การอธิบายการต่อพื้นจุดกลางของหม้อแปลง: เปรียบเทียบการต่อพื้นแบบแข็ง แบบใช้ความต้านทาน และแบบซิกแซก

ตารางกำหนดงานของอุปกรณ์ควบคุมแรงดันไฟฟ้าระบุให้ใช้ระบบต่อพื้นแบบความต้านทานสูงที่ 5 แอมแปร์ พร้อมตัวต้านทานที่ทนต่อกระแสได้เป็นเวลา 10 วินาที ผู้รับเหมาติดตั้งตามข้อกำหนดนี้อย่างเคร่งครัด แต่ไม่มีผู้ใดวัดค่ากระแสชาร์จของระบบ ซึ่งในกรณีนี้ สำหรับสายเคเบิลแรงดัน 5 กิโลโวลต์แบบมีฉนวนหุ้ม พร้อมอุปกรณ์ป้องกันแรงดันกระชากและตัวกรองขาเข้าของอินเวอร์เตอร์ในโรงงานแห่งนี้ ค่ากระแสชาร์จนั้นมีค่าโดยประมาณ 6.8 แอมแปร์ เมื่อเกิดเหตุขัดข้องระหว่างเฟสกับพื้นครั้งแรก ตัวต้านทานจึงต้องรับกระแสความจุทั้งหมด ในขณะที่รีเลย์ตรวจจับไม่สามารถตรวจพบการเพิ่มขึ้นของกระแสได้ ส่งผลให้โรงงานยังคงดำเนินการต่อไปเป็นเวลาสองวัน ทั้งที่มีหนึ่งในเฟสเชื่อมต่อกับพื้นแล้ว ต่อมาเมื่อเกิดเหตุขัดข้องครั้งที่สองบนเฟสอื่น จึงทำให้เกิดปรากฏการณ์อาร์กแฟลชระหว่างเฟสแทนที่จะเป็นเพียงเหตุขัดข้องที่ไม่รุนแรง แม้ว่าทุกส่วนจะถูกสร้างขึ้นตามแบบแปลนอย่างครบถ้วน แต่ระบบการต่อพื้นกลับผิดพลาด

การต่อพื้นจุดกลางของหม้อแปลง คือ การตัดสินใจด้านการออกแบบที่กำหนดปริมาณกระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านเมื่อฉนวนล้มเหลว ไม่ว่าระบบป้องกันจะทำงานตัดวงจรหรือเพียงแจ้งเตือนเท่านั้น และยังกำหนดด้วยว่าอุปกรณ์ต่าง ๆ เช่น หม้อแปลงไฟฟ้า สายเคเบิล และอุปกรณ์ควบคุม-ตัดต่อ จะต้องสามารถทนต่อกระแสไฟฟ้านั้นได้มากน้อยเพียงใด ซึ่งการตัดสินใจนี้ทำเพียงครั้งเดียวในขั้นตอนการออกแบบ และมักปรากฏอยู่เพียงบรรทัดเดียวในเอกสารข้อกำหนด

มีวิธีการสี่แบบที่ครอบคลุมระบบเกือบทุกประเภทในภาคอุตสาหกรรม ระบบสาธารณูปโภค และศูนย์ข้อมูล ได้แก่ การต่อพื้นแบบแข็ง การต่อพื้นด้วยความต้านทานต่ำ การต่อพื้นด้วยความต้านทานสูง และการต่อพื้นผ่านหม้อแปลงไฟฟ้าสำหรับต่อพื้นแบบซิกแซก หรือแบบไว-เดลต้า แต่ละวิธีตอบคำถามคนละข้อ และคำตอบที่เหมาะสมขึ้นอยู่กับวัตถุประสงค์ของคุณเมื่อเกิดข้อบกพร่องการต่อพื้นครั้งแรก

 

สิ่งที่การต่อพื้นจุดกลางของหม้อแปลงไฟฟ้ากำหนด

ข้อบกพร่องที่เกิดจากการต่อพื้น (ground fault) จะทำให้เกิดวงจรปิดระหว่างตัวนำเฟสกับพื้นดิน กระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านจะถูกกำหนดโดยอิมพีแดนซ์ของเส้นทางกลับ ซึ่งเส้นทางกลับนี้เกิดจากการเชื่อมต่อระหว่างจุดกลางของระบบ (system neutral) กับระบบขั้วต่อพื้นดิน (grounding electrode system) หากเปลี่ยนการเชื่อมต่อนี้ ก็จะส่งผลให้ค่ากระแสข้อบกพร่อง ความเร็วในการตรวจจับ และระดับความเสียหายที่เกิดขึ้นระหว่างการตัดข้อบกพร่องเปลี่ยนแปลงไป

มีสองเอกสารอ้างอิงที่ควรระบุไว้ในข้อกำหนด IEEE Std 3003.1-2019 ครอบคลุมการต่อพื้นระบบสำหรับระบบไฟฟ้าอุตสาหกรรมและพาณิชย์ และเป็นมาตรฐานรุ่นทันสมัยที่แทนที่ชุดมาตรฐาน Green Book IEEE Std C62.92.1-2016 ครอบคลุมการต่อพื้นจุดกลางสำหรับระบบสาธารณูปโภคที่มีแรงดันสูงกว่า 1,000 โวลต์ ทั้งสองมาตรฐานนี้ต่างก็อิงอยู่บนหลักการแลกเปลี่ยนเดียวกัน นั่นคือ กระแสข้อบกพร่องที่เกิดจากการต่อพื้นต้องมีค่าสูงพอที่จะตรวจจับได้อย่างเชื่อถือได้ แต่ก็ต้องต่ำพอที่จะไม่ทำลายอุปกรณ์

ตารางด้านล่างสรุปวิธีการทั้งสี่แบบ

วิธี	กระแสข้อบกพร่องโดยทั่วไป	ปรัชญาการตรวจจับ	ตำแหน่งการติดตั้ง
การต่อสายดินแบบมั่นคง	สูงสุดเท่ากับค่ากระแสสามเฟสแบบลัดวงจร (bolted three-phase value)	กระแสเกินชั่วขณะ ทำให้ตัดวงจร	แรงดัน 480 โวลต์และต่ำกว่า สำหรับระบบจ่ายไฟแรงต่ำ
การต่อพื้นแบบความต้านทานต่ำ (LRG)	กระแส 100–1,000 แอมแปร์ โดยทั่วไปอยู่ที่ 200–400 แอมแปร์	รีเลย์ป้องกันกระแสเกิน การประสานงานแบบเลือกสรร	ระบบจ่ายไฟแรงกลางในอุตสาหกรรมที่ต้องการการตัดวงจรแบบเลือกสรร
การต่อพื้นแบบความต้านทานสูง (HRG)	กระแส 5–25 แอมแปร์	รีเลย์ไวต่อการเปลี่ยนแปลง แจ้งเตือนก่อนตัดวงจร	โรงงานที่ใช้มอเตอร์ขับเคลื่อนหนัก กระบวนการผลิตแบบต่อเนื่อง และศูนย์ข้อมูล
หม้อแปลงไฟฟ้าแบบกราวด์แบบซิกแซก	ตั้งค่าโดยการออกแบบของตัวต้านทานหรือหม้อแปลงไฟฟ้า	รีเลย์ที่ไวต่อการเปลี่ยนแปลง	ระบบเดลตา ไม่มีจุดกลางที่สามารถเข้าถึงได้

 

การกราวด์แบบแข็ง: ต้นทุนต่ำสุด และกระแสลัดวงจรสูงสุด

ในระบบกราวด์แบบแข็ง จุดกลางจะเชื่อมต่อโดยตรงกับระบบขั้วกราวด์ ไม่มีสิ่งใดจำกัดกระแส ดังนั้นกระแสลัดวงจรระหว่างเฟสกับพื้นดินอาจใกล้เคียงกับค่ากระแสลัดวงจรสามเฟสแบบไม่มีความต้านทานที่จุดนั้น — อาจสูงถึงหลายหมื่นแอมแปร์ในหม้อแปลงขนาด 2,000 กิโลโวลต์-แอมแปร์ ที่แรงดัน 480 โวลต์ ซึ่งไม่ใช่ข้อบกพร่องในการออกแบบ แต่เป็นจุดประสงค์หลักของการออกแบบนี้ กล่าวคือ กระแสลัดวงจรจะมีค่าสูงมาก ทำให้อุปกรณ์ป้องกันทุกตัวตรวจจับเหตุการณ์ได้ และสามารถตัดวงจรออกได้ภายในไม่กี่ไซเคิล

ใบแจ้งหนี้ถูกส่งไปยังสถานที่อื่น ความแข็งแรงของรถบัส การจัดอันดับความสามารถในการตัดวงจรของเบรกเกอร์ และการคำนวณพลังงานเหตุการณ์ในงานศึกษาเรื่องอาร์กฟลาช ล้วนแปรผันตามกระแสไฟฟ้านั้น การต่อสายดินแบบแข็งยังคงเป็นทางเลือกที่เหมาะสมสำหรับระบบแรงดัน 480 โวลต์ส่วนใหญ่ เนื่องจากแรงดันระหว่างเฟสกับพื้นยังคงอยู่ที่ 277 โวลต์ และภาระที่ตกกับฉนวนและเครื่องป้องกันแรงดันกระชากยังคงอยู่ในระดับที่พอเหมาะ จุดที่วิธีนี้เริ่มไม่เหมาะสมคือในระบบแรงดันกลาง ซึ่งตรรกะเดียวกันนี้กลับก่อให้เกิดกระแสลัดวงจรที่หม้อแปลง สายเคเบิล และอุปกรณ์สวิตช์เกียร์ไม่ต้องการให้เกิดขึ้น

ผลลัพธ์อย่างหนึ่งที่ทำให้ผู้คนรู้สึกประหลาดใจคือ ในระบบที่ต่อสายดินแบบแข็ง ส่วนใหญ่เหตุขัดข้องจะเริ่มต้นจากการลัดวงจรระหว่างเฟสกับพื้นเพียงเฟสเดียว และจะถูกตัดออกก่อนที่จะลุกลาม ในขณะที่ในระบบที่ไม่มีการต่อสายดิน หรือระบบที่ต่อสายดินผ่านความต้านทานสูง เหตุขัดข้องครั้งแรกมักไม่ถูกตัดออกเลย

 

การต่อสายดินแบบใช้ความต้านทาน: ความต้านทานต่ำเทียบกับความต้านทานสูง

การต่อต้านแบบมีค่าความต้านทานระหว่างสายกลางกับสายดินจะเปลี่ยนแนวคิดเชิงการออกแบบให้กลายเป็นตัวเลขหนึ่งค่า ระบบการต่อลงดินแบบความต้านทานต่ำ (LRG) มักจำกัดกระแสไฟฟ้าไว้ที่ไม่กี่ร้อยแอมแปร์ — โดยทั่วไปอยู่ระหว่าง 200 ถึง 400 แอมแปร์ในระดับแรงดันปานกลาง — ซึ่งยังสูงพอที่รีเลย์ตรวจจับกระแสเกินมาตรฐานจะสามารถตรวจจับและประสานงานการตัดวงจรได้ นี่คือเหตุผลที่ LRG ถูกใช้งานในสถานที่ที่ต้องการให้วงจรย่อยที่เกิดข้อผิดพลาดตัดออกอย่างเลือกสรร แทนที่จะให้แผงหลักตัดออกทั้งหมด

ระบบการต่อลงดินแบบความต้านทานสูง (HRG) ทำหน้าที่ลึกกว่านั้นอีกมาก โดยจำกัดกระแสไฟฟ้าจากข้อผิดพลาดต่อพื้นดินไว้ที่ 5, 10 หรือ 25 แอมแปร์ เมื่อกระแสอยู่ในระดับเหล่านี้ ข้อผิดพลาดมักจะกระตุ้นสัญญาณเตือนมากกว่าการตัดวงจร และโรงงานยังคงดำเนินการต่อไปได้ในขณะที่ทีมบำรุงรักษาค้นหาตำแหน่งข้อผิดพลาด ระบบที่ใช้มอเตอร์ขับเคลื่อนจำนวนมาก โรงงานที่ทำงานแบบต่อเนื่องซึ่งไม่สามารถยอมรับการหยุดชะงักจากการตัดวงจรได้ และระบบจ่ายไฟแรงดันปานกลางในศูนย์ข้อมูล ล้วนอาศัยแนวทางนี้ HRG ช่วยลดภาระที่หม้อแปลงและสายเคเบิลต้องรับไหวเมื่อเกิดเหตุการณ์กระแสลัดวงจรขนาดหลายกิโลแอมแปร์ และยังลดความเสี่ยงจากอันตรายจากอาร์กแฟลชที่เกิดจากข้อผิดพลาดต่อพื้นดินลงตามค่ากระแสที่ลดลง

นี่คือส่วนที่ผู้ซื้อส่วนใหญ่มักมองข้าม ระบบกราวด์แบบความต้านทานสูงจะทำงานได้ผลก็ต่อเมื่อกระแสที่ไหลผ่านตัวต้านทานมีค่าสูงกว่ากระแสการชาร์จของระบบเท่านั้น กระแสการชาร์จจากสายเคเบิลแบบมีฉนวนหุ้ม อุปกรณ์ป้องกันฟ้าผ่า และตัวกรองขาเข้าของไดรฟ์เป็นกระแสจริง ซึ่งในกรณีเกิดข้อบกพร่องที่กราวด์ กระแสเหล่านี้จะไหลผ่านทั้งตัวต้านทานและจุดข้อบกพร่องพร้อมกัน หากกระแสผ่านตัวต้านทานมีค่าน้อยกว่านั้น เครื่องตรวจจับข้อบกพร่องจะไม่สามารถแยกแยะระหว่างข้อบกพร่องกับกระแสจุนที่เกิดขึ้นตามปกติได้ — ซึ่งก็คือสิ่งที่เกิดขึ้นจริงในตัวอย่างที่กล่าวถึงตอนต้นของบทความนี้ ลำดับที่ถูกต้องคือ วัดกระแสจุนของระบบติดตั้งจริงก่อน จากนั้นเลือกค่ากระแสผ่านตัวต้านทานให้สูงกว่าค่านั้นโดยมีระยะเผื่อไว้ และจึงกำหนดค่าเวลาในการตอบสนองหลังจากนั้น

 

 

หม้อแปลงกราวด์แบบซิกแซก: การสร้างจุดกลางเมื่อไม่มีจุดกลาง

ทั้งหมดข้างต้นนี้สมมุติว่ามีจุดกลาง (neutral) ที่คุณสามารถต่อตัวต้านทานเข้าไปได้ แหล่งจ่ายไฟแบบเดลตา หรือหม้อแปลงไฟฟ้าที่ไม่ได้นำจุดกลางของขดลวดรองออกมานอกตัวเครื่อง จะไม่มีจุดดังกล่าวให้ใช้งาน หน่วยแบบซิกแซก (zig-zag) จึงเป็นทางแก้ปัญหานี้ ขดลวดของหน่วยชนิดนี้มีอิมพีแดนซ์ต่ำต่อกระแสลำดับศูนย์ (zero-sequence current) จึงสร้างเส้นทางคืนสู่พื้นดินสำหรับกระแสลัดวงจรลงพื้นดินอย่างตั้งใจ ในขณะที่มีอิมพีแดนซ์สูงต่อกระแสลำดับบวกและลำดับลบ (positive- and negative-sequence current) ทำให้หน่วยดังกล่าวจึงเกือบไม่รับกระแสโหลดในภาวะการใช้งานปกติ หน่วยแบบวาย-เดลตา (wye-delta) ก็ทำหน้าที่เช่นเดียวกัน แต่ใช้การจัดเรียงขดลวดที่ต่างออกไป

พฤติกรรมดังกล่าวคือเหตุผลที่ ตัวแปลงไฟแบบต่อพื้น ถูกระบุจากแผ่นข้อมูลที่ต่างกันโดยสิ้นเชิงเมื่อเทียบกับหม้อแปลงไฟฟ้าสำหรับโหลด ตัวเลขที่ต้องสอดคล้องกันคือกระแสไหลผ่านจุดกลางในช่วงเวลาสั้นๆ และระยะเวลาที่สามารถรองรับได้ — โดยค่าทั่วไปคือ 10 วินาที และ 1 นาที — รวมทั้งความสามารถในการรับกระแสจุดกลางอย่างต่อเนื่องสำหรับภาวะไม่สมดุลที่เกิดขึ้นตามปกติในการใช้งาน ซึ่งในหน่วยแบบซิกแซกมักจะอยู่ที่เพียงไม่กี่เปอร์เซ็นต์ของค่ากระแสในช่วงเวลาสั้นๆ ดังกล่าว หากระบุเฉพาะค่ากระแสในช่วงเวลาสั้นๆ เท่านั้น ภาวะไม่สมดุลที่คงอยู่จะทำให้อุปกรณ์ร้อนจัดเกินไป แต่หากระบุตามแบบหม้อแปลงไฟฟ้าสำหรับโหลด ก็จะต้องซื้อทองแดงที่คุณจะไม่ได้ใช้งานเลย

ในระบบที่มีอุปกรณ์ขับเคลื่อน (drive) จำนวนมาก หน่วยแบบซิกแซกมักใช้งานร่วมกับตัวต้านทาน ตัวต้านทานกำหนดค่ากระแสที่ผ่านได้ ในขณะที่หม้อแปลงจัดหาจุดกลางที่ตัวต้านทานต้องการ

 

การเลือกขนาดของตัวต้านทาน: สี่ตัวเลขที่ตัดสินว่าระบบจะทำงานได้จริงหรือไม่

ตัวต้านทานต่อพื้นจุดกลางเป็นอุปกรณ์สำหรับใช้งานระยะสั้น ซึ่งมีค่าที่สำคัญเพียงไม่กี่ค่า ตัวเลขทั้งสี่นี้คือสิ่งที่ตัดสินว่าระบบดังกล่าวจะสามารถใช้งานได้จริงในสถานการณ์จริงหรือไม่

• กระแสความจุที่วัดได้ วัดค่าที่การติดตั้งจริง ภายใต้แรงดันไฟฟ้าจริง ค่าในตารางเป็นเพียงจุดเริ่มต้น ไม่ใช่คำตอบสุดท้าย
• กระแสที่ผ่านได้ 5 แอมแปร์ 10 แอมแปร์ หรือ 25 แอมแปร์ สำหรับระบบกราวน์แบบความต้านทานสูง; 200 ถึง 400 แอมแปร์ สำหรับระบบกราวน์แบบความต้านทานต่ำ ในทั้งสองกรณี ค่าที่เลือกต้องสูงกว่ากระแสความจุที่วัดได้จริง โดยมีค่าเผื่อไว้ด้วย
• ค่าความทนทานต่อเวลา โดยทั่วไปใช้เวลาสิบวินาทีและหนึ่งนาที ตัวต้านทานขนาด 400 แอมแปร์ ทนได้ 10 วินาที บนระบบแรงดัน 13.8 กิโลโวลต์ จะสลายพลังงานประมาณ 3.2 เมกะวัตต์ ขณะรับกระแสขัดข้อง — หรือประมาณ 32 เมกะจูลภายใน 10 วินาที การปล่อยให้ข้อบกพร่องยังคงอยู่ในระบบจะทำให้ระบบเสียหายอย่างรุนแรง
• แรงดันไฟฟ้าและระดับฉนวน ระหว่างเกิดข้อบกพร่องที่กราวน์ ตัวต้านทานจะรับแรงดันไฟฟ้าจากสายเฟสถึงกลาง (line-to-neutral) ของระบบทั้งหมดอย่างต่อเนื่อง ตลอดช่วงเวลาที่เกิดเหตุ

มีอีกสองหัวข้อที่ควรพิจารณาควบคู่กันไป แต่ไม่ปรากฏอยู่ในแผ่นข้อมูลของตัวต้านทาน: วิธีการตรวจจับ — คือ การทำงานของรีเลย์ต่อกระแสที่ตรวจวัดได้ ว่าจะส่งสัญญาณเตือนหรือตัดวงจร และสำหรับระบบกราวน์แบบความต้านทานต่ำ จำเป็นต้องตรวจสอบใหม่ว่าผลการศึกษาการประสานงาน (coordination study) ยังคงใช้ได้หรือไม่ หลังจากที่กระแสถูกจำกัดแล้ว

 

ไรอัน อิเล็กทริก สนับสนุนการออกแบบระบบกราวด์สำหรับคำสั่งซื้อแบบเฉพาะอย่างไร

การออกแบบระบบกราวด์เริ่มต้นที่หม้อแปลง เนื่องจากการจัดเรียงขดลวดกำหนดว่าจะมีสายกลาง (neutral) หรือไม่ สำหรับ หม้อแปลงสามเฟสแบบปรับแต่ง หม้อแปลงที่มีขดลวดรองแบบไว (wye) เราจะนำสายกลางออกผ่านบุชชิงที่หุ้มฉนวน ซึ่งมีค่าแรงดันทนต่อกระแสลัดวงจรกับพื้นดินตามที่การศึกษาได้ระบุไว้ และเราจัดเตรียมข้อมูลเกี่ยวกับการจัดเรียงขดลวดและกลุ่มเวกเตอร์ (vector group) ที่จำเป็นสำหรับการศึกษาระบบกราวด์และการประสานงาน (coordination studies) กรณีที่ลูกค้าใช้ระบบกราวด์แบบความต้านทาน (resistance grounding) หรือแบบซิกแซก (zig-zag grounding) เราจะยืนยันการจัดวางสายกลางในขั้นตอนการเสนอราคา แทนที่จะรอจนถึงขั้นตอนการทดสอบรับมอบที่โรงงาน (factory acceptance test) ซึ่งการพูดคุยเพียงสิบห้านาทีในช่วงต้นจะช่วยหลีกเลี่ยงคำสั่งแก้ไขงานภายหลัง

เราผลิตในโรงงานขนาด 120,000 ตารางเมตร ที่มีอุปกรณ์การผลิตและทดสอบมากกว่า 180 ชุด และมีสิทธิบัตร 37 ฉบับ นอกจากนี้ เรายังได้รับการรับรองตามมาตรฐาน UL, CSA, IEEE, DEKRA, CNAS และ CE ตั้งแต่ปี ค.ศ. 2023 ไรอัน อิเล็กทริก ดำเนินงานในฐานะพันธมิตรร่วมทุนอย่างเป็นทางการของอีตัน รายงานการทดสอบก่อนส่งมอบที่แนบมากับแต่ละหน่วยจะระบุค่าความต้านทานของขดลวดและอัตราส่วน ซึ่งทีมงานติดตั้งจำเป็นต้องใช้เพื่อยืนยันการต่อสายกลางและการต่อลงดิน ณ สถานที่ติดตั้ง

 

ส่งแผนการต่อลงดินพร้อมใบเสนอราคาหม้อแปลง

โปรดส่งผังวงจรแบบเส้นเดียว (one-line diagram) วิธีการต่อลงดิน กระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านจุดกลางและระยะเวลาที่ออกแบบไว้ รวมถึงกำลังของหม้อแปลงมาให้เรา ทีมวิศวกรของเราจะจัดทำข้อเสนอเกี่ยวกับระบบการต่อจุดกลางของหม้อแปลงให้สอดคล้องกับผลการศึกษา โดยรวมถึงปลอกจุดกลาง (neutral bushing) ด้วย เพื่อให้วิศวกรผู้ติดตั้งสามารถยืนยันการออกแบบที่มีอยู่แล้ว แทนที่จะต้องค้นหาหรือปรับแก้ภายหลัง การวางรากฐานให้ถูกต้องตั้งแต่ขั้นตอนการเสนอราคาไม่มีค่าใช้จ่ายใดๆ แต่หากพบข้อผิดพลาดหลังจากเกิดเหตุการณ์ลัดวงจรลงดินครั้งแรก จะส่งผลให้เกิดการหยุดจ่ายไฟ

 

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