เรื่องของหม้อแปลงไฟฟ้า
หลักการทำงานเบื้องต้น
หม้อแปลงไฟฟ้าที่ใช้กันอยู่ในทุกวันนี้ ส่วนประกอบที่สำคัญของ Transformer หรือหม้อแปลงไฟฟ้ามีอยู่ 3 ส่วนได้แก่
แกนแม่เหล็ก,ขดลวดทางด้านปฐมภูมิ และขดลวดด้านทางทุติยภูมิ
อัตราส่วนระหว่างจำนวนของขดลวดทางด้านปฐมภูมิและทางด้านทุติยภูมิจะเป็นตัวกำหนดว่า
ค่าแรงดันไฟฟ้าจากต้นทางนั้นจะถูกเพิ่มขึ้น,ลดลงหรือมีค่าคงที่
ไฟฟ้ากระแสสลับที่ไหลผ่านขดลวดปฐมภูมิจะทำให้แกนของทรานสฟอร์เมอร์กลายเป็นแม่เหล็ก
และก่อให้เกิดแรงดันไฟฟ้าเหนี่ยวนำที่ขดลวดทางด้านทุติยภูมิ
แรงดันไฟฟ้าเหนี่ยวนำที่เกิดขึ้นนี้จะเป็นสัดส่วนกับอัตราส่วนของจำนวนขดลวดทางด้านปฐมภูมิ
วิธีกำหนดขนาดของหม้อแปลงอีกอย่างหนึ่งก็คือ
ใช้ค่าแรงดันไฟฟ้าคูณกับค่ากระแสทางด้านปฐมภูมิ
หรือทางด้านทุติยภูมิโดยเรียกเป็นค่า KVA หรือ
MVA
ดังนั้น
สมการขั้นพื้นฐานที่จะกำหนดความสัมพันธ์ของค่าแรงดันไฟฟ้ากับจำนวนขดลวดของทรานสฟอร์เมอร์จะสามารถเขียนได้ดังนี้คือ
n =E1/E2 = N1/N2
เมื่อ n = อัตราส่วนจำนวนรอบ (turns ratio)
E1 = ค่าแรงดันไฟฟ้าทางด้านปฐมภูมิ
E2 = ค่าแรงดันไฟฟ้าทางด้านทุติยภูมิ
N1 = จำนวนขดลวดทางด้านปฐมภูมิ
N2 = จำนวนขดลวดทางด้านทุติยภูมิ
ชนิดของทรานสฟอร์เมอร์ สามารถแบ่งออกได้ตามชนิดของฉนวน
และวิธีในการระบายความร้อน สำหรับการแบ่งตามชนิดของฉนวนนั้นแบ่งออกได้เป็น 2 ประเภทใหญ่ๆ คือประเภทที่ใช้ของเหลว และประเภทแห้ง
1.หม้อแปลงชนิดใช้ของเหลว
สำหรับหม้อแปลงชนิดที่ใช้ของเหลวจะแบ่งออกได้ดังนี้ คือ หม้อแปลงชนิดใช้น้ำมัน ในบรรดาหม้อแปลงชนิดที่ใช้ของเหลวด้วยกันแล้ว
หม้อแปลงที่มีราคาถูกที่สุดก็คือหม้อแปลงชนิดใช้น้ำมัน
(Oil filled transformer)ซึ่งมีขดลวดที่บรรจุอยู่ในตัวถังที่ไม่มีรอยรั่ว
และภายในบรรจุด้วยน้ำมันหม้อแปลง (mineral insulating oil)
น้ำมันของหม้อแปลงจะทำหน้าที่เป็นฉนวนระหว่างตัวถังของหม้อแปลงกับขดลวด
และระหว่างขดลวดกับแกนของหม้อแปลง
นอกจากนั้นยังทำหน้าที่เป็นตัวระบายความร้อน ที่จะรับความร้อนจากขดลวด
และส่งผ่านไปยังตัวถังของหม้อแปลง
ที่ตัวถังของหม้อแปลงนี้จะมีการทำครีบระบายความร้อน (cool fins) เพื่อให้ความร้อนระบายจากหม้อแปลงออกไป
แต่เนื่องจากน้ำมันดังกล่าวจุดติดไฟได้
ดังนั้นหม้อแปลงชนิดนี้จึงเหมาะสมสำหรับการใช้งานภายนอกอาคารเท่านั้น
หม้อแปลงชนิด อัสคาเรล (sakarel) จากปัญหาการจุดติดไฟของน้ำมันที่ใช้กับหม้อแปลงนี่เอง จึงได้มีการคิดค้นของเหลวชนิดใหม่ที่ไม่ติดไฟ
ซึ่งเป็นสารที่สังเคราะห์มาจาก โพลีคลอริเนตไบฟีนิล และรู้จักกันดีใจชื่อ อัสคาเรล
ต่อมาค้นพบว่า สารโพลีคอลิเนตไบฟีนิล หรือ PCB ที่อยู่ในสารอัสคาเรลดังกล่าวนี้เป็นสารที่เป็นพิษ
ทั้งในกรณีที่เกิดการเผาไหม้ หรือทิ้งไว้ในสภาพปกติก็ตาม นอกจากนั้นยังยากต่อการกำจัด
จึงมีผลให้รัฐบาลของประเทศต่าง ๆเริ่มห้ามนำหม้อแปลงชนิดนี้มาใช้งาน
จึงกล่าวได้ว่า
หม้อแปลงชนิดนี้ใช้อัสคาเรลเป็นหม้อแปลงชนิดที่ไม่มีการผลิต และนำมาใช้กันอีกต่อไป
ส่วนหม้อแปลงที่ยังคงมีใช้งานอยู่ก็จะสามารถนำไปใช้ได้จนสิ้นอายุขัยของหม้อแปลง
แล้วก็ถูกเปลี่ยนทดแทนโดยหม้อแปลงประเภทอื่น ๆ
หม้อแปลงชนิดบรรจุด้วยของเหลวที่ไม่ติดไฟชนิดอื่น
จากการใช้หม้อแปลงชนิดบรรจุด้วยสารอัสคาเรล
และมีการค้นพบว่าก่อให้เกิดปัญหาขึ้น
จึงได้มีการคิดค้นของเหลวประเภทอื่นที่ไม่ติดไฟมาใส่ในหม้อแปลงแทน
ของเหลวที่นิยมกันก็ได้แก่ โพลีอัลฟาโอลีฟินและซิลิโคน
แม้ว่าน้ำมันซิลิโคนนี้จะเกิดการลุกไหม้ได้ แต่มันก็จะเกิดการดับเอง
เนื่องมาจากสารซิลิเซียมไดออกไซด์
ที่เกิดขึ้นจากการลุกไหม้ของน้ำมันจะทำหน้าที่ในการดับเปลวเพลิง อย่างไรก็ตาม การนำน้ำมันซิลิโคนมาบรรจุในหม้อแปลงนั้นก็มีข้อเสียอื่นๆ อีกหลายประการ คือ น้ำมันซิลิโคนมีราคาสูงกว่าน้ำมันหม้อแปลงธรรมดา 8-10 เท่าและก็ยังมีราคาแพงกว่าอัสคาเรล ดังนั้นหม้อแปลงที่บรรจุด้วยน้ำมันซิลิโคน
จึงมีราคาสูงกว่าหม้อแปลงแบบเดิม น้ำมันซิลิโคนมีค่าความหนืดสูง ดังนั้นเมื่อเปรียบเทียบกับหม้อแปลงขนาดเดียวกันที่บรรจุด้วยสารเหลวชนิดอื่น
ดังที่ได้กล่าวไปแล้วค่า KVA จะลดลงไปประมาณ 5-10 % เนื่องจากน้ำมันซิลิโคนมีความสามารถในการระบายความร้อนน้อยกว่าน้ำมันชนิดอื่น
ดังนั้น จึงจะเห็นได้ว่า
หม้อแปลงที่บรรจุน้ำมันซิลิโคนนั้น สามารถแก้ปัญหาในเรื่องที่เกี่ยวกับอันตรายจากอัคคีภัย
หรือเพลิงไหม้ที่เกิดขึ้นจากน้ำมันหม้อแปลงได้เท่านั้นเอง
แต่ก็ยังมีปัญหาอื่นๆที่ยังคงเป็นข้อเสียของหม้อแปลงชนิดนี้อยู่
2.หม้อแปลงชนิดแห้ง
เป็นหม้อแปลงชนิดที่มีฉนวน
และแกนของหม้อแปลงล้อมรอบด้วยแก็ส แทนที่จะเป็นของเหลว ปกติแก็สที่ใช้นั้นก็คือ
อากาศนั่นเอง แต่ก็อาจจะเป็นแก็สชนิดอื่นได้เช่นกัน
ไม่ว่าจะเป็นแก็สไฮโดรคาร์บอน,แก็สฮาโลคาร์บอนหรือแก็สที่เป็นสารอนินทรีย์อย่างเช่น
แก็ส SF6
โดยหลักการแล้ว
หม้อแปลงแบบแห้งจะมีโครงสร้างคล้ายคลึงกับหม้อแปลงที่บรรจุด้วยของเหลว
แต่ที่แตกต่างกันก็คือ
น้ำมันจะถูกแทนที่ด้วยอากาศซึ่งจะทำหน้าที่เป็นตัวระบายความร้อน
และทำหน้าที่เป็นฉนวนบางส่วน
อย่างไรก็ตามเนื่องจากอากาศมีค่าความเป็นฉนวนค่อนข้างต่ำ
ดังนั้นจึงต้องช่วยเพิ่มความหนาของฉนวน หรือเพิ่มระยะห่างระหว่างขดลวด
ซึ่งจะช่วยชดเชยค่าความเป็นฉนวนของอากาศที่มีน้อย
ตามหลักการแล้วอากาศจะทำหน้าที่เป็นสื่อในการระบายความร้อนได้ด้วย
การนำความร้อนตามธรรมชาติ ซึ่งทำให้ความร้อนจากคอยล์ระบายออกไป
อากาศเย็นจะผ่านเข้าที่ช่องเปิดตอนล่างของคอยล์
หลังจากนั้นก็จะถูกทำให้มีอุณหภูมิสูงขึ้นและลอยขึ้นสู่ตอนบนซึ่งอากาศมีอุณหภูมิต่ำกว่า
หม้อแปลงแบบแห้งสามารถแบ่งประเภทออกได้ดังต่อไปนี้
- หม้อแปลงชนิดแห้งแบบธรรมดา (Conventional dry type transformer)
มีหลักการทำงานเช่นเดียวกับหม้อแปลงขนาดเล็กธรรมดานั่นเอง
คือ ประกอบด้วยส่วนแกน,ขดลวดทางด้วยปฐมภูมิและขดลวดทางด้านทุติยภูมิ
ซึ่งปกติแล้วจะทำมาจากแผ่นเหล็กที่มีคุณสมบัติเหมาะสมในการนำมาทำเป็นสื่อแม่เหล็กไฟฟ้า
เป็นเหล็กแผ่น cold
rolled siliconested หม้อแปลงแบบแห้งนี้
ถ้านำไปใช้ในสภาพที่แห้งและสะอาดก็จะสามารถใช้งานได้เป็นอย่างดี
อย่างไรก็ตามหม้อแปลงชนิดนี้ไม่เหมาะสำหรับการนำไปใช้ในบริเวณที่มีความชื้นสูง
หรือสภาพแวดล้อมที่ค่อยข้างสกปรก
- หม้อแปลงแบบแห้งชนิดหุ้มด้วยฉนวน (epoxy or cast resin dry type transformer) การเทสารอีป็อกซี่เพื่อเคลือบคอยล์ โดยจะมีการจัดเตรียมคอยล์ทางด้านแรงดันไฟฟ้าสูงและแรงดันไฟฟ้าต่ำแยกจากกัน หลังจากนั้นคอยล์ก็จะถูกนำไปบรรจุในตัวแม่พิมพ์สำหรับหล่อ ทั้งตัวคอยล์ และแม่พิมพ์นี้จะถูกนำไปบรรจุในถังสุญญากาศ ซึ่งมีสภาวะเป็นสุญญากาศประมาณ 1 ทอรร์ (เท่ากับแรงดันจากความสูงของลำปรอทสูงประมาณ 1 มิลลิเมตร) หลังจากนั้นก็เติมสารอีป็อกซี่เหลวเข้าไปในแม่แบบจนเต็ม จากนั้นก็นำแม่แบบออกจากถังสุญญากาศเข้าไปบรรจุไว้ในเตาอบแทน ซึ่งจะทำให้สารอีป็อกซี่แข็งตัวภายใต้ความร้อนสูง และทำหน้าที่ห่อหุ้มขดลวดไว้ทั้งหมด เมื่อเย็นลงก็จะถอดแม่แบบออกทำให้ได้ขดลวดที่มีสารอิป็อกซี่ห่อหุ้มอยู่ภายนอก เมื่อได้จัดเตรียมคอยล์ทั้งด้านแรงดันไฟฟ้าสูง และด้านแรงดันไฟฟ้าต่ำเสร็จเรียบร้อยแล้ว ก็จะนำตัวคอยล์นี้มาสวมรอบแกนเหล็กของหม้อแปลง โดยให้ขดลวดแรงดันไฟฟ้าต่ำสวมครอบแกนเหล็กก่อน หลังจากนั้นจึงสวมขดลวดแรงดันไฟฟ้าสูงครอบขดลวดแรงดันไฟฟ้าต่ำอีกทีหนึ่ง
สิ่งที่น่าสนใจเกี่ยวกับการผลิตหม้อแปลงแบบแห้งนี้ก็คือ
ขดลวดแรงดันไฟฟ้าต่ำนั้นนอกจากจะใช้ขดลวดทองแดงแล้วในปัจจุบันยังได้มีการนำเอาแผ่นอะลูมิเนียมมาพันรอบแกน
โดยมีฉนวนคั่นระหว่างแผ่นอะลูมิเนียมนั้นแต่ละรอบ
เพื่อให้ได้เป็นขดลวดแรงดันไฟฟ้าต่ำแทน จุดเด่นที่สำคัญที่สุดของหม้อแปลงชนิดเคลือบด้วยสารอีป็อกซี่นี้ก็คือความสามารถในการทนสภาพแวดล้อมที่ชื้นหรือค่อนข้างสกปรกได้เป็นอย่างดี
สารอีป็อกซี่ยังเป็นสารที่มีค่า shear หรือtensile strength ค่อนข้างสูง ทำให้ขดลวดมีคุณสมบัติดังกล่าวนี้สูงตามไปด้วย
หม้อแปลงชนิดแห้งที่หุ้มด้วยสารอีป็อกซี่
มีข้อดีหลายประการคือ
- มีความทนทานต่อความชื้น หรือสภาพแวดล้อมที่ค่อนข้างสกปรกได้เป็นอย่างดี
- เนื่องจากขดลวดของหม้อแปลงแบบนี้จะไม่ประสบปัญหาเนื่องจากความชื้น จึงสามารถเก็บไว้ได้เป็นเวลานาน โดยไม่ต้องทำการอบไล่ความชื้น
- ไม่ก่อให้เกิดอันตรายเนื่องจากไฟไหม้ เพราะหม้อแปลงไม่มีสารระบายความร้อน
- สามารถติดตั้ง ณ ที่ใดก็ได้ ไม่ประสบปัญหาเกี่ยวกับการที่จะต้องเตรียมบ่อกักเก็บน้ำมันดังเช่นหม้อแปลงที่ใช้น้ำมัน
- ลดปัญหาเกี่ยวกับการบำรุงรักษาหม้อแปลง เพราะหม้อแปลงชนิดนี้ไม่มีของเหลวที่ต้องคอยเปลี่ยนถ่าย ไม่มีตัวกรองความชื้นและไม่มีชิ้นส่วนที่เคลื่อนไหวอื่น ๆ
