บทนำเกี่ยวกับสวิตช์เกียร์

สวิตช์เกียร์ หมายถึง ชุดอุปกรณ์จ่ายพลังงานไฟฟ้าที่สมบูรณ์ ซึ่งประกอบขึ้นจากอุปกรณ์หลักและอุปกรณ์รองตามแผนที่กำหนด โดยส่วนใหญ่ใช้เพื่อควบคุมและป้องกันวงจรและอุปกรณ์ สวิตช์เกียร์สามารถแบ่งออกเป็นสวิตช์เกียร์แรงดันสูง (แบบติดตั้งอยู่กับที่และแบบเคลื่อนย้ายได้) และสวิตช์เกียร์แรงดันต่ำ (แบบติดตั้งอยู่กับที่และแบบลิ้นชัก) ตามระดับแรงดันไฟฟ้าของสายส่งเข้าและออก
โครงสร้างของอุปกรณ์สวิตช์เกียร์แรงดันสูงโดยทั่วไปจะคล้ายคลึงกัน โดยแบ่งออกเป็นห้องบัสบาร์ ห้องเบรกเกอร์ ห้องควบคุมรอง (ห้องเครื่องมือ) และห้องป้อนไฟ โดยทั่วไปจะมีแผ่นเหล็กกั้นระหว่างแต่ละห้อง ส่วนอุปกรณ์สวิตช์เกียร์แรงดันต่ำนั้น ส่วนใหญ่จะจำแนกตามวิธีการติดตั้งส่วนประกอบ

KYN28A-12 สวิตช์เกียร์แรงดันสูงแบบติดตั้งตรงกลางหุ้มเกราะ

ตู้สวิตช์แรงดันต่ำแบบติดตั้งถาวร GGD

ตู้สวิตช์แบบดึงออกแรงดันต่ำ MNS

KYN61-40.5 สวิตช์เกียร์หุ้มเกราะแบบถอดได้ทำจากโลหะ

ตู้สวิตช์แบบดึงออกแรงดันต่ำ GCK

ส่วนประกอบภายในประกอบด้วย: บัสบาร์ (busbar), เบรกเกอร์วงจร, รีเลย์แบบธรรมดา, อุปกรณ์ป้องกันรีเลย์แบบรวม, เครื่องมือวัด, มีดตัดวงจร, ไฟแสดงสถานะ, มีดต่อลงดิน เป็นต้น

1. ตู้สายส่งขาเข้า หรือเรียกอีกอย่างว่า ตู้รับพลังงานไฟฟ้า เป็นอุปกรณ์ที่ใช้รับพลังงานไฟฟ้าจากโครงข่ายไฟฟ้า (จากสายส่งขาเข้าสู่บัสบาร์) โดยทั่วไปจะติดตั้งอุปกรณ์ต่างๆ เช่น เบรกเกอร์วงจร, หม้อแปลงกระแส (CT), หม้อแปลงแรงดัน (PT), ใบมีดตัดวงจร และส่วนประกอบอื่นๆ

2. ตู้จ่ายไฟขาออก หรือที่เรียกว่าตู้ป้อนไฟ หรือตู้จ่ายไฟ เป็นอุปกรณ์ที่ใช้ในการกระจายพลังงานไฟฟ้า (จากบัสไปยังสายส่งแต่ละสาย) และโดยทั่วไปจะติดตั้งอุปกรณ์ต่างๆ เช่น เบรกเกอร์วงจร หม้อแปลงกระแส หม้อแปลงแรงดัน ใบมีดตัดวงจร และส่วนประกอบอื่นๆ

3. การเชื่อมต่อรถโดยสารประจำทาง
เรียกอีกอย่างว่าตู้เบรกเกอร์บัส เป็นอุปกรณ์ที่ใช้เชื่อมต่อบัสสองส่วน (จากบัสหนึ่งไปยังอีกบัสหนึ่ง) การเชื่อมต่อบัส มักใช้ในระบบบัสเดี่ยวและระบบบัสคู่ เพื่อตอบสนองความต้องการหรือการรับประกันของผู้ใช้ในการเลือกโหมดการทำงานที่แตกต่างกัน รวมถึงการตัดโหลดแบบเลือกได้ในกรณีที่เกิดความล้มเหลว

4. ตู้หม้อแปลงแรงดัน (PT cabinet voltage transformer cabinet) โดยทั่วไปจะติดตั้งบนบัสบาร์โดยตรงเพื่อตรวจจับแรงดันบัสบาร์และทำหน้าที่ป้องกัน โดยส่วนใหญ่จะติดตั้งหม้อแปลงแรงดัน (PT), ใบมีดตัดวงจร, ฟิวส์ และอุปกรณ์ป้องกันฟ้าผ่า เป็นต้น ไว้ภายใน

5. ตู้แยกวงจรใช้สำหรับแยกบัสบาร์ที่ปลายทั้งสองด้าน หรือแยกอุปกรณ์รับพลังงานออกจากอุปกรณ์จ่ายพลังงาน ช่วยให้ผู้ปฏิบัติงานมองเห็นจุดสิ้นสุดได้ชัดเจน เพื่ออำนวยความสะดวกในการบำรุงรักษาและซ่อมแซม เนื่องจากตู้แยกวงจรไม่มีความสามารถในการตัดและต่อกระแสโหลด จึงไม่สามารถผลักหรือดึงรถเข็นของตู้แยกวงจรได้เมื่อเบรกเกอร์ที่ต่อกับตู้ปิดอยู่ โดยทั่วไปแล้ว จำเป็นต้องตั้งค่าระบบล็อกระหว่างหน้าสัมผัสเสริมของเบรกเกอร์กับรถเข็นที่แยกวงจร เพื่อป้องกันการใช้งานผิดพลาดโดยผู้ปฏิบัติงาน

6. ตู้ตัวเก็บประจุ หรือที่เรียกว่าตู้ชดเชยกำลังไฟฟ้า ใช้เพื่อปรับปรุงค่าตัวประกอบกำลังของระบบไฟฟ้า หรือเพื่อชดเชยกำลังไฟฟ้าเชิงปฏิกิริยา ส่วนประกอบหลักคือกลุ่มของชุดตัวเก็บประจุ วงจรควบคุมการสวิตช์ และฟิวส์ที่ต่อขนานกัน เพื่อป้องกันเครื่องใช้ไฟฟ้า โดยทั่วไปจะติดตั้งขนานกับตู้จ่ายไฟหลัก สามารถใช้งานตู้ตัวเก็บประจุได้หนึ่งตู้หรือมากกว่านั้นแบบขนานกัน หลังจากที่ตู้ตัวเก็บประจุถูกตัดการเชื่อมต่อจากระบบไฟฟ้าแล้ว เนื่องจากชุดตัวเก็บประจุใช้เวลาสักพักในการคายประจุ จึงไม่ควรสัมผัสส่วนประกอบภายในตู้โดยตรง โดยเฉพาะอย่างยิ่งชุดตัวเก็บประจุ ภายในระยะเวลาที่กำหนดหลังจากตัดไฟ (ขึ้นอยู่กับความจุของชุดตัวเก็บประจุ เช่น 1 นาที) ห้ามต่อกลับเข้าไปใหม่เพื่อหลีกเลี่ยงความเสียหายจากแรงดันเกินต่อตัวเก็บประจุ เมื่อทำการควบคุมอัตโนมัติ ควรให้ความสำคัญกับการจัดสรรเวลาการสวิตช์ของแต่ละกลุ่มชุดตัวเก็บประจุอย่างเหมาะสม เพื่อหลีกเลี่ยงความเสียหายต่อตัวเก็บประจุบางกลุ่มในขณะที่กลุ่มอื่น ๆ ไม่ค่อยได้สวิตช์

7. ตู้วัดขนาด

โดยหลักแล้วใช้สำหรับวัดพลังงานไฟฟ้า (kWh) และแบ่งออกเป็นแรงดันสูงและแรงดันต่ำ โดยทั่วไปจะติดตั้งร่วมกับสวิตช์ตัดวงจร ฟิวส์ หม้อแปลงกระแส (CT) หม้อแปลงแรงดัน (PT) มิเตอร์วัดกำลังไฟฟ้าจริง (มิเตอร์แบบดั้งเดิมหรือมิเตอร์ดิจิทัล) มิเตอร์วัดกำลังไฟฟ้าเสมือน รีเลย์ และอุปกรณ์เสริมอื่นๆ (เช่น เครื่องตรวจสอบโหลด เป็นต้น)
8. ตู้ GIS หรือที่เรียกว่าตู้ไฟฟ้ารวมแบบปิด คือตู้ที่รวมอุปกรณ์ต่างๆ ไว้ด้วยกัน เช่น เบรกเกอร์วงจร สวิตช์แยก สวิตช์ลงดิน CT, PT อุปกรณ์ป้องกันประกายไฟ บัสบาร์ ฯลฯ ในเปลือกโลหะ จากนั้นใช้ก๊าซที่มีฉนวนที่ดีและประสิทธิภาพในการดับประกายไฟ (โดยทั่วไปใช้ซัลเฟอร์เฮกซาฟลูออไรด์ SF6) เป็นฉนวนกั้นระหว่างเฟสและกราวด์ เหมาะสำหรับระบบส่งไฟฟ้าแรงสูงและกำลังสูง ใช้สำหรับการจ่ายและควบคุมพลังงาน
9. เมื่อเบรกเกอร์ทำงานตามปกติ เบรกเกอร์จะอยู่ในสถานะปิด (ยกเว้นในกรณีพิเศษ) และวงจรจะเชื่อมต่ออยู่ เมื่อทำการควบคุมอัตโนมัติหรือควบคุมการป้องกัน เบรกเกอร์สามารถทำงานภายใต้การควบคุมของอุปกรณ์ป้องกันแบบครบวงจรเพื่อตัดหรือเชื่อมต่อวงจรได้ เบรกเกอร์ไม่เพียงแต่สามารถเปิดและปิดกระแสโหลดปกติได้เท่านั้น แต่ยังสามารถทนต่อกระแสลัดวงจรได้ในช่วงเวลาหนึ่ง (หลายเท่าหรือหลายสิบเท่าของกระแสทำงานปกติ) ตัดกระแสลัดวงจร และตัดวงจรและอุปกรณ์ที่ชำรุด ดังนั้น หน้าที่หลักของเบรกเกอร์คือการตัดและต่อวงจร (รวมถึงการตัดและต่อกระแสปกติ การตัดกระแสลัดวงจร) เนื่องจากในกระบวนการตัดและต่อวงจร จะเกิดประกายไฟขึ้นระหว่างหน้าสัมผัสที่เคลื่อนที่และหน้าสัมผัสคงที่ของเบรกเกอร์อย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ เพื่อป้องกันหน้าสัมผัส ลดการสูญเสียวัสดุสัมผัส และตัดวงจรได้อย่างน่าเชื่อถือ จึงต้องมีมาตรการในการดับประกายไฟโดยเร็วที่สุด หนึ่งในวิธีการนั้นคือการใช้สารดับอาร์คที่แตกต่างกันเพื่อเติมลงในหน้าสัมผัสเคลื่อนที่และหน้าสัมผัสคงที่ของเบรกเกอร์วงจร ตามชนิดของสารดับอาร์ค เบรกเกอร์วงจรสามารถแบ่งออกได้เป็น: เบรกเกอร์วงจรแบบใช้น้ำมัน (น้ำมันมาก น้ำมันน้อย), เบรกเกอร์วงจรแบบใช้ซัลเฟอร์เฮกซาฟลูออไรด์ (SF6), เบรกเกอร์วงจรแบบสุญญากาศ, เบรกเกอร์วงจรแบบใช้ลม เป็นต้น อุปกรณ์หลักในสวิตช์เกียร์แรงดันสูงและต่ำที่เรามักพบเจอในโครงการคือเบรกเกอร์วงจร เนื่องจากหน้าสัมผัสเคลื่อนที่และหน้าสัมผัสคงที่ของเบรกเกอร์วงจรโดยทั่วไปจะถูกห่อหุ้มด้วยภาชนะที่บรรจุสารดับอาร์ค สถานะการเปิดและปิดของเบรกเกอร์วงจรจึงไม่สามารถตรวจสอบได้โดยตรง โดยปกติแล้วจะต้องตรวจสอบผ่านอุปกรณ์เสริมของเบรกเกอร์วงจร (เช่น ตัวชี้ตำแหน่งการเปิดและปิด เป็นต้น)

10. มีดผ่าตัดแยกส่วน

มีดตัดวงจร (หรือสวิตช์ตัดวงจร) สามารถระบุการเชื่อมต่อหรือการตัดการเชื่อมต่อได้จากรอยแตกที่เห็นได้ชัด โดยส่วนใหญ่ใช้เพื่อแยกแหล่งจ่ายไฟแรงสูงเพื่อให้มั่นใจในการบำรุงรักษาสายไฟและอุปกรณ์อย่างปลอดภัย กระแสไฟฟ้าที่สามารถตัดได้มีขนาดเล็กมาก (โดยปกติเพียงไม่กี่แอมแปร์) เนื่องจากไม่มีอุปกรณ์ดับประกายไฟโดยเฉพาะ จึงไม่สามารถใช้ตัดกระแสไฟฟ้าลัดวงจรและกระแสไฟฟ้าทำงานปกติได้ และไม่อนุญาตให้ทำการตัดวงจรขณะมีโหลด

11. ฟิวส์

ฟิวส์เป็นอุปกรณ์ไฟฟ้าป้องกันวงจรอย่างง่าย หลักการทำงานของมันคือ เมื่อกระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านฟิวส์ถึงหรือเกินค่าที่กำหนดเป็นระยะเวลาหนึ่ง ฟิวส์จะละลายและตัดวงจร หลักการทำงานของมันง่าย ติดตั้งง่าย โดยทั่วไปแล้วจะไม่ใช้เพียงอย่างเดียว แต่จะใช้ร่วมกับอุปกรณ์ไฟฟ้าอื่นๆ เป็นหลัก ลักษณะการทำงานหลักๆ มีดังนี้: ประการแรก กระแสไฟฟ้าต้องถึงค่าที่กำหนด ซึ่งถูกกำหนดไว้ก่อนที่ฟิวส์จะออกจากโรงงานและไม่สามารถเปลี่ยนแปลงได้ ประการที่สอง ต้องผ่านไปในช่วงเวลาที่กำหนดหลังจากที่กระแสไฟฟ้าถึงค่าที่กำหนด ซึ่งก็ถูกกำหนดโดยผู้ผลิตและไม่สามารถเปลี่ยนแปลงได้เช่นกัน แต่มีหลายประเภท เช่น แบบหน่วงเวลา แบบเร็ว แบบเร็วมาก เป็นต้น ประการที่สาม หากตัวฟิวส์เสียหายหลังจากการทำงานแล้ว จะไม่สามารถนำกลับมาใช้ใหม่ได้และต้องเปลี่ยนใหม่ การตรวจสอบว่าฟิวส์ขาดหรือไม่ สามารถดูได้จากไฟแสดงสถานะของฟิวส์หรือลักษณะการละลาย ฟิวส์และท่อป้องกันที่ใช้กันทั่วไปจัดอยู่ในประเภทของอุปกรณ์ไฟฟ้านี้

12. สวิตช์โหลด
สวิตช์โหลดมีอุปกรณ์ดับอาร์คแบบง่ายๆ โดยทั่วไปแล้ว สารดับอาร์คคืออากาศ ซึ่งสามารถตัดและต่อกระแสไฟฟ้าบางประเภทและกระแสเกินได้ แต่ไม่สามารถตัดกระแสลัดวงจรและไม่สามารถใช้ตัดวงจรลัดวงจรได้ ดังนั้นจึงไม่อนุญาตให้ใช้สวิตช์โหลดแทนเบรกเกอร์วงจรโดยเด็ดขาด หากจะใช้สวิตช์โหลด จะต้องใช้ร่วมกับฟิวส์แรงดันสูงที่กล่าวมาข้างต้น (ในความเป็นจริง ฟิวส์และสวิตช์โหลดมักใช้ต่ออนุกรมกันเพื่อป้องกันการโอเวอร์โหลดแบบง่ายๆ เพื่อลดต้นทุนโครงการ) สวิตช์โหลดมีลักษณะคล้ายกับมีดตัดวงจร และมีช่องว่างการตัดที่ชัดเจน ทำให้สามารถตรวจสอบได้ง่ายว่าวงจรอยู่ในสถานะเปิดหรือปิด

13. หม้อแปลงไฟฟ้า

กล่าวโดยง่าย หม้อแปลงไฟฟ้าคืออุปกรณ์ที่ใช้สนามแม่เหล็กไฟฟ้าสลับเพื่อแปลงระดับแรงดันไฟฟ้าที่แตกต่างกัน (จริงๆ แล้วคือการแปลงพลังงานไฟฟ้า) โดยแรงดันไฟฟ้าก่อนและหลังการแปลงจะไม่เปลี่ยนแปลงในความถี่ ตามการใช้งาน สามารถแบ่งออกได้เป็นหลายประเภท เช่น หม้อแปลงไฟฟ้ากำลัง หม้อแปลงกระแสสลับ หม้อแปลงควบคุมแรงดันไฟฟ้า หม้อแปลงแยก และ CT, PT เป็นต้น สิ่งที่เราพบเห็นได้บ่อยในสถานที่ก่อสร้างคือหม้อแปลงไฟฟ้ากำลัง
พารามิเตอร์ทางเทคนิคหลักบางประการที่เกี่ยวข้องกับหม้อแปลงไฟฟ้า ได้แก่: ① กำลังไฟฟ้าพิกัด: หมายถึงกำลังไฟฟ้าขาออกพิกัดของหม้อแปลงไฟฟ้าภายใต้สภาวะการทำงานพิกัด (เท่ากับ U×I ในหน่วย KVA); ② แรงดันไฟฟ้าพิกัด: แรงดันขณะไม่มีโหลด แรงดันที่จุดต่อพิกัด และแรงดันที่ขั้ว ③ การสูญเสียขณะไม่มีโหลด: การสูญเสียของหม้อแปลงไฟฟ้าภายใต้สภาวะไม่มีโหลด (เรียกอีกอย่างว่าการสูญเสียเหล็ก); ④ กระแสขณะไม่มีโหลด: กระแสที่ไหลผ่านขดลวดด้านปฐมภูมิภายใต้สภาวะไม่มีโหลด; ⑤ การสูญเสียจากการลัดวงจร: การสูญเสียที่เกิดจากกระแสพิกัดด้านปฐมภูมิและการลัดวงจรด้านทุติยภูมิ (ส่วนใหญ่เกิดจากความต้านทานของขดลวด); ⑥ แนวคิดของการต่อจุด (แท็ป): เพื่อให้ตรงกับความต้องการในการทำงานของระบบไฟฟ้า ด้านแรงดันสูงของหม้อแปลงไฟฟ้าทั่วไปจะมีจุดต่อ และค่าแรงดันของจุดต่อเหล่านี้จะแสดงเป็นเปอร์เซ็นต์ของแรงดันไฟฟ้าพิกัด เรียกว่าแรงดันที่จุดต่อ ตัวอย่างเช่น หม้อแปลงไฟฟ้าแรงสูง 10KV มีแท็ป ±5% ซึ่งหมายความว่าหม้อแปลงสามารถทำงานได้ที่ระดับแรงดันสามระดับ ได้แก่ 10.5KV (+5%), 10KV (พิกัด), 9.5KV (-5%) โดยทั่วไปแล้ว จำนวนแท็ป (จุดแท็ป) ของหม้อแปลงแบบปรับแท็ปขณะใช้งานจะมีมากกว่า เช่น 7 แท็ป (±3×2.5%) และ 9 แท็ป (±4×2%) เนื่องจากไม่สามารถรับประกันการสลับแบบซิงโครนัสของตัวเปลี่ยนแท็ปได้อย่างสมบูรณ์ หม้อแปลงแบบปรับแท็ปขณะใช้งานจึงโดยทั่วไปไม่สามารถใช้งานแบบขนานได้ ⑦ โหลดแอคทีฟ: โหลดที่สร้างพลังงานจากเครื่องจักรหรือพลังงานความร้อนในระบบไฟฟ้า แต่โหลดที่มีความต้านทานอย่างเดียวจะใช้เฉพาะกำลังแอคทีฟ เช่น เครื่องทำความร้อนไฟฟ้า เตาไฟฟ้า ไฟส่องสว่าง และโหลดไฟฟ้าอื่นๆ ถือเป็นโหลดแอคทีฟโดยสมบูรณ์ โหลดของมอเตอร์อะซิงโครนัสและมอเตอร์ซิงโครนัสจะใช้ทั้งกำลังแอคทีฟและกำลังรีแอคทีฟ โดยส่วนที่สร้างพลังงานจากเครื่องจักรด้วยการทำงานนั้นถือเป็นโหลดแอคทีฟ กำลังไฟฟ้าจริง (Active Power Load): จะต้องได้รับพลังงานจากเครื่องกำเนิดไฟฟ้า ⑧ กำลังไฟฟ้าเสมือน (Reactive Power Load): ส่วนของกำลังไฟฟ้าที่ไม่ทำงาน กำลังไฟฟ้าเสมือนจะถูกใช้เฉพาะในโหลดแบบเหนี่ยวนำ เช่น หม้อแปลง มอเตอร์ เครื่องปรับอากาศ ตู้เย็น เป็นต้น ดังนั้นในขณะที่เครื่องกำเนิดไฟฟ้าผลิตกำลังไฟฟ้าจริงออกมา ก็จำเป็นต้องผลิตกำลังไฟฟ้าเสมือนเพิ่มเติมด้วย เมื่อกำลังไฟฟ้าเสมือนไม่เพียงพอต่อความต้องการของระบบ แรงดันไฟฟ้าของระบบจะลดลง เพื่อตอบสนองความต้องการของผู้ใช้ จึงต้องติดตั้งอุปกรณ์ชดเชยกำลังไฟฟ้าเสมือนในสถานีไฟฟ้าย่อยเพื่อรักษาสมดุลของกำลังไฟฟ้าเสมือน เพื่อรักษาระดับแรงดันไฟฟ้า ⑨ กำลังสำรองฉุกเฉิน (Accident Reserve): หนึ่งในส่วนประกอบของกำลังสำรองในระบบไฟฟ้า เนื่องจากอุปกรณ์ผลิตไฟฟ้าอาจเกิดความล้มเหลวชั่วคราวหรือถาวรซึ่งส่งผลกระทบต่อการจ่ายไฟ ระบบจึงต้องมีแหล่งพลังงานสำรองฉุกเฉินจำนวนหนึ่งเพื่อความปลอดภัยของระบบไฟฟ้า ⑩การแยกส่วนระบบ: เพื่อป้องกันไม่ให้ระบบทำงานผิดพลาดและเกิดอุบัติเหตุขยายตัว ระบบไฟฟ้าจะถูกแยกออกเป็นระบบอิสระหลายระบบที่ไม่ทำงานพร้อมกันอีกต่อไป ระบบบางส่วนอาจประสบปัญหาไฟดับหลังจากการลดภาระ ทำให้ความถี่และแรงดันไฟฟ้าลดลง ดังนั้นจึงจำเป็นต้องถอดภาระบางส่วนออกเพื่อป้องกันไม่ให้เสถียรภาพของระบบโดยรวมเสียหาย