// บทที่ 18.1 · ระบบไฟฟ้ากำลังและระบบป้องกัน · Power System Overview

ภาพรวมระบบไฟฟ้ากำลัง: ผลิต ส่ง จำหน่าย ระดับแรงดันในประเทศไทย และทำไมต้องส่งด้วยแรงดันสูง

ระบบไฟฟ้ากำลังคือเครื่องจักรที่ใหญ่ที่สุดที่มนุษย์สร้าง เครื่องกำเนิดหลายร้อยเครื่องทั่วประเทศหมุนพร้อมกันเป็นจังหวะเดียว 50 รอบต่อวินาที และต้องผลิตไฟเท่ากับที่ทุกบ้านทุกโรงงานใช้ “ในขณะนั้น” หน้านี้วางภาพใหญ่ก่อนลงรายละเอียด: ส่วนประกอบ ระดับแรงดัน เหตุผลของแรงดันสูง และสิ่งที่ระบบป้องกันต้องดูแล

เขียนโดย อาจารย์มดอัปเดต 13 ต.ค. 2569

โครงสร้างระบบ ระดับแรงดันไทย ทำไมแรงดันสูง ความถี่กับสมดุลกำลัง

สรุปใน 30 วินาที

ผลิต (13.8–24 kV) → หม้อแปลงยกแรงดัน → ส่ง 500/230/115 kV → สถานีไฟฟ้า → จำหน่าย 22/33 kV (กฟภ.) 12/24 kV (กฟน.) → หม้อแปลงจำหน่าย → 400/230 V
การสูญเสียในสาย ∝ 1/V² เมื่อส่งกำลังเท่าเดิม
ความถี่บอกสมดุลกำลัง: ผลิตน้อยกว่าใช้ → ความถี่ตก
ทุกส่วนต้องมีระบบป้องกัน เพราะลัดวงจรเกิดได้ทุกที่

โครงสร้างระบบไฟฟ้า: จากโรงไฟฟ้าถึงปลั๊ก พื้นฐาน

แผนภาพเส้นเดียว (single-line diagram) — ระบบสามเฟสวาดเป็นเส้นเดียวเพื่อความชัดเจน เป็นภาษาหลักของวิชานี้

ส่วน	อุปกรณ์หลัก	สิ่งที่ต้องศึกษา
การผลิต (Generation)	เครื่องกำเนิดซิงโครนัส กังหัน AVR governor โรงไฟฟ้าพลังงานหมุนเวียนผ่านอินเวอร์เตอร์	แบบจำลอง $X_d''$ การควบคุม P-f และ Q-V
การส่ง (Transmission)	สายอากาศ สายเคเบิลใต้ดิน หม้อแปลงกำลัง สถานีไฟฟ้า	แบบจำลองสาย การส่งกำลัง P-δ load flow เสถียรภาพ
การจำหน่าย (Distribution)	สายป้อน 22/33 kV หม้อแปลงจำหน่าย รีโคลสเซอร์ ฟิวส์	แรงดันตก การชดเชยรีแอกทีฟ การประสานการป้องกัน
ผู้ใช้ไฟ (Utilization)	ตู้ MDB สายป้อน มอเตอร์ อาคาร	กระแสลัดวงจร เลือกอุปกรณ์ การต่อลงดิน PF

ระดับแรงดันในประเทศไทย พื้นฐาน

ระดับ	แรงดัน (line-line)	ผู้ดูแล	ใช้ทำอะไร
แรงสูงพิเศษ (EHV)	500 kV	กฟผ.	ส่งกำลังระยะไกลระหว่างภูมิภาค
แรงสูง (HV)	230 kV · 115 kV (69 kV บางพื้นที่)	กฟผ. · กฟน. · กฟภ.	ส่งเข้าเมือง สถานีไฟฟ้าย่อย ผู้ใช้ไฟรายใหญ่
แรงปานกลาง (MV)	22 kV · 33 kV (กฟภ.) · 12 kV · 24 kV (กฟน.)	กฟภ. · กฟน.	สายป้อนจำหน่าย โรงงานที่มีหม้อแปลงเอง
แรงต่ำ (LV)	400/230 V 3 เฟส 4 สาย	กฟภ. · กฟน. · ผู้ใช้ไฟ	บ้าน อาคาร โรงงานขนาดเล็ก

ทำไมต้องส่งด้วยแรงดันสูง พื้นฐาน

G1 Three-phase line loss การสูญเสียในสายสามเฟส

I = \frac{P}{\sqrt{3}\,V_L\cos\varphi} \qquad P_{loss} = 3I^2R = \frac{P^2 R}{V_L^2\cos^2\varphi}

G2 Fractional loss สัดส่วนการสูญเสีย

\frac{P_{loss}}{P} = \frac{P\,R}{V_L^2\cos^2\varphi} \;\propto\; \frac{1}{V_L^2}

ตัวอย่าง G-1

ส่ง 20 MW ระยะ 100 km สาย R = 0.1 Ω/km ต่อเฟส PF = 1

$R = 0.1 \times 100 = 10\ \Omega$ ต่อเฟส
22 kV: G1 $I = 20\text{e}6/(\sqrt3 \cdot 22\text{e}3) = 525$ A → $P_{loss} = 3(525)^2(10) = 8.27$ MW = 41 % — ใช้ไม่ได้
115 kV: $I = 100.4$ A → $0.30$ MW = 1.5 %
230 kV: $I = 50.2$ A → $0.076$ MW = 0.38 % — แรงดันเพิ่ม 2 เท่า การสูญเสียลด 4 เท่า (G2)
ข้อแลกเปลี่ยน: แรงดันสูงต้องใช้ฉนวน เสา ระยะห่าง และหม้อแปลงที่แพงขึ้น จึงเลือกระดับแรงดันตามระยะทางและกำลังที่ส่ง

สูตรเดียวกันอธิบายว่าทำไม เพาเวอร์แฟกเตอร์ สำคัญ: $\cos\varphi$ อยู่ในตัวหารยกกำลังสอง PF 0.7 ทำให้การสูญเสียเพิ่มเป็น $1/0.49 \approx 2$ เท่าของ PF 1

ความถี่กับสมดุลกำลัง กลาง

เครื่องกำเนิดทุกเครื่องในระบบหมุนซิงโครนัสกัน มวลหมุนเก็บพลังงานจลน์ไว้ ถ้ากำลังกลจากกังหัน $P_m$ น้อยกว่ากำลังไฟฟ้าที่โหลดดึง $P_e$ ส่วนต่างถูกดึงจากพลังงานจลน์ รอบหมุนลดลง ความถี่จึงตก

G3 Initial rate of change of frequency อัตราการเปลี่ยนความถี่ทันทีหลังเสียสมดุล

\frac{df}{dt} = \frac{f_0\,(P_m - P_e)}{2\,H\,S_{sys}} \qquad H = \frac{\tfrac12 J\omega^2}{S_{rated}}\ \ (\text{วินาที})

ตัวอย่าง G-2

ระบบ 30,000 MW (H = 4 s) โรงไฟฟ้า 1,000 MW หลุดทันที

G3: $df/dt = 50(-1000)/(2 \times 4 \times 30{,}000) = -0.21$ Hz/s
ถ้าไม่มีอะไรช่วย ภายใน 3 วินาทีความถี่ตกถึง ≈ 49.4 Hz — governor ของโรงไฟฟ้าอื่นต้องเพิ่มกำลัง และถ้าตกต่อ รีเลย์ความถี่ต่ำ (81) จะปลดโหลดเป็นขั้น ๆ
ระบบที่มีโซลาร์และลมผ่านอินเวอร์เตอร์มากขึ้นมี H จริงน้อยลง (อินเวอร์เตอร์ไม่มีมวลหมุน) df/dt จึงชันขึ้น — เป็นหัวข้อวิจัยปัจจุบัน (grid-forming inverter, synthetic inertia)

G4 Load factor โหลดแฟกเตอร์

LF = \frac{P_{avg}}{P_{peak}} = \frac{E_{period}}{P_{peak}\,T}

โหลดแฟกเตอร์ต่ำหมายถึงต้องสร้างโรงไฟฟ้าและสายส่งไว้รองรับพีกที่เกิดไม่กี่ชั่วโมง นี่คือเหตุผลของอัตรา TOU และค่าความต้องการพลังไฟฟ้า (demand charge) — เชื่อมกับ ค่าชาร์จรถ EV แบบ TOU

ความผิดพร่อง (Fault) และทำไมต้องมีระบบป้องกัน พื้นฐาน

ชนิดฟอลต์	สัดส่วนโดยประมาณในสายอากาศ	สาเหตุทั่วไป
เฟสเดียวลงดิน (SLG)	≈ 70–80 %	กิ่งไม้ สัตว์ ฉนวนแตก ฟ้าผ่า
สองเฟส (LL)	≈ 8–15 %	สายแกว่งเข้าหากัน
สองเฟสลงดิน (DLG)	≈ 8–10 %	ฟ้าผ่า เสาล้ม
สามเฟส (3φ)	≈ 2–5 %	ลืมปลดสายดินชั่วคราว เครื่องจักรลัด — รุนแรงที่สุดในหลายกรณี

กระแสลัดวงจรสูงกว่ากระแสปกติ 10–50 เท่า ภายในเสี้ยววินาทีทำให้ตัวนำร้อนจัด แรงแม่เหล็กไฟฟ้าดึงบัสบาร์งอ อาร์กเผาอุปกรณ์ และแรงดันตกทั้งระบบ ระบบป้องกันต้องหา “จุดที่เสีย” แล้วตัดเฉพาะจุดนั้นภายในเวลา 50–500 ms อ่านต่อ: คำนวณกระแสลัดวงจร · หลักการป้องกัน

คำถามที่พบบ่อย

ทำไมสายส่งไฟฟ้าต้องใช้แรงดันสูง?

การสูญเสียในสายคือ I²R ถ้าส่งกำลังเท่าเดิมด้วยแรงดันสูงขึ้น กระแสลดลงตามสัดส่วน การสูญเสียจึงลดลงตามกำลังสองของแรงดัน เช่น เพิ่มแรงดันจาก 22 kV เป็น 230 kV (10.5 เท่า) การสูญเสียลดลงประมาณ 109 เท่า และใช้สายเส้นเล็กลงได้

ระดับแรงดันในระบบไฟฟ้าของประเทศไทยมีอะไรบ้าง?

ระบบส่งของ กฟผ. ใช้ 500 kV 230 kV 115 kV (และ 69 kV บางส่วน) ระบบจำหน่ายแรงสูงของ กฟภ. ใช้ 22 kV และ 33 kV ของ กฟน. ใช้ 12 kV และ 24 kV ระบบแรงต่ำของบ้านและอาคารใช้ 400/230 V สามเฟสสี่สาย ความถี่ 50 Hz

ทำไมความถี่ไฟฟ้าต้องคงที่ที่ 50 Hz?

ความถี่สะท้อนความเร็วรอบของเครื่องกำเนิดทุกเครื่องที่ซิงโครไนซ์กัน ถ้ากำลังผลิตน้อยกว่าโหลด เครื่องกำเนิดจะถูกดึงพลังงานจลน์ออก หมุนช้าลง ความถี่ตก ระบบควบคุมจึงต้องปรับกำลังผลิตให้เท่ากับโหลดตลอดเวลา ถ้าความถี่ตกมากจะมีการปลดโหลดอัตโนมัติเพื่อรักษาระบบ