คุณภาพกำลังไฟฟ้า ( Power Quality )

โดย : Admin

คุณภาพกำลังไฟฟ้า (POWER QUALITY)

ศักดิ์ชัย นรสิงห์
แผนกวิจัยระบบจำหน่ายกองวิจัย ฝ่ายพัฒนาระบบไฟฟ้าการไฟฟ้าส่วนภูมิภาค
Tel (02) 590-5577 sakchai@pea.or.th

            คุณภาพกำลังไฟฟ้าคืออะไร
             ปัจจุบันคำว่า คุณภาพกำลังไฟฟ้า ( Power Quality ) เป็นคำที่พูดถึงบ่อยในเรื่องของความมั่นคงการจ่ายไฟฟ้าของระบบจาก
          การไฟฟ้าฯและกรณีเมื่อเกิดปัญหาอุปกรณ์ไฟฟ้ามีการทำงานผิดพลาด หรือหยุดการทำงานจากผู้ใช้ไฟฟ้า   ซึ่งเห็นได้ว่าคำ
          นิยามของคำว่าคุณภาพกำลังไฟฟ้าระหว่างการไฟฟ้าและผู้ใช้ไฟจะพูดถึงในกรณีที่แตกต่างกันไป         แต่ในความเป็นจริง
          แล้วมีความหมายเดียวกันซึ่งนิยามของคุณภาพกำลังไฟฟ้า ตามมาตรฐานสากล IEC และ IEEE   ให้ความหมายของคุณภาพ
          กำลังไฟฟ้า คือ  คุณลักษณะกระแสแรงดัน และความถี่ของแหล่งจ่ายไฟฟ้าในสภาวะปกติไม่ทำให้อุปกรณ์ไฟฟ้ามีการทำงาน
          ผิดพลาดหรือเกิดการเสียหาย

            เหตุผลหลักที่ทำให้มีการพิจารณาถึงคุณภาพกำลังไฟฟ้า
              1. เนื่องจากในปัจจุบันในกระบวนการผลิตของภาคอุตสาหกรรมมีการใช้อุปกรณ์ไฟฟ้ามีเทคโนโลยีสูงขึ้นซึ่งจะมีความไว
          ในการตอบสนองต่อการเปลี่ยนแปลงคุณภาพของกำลังไฟฟ้ามากกว่าในอดีต โดยเฉพาะอุปกรณ์ประเภทอิเลคทรอนิกส์กำลัง
        ดังเช่น  อุปกรณ์ที่ถูกควบคุมด้วยไมโครโปรเซสเซอร์ Programmable Logic Controller ( PLC)   ,   Adjustable Speed Drive
          ( ASD) และรีเลย์บางชนิด ฯ
              2.  การเพิ่มขึ้นของการใช้อุปกรณ์ไฟฟ้าที่มีเทคโนโลยีสูงขึ้น     เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพในระบบไฟฟ้า ดังเช่น ตัวอย่างของ
         กระบวนการผลิตในโรงงานอุตสาหกรรมหนึ่งมีการใช้อุปกรณ์ ASD เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพในการผลิตซึ่ง ASDเป็นแหล่งจ่าย
         ฮาร์มอนิกส์ก็จะทำให้เกิดปัญหาฮาร์มอนิกส์ผลกระทบต่อระบบไฟฟ้านั้นได้    และถ้ามีคาปาซิเตอร์ติดตั้งอยู่ในระบบเพื่อปรับ
         ปรุงกำลังไฟฟ้า ก็ยิ่งทำให้เกิดปัญหาฮาร์มอนิกส์รุนแรงมากยิ่งขึ้น
             3.  ผู้ใช้ไฟทราบถึงปัญหาคุณภาพไฟฟ้ามากขึ้นที่มีผลกระทบต่อกระบวนการผลิตในอุตสาหกรรมของตัวเองมากขึ้น ดังเช่น
          ปัญหาจากแรงดันตกชั่วระยะสั้น (Voltage Sag) ทำให้การไฟฟ้าหาแนวทางและวิธีการเพื่อปรับปรุงคุณภาพไฟฟ้าให้ดีขึ้น
             4.  ระบบไฟฟ้าที่มีการเชื่อมต่อถึงกัน ถ้าส่วนใดของระบบเกิดปัญหาคุณภาพไฟฟ้าก็จะทำส่วนอื่นๆ ของระบบได้รับผลกระทบ
          จากปัญหาคุณภาพกำลังไฟฟ้าตามไปด้วย ดังเช่น   โรงงานอุตสาหกรรมหนึ่งมีการใช้โหลดที่เป็นแหล่งจ่ายฮาร์มอนิกส์    และ
          ฮาร์มอนิกส์นั้นอาจไหลเข้า สู่ระบบไฟฟ้า อาจทำให้โรงงานบริเวณข้างเคียงได้รับผลกระทบจากปัญหาฮาร์มอนิกด้วยเช่นกัน

             ปัญหาคุณภาพไฟฟ้าที่เกิดขึ้นโดยทั่วไปเกิดจาก 5 สาเหตุใหญ่
            1. จากปรากฎการณ์ธรรมชาติเช่น ฟ้าผ่า
            2. จากการเกิดสภาวะความผิดพร่อง (fault) ทางไฟฟ้าในระบบสายส่งและระบบจำหน่ายของการไฟฟ้า
            3. จากการกระทำการสวิตชิ่งอุปกรณ์ในระบบ
            4. จากการใช้งานอุปกรณ์ที่ไม่เป็นเชิงเส้นในระบบอุตสาหกรรม
            5. จากการต่อลงดินที่ไม่ถูกต้อง

              สาเหตุที่ทำให้ปัญหาคุณภาพกำลังไฟฟ้าดังข้างต้นเกิดจาก การไฟฟ้า และ ผู้ใช้ไฟฟ้า ในมุมมองของการไฟฟ้าและผู้ใช้ไฟ
           เกี่ยวกับต้นเหตุที่ทำให้เกิดปัญหาคุณภาพกำลังไฟฟ้า อาจจะมีมุมมองแตกต่างกันไป ดังเช่นตัวอย่างการสำรวจจากหน่วยงาน
           ( Courtesy of Georgia Power Co.) ในประเทศอเมริกา ดังตารางที่1

ตารางที่ 1 มุมมองต้นเหตุทำให้เกิดปัญหาคุณภาพไฟฟ้าจากการไฟฟ้าและผู้ใช้ไฟฟ้าในประเทศอเมริกา

ต้นเหตุทำให้เกิดปัญหาคุณภาพไฟฟ้า	มุมมองการไฟฟ้า	มุมมองผุ้ใช้ไฟฟ้า
ธรรมชาติ	66 %	60 %
การไฟฟ้า	1 %	17 %
ผู้ใช้ไฟฟ้า	25 %	12 %
เพื่อนบ้าน	8 %	8 %
อื่นๆ	0 %	3 %

                 แนวทางการแก้ไขปัญหาคุณภาพกำลังไฟฟ้าที่ถูกต้องนั้น จำเป็นต้องได้รับความร่วมมือกันระหว่างการไฟฟ้า และผู้ใช้ไฟฟ้า
           เช่นในส่วนของการไฟฟ้าจะต้องมีการปรับปรุงแก้ไขคุณภาพกำลังไฟฟ้าของแหล่งจ่ายไฟหรือระบบสายส่งและในระบบจำหน่าย
           ไฟฟ้า และส่วนของผู้ใช้ไฟต้องมีการควบคุมปัญหากำลังคุณภาพไฟฟ้าที่เกิดขึ้นจากการใช้อุปกรณ์ไฟฟ้าจากผู้ใช้ไฟเอง   และอาจ
           ต้องนำข้อมูลทางไฟฟ้าและปัญหาต่างๆมาร่วมปรึกษากันและมีการร่วมกับบริษัทผู้ผลิตอุปกรณ์ไฟฟ้าเพื่อพิจารณาระดับการทำงาน
          ที่สัมพันธ์กันของอุปกรณ์กับแหล่งจ่ายไฟฟ้าซึ่งจะช่วยลดปัญหาคุณภาพไฟฟ้าในระดับหนึ่ง    ในบทความนี้จะกล่าวเพียงคำนิยาม
          ปัญหาคุณภาพไฟฟ้าและสาเหตุ เพื่อพื้นฐานก่อนที่นำเสนอบทความที่เกี่ยวข้องกับคุณภาพกำลังไฟฟ้าต่อไป

             ปัญหาคุณภาพกำลังไฟฟ้า
          1. ภาวะชั่วครู่ (Transient)
              คือปรากฏการณ์การเปลี่ยนแปลงของสภาพไฟฟ้า ( แรงดัน กระแส ) ในเวลาทันทีทันใดจากสภาพปกติแบ่งออกเป็น 2 ประเภท
              คือ Impulsive Transients และ Oscillatory Transients

             1.1 อิมพัลส์ชั่วครู่ (Impulsive Transients)
                คือขนาดกระแสและแรงดันที่มีค่าความชันสูงมาก เกิดขึ้นในทันทีทันใดไม่มีความถี่เปลี่ยนแปลงกำหนดให้มีขั้วทิศทางเดียว
           หรือเรียกว่าเสิร์จ (Surge) ดังรูปที่1. มีสาเหตุเกิดจากฟ้าผ่า ซึ่งอาจเกิดได้โดยตรงหรือในบริเวณใกล้เคียง   ผลทำให้อุปกรณ์ใน
           ระบบได้รับความเสียหายจากแรงดันไฟฟ้าเกิน

รูปที่1. กระแสที่เกิดขึ้นจากการเกิดอิมพัลส์ชั่วครู่เกิดโดยฟ้าผ่า

         มาตรฐาน IEEE std 1159 - 1995 มีการกำหนดค่าอิมพัลส์ตามช่วงระยะเวลาที่เกิดกับค่าระยะเวลาที่แรงดันเริ่มสูงขึ้น (rise time)
         ดังตารางที่ 2

ตารางที่2 แสดงค่าระยะเวลาที่แรงดันเริ่มสูงขึ้นกับช่วงระยะเวลาการเกิดของอิมพัลส์

อิมพัลส์ภาวะชั่วครู่	ระยะเวลาที่แรงดันเริ่มสูงขึ้น( rise time)	ช่วงระยะเวลาการเกิด (Duration)
Nanosecond	5 ns	< 50 ns
Microsecond	1 U s	50 ns - 1 ms
Millisecond	0.1 ms	> 1 ms

            1.2 ออสซิเลทชั่วครู่ (Oscillatory Transient)
                 คือลักษณะของแรงดันหรือกระแสแรงดันมีค่าสูง เกิดขึ้นในทันทีทันใด ไม่มีความถี่เปลี่ยนแปลง     มีการเปลี่ยนแปลงขั้ว
           (บวก ลบ) ของรูปคลื่นอย่างรวดเร็ว ดังรูปที่ 2, 3 และ4 มีสาเหตุเกิดจากการสวิตชิ่งของอุปกรณ์ในระบบ ผลทำให้อุปกรณ์ไฟฟ้า
           ได้รับความเสียหาย และฉนวนของอุปกรณ์มีการเสื่อมสภาพหรือมีการสูญเสียความเป็นฉนวนเร็วขึ้น      มาตรฐาน IEEE std
            1159 - 1995 มีการแบ่งการเกิดออสซิเลทในภาวะชั่วครู่ตามขนาดแรงดันและช่วงระยะเวลาการเกิดตามความถี่ ดังตารางที่ 3

ตารางที่3.แสดงขนาดแรงดันและช่วงเวลาตามความถี่ออสซิเลทชั่วครู่

ออสซิเลทในภาวะชั่วครู่	ความถี่	ช่วงระยะเวลาการเกิด	ขนาดแรงดัน
Lower Frequency	< 5 kHz	0.3-50 ms	0.4 pu.
Medium Frequency	5-500 kHz	5-20 ms	0-8 pu.
High Frequency	0.5-5MHz	0-5 ms	0.4 pu.

รูปที่2 กระแสออสซิเลทใชั่วครู่เกิดจากการสวิตชิ่งคาปาซิเตอร์แบบ Back-to-Back

รูปที่3 แรงดันออสซิเลทความถี่ต่ำชั่วครู่เกิดจากการสวิตชิ่งคาปาซิเตอร์แบบเข้าระบบ

รูปที่4 แรงดันออสซิเลทความถี่ต่ำชั่วครู่เกิดจากเฟอโรเรโซแนนซ์ในสภาวะหม้อแปลงไม่มีโหลด

             2. การเปลี่ยนแปลงแรงดันช่วงระยะสั้น (Short Duration Voltage Variation)
             คือการเปลี่ยนแปลงค่าแรงดัน rms ที่มีระเวลาการเปลี่ยนแปลงค่าไม่เกิน 1 นาที    มีสาเหตุส่วนใหญ่เกิดจากสภาวะความ
           ผิดพร่อง (fault) ทางไฟฟ้า ทำให้เกิดเหตุการณ์แรงดันตก (Voltage Sag หรือ Voltage Dip ) แรงดันเกิน (Voltage Swell)
           และไฟดับ (Interruptions)   มาตรฐาน IEEE Std 1159-1995 มีการเรียกชื่อแรงดันดังกล่าวตามระยะเวลาที่เกิดคือเวลาทันที
           ทันใด(Instantaneous) ชั่วขณะ ( Momentary) และชั่วครู่(Temporary) ดังตารางที่4

ตารางที่4. แสดง ระยะเวลาการเกิดแรงดันตก แรงดันเกิน และไฟดับของการเปลี่ยนแปลงแรงดันช่วงเวลาสั้นๆ

Voltage Sag &swell
Instantaneous	Momentary	Temporary
10 ms - 1 sec	1 sec - 3sec	3 sec - 1 min

Interruption
Momentary	Temporary
10 ms - 3 sec	3 sec - 1 min

             2.1 แรงดันตกช่วงสั้น (Voltage Sag )
              คือค่าแรงดัน rms มีขนาดลดลงระหว่าง 0.1-0.9 pu. ในช่วงเวลาระหว่าง 10 ms - 1min มีสาเหตุส่วนใหญ่ เกิดขึ้นกับเฟสที่เกิด
           ความผิดพร่องทางไฟฟ้า ดังรูปที่ 5 ทำให้แรงดันมีค่าลดลงเหลือ 0.2 pu. ของแรงดันปกติ (80% sag) ในช่วงเวลา 3 ไซเคิล และ
           รูปท ี่6 แรงดันมีค่าลดลงจากผลของการสตาร์ทมอเตอร์ขนาดใหญ่ ซึ่งมอเตอร์อินดัคชั่นขณะสตาร์ทจะมีกระแสสูงสูงถึง 6-10 เท่า
           ของกระแสโหลดปกติ ผลทำให้อุปกรณ์ที่ไวต่อการเปลี่ยนแปลงคุณลักษณะของแหล่งจ่ายไฟ มีการทำงานผิดพลาดหรือหยุดการ
           ทำงาน

รูปที่ 5 Voltage Sag จากสาเหตุการเกิดความผิดพร่องทางไฟฟ้าลงดิน

รูปที่ 6 Voltage Sag จากผลของการสตาร์ทมอเตอร์ขนาดใหญ่

             2.2 แรงดันเกินช่วงสั้น (Voltage Swell)
              คือค่าแรงดัน rms มีขนาดเพิ่มขึ้นระหว่าง 1.1-1.8 pu. ในช่วงเวลาระหว่าง 10 ms - 1min ดังรูปท ี่7   มีสาเหตุส่วนใหญ่จะเกิด
             ขึ้นกับเฟสที่ไม่ได้เกิดความผิดพร่องทางไฟฟ้าโดยตรง หรืออาจเกิดจากการปลดโหลดขนาดใหญ่ออกจากระบบ หรือมีการต่อ
             คาปาซิเตอร์ขนาดใหญ่เข้าระบบ ผลทำให้อุปกรณ์ได้รับความเสียหาย  หรือทำให้อุปกรณ์ ที่ไวต่อการเปลี่ยนแปลงคุณลักษณะ
           ของแหล่งจ่ายไฟมีการทำงานผิดพลาดหรือหยุดการทำงาน

รูปที่ 7 Voltage Swell จากสาเหตุการเกิดความผิดพร่องทางไฟฟ้าลงดิน

             2.3 ไฟดับช่วงสั้น (Voltage Interruption)
                 คือค่าแรงดัน rms มีค่าลดลงต่ำกว่า 0.1 pu. ในช่วงระหว่าง 10 ms - 1 min   มีสาเหตุเกิดจากสภาวะความผิดพร่องทางไฟฟ้า
           ในระบบ ทำให้อุปกรณ์ป้องกันมีการตัดวงจรแหล่งจ่ายไฟออก ดังรูปที่  8 แสดงการเกิดไฟดับช่วงระยะเวลาสั้นๆ ประมาณ 1.8
           sec จากการทำงานของรีโคลสเซอร์ตัดวงจรแหล่งจ่ายออกจากระบบก่อนจะมีการต่อวงจรเข้าไปดังเดิมอีกผลทำให้อุปกรณ์ไฟฟ้า
            หยุดการงาน

รูป ที่ 8 ไฟฟ้าดับชั่วขณะจากสาเหตุรีโคลสเซอร์มีการทำงานเนื่องจากการเกิดความผิดพร่องทางไฟฟ้า

             3. การเปลี่ยนแปลงแรงดันช่วงระยะยาว (Long Duration Voltage Variation)
            คือการเปลี่ยนแปลงค่าแรงดัน rms ที่มีระยะเวลาการเปลี่ยนแปลงค่าเกิน 1 นาที    มีสาเหตุส่วนใหญ่เกิดจากการเปลี่ยนแปลง
          การทำงานโหลดขนาดใหญ่ ทำให้เกิดเหตุการณ์แรงดันตก (Undervoltage ) แรงดันเกิน ( Overvoltage ) และไฟดับ(Sustained
          Interruptions)

               3.1 แรงดันตก (Undervoltage )
                คือค่าแรงดัน rms มีขนาดลดลงระหว่าง 0.8-0.9 pu.ในช่วงเวลานานกว่า 1 min     มีสาเหตุเกิดขึ้นจากผลของการสวิตชิ่งโหลด
             ขนาดใหญ่เข้าระบบ หรือมีการปลดคาปาซิเตอร์ออกจากระบบ   ผลทำให้อุปกรณ์ได้รับความเสียหาย เนื่องจากเกิดการรับภาระ
              เกิน (Overload)

                3.2 แรงดันเกิน (Overvoltage )
                 คือค่าแรงดัน rms มีขนาดเพิ่มขึ้นระหว่าง 1.1-1.2 pu.ในช่วงเวลานานกว่า 1 min   มีสาเหตุเกิดขึ้นจากผลของการปลดโหลด
              ขนาดใหญ่ออกจากระบบ หรือมีการสวิตชิ่งคาปาซิเตอร์เข้าระบบ หรือการปรับแทปหม้อแปลงไม่เหมาะสมกับระบบ   ผลทำให้
             อุปกรณ์ได้รับความเสียหายเนื่องจากแรงดันเกิน

                3.3 ไฟดับ (Voltage Interruption)
                คือค่าแรงดัน rms มีค่าลดลง 0.0 pu. ในช่วงเวลาเกินกว่า 1 min     มีสาเหตุเกิดจากสภาวะความผิดพร่องทางไฟฟ้าในระบบ
              ทำให้อุปกรณ์ป้องกันมีการตัดวงจรแหล่งจ่ายไฟออกถาวร ดังรูปที่ 9       แสดงการเกิดไฟดับช่วงระยะยาวจากการทำงานของ
              รีโคลสเซอร์ตัดวงจรแหล่งจ่ายออกจากระบบถาวร (Lockout) เมื่อสภาวะความผิดพร่องทางไฟฟ้ายังอยู่ในระบบ เป็นผลทำให้
              อุปกรณ์ไฟฟ้าหยุดการทำงาน

รูปที่9 ขั้นตอนการทำงานรีโคสเซอร์ในระบบของ กฟภ.

              4.แรงดันไม่สมดุล (Voltage Unbalance)
             คือแรงดันของระบบ 3 เฟสมีขนาดแตกต่างกัน ( 0.5-2% ) หรือมีมุมเปลี่ยนไปจาก 120 องศา เกิดจากความไม่ สมดุลขนาด
          ของโหลดแต่ละเฟส สามารถกำหนดได้จากอัตราส่วนขององค์ประกอบลำดับลบ V2 ( Negative Sequence ) หรือองค์ประกอบ
          ลำดับศูนย์ V0 (Zero Sequence ) ต่อองค์ประกอบลำดับบวก V1 (Positive Sequence)ดังรูปที่10 ผลทำให้อุปกรณ์เช่นมอเตอร์
           หม้อแปลงไฟฟ้ามีอายุการใช้งานน้อยลงเนื่องจากผลความร้อนที่เกิดขึ้น

รูปที่10 แรงดันไม่สมดุลที่สายป้อนที่จ่ายไฟให้ที่พักอยู่อาศัย

                5.ความผิดเพี้ยนรูปคลื่น(WAVEFORM DISTORTION)
             การผิดเพี้ยนของรูปคลื่น คือ การเบี่ยงเบนในสภาวะคงตัวของรูปคลื่นไซด์ที่มีความถี่ทางกำลังไฟฟ้า และสามารถอธิบาย
            คุณลักษณะได้โดยแยกองค์ประกอบทางความถี่ออกมา

                การผิดเพี้ยนของรูปคลื่นแบ่งออกได้ 5 ชนิด
                      - องค์ประกอบไฟตรง (DC offset)
                      - ฮาร์มอนิก (Harmonic)
                      - อินเตอร์ฮาร์มอนิก (Interharmonic)
              &nb

เนื้อหาโดย: 9engineer.com (http://www.9engineer.com/)