หม้อแปลงไฟฟ้ากำลัง (Power Transformer)

          หม้อแปลง (Power Transformer) เป็นอุปกรณ์ที่จำเป็นในสถานี และสำคัญในระบบไฟฟ้าเป็นอุปกรณ์ที่ใช้เปลี่ยนแรงดันให้สูงขึ้นเพื่อให้เหมาะสมกับระบบส่งกำลังไฟฟ้า เพื่อลดขนาดกระแสในสายลง ทำให้ใช้ขนาดสายตัวนำเล็กลง และเปลี่ยนแรงดันให้ต่ำลงเพื่อให้เหมาะสมกับระบบจำหน่าย และการใช้พลังงานไฟฟ้า หม้อแปลงไฟฟ้านับว่าเป็นอุปกรณ์ไฟฟ้าที่สำคัญที่สุดในบรรดาอุปกรณ์ไฟฟ้าทั้งหลาย การขัดข้องหรือการชำรุดเสียหายของหม้อแปลงไฟฟ้ามักมีผลกระทบต่อการใช้ไฟ หรือขบวนการผลิตในอุตสาหกรรมอย่างมาก

ภาพที่ 1.  Power Transformer

ภาพที่ 2. แสดงระบบไฟฟ้าที่ใช้หม้อแปลงเป็นอุปกรณ์เปลี่ยนแรงดัน

ดังนั้นหม้อแปลงไฟฟ้ากำลัง (Power Transformer) จะหมายถึงหม้อแปลงไฟฟ้าสามเฟสที่มีพิกัดกำลังไฟฟ้าและแรงดันไฟฟ้าสูง เช่น 50 MVA ,115/22 kV ที่ใช้ในสถานีไฟฟ้าของ กฟภ. เป็นต้น

ภาพที่ 3. หม้อแปลงไฟฟ้าแบบสองขดลวดแยกอิสระ

1. หลักการทำงานของหม้อแปลงกำลัง

                               หม้อแปลงไฟฟ้าตามอุดมคติ (Ideal Transformer) นั้นถือว่าการสร้างส้นแรงแม่เหล็กจะเป็นซายน์ตามรูปคลื่นของแรงดันไฟฟ้า ดังนั้นเส้นแรงแม่เหล็กที่ไหลในแกนเหล็กจะเป็นผลให้เกิดแรงดันไฟฟ้าเหนี่ยวนำ (induced emf.) เมื่อขดลวดชุดที่ 1 เป็นขดลวดที่ได้รับแรงดันไฟฟ้าที่ขั้วเพื่อทำการเหนี่ยวนำให้เกิดเส้นแรงแม่เหล็กหลักขึ้นในแกนเหล็ก จะเรียกขดลวดชุดที่ได้รับไฟจ่ายเข้าไปนี้ว่า ขดลวดชุดหลัก หรือ ขดลวดต้น (Primary Winding) ในขณะที่ขดลวดชุดที่ 2 เป็นขดลวดที่ได้รับผลของเส้นแรงแม่เหล็กนี้เหนี่ยวนำให้เกิดแรงดันไฟฟ้าเพื่อจ่ายไฟให้แก่โหลด เรียกขดลวดชุดจ่ายไฟออกนี้ว่า ขดลวดชุดรอง (Secondary  Winding)

ภาพที่ 4. หม้อแปลงไฟฟ้ากำลัง 3 เฟส

ในเรื่องของการส่งผ่านเปลี่ยนแปลงพลังงานของหม้อแปลงไฟฟ้านั้น ไม่สามารถที่จะหลีกเลี่ยงผลการสูญเสียกำลังไฟฟ้าเนื่องจากแกนเหล็ก (Core Losses) และการสูญเสียกำลังไฟฟ้าเนื่องจากลวดทองแดงตัวนำ (Copper Loss) ของขดลวด แต่ในหม้อแปลงไฟฟ้ากำลังที่นำมาใช้นั้น ค่ากำลังไฟฟ้าวัตต์สูญเสียเหล่านี้จะต้องมีค่าไม่เกินหนึ่งเปอร์เซ็นต์ของพิกัด โดยเฉพาะอย่างยิ่งหม้อแปลงที่มีพิกัดกำลังสูงๆ เพราะจะเป็นการสูญเสียทั้งในแง่ของพลังงานและเงิน ดังนั้นประสิทธิภาพโดยประมาณของหม้อแปลงไฟฟ้ากำลัง จะถือว่าประมาณใกล้เคียง หรือเท่ากับ 100%

2. ความสูญเสียในหม้อแปลงมี  2 ชนิด คือ

                      2.1 ความสูญเสียขณะไม่มีโหลด (No-load loss : P_O)

เกิดขึ้นขณะป้อนไฟ (Energize) เข้าขดลวดหม้อแปลงขดหนึ่ง และขดที่เหลือไม่ต่อ กับโหลดหรือ Open ไว้ กระแสที่ไหลในขดลวดขณะนั้นเรียกว่า No-Load Current รูปร่างของกระแสจะเพี้ยนรูปไม่เป็น Sinusoidal Wave เพราะประกอบด้วยกระแส Harmonic และ จะเพี้ยนรูปมากขึ้นในขณะที่แรงดันเพิ่มสูงขึ้น เป็นเพราะแกนเหล็ก (Steel Core) มีคุณลักษณะเป็น Non-Linear กระแส No-Load และ Loss มีความสัมพันธ์กับความหนาแน่นของเส้นแรงแม่เหล็ก (B), ความถี่ (f), ปริมาณเหล็ก / ชนิดของเหล็ก (grade) / ความหนาของเหล็กที่ใช้ทําแกน ตลอดจนการออกแบบและเทคนิคการประกอบแกนเหล็ก การวัด No-Load Loss ต้องคํานึงถึง เครื่องมือวัด เพราะ กระแสที่วัดมี Harmonic ผสมอยู่ และกระแสมี Power Factor ต่ำมาก

2.2  ความสูญเสียขณะมีโหลด (Load loss : P_K)

                                       ความสูญเสียนี้เกิดขึ้นในขณะที่หม้อแปลงจ่าย load จะมีความสูญเสียเกิดจาก

- จากความต้านทานของลวดตัวนํา I²R

- จาก Eddy Current Loss ในขดลวด

- จาก Stray Loss ใน ส่วนประกอบที่เป็นเหล็ก เช่น Tank, Core clamp

Load loss ที่เกิดขึ้นส่วนใหญ่คือ I²R และส่วนที่เหลือเป็น Loss ที่เกิดจาก Leakage Flux ขดลวด มีลักษณะที่เกิดจากการพันลวดตัวนําแต่ละรอบทับกันแน่น และแต่ละขดมีลักษณะเกี่ยวกันหรือสัมพันธ์กันด้วยเส้นแรงแม่เหล็ก (Magnetic coupling) ในขณะไม่มีโหลด (No-load) ส่วนใหญ่ของเส้นแรงแม่เหล็กจะไหลวนอยู่ในแกนเหล็ก เมื่อจ่ายโหลด จะเกิด Ampere-Turn ของขดลวดแต่ละชุด ทําให้เกิด Leakage Flux ไหลอยู่ในช่องว่างระหว่างขดลวด มีผลทําให้ฟลักซ์ทั้งหมดไม่ได้คล้องขดลวดทั้งหมดเท่ากัน Leakage Flux ที่เกิดขึ้นจะมีผลทําให้

- เกิดแรงระหว่างขดลวดที่มี Short Circuit ไหลผ่าน

- เกิด Eddy Current Loss ในลวดตัวนําของขดลวด

- เกิด Stray Loss ในส่วนที่เป็นเหล็ก

- ต้องใช้ Reactive Power และทําให้เกิด Reactive Voltage Drop

ภาพที่ 5. ความสูญเสียที่เกิดขึ้นในหม้อแปลง

3. ส่วนประกอบของหม้อแปลง

3.1 ถังหม้อแปลง (Transformer Tank)

                                             ถังหม้อแปลงเป็นประกอบที่ใช้บรรจุชุดขดลวด, แกนเหล็ก และฉนวนน้ำมัน ดังนั้นถังหม้อแปลงจำเป็นมากสำหรับหม้อแปลงที่ใช้ของเหลวเป็นตัวช่วยระบายความร้อนถังของ หม้อแปลง อาจเป็นรูปเหลี่ยมหรือรูปโค้งก็ได้ แต่สำหรับหม้อแปลงกำลังนิยมใช้เป็นรูปเหลี่ยม วัสดุที่ใช้ในการผลิตถังหม้อแปลงนั้นเป็นแผ่น (Steel Plate) ที่มีคุณภาพสูง แข็งแรง ทนต่อความร้อนได้ดี ต้องเป็นเหล็กที่ไม่เป็นตัวสื่อแม่เหล็ก (Non-magnetic Steel) อันเป็นเหตุให้มีเส้นแรงแม่เหล็กค้าง (Stray flux) อยู่ได้

ภาพที่ 6 ถังหม้อแปลงที่บรรจุชุด Active Part เพื่อทำสุญญากาศ (Vacuum) และเติมน้ำมัน

         3.2 ถังน้ำมันสำรอง (Conservator Tank)

                                ถังน้ำมันสำรอง(Conservator tank) ทำหน้าที่เก็บน้ำมันสำรองไว้ เพื่อรองรับการขยายตัว หรือหดตัวของน้ำมันภายในตัวถังหม้อแปลงขณะจ่ายกระแสไฟฟ้า นอกจากนี้ยังมี   Rubber air cell ทำหน้าที่ป้องกันไม่ให้อากาศภายนอกสัมผัสกับน้ำมันหม้อแปลงภายใน (จากภาพ หมายเลข2) โดยมีที่วัดระดับน้ำมัน ติดตั้งอยู่ด้านข้างถังหรือหม้อแปลงบางผลิตภัณฑ์ จะติดั้งอยู่ที่ตัวถังของหม้อแปลง หม้อแปลงบางยี่ห้ออาจจะติตั้งชุดตรวจจับก๊าซที่ส่วนบน ของConservator เพื่อส่งสัญญาณเตือนกรณีมีการรั่วของตัวถังConservator หรือ Rubber air cell รั่ว

ภาพที่ 7  ถังน้ำมันสำรอง (Conservator tank)

ภาพที่ 8 การติดตั้ง Conservator tank บนตัวถังหม้อแปลง

       3.3 Buchholz Relay

                               Buchholz Relay จะต่อระหว่างตัวหม้อแปลงกับ Conservator ของหม้อแปลง มีหน้าที่ตรวจจับความผิดปกติที่เกิดขึ้นภายในหม้อแปลง โดยเมื่อเกิดความผิดปกติความร้อนจะทำให้เกิดก๊าซขึ้น ถ้าเกิดความผิดปกติไม่รุนแรงก๊าซจะเกิดขึ้นช้าๆ ก๊าซที่เกิดขึ้นจะมาแทนที่น้ำมันที่ส่วนบนของ Buchholz Relay ทำให้ลูกลอยลูกบนลดระดับลงจนถึงระดับหนึ่งสัญญาณ Alarm ก็จะดังเตือนให้ทราบ ถ้าเกิดความผิดปกติรุนแรง ก๊าซที่เกิดขึ้นจะมีจำนวนมากและเกิดขึ้นทันทีทันใด ทำให้เกิดแรงดันน้ำมันไหลย้อนกลับเข้าไปใน Conservator โดยผ่าน Buchholz Relay เมื่อความเร็วเกินกว่าที่กำหนด เช่น 100 cm/sec. ก็จะทำให้ลูกลอยตัวล่างใน Buchholz Relay พลิก ทำให้ส่งสัญญาณไปสั่ง ทริปเบรกเกอร์ หัว-ท้าย ของหม้อแปลง นอกจากนี้ก๊าซที่เกิดใน Buchholz Relay ยังสามารถนำไปวิเคราะห์เพื่อชี้ให้ทราบถึงสาเหตุของการเกิด Fault ในหม้อแปลงได้ เช่น

• ก๊าซที่เกิดขึ้นมีสีเทาแสดงว่า เกิดการแตกตัวของน้ำมัน (อุณหภูมิที่มีน้ำมันเริ่มแตกตัวจะเกิน 400 องศาเซลเซียส
• ก๊าซมีสีเหลืองแสดงว่าส่วนที่เป็นไม้เช่น Support ต่างๆ ชำรุด
• ก๊าซมีสีขาวแสดงว่า Insulating Paper ชำรุด
• ก๊าซเกิดขึ้นมี CO, CO₂, และ H₂ แสดงว่า Solid insulating material ชำรุด

ภาพที่ 9  Buchholz Relay

ภาพที่ 10 ลูกลอยลูกบนลดระดับลงส่งสัญญาณ Alarm มื่อเกิดความผิดปกติไม่รุนแรง

ภาพที่ 11 ลูกลอยลูกล่างส่งสัญญาณ Trip เมื่อเกิดความผิดปกติรุนแรง

ภาพที่ 12 โครงสร้างภายในของ Buchholz Relay

4. กระเปาะซิลิก้า (Dehydration Air Breather)

                               ชุดกระเปาะซิลิก้าเจลนับว่าเป็นส่วนประกอบที่สำคัญสำหรับหม้อแปลงที่ใช้น้ำมัน       (Oil filled) เพื่อทำหน้าที่ดูดความชื้นที่ปะปนอยู่ในอากาศก่อนเข้าถังหม้อแปลงเนื่องจากขณะหม้อแปลงจ่ายโหลดน้ำมันในหม้อแปลงจะขยายตัวเนื่องจากความร้อนที่เกิดขึ้นในแกนและขดลวด จะดันให้อากาศถ่ายเทออกสู่ภายนอกที่กระเปาะดูดความชื้นเมื่อมีโหลดน้อยหม้อแปลงจะเย็นกว่าปกติ  เช่น

ในช่วงเวลา Off-peak อากาศภายนอกที่มีความดันมากกว่าจะไหลกลับเข้าไปในตัวหม้อแปลง ความชื้นที่ปะปนอยู่กับอากาศจะไหลผ่านสารดูดความชื้น (Silica gel) เพื่อดูดความชื้นก่อนที่จะไหลเข้าตัวหม้อแปลง เป็นอากาศที่มีความชื้นน้อยที่สุดซึ่งสารที่ทำหน้าที่กรองความชื้นนี้เรียกว่า   ซิลิก้า คุณสมบัติของซิลิก้าทั่วไปเป็นสารสีน้ำเงิน จะเปลี่ยนเป็นสีชมพูเมื่อดูดซับความชื้นเข้าไป

ภาพที่ 13 กระเปาะซิลิก้าเจล

5. ลิ้นระบายความดัน (Pressure Relief Value)

                               ความผิดปกติที่เกิดขึ้นภายในหม้อแปลงเช่น เกิดประกายไฟ(Arcing) อันเป็นผลทำให้เกิดแรงดันของกาศสูงขึ้น แรงดันของกาศที่สูงมากนี้จะผ่านท่อระบายความดันไปกระแทกแผ่นระบายแรงดัน (Busting plate) ที่ส่วนบนเพื่อออกสู่ภายนอกซึ่งป้องกันการระเบิดของหม้อแปลงเนื่องจากแรงดันผิดปกติภายใน

ภาพที่ 14 ลิ้นระบายความดัน (Pressure Relief Value)

6. Arcing Horn

เป็นอุปกรณ์เหมือนเขาสัตว์ ติดตั้งที่ Bushing ของหม้อแปลง ประโยชน์ในการติดตั้ง ช่วยปรับให้แรงดันคร่อมลูกถ้วยแต่ละลูกมีค่าใกล้เคียงกันให้เกิดอาร์กที่ Arcing Horn แทนที่จะเกิดที่ Bushing เพื่อไม่ให้ Bushing เสียหายและยืดอายุการใช้งานของ Bushing

7. ชุดเปลี่ยนแท็ป (On Load Tap Changer : OLTC)

ชุดเปลี่ยนแท็ปทำหน้าที่ปรับเปลี่ยนจำนวนรอบของขดลวดหม้อแปลงเพื่อให้ได้แรงดันออกมาตามต้องการ โดยไม่มีการหยุดจ่ายกระแสไฟฟ้าผ่านหม้อแปลงปัจจุบันชุดเปลี่ยนแท็ปมีอยู่  2 แบบคือ 

1. Inside tank
            2. On or Outside tank

การไฟฟ้าส่วนภูมิภาคมีใช้งานส่วนมากเป็นแบบ Inside tank ดังนั้นจึงนับได้ว่า กฟภ. จัดซื้อมาใช้งานเอง เป็นแบบ Inside tank 100% และผลิตภัณฑ์ที่ใช้งานอยู่เป็นผลิตภัณฑ์ MR จะมีผลิตภัณฑ์อื่นๆเช่น OSAKA, FUJI อยู่บ้าง OLTC  มีใช้งานในหม้อแปลง กฟภ. มีดังนี้  

1. ผลิตภัณฑ์ MR Type C

2. ผลิตภัณฑ์ MR Type V

3. ผลิตภัณฑ์ MR Type H

4. ผลิตภัณฑ์ MR Type M

5. ผลิตภัณฑ์ MR Type T

6. ผลิตภัณฑ์ ABB Type UZF

7. ผลิตภัณฑ์ OSAKA Type

ภาพที่ 15 ชุดเปลี่ยนแท็ปชนิดต่างๆ

ภาพที่ 16 ชุดเปลี่ยนแท็ปที่ติดตั้งกับขดลวดหม้อแปลง

8. รีเลย์ปรับแรงดัน (Voltage Regulating Relay)

รีเลย์ปรับระดับแรงดัน  (Voltage Regulating Relay) ทำหน้าที่ปรับเปลี่ยนแรงดันของหม้อแปลง เพื่อให้ได้ระดับแรงดันที่ต้องการ ทำงานอัตโนมัติโดยรับแรงดันมาจาก Potential Transformer (PT) ที่ต่ออยู่ทางด้าน 22/33 เควี. ของหม้อแปลงไฟฟ้ากำลัง  โดย PT ดังกล่าวจะมีอัตราส่วน  (Ratio) ทาง ด้านทุติยภูมิเป็น 110 โวลต์  เพราะขีดจำกัดแรงดัน Input ของรีเลย์  จะอยู่  ระหว่าง 85 - 150 โวลต์  เราสารมารถกำหนดแรงดันที่ต้องการโดยกำหนดมี่ Voltage Level  และเลือกเปอร์เซ็น Bandwidth เพื่อกำหนดช่วงแรงดันที่เบี่ยงเบนที่อยู่ ในเกณฑ์ที่ยอมรับได้  นอกจากนั้นยังมีช่วงเวลาหน่วงเมื่อแรงดันที่ตรวจ จับมากกว่าหรือต่ำกว่า Bandwidth เพื่อให้รีเลย์สั่งให้  ชุดเปลี่ยนแท็ป  ทำงานอย่างเหมาะสม โดยรีเลย์ปรับแรงดันจะติดตั้งอยู่ที่ตู้รีโมทภายในอาคารควบคุม

ภาพที่ 17  รีเลย์ปรับระดับแรงดัน รุ่น MK30

ข้อมูลจำเพาะ (Specification)

ผู้ซื้อสามารถจัดทําข้อกําหนดเฉพาะ (Specification) ขึ้นเอง โดยมีเนื้อหาหลัก     เป็นไปตามมาตรฐานสากล เช่น IEC Standard, IEEE/ANSI Standard และ ระบุความต้องการ ขนาด ลักษณะ ต่างๆ ไว้ในเอกสารระบุพิกัดและรูปร่าง (Ratings and Features) ตัวอย่างเนื้อหาของ Specification ได้แก่

แรงดันของขดลวดแต่ละชุด                                         ความถี่ของระบบไฟฟ้า

MVA ตาม cooling ต่างๆที่กําหนด                               Cooling

แรงดันสูงสุดของระบบในแต่ละด้าน                             Insulation Level ของแต่ละขดลวด และ Neutral

Cree page Distance ของ Bushing                                Off-load / On-load Tap-changer

Tapping Range                                                             ตําแหน่งติดตั้ง Tap-changer

Vector Group                                                                % Impedance voltage ที่ Max. Rating

top oil temperature rise                                                Winding temperature rise

ระดับความดัง (Noise)                                                  Bushing Current Transformer

System Fault Level                                                      Losses Evaluation Factor

ในกรณีที่ต้องการนําหม้อแปลงไปใช้งานเพื่อขนานกับหม้อแปลงที่ใช้งานอยู่ในสถานีไฟฟ้า ควรแจ้งข้อมูลของหม้อแปลงเก่าที่ใช้งานอยู่ให้ผู้ผลิตทราบ เช่น MVA rating, Vector group, Voltage Ratio / Range, Impedance Voltage ที่ตําแหน่ง max-normal-min tap position, Tap-changer Control Scheme เป็นต้น