้หลังการติดตั้งจริงจะทำให้เกิดการหยุดจ่ายไฟ

 

เกี่ยวกับผู้เขียน: บทความนี้เขียนโดยทีมวิศวกรของ Ryan Electric (Jiangsu Ryan Transformers) ผู้ผลิตหม้อแปลงแบบ cast resin, oil-immersed และ pad-mounted ซึ่งให้บริการลูกค้าในกลุ่มสาธารณูปโภค ศูนย์ข้อมูล การผลิตพลังงานหมุนเวียน และอุตสาหกรรมมาตั้งแต่ปี ค.ศ. 2007 ทีมงานทำงานร่วมกับข้อกำหนด IEEE C57 และ IEC 60076 เป็นประจำทุกวัน และสนับสนุนผู้พัฒนาและผู้รับเหมา EPC ตลอดกระบวนการกำหนดข้อกำหนด การทดสอบที่โรงงาน และการเดินเครื่องจริงที่ไซต์งาน