การป้องกันหม้อแปลงไฟฟ้า (Protection of Transformer)

ในปัจจุบันได้มีการใช้หม้อแปลงไฟฟ้าขนาดใหญ่ๆ เป็นจำนวนมาก ซึ่งล้วนมีราคาแพง อีกทั้งเมื่อเกิดความเสียหายย่อมจะมีอันตรายอย่างรุนแรงเกิดขึ้นด้วย เราจึงควรจะมีระบบการป้องกันหม้อแปลงเพื่อทำการตรวจจับอาการผิดปกติที่เกิดขึ้นภายในหม้อแปลงขณะใช้งาน เมื่อตรวจพบเร็วที่สุดเท่าไหร่ ย่อมจะแก้ไขซ่อมแซมได้ทันท่วงที ก่อนที่หม้อแปลงราคาแสนแพงจะเสียหายจะซ่อมแซมไม่ได้

            ความผิดปกติของหม้อแปลงไฟฟ้าต่าง ๆพอจะสรุปได้ดังนี้

1.   Interturn fault เป็นความผิดปกติที่เกิดขึ้นระหว่างขดลวดในหม้อแปลง หรือมีการลัดวงจรระหว่างขดลวด สาเหตุอาจจะมาจากความชื้นของน้ำมันหรือฉนวนขดลวดสูงหรือเกิดจากแรงกระทำต่อขดลวด (mechanical force) ขณะที่มีการลัดวงจรภายนอกหม้อแปลง ทำให้มีกระแสไหลผ่านขดลวดสูงเป็นเวลานาน และยังอาจจะเกิดจากความร้อนภายในขดลวดเองด้วยที่ทำให้ฉนวนเสื่อมอายุ ในกรณีที่เกิดการลัดวงจรระหว่างขดลวดเพียงไม่กี่ขด จะทำให้กระแสลัดวงจรไหลวนอยู่ภายในขดลวดนั้นเป็นจำนวนมาก กระแสทางด้าน primary จะมีค่ากระแสลัดวงจรต่ำมาก จนไม่อาจจะตรวจจับความผิดปกติได้ ทั้งนี้เพราะมีค่าความแตกต่างของ transformation ratio สูงนั่นเอง ความผิดปกติของหม้อแปลงแบบนี้อาจจะตรวจจับโดยอาศัยความร้อนหรือตรวจจับทางก๊าซที่เกิดขึ้นจากสถิติที่ตรวจพบ ความเสียหายอย่างรุนแรงของหม้อแปลงไฟฟ้าประมาณ 70-80 % เริ่มต้นมาจาก inter-turn fault 

2.   Core faults แกนเหล็กของหม้อแปลงที่ทำจากแผ่นเหล็กบางๆประกอบกันนั้นจะสามารถทนต่อ Eddy-current มากผิดปกติ อันอาจจะเกิดจากการเสื่อมของฉนวนต่างๆย่อมจะทำให้เกิดความร้อนผิดปกติ กระแส core loss จะสูงขึ้น แต่ก็ไม่สามารถตรวจจับความผิดปกติทางกระแสในขดลวดปฐมภูมิ (primary) ได้ กรณีที่เป็นหม้อแปลงแบบน้ำมันแล้ว น้ำมันจะทำให้เกิดก๊าซขึ้น เราจึงอาจตรวจจับความผิดปกติโดยอาศัยก๊าซที่เกิดขึ้นนี้

3.   Earth fault ในกรณีที่ขดลวดทุติยภูมิ (secondary) ของหม้อแปลงต่อเป็นแบบ star โดยที่ neutral ต่อผ่าน impedance ก่อนลงดิน ขณะที่เกิดการลัดวงจรจากขดลวดลงสู่ดิน ค่าของกระแสลัดวงจรจะถูกจำกัดโดย earthing impedance ที่ต่ออยู่ และยังขึ้นอยู่กับระยะความห่างตามขดลวดจากจุด neutral ไปยังจุดลัดวงจรลงดิน 

     สำหรับขดลวดทุติยภูมิที่ต่อแบบ star และ neutral 
     ต่อโดยตรงลงสู่ดิน เมื่อเกิดการลัดวงจรจากขดลวดลงสู่ดิน 
     ค่าของกระแสลัดวงจรจะถูกควบคุมโดยค่าของ leskage 
     impedance ของขดลวด กับระยะทางตามขดลวดของจุด
     ลัดวงจรจากจุด neutral 

     นอกจากนี้ความผิดปกติที่ไม่พบบ่อยนักได้แก่ ลักษณะของ 
     phase fault ความสัมพันธ์ของกระแสจะคล้ายกับ
     ลักษณะ solidly earthed star winding

4.   สาเหตุภายนอกหม้อแปลง การใช้งานหม้อแปลงเกินกำลัง (over load)ย่อมจะทำให้เกิดความร้อนสูงขึ้นภายในขดลวดอันเกิดจากการที่ copper loss มีค่าสูงขึ้น การใช้งานหม้อแปลงเกินกำลังนี้ย่อมจะทำได้ในขนาดและเวลาที่จำกัด ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับความร้อนเริ่มต้นของการใช้งาน รวมทั้งระบบระบายความร้อนที่ใช้อยู่

     การเกิดการลัดวงจรของสายจ่ายภายนอกหม้อแปลง ย่อมจะ

     ทำให้มีกระแสไหลภายในขดลวดสูง copper loss จะมี    

     ค่าสูงขึ้นอย่างรวดเร็ว ความร้อนภายในหม้อแปลงก็จะสูงขึ้น 

     ตามไปด้วย นอกจากนี้ยังเกิดแรงเค้นทางกลขึ้นภายใน  

     หม้อแปลงด้วย

     การเกิด over voltage อันมาจากการเกิดฟ้าฝ่าลงยัง

     สายจ่ายกำลังไฟของหม้อแปลงอันเป็นสาเหตุที่พบได้โดย

     ทั่วไป การป้องกันสามารถทำได้โดยการติดตั้ง surge  

     arrester

     Power frequency over voltage ส่วนใหญ่จะไม่พบ 
     บ่อยนักในระบบจ่ายไฟฟ้าในประเทศไทย ในกรณีนี้จะทำให้ 
     เกิดการเสื่อมของฉนวนต่างๆ ในหม้อแปลงและจะไปทำให้
     ค่าสนามแม่เหล็กใช้งาน (working flux) มีค่าสูงขึ้น 
     ซึ่งเป็นเหตุให้ iron loss สูงขึ้นและเพิ่มกระแสแม่เหล็ก 
    (magnetizing current) ผลสุดท้ายจะมีการเกิด 
     over-exitation ของแกนหม้อแปลง และโบลต์ยึดแกน
     ซึ่งปกติโบลต์จะยอมให้สนามแม่เหล็ก (flux) ไหลผ่าน
     ได้น้อย ในกรณีเช่นนี้โบลต์จะเกิดความร้อนสูงและทำลาย
     ฉนวนต่างๆของขดลวดจนเป็นสาเหตุให้เกิดความผิดปกติ
     อื่นๆ ต่อไป

5.   Magnetising inrush current ถือว่าเป็นลักษณะของ transient อย่างหนึ่งที่เกิดขึ้นขณะเริ่มจ่ายกำลังไฟฟ้าเข้าสู่หม้อแปลง และไม่ถือเป็นอาการผิดปกติ ไม่จำเป็นที่จะต้องมีอุปกรณ์ป้องกันเพียงแต่เราจะต้องคิดอยู่เสมอว่าอุปกรณ์ป้องกันหม้อแปลงของเราจะต้องมีเสถียรภาพเพียงพอต่อการรับการเกิด inrush current นี้โดยเฉพาะอย่างยิ่งปัญหาจะเกิดกับ differential relay และฟิวส์ ที่เราใช้ป้องกันหม้อแปลงไฟฟ้า ค่าของ inrush current นี้อาจจะสูงขึ้นถึง 5-6 เท่าของกระแส full load ของหม้อแปลงไฟฟ้า time constant ของ inrush current จะประมาณ 0.1 วินาที สำหรับหม้อแปลงขนาดไม่เกิน 100kVA และจะประมาณ 1.0 วินาที สำหรับหม้อแปลงขนาดที่ใหญ่ขึ้นไปกว่า 100 kVA

วิธีป้องกันหม้อแปลงไฟฟ้า การป้องกันหม้อแปลงไฟฟ้ามีได้หลายวิธีการ ดังนี้

1.   Overheating protection อุณหภูมิปกติของขดลวดขณะใช้งานจะกำหนดไว้ประมาณไม่เกิน 95 องศาเซลเซียส กรณีที่อุณหภูมิขณะใช้งานสูงกว่านี้ 8-10 องศาเซลเซียส อายุการใช้งานของหม้อแปลงจะลดลงไปประมาณครึ่งหนึ่ง ในการป้องกันนั้นจะใช้การตรวจจับความร้อนโดยอาศัย heat detector ซึ่งส่วนใหญ่จะเป็นชนิด RTD (resistant temperature detector) อาจจะเป็นแบบ CU หรือ PT แล้วแต่ผู้ผลิตอุปกรณ์ดังกล่าวจะฝังอยู่บริเวณ hot spot ของหม้อแปลง หากอุณหภูมิสูงกว่าค่าที่ตั้งไว้จะมีการส่งสัญญาณเตือนการใช้งาน  และถ้าอุณหภูมิของหม้อแปลงยังไม่ลดลง แต่ยังคงสูงขึ้นจนถึงค่าที่กำหนด สัญญาณจะถูกส่งออกไปเพื่อทำการตัดหม้อแปลงออกจากระบบส่งจ่ายกำลังไฟฟ้าทันที

     ในการตรวจจับความร้อนของขดลวดว่ามีการเกิด
     overload หรือไม่ โดยการเปรียบเทียบทางด้านอุณหภูมิ             
     ยังมีอีกวิธีหนึ่งที่เราเรียกว่า thermal image     
     technique วิธีการดังกล่าวจะทำการตรวจจับสัญญาณ
     อุณหภูมิ (thermal sensing element ลงในกระเปาะ
     บนตัวถึงหม้อแปลง โดยจะจมอยู่ในน้ำมันหม้อแปลง ลึก  
     ประมาณ 10 นิ้ว ซึ่งจะเป็นชั้นของน้ำมันที่มีความร้อนสูงสุด 
     ภายในตัวจับสัญญาณ

     อุณหภูมินี้จะมีขดลวดความร้อนตัวเล็กๆ (heater)ฝังอยู่    
     โดยรับกระแสจากเครื่องมือวัดกระแสไฟฟ้า (current 
     transformerหรือ C.T.) ที่คล้องอยู่ที่สายจ่ายไฟฟ้า
     ทางด้านแรงต่ำ นอกจากนี้ยังมี heat sensitive 
     silicon resistor หรือ silistor อยู่ เพื่อตรวจ
     ความแตกต่างของอุณหภูมิจากขดลวดความร้อนที่เปรียบ
     เสมือนอุณหภูมิของขดลวดกับอุณหภูมิของน้ำมันที่เกิดจาก
     การใช้งานจริง ความไม่สมดุลของอุณหภูมิสองด้านจะก่อให้
     เกิดแรงดันไฟฟ้าขึ้นที่ silistor ส่งเข้าตัวตรวจสอบ
     สัญญาณต่อไป ความผิดปกติที่เกิดขึ้นจะถูกแปลงเป็น
     สัญญาณเตือนการใช้งานและสัญญาณให้ระบบระบายความ
     ร้อนทำงาน หากอุณหภูมิยังคงแตกต่างกันมากยิ่งขึ้นไปอีก 
     สัญญาณจะส่งไปทำการตัดหม้อแปลงออกจากระบบจ่าย
     กำลังไฟฟ้าต่อไป ชุดป้องกันดังกล่าวจะมาควบคู่กันคือ 
     thermal replica และ overheating 
     protection relay บางชนิดยังสามารถส่งสัญญาณเข้า
     สู่ temperature-time integrator เพื่อทำการนับ
     ระยะเวลารวมของการที่หม้อแปลงเกิดการ overheat ขึ้น 
     เพื่อเป็นข้อมูลในการบำรุงรักษาและระวังการใช้งาน 
     หม้อแปลงไฟฟ้า

2.   Overcurrent protection

 ฟิวส์ (fuses) ในระบบป้องกันหม้อแปลงขนาดเล็กๆ   
 ฟิวส์จะเหมาะสมแก่การใช้งานมากที่สุดเมื่อเทียบกับทางด้าน 
 ราคาและความแน่นอนในการทำงาน การใช้ฟิวส์ในระบบ
 ป้องกันสำหรับหม้อแปลงของการไฟฟ้าต่างๆซึ่งติดตั้งบนเสา
 ไฟฟ้านั้น ส่วนใหญ่จะใช้ drop-out fuses ในกรณีที่
 ฟิวส์เส้นใดเส้นหนึ่งขาด ปัญหาของเฟสเดี่ยว (single 
 phasing) จะเกิดขึ้น ซึ่งมีผลกระทบต่อโหลดที่เป็นมอเตอร์
 ต่างๆ โดยการเกิด overload ของมอเตอร์ขึ้น ตาม
 โรงงานและอาคารใหญ่ๆ จะใช้ฟิวส์ประกอบกับสวิตซ์ตัดตอน 
 (load break switch) โดยใช้ฟิวส์ชนิดที่มีเข็มทิ่มออก
 มาทางปลายฟิวส์ เพื่อให้ดันกระเดื่องเปิดวงจรออกโดยสวิตซ์
 ตัดตอน การกำหนดขนาดของฟิวส์จะต้องระมัดระวังเสมอว่า
 ขนาดกระแสของฟิวส์จะต้องสูงกว่ากระแส full load 
 ของหม้อแปลงและยังต้องมีเสถียรภาพเพียงพอที่จะไม่ทำงาน
 ในช่วงที่เกิด magnetising inrush current รวมทั้ง
 กระแสขณะสตาร์ตมอเตอร์ต่างๆด้วย สิ่งที่ควรระวังอีกข้อหนึ่ง
 ก็คือฟิวส์จะทำงานช้ามากถ้าหากค่ากระแสของฟิวส์มีค่าสูง
 กว่า 3 เท่าของกระแสที่ผิดปกติหรือลัดวงจร 

    Overcurrent relay จากคุณสมบัติของฟิวส์ที่ปรากฏ จะ 
    เห็นได้ว่ากรณีที่กระแสผิดปกติมีค่าต่ำๆ แล้วฟิวส์แทบจะไม่ได้
    ทำหน้าที่เลย จนกระทั่งความผิดปกติของหม้อแปลงรุนแรงขึ้น 
    และกระแสผิดปกติเพิ่มขึ้น เหตุนี่เองระบบป้องกันหม้อแปลง
    ขนาดใหญ่ๆ จึงจำเป็นต้องใช้ overcurrent relay เพื่อ
    ทำการจับสัญญาณกระแสส่งไปปลด circuit breaker 
    ให้ตัดหม้อแปลงออกจากการใช้งาน การตรวจจับสัญญาณ
    กระแสผิดปกติของ  overcurrent relay นี้จะสามารถ
    ตรวจจับกระแสผิดปกติที่มีค่าต่ำๆ โดยเวลาของการส่ง
    สัญญาณปลด circuit breaker  ยังสามารถตั้งได้ บาง
    ชนิดอาจจะมีความสัมพันธ์กับขนาดของกระแสผิดปกติได้ด้วย

    การป้องกันการลัดวงจรอย่างรุนแรงทางด้ายทุติยภูมิ   
   (secondary)หรือแม้แต่ภายในตัวหม้อแปลง เราอาจใช้ 
    instantaneous high set overcurrent relay 
    เพื่อให้เวลาในการตัดหม้อแปลงออกจากการใช้งานเร็วขึ้น 
    ปกติจะตั้งค่าไว้ 120-130 % ของกระแสผิดปกติที่จะเกิดขึ้น
    ผ่านหม้อแปลง ค่ากระแสมาตรฐานของ relay ที่ผู้ผลิตทำ
    ขึ้นมีตั้งแต่ 200-800%,500-2,000%หรือ1,000-4,000% 
    ของกระแส current transformer (สำหรับในประเทศ
    ของเราจะใช้ 5A)และสำหรับ overcurrent relay จะมี 
    ตั้งแต่ 10-40%,20-80%,50-200% ของกระแส current 
    transformer แต่อย่างไรก็ดีการตั้งค่าของกระแสรีเลย์นี้ 
    ยังคงจะต้องคำนึงถึงการให้รีเลย์มีเสถียรภาพต่อ 
    magnetising inrush current ด้วย

3.   Earth fault protection หม้อแปลงไฟฟ้าส่วนใหญ่ในประเทศของเราทางด้านขดลวดปฐมภูมิจะต่อในลักษณะของ delta ซึ่งขั้วของหม้อแปลงจะไม่มีการต่อลงดินในการป้องกันการลัดวงจรลงดินภายในหม้อแปลงไฟฟ้า เราจะถือหลักการว่า ผลรวมทางเวคเตอร์ของกระแสทั้ง 3 เฟสที่ไหลเข้าหม้อแปลงเป็นศูนย์ หรือเป็นหลักการตามกฎของ Kirchoff จึงไม่มี zero sequence current จ่ายเข้าสู่ระบบ เมื่อเกิดการลัดวงจรลงดินภายในหม้อแปลงทางด้านขดลวดปฐมภูมิผลรวมของกระแสข้างต้นจะไม่เป็นศูนย์จะมีกระแสไม่สมดุลเกิดขึ้น จากหลักอันนี้เองเราจึงใช้ current transformer ทำการต่อขนานกันทางด้านขดลวดทุติยภูมิของ current transformer เองและนำเอา current relay ต่อขนานเข้าไปด้วยกระแสที่ไม่สมดุลจะไหลผ่าน current relay เปลี่ยนเป็นสัญญาณไปทำการตัดหม้อแปลงออกจากการใช้งาน

     ทางด้านขดลวดทุติยภูมิของหม้อแปลงส่วนใหญ่เราจะต่อ

     แบบ star ในกรณีที่ start point ไม่ได้ต่อลงดิน 
     การป้องกันการลัดวงจรลงดินของหม้อแปลงจะเป็นแบบเดียว
     กับที่กล่าวมาข้างต้น ในกรณีที่ start point มีการต่อ
     ลงดิน เราจะทำการเพิ่ม current transformer ที่ 
     start point ลงดินอีกหนึ่งชุดทั้งนี้อาศัยหลักการที่ว่า 
     ผลรวมของกระแสแต่ละเฟสและกระแสไม่สมดุลของแต่ละ
     เฟสที่ไหลเข้า start point เป็นศูนย์ ทั้งนี้เนื่องจากการ
     ต่อแบบนี้จะมี zero sequence current ไหลเข้าสู่
     ระบบเมื่อเกิดการลัดวงจรลงดินภายในหม้อแปลง ผลรวม
     ของกระแสข้างต้นจะไม่เป็นศูนย์ จะเกิดกระแสไหลเข้าสู่ 
     current relay ให้ตรวจจับสัญญาณผิดปกติได้

     ข้อสำคัญของการต่อ current transformer นี้อยู่ที่ 
     polarity ของ current transformer ด้วย โดยจะ
     ต้องดูทิศทางการไหลของกระแสทางด้านปฐมภูมิและทุติย
     ภูมิของ current transformer เพื่อให้ได้ผลรวมของ
     กระแสที่ถูกต้อง และจะต้องระลึกอยู่เสมอว่าช่วงการป้องกัน
     จะอยู่ในช่วงระหว่าง current transformer เท่านั้น

4.   Buchholz protection เป็นอุปกรณ์ใช้สำหรับดักจับก๊าซที่เกิดจากความผิดปกติภายในหม้อแปลงชนิดที่ใช้น้ำมัน โดยทั่วๆ ไปอุปกรณ์นี้จะประกอบสำเร็จและติดมากับหม้อแปลงไฟฟ้าชนิดน้ำมัน

     โดยทั่วไปหม้อแปลงชนิดน้ำมันจะมีถังน้ำมันสำรองติดตั้งอยู่
     สูงจากตัวถังหม้อแปลงและมีท่อต่อจากถึงน้ำมันมายังตัวถัง
     หม้อแปลงระหว่างทางจะต่อเข้ากับ buchholz relay   
     ในกรณีที่เกิดการผิดปกติภายในหม้อแปลงความร้อนหรือการ
     เกิดการอาร์คภายในหม้อแปลง จะทำให้น้ำมันเกิดการแตก
     ตัว(breakdown) และเกิดก๊าซขึ้น ก๊าซดังกล่าวจะลอยขึ้น
     สู่ถังขยายตัวของน้ำมันโดยผ่าน buchholz relay ถ้า
     ความผิดปกติมีน้อย โอกาสที่ก๊าซจะหลุดผ่าน buchholz 
     relay ย่อมมีมากขึ้น นั่นคือรีเลย์จะไม่สามารถตรวจจับ
     อะไรได้ แต่กรณีความผิดปกติที่เกิดขึ้นมาก ก๊าซที่เกิดขึ้นมี
     จำนวนมากลอยขึ้นสู่ถังขยายตัวของน้ำมัน ส่วนหนึ่งจะเข้า
     แทนที่น้ำมันใน buchholz relay ในขั้นแรกปริมาณก๊าซ
     ที่รีเลย์ดักจับจะทำให้สวิตช์ปรอทตัวแรกส่งสัญญาณเตือน
     ออกมาว่ามีก๊าซที่เกิดจากการผิดปกติภายในหม้อแปลงแล้ว 
     หากยังมีก๊าซถูกดักจับเพิ่มต่อไป สวิตช์ปรอทตัวต่อไปจะ
     ทำงานและส่งสัญญาณไปตัดหรือหยุดหม้อแปลงออกจากการ
     ทำงานต่อไป ลักษณะต่างๆที่จะทำให้เกิดก๊าซขึ้นใน
     หม้อแปลงได้แก่

•     แกนเหล็กมีความร้อนสูงเนื่องจากการผิดปกติ(failure) ของ lamination insulation
•     ฉนวนของโบลท์ที่ยึดแกนเหล็กเสื่อมสภาพ
•     Interturn faults
•     เกิดการรั่วของน้ำมันทำให้มีอากาศเข้าสู่หม้อแปลง
•     การลัดวงจรของขดลวดสงสู่ดินหรือตัวถัง หรือลัดวงจรเฟสต่อเฟส

  หลังจากที่เราทำการแก้ไขหม้อแปลงเมื่อถ่ายน้ำมัน 
  หม้อแปลงเรียบร้อยแล้วจะสามารถ reset การทำงานของ
  รีเลย์ได้โดยการปรับให้ก๊าซที่สะสมในรีเลย์หลุดออกสู่
  อากาศภายนอก เพื่อให้น้ำมันได้เข้าไปแทนที่รอการทำงาน
  ครั้งใหม่ต่อไป

5.   Differential protection หลักการนี้ มาจากการอาศัยหลักการเปลี่ยนของกระแสทางด้านปฐมภูมิไปยังทุติยภูมิ โดยมีความสัมพันธ์กันระหว่างกระแสทั้งสองด้านตาม transformer ratio ซึ่งเป็นกฎตามความเป็นจริงของหม้อแปลง ในกรณีที่เกิดจากการผิดปกติของหม้อแปลงขึ้น ความสัมพันธ์ของกระแสทั้งสองด้านจะไม่เป็นไปตาม transformer ratio นั่นคือมีกระแสไม่สาดุลเกิดขึ้น กระแสนี้จะสามารถตรวจจับได้โดยอาศัย differential relay