อุปกรณ์เพื่อการอนุรักษ์พลังงานไฟฟ้าและปัญหาคุณภาพไฟฟ้า เรื่องเล็กหรือใหญ่?
ดร.อิษฎา บุญญาอรุณเนตร
“บทความนี้จะอธิบายถึงความสำคัญของการเลือกอุปกรณ์เพื่อการอนุรักษ์พลังงานที่มีคุณสมบัติด้านคุณภาพกำลังไฟฟ้าที่ดี ผลกระทบของการติดตั้งอุปกรณ์ที่สร้างปัญหาคุณภาพกำลังไฟฟ้าในปริมาณมาก ตัวอย่างปัญหาที่เกิดขึ้นและการแก้ปัญหา”
ไม่มีใครปฎิเสธประโยชน์ของการติดตั้งหรือเปลี่ยนมาใช้อุปกรณ์เพื่อการอนุรักษ์พลังงานไฟฟ้า เช่นอุปกรณ์ปรับความเร็วรอบมอเตอร์(VSD) บัลลาสต์อิเล็กทรอนิกส์ หลอด LED ที่ใช้การทำงานของวจรอิเล็กทรอนิกส์กำลังว่าสามารถลดการใช้กำลังงานไฟฟ้าอันเป็นผลให้ค่าไฟฟ้าที่ต้องจ่ายลดลงหรือประหยัดซึ่งเป็นผลที่ทุกคนต้องการ โดยทั่วไปแล้วคนส่วนใหญ่จะให้ความสำคัญกับตัวเลขกำลังงานไฟฟ้า (วัตต์, Watt) ที่อุปกรณ์เหล่านั้นใช้หรือกำลังงานที่ลดลงหลังการติดตั้ง ซึ่งส่งผลถึงค่าไฟฟ้าที่ต้องจ่ายโดยตรงลดลงและส่วนใหญ่ก็จะพยายามปรับเปลี่ยนมาใช้ในจำนวนมากขึ้น เพื่อคาดหวังผลการประหยัดที่มากขึ้น ในการเลือกอุปกรณ์เพื่อการอนุรักษ์พลังงานไฟฟ้ามาติดตั้งใช้งานนั้นส่วนใหญ่ก็จะพิจารณาเรื่องราคา ระยะเวลาคืนทุน กำลังไฟฟ้าที่ลดลง รุ่นและยี่ห้อของผลิตภัณฑ์และอื่นๆ สิ่งหนึ่งที่คนส่วนใหญ่ละเลยหรือคิดว่าไม่จำเป็นต้องพิจารณาได้แก่คุณสมบัติด้านคุณภาพกำลังไฟฟ้าของอุปกรณ์อนุรักษ์พลังงานที่จะทำการติดตั้ง ซึ่งผู้ผลิตอุปกรณ์เหล่านี้ส่วนใหญ่จะมีรุ่นของอุปกรณ์ที่มีคุณสมบัติด้านคุณภาพไฟฟ้าที่ดีแต่มักจะเป็นรุ่นที่ราคาสูงกว่ารุ่นปกติจึงมักจะทำให้ผู้ลงทุนไม่ให้ความสนใจ
คุณสมบัติการส่งจ่ายไฟฟ้าในอุดมคติ
(a) ส่วนประกอบในระบบส่งจ่ายไฟฟ้า (b) รูปคลื่นแรงดันและกระแสไฟฟ้าในอุดมคติ
รูปที่ 1 ระบบการส่งจ่ายกำลังไฟฟ้าและรูปคลื่นแรงดัน กระแสไฟฟ้าในอุดมคติที่มีประสิทธิภาพสูงสุด
ในรูปที่ 1 แสดงส่วนประกอบระบบการส่งจ่ายกระแสไฟฟ้าตั้งแต่โรงเครื่องกำเนิดกระแสไฟฟ้าไปยังผู้ใช้ไฟฟ้า ในอุดมคติแล้วเราต้องการให้รูปคลื่นของแรงดันและกระแสไฟฟ้าที่เกิดขึ้นเป็นไปตามรูป 1(b) กล่าวคือทั้งกระแสและแรงดันป็นรูปคลื่นไซน์บริสุทธิ์และมีช่วงเวลาที่เกิดทับซ้อนกันพอดี ซึ่งเราเรียกว่ามีเปอร์เซ็นต์ความเพี้ยนเชิงฮาร์มอนิกของแรงดันและกระแส (THDv,THDi) เท่ากับศูนย์ และมีค่าตัวประกอบกำลัง (PF.) เท่ากับ 1 ในกรณีนี้การส่งจ่ายกำลังงานไฟฟ้าจะมีประสิทธิภาพสูงสุดหรือกล่าวได้ว่ากรณีนี้จะมีกำลังงานสูญเสียในการส่งจ่ายกำลังงานไฟฟ้าต่ำที่สุด
คุณภาพไฟฟ้าที่เกี่ยวข้องกับการเลือกอุปกรณ์เพื่อการอนุรักษ์พลังงานไฟฟ้าคืออะไร?
ในที่นี้จะอธิบายในประเด็นที่มักถูกละเลยในการพิจารณาเวลาที่เลือกอุปกรณ์เพื่อมติดตั้งเสมอคือปริมาณกระแสฮาร์มอนิกที่เกิดจากอุปกรณ์ที่ติดตั้งเข้าไป กระแสฮาร์มอนิกที่เกิดขึ้นจากอุปกรณ์อธิบายง่ายๆได้ว่าเป็นกระแสที่ไหลเข้าอุปกรณ์ โดยมีความถี่สูงกว่าเป็นจำนวนเท่าของความถี่ 50Hz ซึ่งเป็นความถี่ของการส่งจ่ายกระแสไฟฟ้าในประเทศไทย ซึ่งจะเป็นสาเหตุทำให้รูปคลื่นของกระแสไฟฟ้าและแรงดันไฟฟ้าเพี้ยนไปจากรูปที่ 1 และเป็นสาเหตุทำให้ค่า PF. ของระบบไฟฟ้าต่ำลงเป็นผลให้เกิดกำลังงานสูญเสียเพิ่มมากขึ้นเกิดการทำงานผิดพลาดและเสียหายของอุปกรณ์เครื่องจักรในระบบ และถ้าผู้ใช้ไฟฟ้ารายใดมีค่า PF. ที่เกิดขึ้นต่ำกว่า 0.85 ก็จะถูกทางการไฟฟ้าเรียกเก็บค่าปรับเพิ่มตามปริมาณ kvar ที่เกิดขึ้น
(a) แรงดันที่จ่ายให้หลอด LED (b) ตัวอย่างกระแสหลอดที่ 1 (b) ตัวอย่างกระแสหลอดที่ 2
รูปที่ 2 แสดงผลการตรวจวัดเปรียบเทียบความเพี้ยนเชิงฮาร์มอนิกของกระแสของหลอด LED 2 รุ่นที่มีในท้องตลาด
รูปที่ 2 แสดงตัวอย่างผลการตรวจวัดกระแสฮาร์มอนิกที่เกิดจากหลอด LED เปรียบเทียบกัน 2 รุ่นที่มีจำหน่ายอยู่ในท้องตลาด แม้ว่าหลอด LED ทั้ง 2 จะมีการใช้กำลังงานไฟฟ้าและให้แสงสว่างพอๆกันแต่เมื่อพิจารณาด้านคุณภาพไฟฟ้าที่เกิดขึ้นพบว่าหลอดที่ 1 สร้างปัญหากระแสฮาร์มอนิกออกมาในปริมาณที่มากกว่าหลอดที่ 2 อย่างมีนัยสำคัญซึ่งสังเกตได้จากรูปคลื่นกระแสที่มีความเพี้ยนจากรูปคลื่นไซน์อย่างรุนแรงและจำนวนสเปคตรัมของฮาร์มอนิกที่เกิดขึ้นจำนวนและปริมาณมาก
(a) แรงดันที่จ่ายให้ VSD (b) ตัวอย่างกระแส VSD ตัวที่ 1 (b) ตัวอย่างกระแส VSD ตัวที่ 2
รูปที่ 3 แสดงผลการตรวจวัดเปรียบเทียบความเพี้ยนเชิงฮาร์มอนิกของกระแสของ VSD 2 รุ่นที่มีในท้องตลาด
รูปที่ 3 แสดงผลการตรวจวัดกระแสฮาร์มอนิกที่เกิดจากการใช้งาน VSD เปรียบเทียบกัน 2 รุ่นที่มีจำหน่ายอยู่ในท้องตลาด พบว่า VSD ตัวที่ 1 สร้างปัญหากระแสฮาร์มอนิกออกมาในปริมาณที่มากกว่า VSD ตัวที่ 2 อย่างมีนัยสำคัญซึ่งสังเกตได้จากรูปคลื่นกระแสที่มีความเพี้ยนจากรูปคลื่นไซน์อย่างรุนแรงและจำนวนสเปคตรัมของฮาร์มอนิกที่เกิดขึ้นจำนวนและปริมาณมาก จากตัวอย่างผลตรวจวัดเปรียบเทียบคุณสมบัติด้านคุณภาพกำลังไฟฟ้าของทั้งหลอด LED และ VSD สำหรับปรับความเร็วรอบมอเตอร์ที่นิยมใช้ในงานอนุรักษ์พลังงานไฟฟ้านั้นมีข้อแตกต่างกันอย่างชัดเจน โดยทั่วไปแล้วการใช้งานอุปกรณ์เพื่อการอนุรักษ์พลังงานไฟฟ้าที่มีคุณสมบัติด้านคุณภาพกำลังไฟฟ้าไม่ดีนั้น ถ้ามีการติดตั้งใช้งานในปริมาณหรือจำนวนไม่มากนัก จะไม่สร้างผลกระทบหรือปัญหารุนแรงกับระบบไฟฟ้าแต่ถ้ามีการติดตั้งใช้งานกันมากขึ้นจำเป็นที่จะต้องนำมาพิจารณาประกอบในการเลือกรุ่นที่เหมาะสมหรือจำเป็นต้องวางแผนรองรับหรือแก้ไขปัญหาที่จะเกิดขึ้นตามมา
มาตรฐานที่เกี่ยวช้องกับกระแสฮาร์มอนิกในระบบไฟฟ้า
เมื่อปริมาณกระแสฮาร์มอนิกในระบบไฟฟ้ามีมากขึ้น ตามจำนวนการติดตั้งอุปกรณ์เพื่อการอนุรักษ์พลังงานที่เพิ่มมากขึ้นจนอาจก่อให้เกิดปัญหาได้นั้น ในประเทศไทยหรือสากลก็มีมาตรฐานที่ใช้บังคับ แนะนำหรือเป็นเกณฑ์เพื่อการพิจารณาเพื่อปรับปรุงแก้ไขให้อยู่ในระดับที่ปลอดภัยและไม่สร้างผลกระทบต่อผู้ใช้ไฟฟ้ารายอื่น ตารางที่ 1 แสดงขีดจำกัดกระแสฮาร์มอนิกที่ยอมให้เกิดขึ้นกับผู้ใช้ไฟฟ้าใดๆในระบบจำหน่ายซี่งกำหนดโดยหน่วยงานด้านไฟฟ้าของประเทศไทย และตารางที่ 2 แสดงค่าเปอร์เซ็นของกระแสฮาร์มอนิกที่ยอมให้เกิดขึ้นในระบบไฟฟ้าตามมาตรฐาน IEEE 519 โดยที่ไม่สร้างผลกระทบต่อระบบและผู้ใช้ไฟฟ้ารายอื่น
ตารางที่ 1 “ ข้อกำหนดกฎเกณฑ์ฮาร์มอนิกเกี่ยวกับไฟฟ้าประเภทธุรกิจและอุตสาหกรรม (PRC-PQG-01-1998) ”,
การไฟฟ้าฝ่ายผลิตแห่งประเทศไทย การไฟฟ้านครหลวง การไฟฟ้าส่วนภูมิภาค, 1998.
ตารางที่ 2 IEEE 519-1992, Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in
Electric Power Systems.
ตัวอย่างผลกระทบที่เกิดขึ้นจากอุปกรณ์เพื่อการอนุรักษ์พลังงานที่สร้างปัญหากระแสฮาร์มอนิก
ปัญหากระแสในสายนิวตรอลสูง : ในกรณีที่มีการติดตั้งอุปกรณ์เพื่อการอนุรักษ์พลังงานไฟฟ้าที่สร้างปัญหากระแสฮาร์มอนิกเป็นจำนวนมากในระบบไฟฟ้าจนเกินเกณฑ์มาตรฐานด้านกระแสฮาร์มอนิกที่ได้ระบุไว้ในหัวข้อที่แล้วนั้น ในหัวข้อนี้จะยกตัวอย่างผลกระทบที่เกิดขึ้นภายหลังการติดตั้งที่ตรวจวัดได้อย่างชัดเจน
(a) กระแสเฟสและนิวตรอล (b) ส่วนประกอบกระแสฮาร์มอนิก
รูปที่ 4 กระแสนิวตรอลสูงเนื่องจากกระแสฮาร์มอนิกลำดับที่ 3
ตัวอย่างแรกเป็นผลการตรวจวัดอาคารขนาดใหญ่ที่มีปัญหากระแสนิวตรอลสูงเนื่องจากกระแสฮาร์มอนิกลำดับที่ 3 ที่เกิดจากการติดตั้งบัลลาสต์อิเล็กทรอนิกและหลอด LED ที่สร้างปัญหากระแสฮาร์มอนิกเป็นจำนวนมาก จากรูปคลื่นในรูปที่ 4 จะเห็นกระแสนิวตรอลมีค่าสูงถึง 1,080A แม้ว่ากระแสของแต่ละเฟสจะมีค่าใกล้เคียงกันก็ตาม ซึ่งเมื่อพิจารณาความถี่ของกระแสนิวตรอลที่เกิดขึ้นจะพบว่ามีความถี่สูงเป็น 3 เท่าของความถี่ 50Hz ซึ่งก็คือกระแสฮาร์มอนิกอันดับที่ 3 นั่นเอง ซึ่งปัญหาที่เกิดขึ้นนี้แสดงให้เห็นถึงกระแสที่ไหลในสายนิวตรอลที่มีค่าสูงซึ่งโดยปกติระบบไฟฟ้าจะใช้ขนาดหรือพิกัดของสายนิวตรอลนี้เล็กกว่าขนาดของสายเฟสจึงทำให้มีโอกาสที่จะเกิดความร้อนสูงในสายจนเกิดอันตรายได้
ปัญหาการเสียหายของ Cap Bank เนื่องจากเรโซแนนซ์ : โดยปกติในระบบไฟฟ้าทั่วๆไปค่าตัวประกอบกำลังหรือ PF ของระบบจะมีค่าต่ำเนื่องจากโหลดมีคุณสมบัติเป็นรีแอคทีฟโหลด เช่น มอเตอร์ และอุปกรณ์ที่จะนำมาชดเชยเพื่อปรบปรุงค่า PF ที่นิยมใช้ได้แก่ Cap. Bank แต่ในกรณีที่โหลดในระบบไฟฟ้าสร้างปัญหากระแสฮาร์มอนิกสูงเมื่อทำการต่อ Cap. Bank เข้าระบบเพื่อปรับรุงค่า PF นั้นมีโอกาสที่จะเกิดสภาวะเรโซแนนซ์ร่วมกับหม้อแปลง ซึ่งจะทำให้เกิดกระแสสูงที่ความถี่เรโซแนนซ์นั้นๆและเป็นสาเหตุให้ระบบป้องกันในระบบไฟฟ้าเกิดการทำงานหรือ Cap. Bank เกิดความเสียหายขึ้นได้
รูปที่ 5 ตัวอย่างสภาวะเรโซแนนซ์ที่เกิดขึ้นกับระบบไฟฟ้าอันเนื่องจากกระแสฮาร์มอนิก
รูปที่ 5 เป็นตัวอย่างแรงดันและกระแสขณะเกิดสภาวะเรโซแนนซ์กับกระแสฮาร์มอนิกลำดับที่ 11 เป็นผลมาจากอุปกรณ์ VSD ที่ติดตั้งในระบบซึ่งสร้างกระแสฮาร์มอนิกออกมา ซึ่งจะทำให้เกิดความร้อนสูงในหม้อแปลงและ Cap. Bank ซึ่งถ้าอุปกรณ์ป้องกันไม่ทำงานก็อาจทำให้เกิดความเสียหายร้ายแรงได้
ที่กล่าวมานี้เป็นเพียงตัวอย่างปัญหาที่เกิดขึ้นและพบได้บ่อย ซึ่งในความเป็นจริงแล้วปัญหาและความสูญเสียที่อาจเกิดกับระบบไฟฟ้เนื่องจากปัญหาฮาร์มอนิกและปัญหาคุณภาพไฟฟ้ามีหัวข้อมากกว่านี้ ผู้อ่านสามารถหาข้อมูลเพิ่มเติมตลอดจนวิธีการแก้ไขได้จากเอกสารด้านปัญหาคุณภาพกำลังไฟฟ้าหรือในเว็ปไซท์ www.pq-team.com เป็นต้น
แนวทางพิจารณาใช้อุปกรณ์เพื่อการอนุรักษ์พลังงานไฟฟ้าที่ไม่เกิดปัญหาคุณภาพไฟฟ้า
- นอกจากการเลือกอุปกรณ์อนุรักษ์พลังงานไฟฟ้าที่สามารถลดการใช้พลังงานไฟฟ้าแล้ว จะต้องพิจารณาเลือกอุปกรณ์ที่มีการสร้างปัญหาคุณภาพไฟฟ้าที่น้อยกว่าด้วย ดูได้จากค่า THDi ที่ต่ำ และ PF. ที่สูงแม้ว่าการลงทุนในช่วงแรกจะสูงกว่าแต่จะให้ผลตอบแทนในระยะยาวที่คุ้มค่า และเป็นการปฏิบัติตามกฏเกณฑ์มาตรฐานทั้งของประเทศไทยและสากล
- อุปกรณ์ที่สร้างปัญหาคุณภาพไฟฟ้าน้อยกว่า จะมีโอกาสใช้งานกับระบบไฟฟ้าของท่านได้จำนวนมากกว่าโดยไม่สร้างความเสี่ยงที่จะเกิดความเสียหายกับระบบไฟฟ้าหรือทำให้อายุการใช้งานระบบไฟฟ้าสั้นลง
- ระบบไฟฟ้าที่มีขนาดพิกัดใหญ่กว่าโหลดใช้งานจริงมากๆ จะสามารถหรือมีโอกาสทนต่อปัญหาคุณภาพไฟฟ้าหรือฮาร์มอนิกได้มากกว่า แต่ไม่ได้หมายความกำลังงานสูญเสียที่เกิดขึ้นจะน้อยกว่า
- ควรมีการสำรวจระดับคุณภาพไฟฟ้าในระบบทุกครั้งเมื่อมีการเปลี่ยนแปลงเครื่องจักรหรือติดตั้งอุปกรณ์อนุรักษ์พลังงานจำนวนมาก