อุปกรณ์ในสถานีไฟฟ้าย่อย (Substation Equipment)

อุปกรณ์ไฟฟ้าที่สำคัญในลานไก สถานีไฟฟ้า

1.  Circuit Breaker (CB)

เซอร์กิตเบรคเกอร์ (Circuit Breaker) คือ อุปกรณ์ตัดตอนที่ใช้ตัดกระแส load หรือกระแสที่มีค่าสูงที่เกิดจากการลัดวงจรได้ในเวลาที่เหมาะสมและทันเวลาก่อนที่จะเกิดผลเสียหายตามมาจนเป็นอันตรายกับคน หรือ อุปกรณ์อื่นๆ ที่อยู่ใกล้เคียง อุปกรณ์นี้จึงเป็นอุปกรณ์ที่สำคัญมากอย่างหนึ่งในสถานี

1.1 หน้าที่และการใช้งาน

เซอร์กิตเบรคเกอร์เป็นอุปกรณ์ที่ใช้กลไกเคลื่อนที่ตัดต่อวงจรไฟฟ้า (Mechanical Switching Device) สามารถต่อ (Making) และให้กระแสไหลผ่าน (Carrying) ในเวลาที่กำหนด และตัดกระแส (Breaking) ในขณะที่เกิดสิ่งผิดปกติ เช่น เกิดลัดวงจร ฉะนั้นจึงกำหนดหน้าที่ของเซอร์กิตเบรคเกอร์ในสภาพที่กระแสที่ไหลผ่านทั้งในขณะที่ระบบมีสภาพปกติและเกิดผิดปกติการทำงานของ เซอร์กิตเบรคเกอร์ในขณะระบบมีลัดวงจรเกิดขึ้นเป็นหน้าที่หลัก

1.2 หลักการป้องกันของระบบไฟฟ้าแรงสูง

                          จะต้องประกอบด้วยส่วนประกอบหลักสำคัญๆ 4 ส่วน ดังนี้ คือ

1.   Sensing Device ได้แก่ Instrument Transformer คือ C.T., P.T. ซึ่งจะทำหน้าที่เป็นยามระวังเหตุ เมื่อเกิดผิดปกติเกิดขึ้นในระบบก็จะส่งสัญญาณบอกเหตุมายังรีเลย์

2.   Control Relay ได้แก่ รีเลย์ต่างๆ ซึ่งจะทำหน้าที่รับสัญญาณบอกเหตุจาก C.T., P.T. มาพิจารณาดูว่าสัญญาณนั้นเป็นเหตุผิดปกติร้ายแรงหรือไม่ร้ายแรงก็จะได้สั่งการให้ตัดวงจรหรือเพียงแต่ Alarm ตามแต่ชนิดของเหตุผิดปกติที่เกิดขึ้น โดยรีเลย์จะทำงานทันทีใดหรือหน่วงเวลา

3.   Mechanism ได้แก่อุปกรณ์และกลไกต่างๆ ที่ส่งความเคลื่อนไหวไปยังชุด Interrupter ให้ทำงานเปิด-ปิดวงจรไฟฟ้าแรงสูง

4.   Interrupter ได้แก่ส่วนที่ทำหน้าที่เปิด-ปิดวงจรไฟฟ้าแรงสูงและดับอาร์คที่เกิดขึ้นจากการเคลื่อนที่แยกออกจากกันของหน้า Contact ของเซอร์กิตเบรคเกอร์ ซึ่งประกอบด้วยส่วนประกอบต่างๆ ดังนี้

- คอนแทคอยู่กับที่ (Fix Contact)

- คอนแทคเคลื่อนที่ (Moving Contact)

- ห้องดับอาร์ค (Arc Chamber)

- ตัวกลางดับอาร์ค (Arc Extinction Media) ซึ่งได้แก่ น้ำมัน, อากาศ (ลมอัด), ก๊าซ SF₆ และสูญญากาศ (Vacuum) เป็นต้น

ภาพที่ 3.1 แสดงการควบคุมการทำงานของเบรคเกอร์

1.3 การเกิดอาร์ค

อาร์คเป็นตัวนำชนิดหนึ่ง ซึ่งลำของอาร์คสร้างขึ้นด้วยก๊าซที่แตกตัวมีอุณหภูมิสูง (Hot Ionized Gas) จึงมีสภาพเป็นตัวนำ กระแสที่ไหลผ่านอาร์ค มีความสัมพันธ์กับแรงดันระหว่างปลายทั้งสองของอาร์ค ขณะที่เริ่มเกิดอาร์คขึ้น จะทำให้ฉนวนมีความร้อนเพิ่มขึ้น และแตกตัว (Ionize) ถ้ากระแสที่ไหลมีปริมาณสูงมากจะทำให้ฉนวนมีความร้อนสูงมาก ซึ่งทำให้เกิดการแตกตัวอย่างรวดเร็ว ถ้าฉนวนเป็นน้ำมัน จะแตกตัวเป็นก๊าซไฮโดรเจน และมีไอออนของก๊าซปริมาณมาก ในบริเวณที่อาร์คผ่าน ในห้องที่เกิดอาร์ค (Arcing Chamber) จะมีการถ่ายเทความร้อนไปยังฉนวน ความดันสูงที่เกิดขึ้น และการไหลของก๊าซ (Flow) อุณหภูมิที่เกิดขึ้นบริเวณนั้นอาจสูงถึง 20,000 °C

วิธีการดับอาร์ค คือ ยืด อาร์คให้ยาวขึ้นอย่างรวดเร็ว ฉีดก๊าซที่นำความร้อนได้ดีและเย็นไปตามความยาวของอาร์ค เพื่อลดอุณหภูมิของอาร์ค การทำให้ก๊าซที่อยู่ในห้องดับ อาร์ค (Arcing chamber) มีความดันสูงจะไหลผ่านช่องแคบๆ บีบ อาร์ค ให้แคบลงแกนของ อาร์คมีอุณหภูมิสูงขึ้น จะเพิ่มตามแนวขวางของ อาร์ค สามารถระบายความร้อนออกจาก อาร์คได้

1.4 การแบ่งชนิดของเซอร์กิตเบรกเกอร์ตามตัวกลางดับอาร์ค  ได้ดังนี้

ภาพที่ 3.2 แสดงการแบ่งประเภทของ Circuit Breaker

1. Air Circuit Breaker

Air Circuit Breaker คือเซอร์กิตเบรคเกอร์ที่ดับอาร์คโดยวิธีธรรมชาติ มีอากาศเป็นตัวกลางในการดับอาร์ค ใช้กับระบบที่มีแรงดันไฟฟ้าต่ำ (Low Voltage) เป็นหลักการที่ง่ายที่สุด เมื่อคอนแทคของเซอร์กิตเบรคเกอร์แยกออกจากกันและมีอาร์คเกิดขึ้น อากาศในบริเวณโดยรอบอาร์คก็จะร้อนและลอยตัวขึ้นเบื้องบน พร้อมๆกับอากาศที่บริเวณนั้นก็จะเข้ามาแทนที่และดับอาร์คไปในตัว

2. Air Blast Circuit Breaker

Air Blast Circuit Breaker คือเซอร์กิตเบรคเกอร์ที่ใช้ลมอัดให้มีแรงดันสูงพ่นดับอาร์ค ความดันของลมที่ใช้ในกรณีอยู่ในระหว่าง 1200-3500 ปอนด์/ตร.นิ้ว และสามารถเปิดคอนแทคได้รวดเร็วมาก ในขณะที่คอนแทคเปิดนั้น กลไกของเซอร์กิตเบรคเกอร์จะไปเปิดลิ้นลมปล่อยให้อัดทะลักเข้าไปที่คอนแทค และเป่าอาร์คจากคอนแทคเข้าไปยัง Arc Chute ซึ่งอาร์คจะถูกทำให้เย็นและดับลงอย่างรวดเร็ว และลมอัดจำนวนนี้ก็จะถูกขับดันออกไปภายนอกบรรยากาศ

3. Oil Circuit Breaker

Oil Circuit Breaker ใช้น้ำมัน Mineral Oil เรียกว่า Insulating Oil เป็นฉนวนผลิตจาก Petroleum แบ่งเป็นสองแบบ คือแบบ Bulk Oil Type ใช้น้ำมันมากใส่ในห้องดับอาร์ค (Arcing Chamber) แช่ไว้ในถังเหล็กเรียกว่า Dead Tank Type และแบบ Minimum Oil Type ใช้น้ำมันน้อยใส่ใน Arcing Chamber แช่ไว้ใน Porcelain ตั้งอยู่บน Support Insulator เรียกว่า Live Tank Type ในปัจจุบันแทบไม่มีการผลิต Oil Circuit Breaker เพื่อใช้ในระดับแรงดันสูงกว่า 69 kV  อาร์คเกิดใน Arcing Chamber ที่เป็น Insulated Pressure Chamber ในขณะที่ Contact เริ่มเคลื่อนที่จากกัน น้ำมันในห้องดับอาร์ค ยังมีอุณหภูมิและความดันปกติ เมื่อเริ่มมีระยะห่าง Gap จะเกิดอาร์คและความร้อนที่ทำให้น้ำมันบริเวณนั้นแตกตัว (Vaporize)  เกิดความดันขึ้นในห้องดับอาร์คเมื่อหน้าสัมผัส (Contact) ที่เคลื่อนที่จะเปิดช่องระบายด้านข้างในห้อง ช่องระบายจะวางเรียงตัวตามแนวที่หน้าสัมผัส (Contact) เคลื่อนที่ ช่องระบายจะทำหน้าที่ระบายความดัน มีผลคือจะนำเอาพลังงานออกจากอาร์คและบังคับให้บางส่วนของอาร์คยาวยื่นเข้าไปในช่องระบายอาร์คก็จะยาวขึ้น ในกรณีที่ Minimum Oil Breaker ตัดกระแสสูงที่แรงดันสูง จะมีการออกแบบให้มีลักษณะเป็น Oil Pump ในขณะที่ Contact เคลื่อนที่จากกัน ฉีดน้ำมันเข้าไปในห้องดับอาร์คเพื่อเร่งระบายความร้อนออกจาก Bulk Oil Breaker จะมีหน้าสัมผัสและห้องดับอาร์คหนึ่ง หรือสองชุดต่อ 1 เฟส และอาจจะอยู่ในถังเดียวกันโดยมีแผ่นกั้น (Barrier) ระหว่างเฟสหรือแยกถังออกเป็นแต่ละเฟสก็ได้Minimum Oil Breaker อาจใช้ Interrupter Unit มาต่ออนุกรมกันภายนอก เพื่อให้แต่ละChamber แบ่งแรงดันเท่าๆ กัน หน้าสัมผัสที่ใช้ต่อ หรือแยกวงจรจะมีส่วนที่อยู่กับที่ เรียกว่า Fixed Contact และส่วนที่เคลื่อนที่ เรียกว่า Moving Contact ส่วนที่เป็น Fixed Contact จะมีส่วนปลายเป็นทองแดงที่เป็นชิ้นๆ ประกอบกันเป็นก้อนมีรูอยู่ที่ตรงกลางเพื่อให้ Moving Contact เสียบเข้าได้ 

ส่วนที่เป็นทองแดงชิ้นๆ นี้จะถูกรัดอยู่ที่ตรงส่วนปลายของ Moving Contact ปลายของชิ้นทองแดงบางชิ้นจะยาวกว่า และทำด้วย Copper Tungsten Alloy ทำหน้าที่เป็น Arcing Contact เพื่อตัดอาร์ค (Breaking) ตอนที่กระแสจะดับขณะ Open และจะต่อกระแส (Making) ก่อนชิ้นอื่นตอน Close ส่วน Moving Contact จะมีปลายที่เป็น Alloy เช่นเดียวกัน เพื่อให้สึกกร่อนจากอาร์คน้อย เวลาที่ใช้ในการดับกระแส (Interrupting Time) จะมีค่าโดยประมาณเท่ากับ 30 ms Opening time+25 ms arcing time = 55 ms ประมาณ 3 cycles

4. Gas Circuit Breaker

          หลักการดับอาร์คของ Gas Blast Breaker คือการดึงเอาพลังงานออกจากอาร์ค ด้วยการใช้ Gas ไม่มีการทำให้อาร์คเปลี่ยนรูปร่าง หรือทำให้ยาวขึ้นเช่นเดียวกับ Oil Breaker การ Cooling จะใช้วิธีฉีดพ่นก๊าซ ไปตามแนวแกนของอาร์ค ทำให้ล้อมอาร์คที่มีอุณหภูมิสูงไว้ด้วยก๊าซที่เย็นกว่าและวิ่งย่านผิวของอาร์ค ความเร็วของ Ionized Gas ที่ร้อน และประกอบเป็นอาร์คจะเร็วกว่า Cooling Gas ที่ไหลผ่านผิว ทำให้ระบายความร้อนได้ดี ประกอบกับอาร์ค เริ่มเกิดขึ้นในกระบอกที่ทำหน้าที่เหมือนหัวฉีดเรียกว่า Nozzle ทำให้มี ความเร็วของก๊าซ พ่นออกไปตามลำของอาร์ค ส่วนที่สำคัญของ Gas Blast Breaker คือ ฉนวน Gas หรือ Media ที่เป็นตัวระบายความร้อนทั้งปริมาณ และความดันของก๊าซ ที่ฉีดพ่นอาร์คและชนิดของ Contact และ Nozzle Gas Blast แบ่งเป็นชนิด Dead Tank และ Live Tank เช่นเดียวกับ Oil Type และมีฉนวนที่ใช้สองชนิดคือ อากาศ (Air) และก๊าซ SF6 และใช้ Interrupter มาต่อกันเพื่อเพิ่ม Breaking Capacity ในปัจจุบัน Air Blast Breaker ไม่มีการผลิตเพื่อใช้กับแรงดันสูงๆ แล้ว การทำงานจะใช้อากาศเป็นฉนวน ซึ่งหาได้ทั่วไป อัดให้มีความดันสูง อาจสูงถึงระดับ 30 kg/cm2 ไม่เป็นพิษต่อสิ่งแวดล้อม ส่วนของ Interrupting Chamber, Support Column, Tank ต้องออกแบบให้ทนความดันสูง หลักการทำงาน คือระบายหรือปล่อยให้ฉนวนอากาศออกมาภายนอก ฉะนั้นระบบ Valve จึงเป็นส่วนสำคัญต่อเวลาตัดกระแส มี Interrupting Time ต่ำกว่าหนึ่ง Cycle (20 ms) และ สามารถตัดกระแสสูงได้ เช่น Air Blast Breaker สำหรับ 11-15 kV Generator SF6 Breaker เป็นเบรคเกอร์ ที่ใช้อย่างแพร่หลายในปัจจุบัน ใช้ก๊าซ SF6 ที่มีคุณสมบัติเป็นฉนวนที่ดีกว่าอากาศ


          สารที่เกิดขึ้นหลังการตัด/ดับอาร์ค คือ ผงของ Metallic Fluoride มีความเป็นฉนวนและไม่เป็นอันตรายในขณะที่แห้ง แต่เมื่อได้รับความชื้นจะสามารถกัดกร่อน Metal Part ได้ก๊าซ SF6 ไม่มีตามธรรมชาติ เป็นก๊าซที่ต้องสังเคราะห์ขึ้น มีราคาแพง เนื่องจากมีผลต่อบรรยากาศ จึงไม่ควรปล่อยออกสู่ภายนอก การออกแบบจึงเป็นแบบปิดไม่เหมือน Air Breaker SF6 Gas หนักกว่าอากาศเป็นก๊าซที่สามารถ De-Ionize และกลับสภาพเดิมได้เร็ว และส่วนที่เกิดขึ้น คือผงของ Metallic Fluoride ก็ไม่ฟุ้งกระจาย ไม่ทำให้ความเป็นฉนวนของก๊าซลดลงการออกแบบโดยใช้ ‘Puffer’ มีลักษณะเป็นกระบอก Cylinder หุ้ม Moving Contact บางส่วนขณะที่อยู่ในตำแหน่ง Close ฉะนั้นขณะที่ Moving Contact เคลื่อนที่ ก๊าซจะถูกอัด และจะปล่อยก๊าซที่มีความดันสูงออกไปรอบอาร์ค ขณะที่ Contact หลุดออกจาก Puffer ด้วยวิธีนี้การเคลื่อนที่ของ Contact จะสร้างความดันสูงขึ้นเองโดยไม่ต้องอาศัยกลไกอื่น Puffer ทำด้วย Teflon ที่มีคุณสมบัติเป็นฉนวนทนทานต่อความร้อน ทำให้สามารถออกแบบให้รูมีเส้นผ่าศูนย์กลางได้เล็กพอขนาดให้ Moving Contact วิ่งเข้าออก ทำให้ปิดช่องไม่ให้ก๊าซออกไปก่อนที่ Moving Contact จะหลุดออกจาก Puffer เรียกว่า Clogging Effect ของ Nozzle ก๊าซที่มีความดันสูงที่เกิดขึ้นใน Cylinder จะขับออกภายนอกได้เพราะขณะที่อาร์ค ยืดยาวออกไปตามการเคลื่อนที่ของ Contact นั้น เส้นผ่าศูนย์กลางของอาร์ค จะเล็กลงจนถึงเวลาใน Sine Wave ที่กระแสเป็นศูนย์ ทำให้หน่วงเวลาการปล่อยก๊าซออกไปภายนอก Cylinder และถูกจังหวะช่วงเวลาที่ถูกหน่วงไว้นี้ขึ้นกับปริมาณกระแสของ arc เช่น ตอนกระแสต่ำ จะเกิดกระบวนการที่ไม่รุนแรง จะไม่เกิด Current Chopping

5. Vacuum Circuit Breaker

Vacuum Breaker มี Insulating Media ที่มี Strength ที่สูงมากจนอาจพูดได้ว่ามีค่าเท่ากับ Infinity Arc ที่เกิดขึ้นจะแตกต่างจากเบรคเกอร์อื่นๆ ส่วนที่เป็นหน้าสัมผัส (Contact) ประกอบด้วย Contact สองชิ้นบรรจุอยู่ภายในส่วนที่ห่อหุ้มที่ปิดไม่ให้อากาศเข้าภายในได้ ภายใน Chamber จะมีสภาพเป็นสูญญากาศ (Vacuum) ขณะที่ Open จะมีอาร์คเกิดขึ้น

และอาร์คจะรักษาสภาพอยู่ได้ด้วยไอของโลหะ (Metallic Vapor) ที่เกิดจากด้านที่เป็น Cathode ไอของโลหะจะกระจายใน Vacuum และ Condense ที่ Shield ที่อยู่รอบข้าง ขณะที่กระแสเป็นศูนย์ไอโลหะจะ Condense ได้มากทำให้มีสภาพกลับมาเป็น Vacuum ในช่วงแรกอาร์ค จะกระจายกันเป็นหลายจุดบน Cathode คือมีอาร์คเกิดขึ้นหลายอาร์คที่ขนานกัน จุดอาร์คบน Cathode (Cathode Spot) เมื่อกระแสเพิ่มขึ้น จะมีอาร์คเกิดขึ้นหลายอาร์ค เกิดสนามแม่เหล็ก (Magnetic Field)  จะมีความร้อนสูงมากและเกิดขึ้นอย่างต่อเนื่องไม่หยุด อาร์คจะพยายามเคลื่อนมารวมกันไม่เหมือนกับช่วงเริ่มแรกอาร์คจะดับขณะที่กระแสผ่านศูนย์ ถ้าเกิดอาร์คเล็กๆ หลายคอลัมม์จะดีกว่าเกิดอาร์คใหญ่คอลัมม์เดียวเพราะอาร์คใหญ่คอลัมม์เดียว จะเกิดจุดที่ร้อนมากเกินไปตรง Arc Spot ที่บริเวณผิวหน้า Contact จนเกิด Emission ขึ้นสูงมากอย่างต่อเนื่อง มีผลทำให้เกิด Restrike หรือ หลังจากอาร์คดับไปแล้วจะเกิด อาร์คขึ้นอีกไม่สามารถดับได้การออกแบบให้จุดอาร์คเคลื่อนที่บนหน้า Contact โดยใช้สนามแม่เหล็กเป็นการป้องกันไม่ให้อาร์คที่เกิดขึ้นหลายๆ อาร์คมารวมตัวกัน หรือสามารถทำให้จุดอาร์คที่รวมตัวกันแล้วสามารถเคลื่อนที่อย่างรวดเร็วบนหน้า Contact ก็จะทำให้ไม่เกิดความร้อนสูงมากที่จุดเดียว และทำให้สามารถดับอาร์คได้ การออกแบบผิวหน้าของ Contact ให้เป็น Slot สามารถสร้างสนามแม่เหล็กให้เกิดขึ้นที่ผิวหน้าของ Contact ได้ ปัญหาหนึ่งของ Vacuum Breaker คือ Contact ทั้งสองละลายติดกัน หรือ เรียกว่า Contact Welding วิธีแก้ไขคือเลือกโลหะที่ใช้ทำ Contact ให้เป็นชนิดที่มี High Conductivity แต่มีความสามารถที่จะละลายติดกันยาก เช่น Copper Bismuth , Chromium  เป็นต้น โดยปกติแล้ว Vacuum Circuit Breaker นิยมใช้ในระบบจำหน่ายป้องกันฟีดเดอร์ภายในสถานีไฟฟ้า Vacuum Breaker มี interrupting time ต่ำกว่า 15 ms