เหตุใดค่าอันดับกระแสลัดวงจรจึงมีความสำคัญต่อระบบสวิตช์เกียร์แรงดันสูงและแรงดันต่ำ

การประเมินค่าความต้านทานการลัดวงจรเป็นพื้นฐานสำคัญต่อการดำเนินงานของอุปกรณ์สวิตช์เกียร์แรงดันสูงและแรงดันต่ำอย่างปลอดภัยและเชื่อถือได้ การเข้าใจความสำคัญของค่าเหล่านี้จะช่วยให้มั่นใจได้ว่าระบบไฟฟ้าสามารถทนต่อสภาวะขัดข้องได้โดยไม่เกิดความล้มเหลวอย่างรุนแรง เมื่อเกิดข้อบกพร่อง กระแสลัดวงจรขนาดใหญ่มากอาจไหลผ่านอุปกรณ์ไฟฟ้า และหากอุปกรณ์สวิตช์เกียร์ไม่มีค่าความต้านทานการลัดวงจรที่เหมาะสม ก็อาจได้รับความเสียหาย ส่งผลให้เกิดอันตรายต่อความปลอดภัยและทำให้ระบบหยุดทำงาน

อุปกรณ์สวิตช์เกียร์แรงดันสูงและแรงดันต่ำต้องมีการระบุค่าความสามารถในการทนกระแสลัดวงจรเฉพาะที่ระบบจ่ายไฟฟ้ากำหนด แต่ละสถานที่ติดตั้งมีลักษณะของกระแสขัดข้องที่ไม่เหมือนกัน ซึ่งขึ้นอยู่กับขนาดหม้อแปลง ความต้านทานของระบบ และอุปกรณ์ที่เชื่อมต่ออยู่ด้านต้นทาง การเลือกอุปกรณ์สวิตช์เกียร์ที่มีค่าความสามารถในการทนกระแสลัดวงจรต่ำเกินไปจะก่อให้เกิดความเสี่ยง ขณะที่การเลือกที่มีค่าสูงเกินความจำเป็นจะทำให้เกิดค่าใช้จ่ายที่ไม่จำเป็น บทความนี้จะอธิบายเหตุผลที่ค่าความสามารถในการทนกระแสลัดวงจรนั้นมีความสำคัญอย่างยิ่ง และวิธีที่ค่าเหล่านี้ช่วยปกป้องโครงสร้างพื้นฐานด้านไฟฟ้า

การเข้าใจปรากฏการณ์กระแสลัดวงจรและพฤติกรรมของกระแสขัดข้อง

กลไกการเกิดกระแสขัดข้องในระบบไฟฟ้า

การลัดวงจรเกิดขึ้นเมื่อกระแสไฟฟ้าไหลผ่านเส้นทางที่ไม่ได้ตั้งใจ ซึ่งหลีกเลี่ยงความต้านทานของโหลดตามปกติ เมื่อฉนวนชำรุดหรือตัวนำสัมผัสกันอย่างไม่เหมาะสม กระแสขัดข้องอาจเพิ่มสูงขึ้นหลายเท่าเมื่อเทียบกับกระแสในการทำงานปกติ กระแสขัดข้องถูกจำกัดเป็นหลักโดยอิมพีแดนซ์ของระบบและความสามารถของแหล่งจ่าย ซึ่งมักวัดเป็นกิโลแอมแปร์ อุปกรณ์สวิตช์เกียร์แรงดันสูงและแรงดันต่ำต้องตัดกระแสขัดข้องนี้ออกอย่างปลอดภัย ก่อนที่อุปกรณ์จะเสียหายหรือเกิดความเสี่ยงจากเพลิงไหม้

ขนาดของกระแสขัดข้องขึ้นอยู่กับความสามารถของหม้อแปลง ลักษณะของการจ่ายไฟจากสาธารณูปโภค และโครงสร้างเครือข่าย หม้อแปลงขนาด 10 MVA ที่จ่ายไฟไปยังแผงกระจายไฟจะให้ระดับกระแสขัดข้องที่ต่างออกไปเมื่อเทียบกับหม้อแปลงขนาด 1 MVA การคำนวณกระแสลัดวงจรจะระบุค่ากระแสสูงสุดที่เบรกเกอร์ของอุปกรณ์สวิตช์เกียร์ต้องสามารถตัดได้ หากอุปกรณ์สวิตช์เกียร์ไม่มีค่าการรับกระแสขัดข้องที่สอดคล้องกับผลการคำนวณอย่างเหมาะสม อุปกรณ์จะไม่สามารถตัดกระแสขัดข้องได้อย่างเชื่อถือได้ ส่งผลให้ระบบเสี่ยงต่อการเกิดอาร์กที่ยืดเยื้อและทำให้อุปกรณ์เสียหายอย่างรุนแรง

บทบาทของอิมพีแดนซ์ในการกำหนดระดับกระแสลัดวงจร

อิมพีแดนซ์ของระบบทำหน้าที่เป็นตัวจำกัดขนาดกระแสลัดวงจรโดยธรรมชาติ หม้อแปลงไฟฟ้ามีอิมพีแดนซ์ในตัวเอง โดยทั่วไปอยู่ที่ร้อยละ 4 ถึงร้อยละ 10 สำหรับหน่วยจ่ายไฟฟ้าแบบกระจาย ความต้านทานของสายเคเบิลและระยะทางของสายจ่ายยังส่งผลเพิ่มความต้านทานในเส้นทางกระแสลัดวงจรด้วย ขณะออกแบบและเลือกอุปกรณ์ตัด-ต่อไฟฟ้าแรงสูงและแรงต่ำ วิศวกรจะคำนวณค่ากระแสลัดวงจรที่อาจเกิดขึ้นได้ ณ จุดต่าง ๆ โดยใช้ค่ากระแสลัดวงจรจากบริษัทผู้ให้บริการไฟฟ้าและอิมพีแดนซ์สะสมทั้งหมด ค่าที่คำนวณได้นี้จะกำหนดค่าต่ำสุดของอุปกรณ์ตัด-ต่อไฟฟ้าที่จำเป็นต้องใช้ เพื่อให้การดำเนินงานปลอดภัย

เหตุใดค่ากระแสลัดวงจรจึงสำคัญยิ่งต่อการปกป้องอุปกรณ์

การป้องกันความเสียหายจากความร้อนและสนามแม่เหล็ก

อุปกรณ์สวิตช์เกียร์แรงดันสูงและแรงดันต่ำจะประสบกับความเครียดจากความร้อนขณะที่มีกระแสลัดวงจรไหลผ่าน ผลของการให้ความร้อนแบบ I²R ในตัวนำและจุดสัมผัสระหว่างเกิดลัดวงจรอาจทำให้อุณหภูมิสูงสุดในไม่กี่มิลลิวินาที หากค่าการระบุของอุปกรณ์สวิตช์เกียร์ต่ำกว่าค่ากระแสลัดวงจรที่เกิดขึ้นจริง วัสดุที่ใช้ทำจุดสัมผัสอาจนิ่มตัวหรือหลอมติดกัน ส่งผลให้ไม่สามารถตัดกระแสได้อย่างเชื่อถือได้ แรงแม่เหล็กยังมีผลกระทำต่อตัวนำที่มีกระแสไหลผ่านในช่วงเกิดเหตุลัดวงจร ซึ่งก่อให้เกิดความเครียดเชิงกลที่อาจทำให้จุดสัมผัสบิดเบี้ยวหรือแยกออกจากกันได้ การเลือกอุปกรณ์สวิตช์เกียร์ที่มีค่าการระบุเหมาะสมจึงมั่นใจได้ว่าเบรกเกอร์จะทำงานและตัดกระแสลัดวงจรได้ก่อนที่ความเสียหายจากความร้อนหรือความเครียดเชิงกลจะเกิดขึ้น

อุปกรณ์ตัดวงจรที่มีขนาดเล็กเกินไปอาจดูเหมือนทำงานได้ตามปกติในสภาวะทั่วไป แต่จะล้มเหลวอย่างรุนแรงเมื่อเกิดเหตุขัดข้อง ขั้วต่อของเบรกเกอร์ที่ไม่สามารถตัดกระแสลัดวงจรที่ระบุไว้ได้ จะก่อให้เกิดอาร์คที่คงอยู่ต่อเนื่อง ส่งผลให้เกิดเพลิงไหม้ภายในตู้ควบคุมและอาจก่อให้เกิดอันตรายต่อบุคคล อุปกรณ์ตัดวงจรระดับแรงดันสูงและแรงดันต่ำสมัยใหม่ผ่านการทดสอบความทนทานต่อกระแสลัดวงจรอย่างเข้มงวด เพื่อยืนยันความสามารถในการตัดกระแสที่ระดับที่ระบุไว้ การเลือกอุปกรณ์โดยอิงจากค่ากระแสขัดข้องที่คำนวณมาแล้ว จะช่วยให้มั่นใจได้ว่าอุปกรณ์ที่เลือกจะสามารถปฏิบัติงานได้อย่างปลอดภัยในยามที่จำเป็นมากที่สุด

การป้องกันอุปกรณ์ที่เชื่อมต่อและบุคลากร

เมื่ออุปกรณ์ตัดวงจรไม่สามารถตัดกระแสลัดวงจรได้ ความผิดปกติจะแพร่กระจายไปยังอุปกรณ์และตัวนำอื่นๆ ที่อยู่ด้านหลัง ทำให้มอเตอร์ หม้อแปลงไฟฟ้า ฉนวนของสายเคเบิล และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ไวต่อการเปลี่ยนแปลงซึ่งอยู่ด้านหลังได้รับความเสียหายอย่างรุนแรง บุคลากรที่ทำงานใกล้หรือควบคุมอุปกรณ์ที่มีข้อบกพร่องจะเผชิญความเสี่ยงจากอันตรายทางไฟฟ้าและอันตรายจากแสงแฟลชอาร์ก ระบบอุปกรณ์ตัดวงจรระดับแรงดันสูงและแรงดันต่ำที่มีค่าการจัดอันดับเหมาะสมจะทำหน้าที่เป็นแนวป้องกันแรก โดยตัดความผิดปกติออกอย่างรวดเร็ว ก่อนที่พลังงานสะสมจะเพิ่มขึ้นจนถึงระดับอันตราย พลังงานแสงแฟลชอาร์กมีความสัมพันธ์โดยตรงกับระยะเวลาที่เกิดความผิดปกติ ดังนั้น การตัดวงจรอย่างรวดเร็วด้วยอุปกรณ์ที่มีค่าการจัดอันดับถูกต้องจึงช่วยลดความเสี่ยงจากการไหม้ได้อย่างมาก

การเลือกค่าการจัดอันดับของอุปกรณ์ตัดวงจรให้สอดคล้องกับความต้องการของระบบ

การคำนวณกระแสลัดวงจรที่มีอยู่และการเติบโตในอนาคตของระบบ

การออกแบบระบบไฟฟ้าเริ่มต้นด้วยการคำนวณกระแสลัดวงจรที่สามารถใช้งานได้ที่จุดเข้าระบบหลักและที่แต่ละจุดกระจายพลังงาน วิศวกรจะขอข้อมูลส่วนร่วมของกระแสลัดวงจรจากผู้ให้บริการสาธารณูปโภค จากนั้นจึงรวมกระแสลัดวงจรจากแหล่งกำเนิดพลังงานภายในสถานที่หรือแหล่งจ่ายแบบขนาน ซอฟต์แวร์สำหรับคำนวณกระแสลัดวงจรจะใช้มาตรฐาน IEEE หรือ IEC เพื่อกำหนดค่ากระแสสูงสุดที่แต่ละตำแหน่ง อุปกรณ์ตัดวงจรแรงสูงและแรงต่ำต้องมีค่าอันดับไม่ต่ำกว่าค่าที่คำนวณได้ และต้องมีระยะปลอดภัยที่เหมาะสม การขยายระบบในอนาคต เช่น การเพิ่มหม้อแปลงไฟฟ้าหรือสายเชื่อมต่อ จะทำให้ระดับกระแสลัดวงจรเพิ่มขึ้น ดังนั้นการเลือกอุปกรณ์ที่มีค่าอันดับสูงกว่าความจำเป็นในปัจจุบันอย่างรอบคอบจึงช่วยรองรับการเติบโตที่คาดการณ์ไว้โดยไม่ต้องเปลี่ยนอุปกรณ์

สถานที่แห่งหนึ่งที่มีกระแสลัดวงจรปัจจุบันอยู่ที่ 22 kA อาจเลือกใช้เบรกเกอร์ที่มีค่าอันดับ 25 kA ซึ่งมีระยะปลอดภัย 13 เปอร์เซ็นต์เพื่อรองรับการเติบโตในอนาคต หากสถานที่เดียวกันวางแผนติดตั้งหม้อแปลงไฟฟ้าเพิ่มอีกหนึ่งตัวเพื่อเพิ่มความน่าเชื่อถือภายในห้าปี อุปกรณ์ตัดวงจรควรสามารถรองรับกระแสลัดวงจรที่เพิ่มขึ้นเป็น 35 kA ได้ในเวลานั้น การเลือก อุปกรณ์ควบคุมและป้องกันแรงดันสูงและแรงดันต่ำ ต้องวิเคราะห์ทั้งสถาปัตยกรรมระบบปัจจุบันและสถาปัตยกรรมระบบในอนาคต เพื่อหลีกเลี่ยงการอัปเกรดระบบระหว่างอายุการใช้งานซึ่งมีค่าใช้จ่ายสูง

ความสอดคล้องกันระหว่างอันดับของสวิตช์เกียร์กับความสามารถในการเลือกสรรของอุปกรณ์ป้องกัน

อันดับของสวิตช์เกียร์เป็นพื้นฐานสำคัญของการเลือกสรรอย่างมีประสิทธิภาพในระบบที่มีการป้องกันหลายระดับ ตัวตัดวงจรหลักที่เชื่อมต่อเข้ามาต้องมีอันดับกระแสลัดวงจรสูงกว่าตัวตัดวงจรย่อยที่อยู่ด้านล่าง เพื่อให้สามารถรับกระแสลัดวงจรที่มีอยู่ได้โดยไม่ตัดวงจรเอง หากเกิดกระแสลัดวงจรที่ตัวตัดวงจรย่อย ตัวตัดวงจรย่อยนั้นจะตัดกระแสลัดวงจรก่อนที่ตัวตัดวงจรหลักจะตรวจจับเหตุผิดปกตินั้น อย่างไรก็ตาม อุปกรณ์ทั้งหมดในวงจร รวมถึงตัวตัดวงจรหลัก ต้องมีอันดับกระแสลัดวงจรที่สอดคล้องกับค่ากระแสลัดวงจรที่มีอยู่ ณ ตำแหน่งนั้น หากอุปกรณ์ใดอันดับกระแสลัดวงจรไม่เพียงพอ จะทำให้การเลือกสรรแบบมีประสิทธิภาพเสียหาย ส่งผลให้เกิดความล้มเหลวที่คาดเดาไม่ได้ หรือการดับไฟแบบลูกโซ่ ทั้งสวิตช์เกียร์แรงสูงและแรงต่ำจึงต้องมีการกำหนดอันดับอย่างสอดคล้องกันทั่วทั้งสถาปัตยกรรมระบบ เพื่อรักษาความสามารถในการเลือกสรรของอุปกรณ์ป้องกัน

คำถามที่พบบ่อย

จะเกิดอะไรขึ้นหากสวิตช์เกียร์มีอันดับต่ำกว่าค่ากระแสลัดวงจรที่มีอยู่

หากค่าอันดับของอุปกรณ์ควบคุมและป้องกันต่ำกว่าค่ากระแสลัดวงจรที่มีอยู่ อุปกรณ์ตัดวงจรจะไม่สามารถตัดกระแสขัดข้องได้อย่างเชื่อถือได้ อาจเกิดการเชื่อมติดกันของขั้วสัมผัส การเกิดอาร์ก หรือการแยกตัวอย่างรุนแรง ส่งผลให้อุปกรณ์เสียหาย เกิดเพลิงไหม้ภายในตู้ควบคุม และทำให้บุคลากรได้รับบาดเจ็บ กระแสลัดวงจรยังอาจไหลผ่านไปยังอุปกรณ์และสายไฟฟ้าที่อยู่ด้านหลัง ทำให้เกิดความล้มเหลวแบบลูกโซ่ การใช้อุปกรณ์ควบคุมและป้องกันที่มีค่าอันดับต่ำกว่ามาตรฐานเป็นการฝ่าฝืนข้อกำหนดด้านไฟฟ้า และก่อให้เกิดความเสี่ยงร้ายแรงต่อความปลอดภัยและการดำเนินงาน

ควรคำนวณค่าอันดับกระแสลัดวงจรใหม่บ่อยแค่ไหน

ควรคำนวณค่าอันดับกระแสลัดวงจรใหม่เมื่อมีการเปลี่ยนแปลงสำคัญต่อระบบไฟฟ้า เช่น การติดตั้งหม้อแปลงเพิ่มเติม การเดินสายเชื่อมต่อกับแหล่งจ่ายไฟฟ้าภายนอก การติดตั้งเครื่องกำเนิดไฟฟ้าภายในสถานที่ หรือเมื่อค่ากระแสลัดวงจรจากแหล่งจ่ายไฟฟ้าภายนอกเปลี่ยนแปลง สถานประกอบการหลายแห่งเลือกคำนวณค่าดังกล่าวใหม่ทุกห้าถึงสิบปี ตามแผนบำรุงรักษาเชิงป้องกันและการวางแผนกำลังการผลิต การเปลี่ยนแปลงโหลดของสถานที่ การจัดวางระบบใหม่ หรือการปรับปรุงระบบจ่ายไฟฟ้าจากแหล่งจ่ายภายนอก จำเป็นต้องคำนวณค่าอันดับกระแสลัดวงจรใหม่ทันที เพื่อให้มั่นใจว่าอุปกรณ์ควบคุมและป้องกันที่มีอยู่ยังคงเหมาะสมและปลอดภัย

สามารถติดตั้งอุปกรณ์จำกัดกระแสไฟฟ้าแบบย้อนหลังลงในสวิตช์เกียร์ได้หรือไม่ เพื่อลดข้อกำหนดด้านกระแสลัดวงจร

รีแอคเตอร์หรือฟิวส์ที่มีคุณสมบัติจำกัดกระแสสามารถลดความเครียดจากกระแสลัดวงจรที่สวิตช์เกียร์ระดับต่ำกว่าต้องรับได้ในบางการใช้งาน อย่างไรก็ตาม สวิตช์เกียร์ที่เชื่อมต่อเข้ามาและเบรกเกอร์หลักยังคงต้องมีค่าจัดอันดับที่รองรับกระแสลัดวงจรสูงสุดที่แหล่งจ่ายไฟหรือแหล่งกำเนิดสามารถจ่ายได้ อุปกรณ์จำกัดกระแสจะลดกระแสขัดข้องได้เฉพาะบริเวณที่อยู่ต่ำกว่าจุดติดตั้งเท่านั้น ดังนั้นจึงทำหน้าที่เสริม แต่ไม่สามารถแทนการเลือกสวิตช์เกียร์ที่มีค่าจัดอันดับเหมาะสมในแต่ละระดับของระบบไฟฟ้าได้ โปรดปรึกษาวิศวกรไฟฟ้าเพื่อประเมินว่าโซลูชันการจำกัดกระแสสอดคล้องกับการออกแบบระบบหรือไม่ ก่อนพิจารณาใช้เป็นทางเลือกแทนการเลือกสวิตช์เกียร์ที่เหมาะสม