เรียนรู้เรื่องระบบไฟฟ้ากำลัง (2) Transformer

หม้อแปลงไฟฟ้ากำลัง

ประเภทของหม้อแปลงไฟฟ้ากำลัง
หม้อแปลงไฟฟ้ากำลัง แบ่งเป็น 2 กลุ่มใหญ่ คือ

• Auto-Transformer
• Isolating Transformer

1.Auto-Transformer

เป็นหม้อแปลงที่ขดลวดทางด้านขาเข้า หรือปฐมภูมิ (Primary) ยังมีการเชื่อมต่อทางไฟฟ้ากับขดลวดขาออก หรือทุติยภูมิ (Secondary) การวัดสามารถวัดได้โดยใช้ Ohm-Meter ได้ หรือหากเขียนเป็นวงจรสมมติ (Equivalent Circuit) ก็จะมีการแสดงเส้นเชื่อมต่อของวงจรไฟฟ้า จุดนี้มีความสำคัญที่จะแสดงว่าระบบสายดิน (Grounding System) ของ Primary และ Secondary ยังเป็นระบบเดียวกันอยู่ ประโยชน์หรือลักษณะการใช้งานของ Auto-Transformer พอสรุปได้ดังนี้

• ใช้ปรับค่าแรงดันไฟฟ้าให้ได้ตามที่ต้องการ 
• ใช้ในวงจรหรี่ไฟแสงสว่าง โดยเป็นวงจรง่ายๆ ที่ปรับค่าแรงดันไฟฟ้าให้ลดลง เพื่อให้กระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านหลอดไฟฟ้าชนิดมีไส้ลดลง แสงสว่างที่ได้ก็จะลดลง ปัจจุบันยังมีผลิตขายและนิยมใช้กับวงจรแสงสว่างค่า 300-500 Watts
• ใช้ในระบบ Motor Control โดยเฉพาะวงจร Start Motor ที่เรียกว่า Auto-Transformer Starter เป็นวิธีการหนึ่งของ Reduced Voltage Starting System

2.Isolating Transformer
เป็นหม้อแปลงไฟฟ้ากำลังที่ใช้กันทั่วไป โดยวงจรไฟฟ้าระหว่าง Primary winding แยกขาดออกจาก Secondary winding การเชื่อมต่อทำโดยผ่านวงจรแม่เหล็กไฟฟ้า นั่นคือ Equivalent circuit จะแยก Primary ขาดออกจาก Secondary อย่างชัดเจน และที่สำคัญคือระบบ Grounding ถูกแยกออกจากกันเป็น 2 ระบบ ทำให้ง่ายต่อการตรวจสอบ และคำนวณการลัดวงจรของระบบไฟฟ้า


ชนิดของหม้อแปลงไฟฟ้า
หม้อแปลงไฟฟ้ากำลังที่ใช้ทั่วไปในประเทศไทย ส่วนมากจะเป็นประเภท Isolating Transformer มีหลายชนิดดังนี้

• หม้อแปลงไฟฟ้าชนิดแห้ง (Dry Type)
• หม้อแปลงไฟฟ้าชนิดหล่อแห้ง (Cast-Rasin Type)
• หม้อแปลงไฟฟ้าชนิดก๊าซ (SF6 Type)
• หม้อแปลงไฟฟ้าชนิดแช่ในฉนวนทนไฟไหม้ (Synthetic-Liquid Immersed Type)
• หม้อแปลงไฟฟ้าชนิดแช่ในน้ำมัน

หม้อแปลงไฟฟ้าชนิดแห้ง (Dry Type)
     หม้อแปลงชนิดนี้มีประวัติการเริ่มใช้งานมายาวนานเรียกได้ว่าเป็นรุ่นแรกของหม้อแปลงไฟฟ้า โครงสร้างของหม้อแปลงไฟฟ้าค่อนข้างใหญ่ ฉนวนไฟฟ้าจะเป็นอากาศ และวัสดุประกอบบางอย่าง เช่น กระดาษ, วานิช เป็นต้น ความร้อนที่เกิดขึ้นจะระบายสู่อากาศโดยตรง มีความทนทานต่อการใช้งานดี
หม้อแปลงไฟฟ้าชนิดหล่อแห้ง (Cast-Resin Type)
     เป็นพัฒนาการอีกระดับหนึ่งของหม้อแปลงแบบแห้งที่เกิดขึ้น เมื่อมีการใช้งานทางเทคนิคของการหล่อแห้งแบบเสริมใยแก้ว (Reinforce fiber glass) เทคนิคการผลิตมีหลายรูปแบบ พอสรุปได้ดังนี้

• High voltage coil

     -การหล่อในสุญญากาศ (Vacuum cast)
     -การพันฉนวนโดย Fiber glass พร้อม Resin

• Low voltage coil

     -การหล่อในสุญญากาศ (Vacuum cast)
     -การพันฉนวนโดยวิธีเดียวกับหม้อแปลงชนิดแห้ง
     ข้อสำคัญในการผลิต คือวิธีการลดฟองอากาศใน Resin ให้เหลือน้อยที่สุด เพราะฟองอากาศใน Resin คือตัวแปรสำคัญที่ทำให้เกิด Insulation Failure ของหม้อแปลงชนิดนี้ วิธีการหนึ่งที่ใช้ คือหล่อแห้งในสุญญากาศ เพื่อดูดฟองอากาศออกจากเนื้อ Resin ก่อนเกิดการแข็งตัว ส่วนวิธีการพันนั้น จะต้องมีเทคนิดในการเสริมค่าความเป็นฉนวนของเนื้อ Resin มากขึ้น 
หม้อแปลงไฟฟ้าชนิดก๊าซ (SF6 Type)
     มีการพัฒนานำ SF6 มาเป็นฉนวนไฟฟ้าครั้งแรก โดยการเริ่มใช้ในอุปกรณ์ Extra High voltage switchgear ภายหลังเมื่อราคา และเทคนิคการใช้ SF6 เริ่มถูกลงจึงเริ่มมาใช้กับอุปกรณ์ Medium voltage switchgear และใช้ในหม้อแปลงไฟฟ้า 
     ข้อดีของหม้อแปลงชนิดนี้ คือรับแรงที่เกิดจาก Short circuit ได้ดี ลดปัญหาในการซ่อมบำรุง ยกเว้นแต่การตรวจสอบแรงดันก๊าซ ให้อยู่ในระดับปกติ ในกรณีที่เกิดก๊าซรั่วจะมีอุปกรณ์เตือนและสุดท้ายจะตัดหม้อแปลงไฟฟ้าออกจากการใช้งาน
หม้อแปลงไฟฟ้าชนิดแช่ในฉนวนทนไฟไหม้ (Synthetic-Liquid immersed Type)
     เป็นการพัฒนาที่เกิดขึ้้น เพื่อแก้ไขปัญหาของหม้อแปลงชนิดแช่ในน้ำมัน ซึ่งเป็นเชื้อเพลิง และเกิดเพลิงไหม้ กรณีเกิดการ Short circuit รุนแรง ดังนั้น จึงนำฉนวนที่เรียกว่า Askaral มาแทนน้ำมัน โดย Askaral มีคุณสมบัติเป็นฉนวนไฟฟ้า สามารถถ่ายเทความร้อนได้ดี ไม่มีคุณสมบัติของการเป็นเชื้อเพลิง แต่ภายหลังได้พบว่า Askaral สร้างปัญหาเกี่ยวกับมลภาวะ จึงคิด Silicon liquid ขึ้นมาใช้แทน
หม้อแปลงไฟฟ้าชนิดแช่ในน้ำมัน (Oil Immersed Type)
     หม้อแปลงชนิดนี้ใช้ Mineral oil เป็นฉนวนไฟฟ้าและถ่ายเทความร้อนจากลวดทองแดง, แกนเหล็กออกสู่ภายนอก พัฒนาการของหม้อแปลงเริ่มมานาน สามารถใช้ได้ในระดับ High voltage ถึง 230 KV (Power Transformer) เนื่องจากหม้อแปลงชนิดนี้มีราคาถูก จึงนิยมแพร่หลาย โดยเฉพาะอย่างยิ่ง Distribution Transformer ที่ใช้ติดตั้งบนเสาทั่วประเทศ
     หม้อแปลงชนิดนี้ โดยทั่วไปมี 2 แบบ คือ

• แบบ Seal-Tank ถังน้ำมันปิดสนิท ภายหลังจากการเติมน้ำมันเรียบร้อยแล้ว
• แบบ Conservator Tank เป็นชนิดที่ประกอบด้วยถังน้ำมันสำรองเหนือตัวหม้อแปลง

ในปัจจุบัน การไฟฟ้าส่วนภูมิภาคได้เริ่มกำหนดให้ใช้แบบ Hermetically Seal-Tank เพราะให้ความสะดวกในการดูแล คือไม่ต้องคอยดูระดับน้ำมัน และมีอุปกรณ์ตรวจจับความชื้น (Silica gel) 


อุปกรณ์ประกอบของหม้อแปลงที่สำคัญ

• Transformer Tap-changer

     เป็นอุปกรณ์ที่ใช้ปรับระดับแรงดันไฟฟ้าแรงสูงขาเข้า โดยทั่วไป สำหรับ Distribution Transformer จะเป็นแบบ Manual Tap-changer ขนาดระดับเป็น 2.5% ของระดับแรงดันปกติ Manual Tap-changer จะเป็นชนิด Off-load Tap-changer หรือจะต้องหยุดการจ่ายไฟฟ้า เพื่อทำการเปลี่ยน Tap-changer ของหม้อแปลง เพื่อป้องกันการกระโดดของกระแสไฟฟ้า
     ในส่วนของ Power Transformer นั้น Tap-changer ส่วนใหญ่จะเป็น On-load automatic tap-changer คือ สามารถเปลี่ยน Tap ได้อัตโนมัติ โดยที่หม้อแปลงยังคงจ่ายไฟฟ้าตามปกติ จะไม่มีกระแสไฟฟ้ากระโดดข้าม Tap เพราะอุปกรณ์จะมีจังหวะต่อ Tap เดิม ขณะเดียวกันก็มีการต่อ Tap ใหม่ เมื่อต่อได้เรียบร้อยแล้ว จะปล่อย Tap เก่าออก การสั่งเปลี่ยน Tap อัตโนมัติ ทำโดยอุปกรณ์ตรวจจับแรงดันไฟฟ้า

• Temperature Sensor

     อาการผิดปกติของหม้อแปลงไฟฟ้าเกี่ยวกับการจ่ายกำลังไฟฟ้า จะแสดงออกทางด้านอุณหภูมิ Temperature sensor จะถูกฝังในบริเวณที่เรียกว่า Hot spot หรือจุดที่ความร้อนจะถูกสะสม และร้อนที่วุดของหม้อแปลง
     หม้อแปลงชนิดน้ำมัน Hot spot จะอยู่บริเวณด้านบนของถังในส่วนที่เหนือขดลวดทองแดง อุปกรณ์ตรวจจับส่วนใหญ่จะใช้ Dial thermometer 
     หม้อแปลงชนิด Cast resin hot spot จะอยู่ที่ช่องระหว่าง High voltage coil และ Low voltage coil ช่วงบนของ coil กลาง อุปกรณ์วัดจะใช้แท่ง Thermistor เสียบไว้ที่ coil ทั้ง 3 ชุด และต่อเข้า Temperature relay

• Buchholz relay

     เป็นอุปกรณ์ที่ใช้ป้องกันหม้อแปลงไฟฟ้าชนิดน้ำมัน โดยอาศัยหลักการของการเกิดก๊าซจากน้ำมัน ในขณะที่หม้อแปลงเกิดผิดปกติหรือเกิด Short circuit อย่างรุนแรงที่ภายนอกหม้อแปลง อุปกรณ์จะติดตั้งอยู่ที่ท่อน้ำมันระหว่างตัวถังหม้อแปลงไฟฟ้ากับ Conservator tank ก๊าซที่เกิดในถังจะลอยขึ้นสู่ Conservator tank และจะถูกดักจับโดย Buchholz relay ปริมาณของก๊าซที่ถูกดักจับได้ในระดับที่ 1 จะทำให้มีสัญญาณส่งไปเตือน และหากก๊าซมีมากจนถึงระดับที่ 2 จะมีค่าสั่งไปตัดหม้อแปลงไฟฟ้าออกจากการทำงาน

•  Dessicator

     หรือที่เรียกว่า Silica gel เป็นอุปกรณ์ที่ต่อไว้ดักความชื้นระหว่างอากาศภายนอก Conservator tank และอากาศภายใน Conservator tank ในสภาพปกติของ Silica gel จะเป็นเม็ดสีน้ำเงิน และเมื่อดูดความชื้นสีจะเปลี่ยนไปจากเดิมเป็นสีน้ำตาลแดง การทำให้กลับคืนสู่สภาพสีน้ำเงิน ทำได้โดยการนำไปอบแห้งไล่ความชื้นออกจากเนื้อ Silica gel

• Level indicator and alarm

     ในกรณีของหม้อแปลงน้ำมันที่ Conservator tank จะมี Magnetic oil level indicator with alarm contact เมื่อระดับน้ำมันต่ำกว่าค่าที่กำหนดจะมีการส่งสัญญาณเตือน เพื่อให้ผู้ใช้งานได้ทำการตรวจสอบอาการผิดปกติที่เกิดขึ้น

ค่าทางเทคนิคที่ควรทราบ

• Rated voltage เป็นการกำหนดค่าแรงดันไฟฟ้าด้านขาเข้า (Primary) และขาออก (Secondary) ของหม้อแปลงไฟฟ้า
• Impedance voltage เป็นค่าตัวเลขที่จะต้องนำไปใช้ในการคำนวณหาค่า Short circuit current ทางด้านไฟฟ้าขาออก (Secondary)
• ค่าความสูญเสียของหม้อแปลง(Loss) เป็นค่าตัวเลขที่สามารถนำไปเปรียบเทียบประสิทธิภาพของหม้อแปลงไฟฟ้าได้ หม้อแปลงที่ดีจะต้องมีค่าความสูญเสียที่ต่ำ ค่าที่น่าสนใจมี 2 ค่า คือ No load loss และ Load loss
• Vector group เป็นค่าที่แสดงลักษณะของการต่อของขดลวด ทั้งด้านขาเข้าและขาออก เพื่อแสดง Phase shift เช่น Dyn5 หมายถึง ด้านขาเข้าต่อแบบ Delta ด้านขาออกต่อแบบ Star โดยมีการต่อ Neutral ออกมาใช้งาน เลข 5 เมื่อคูณ 30 องศา (เลข 1 เท่ากับ 30 องศา) จะเท่ากับ 150 องศา นั้นคือ จะมี Phase shift ของ Voltage ที่ไฟด้านขาออกเทียบกับไฟด้านขาเข้ามีมุมเป็น 150 องศา

**********************************************