// บทที่ 18.7 · ระบบไฟฟ้ากำลังและระบบป้องกัน · Protection Principles, CTs & Relays

หลักการระบบป้องกันไฟฟ้ากำลัง: โซนป้องกัน การเลือกตัด CT VT รหัส ANSI และคุณสมบัติของรีเลย์

ระบบป้องกันเปรียบเหมือนระบบภูมิคุ้มกันของระบบไฟฟ้า มันเฝ้าดูตลอดเวลาแต่ทำงานจริงเพียงไม่กี่ครั้งต่อปี และเมื่อถึงเวลาต้องตัดสินใจถูกภายในเสี้ยววินาที ตัดช้าไปอุปกรณ์เสียหาย ตัดผิดตัวไฟดับทั้งเมือง หน้านี้วางกรอบความคิดที่วิชาการป้องกันใช้ทั้งเล่ม

เขียนโดย อาจารย์มดอัปเดต 13 ต.ค. 2569

ห่วงโซ่การป้องกัน คุณสมบัติ 5 ข้อ โซนป้องกัน CT · 5P20 รีเลย์ดิจิทัล

สรุปใน 30 วินาที

ตรวจจับ (CT VT) → ตัดสินใจ (รีเลย์) → สั่งตัด (แบตเตอรี่ DC + ขดทริป) → ตัด (เบรกเกอร์)
เชื่อถือได้ · เลือกตัด · เร็ว · ไว · ประหยัด — แลกเปลี่ยนกันเสมอ
ทุกจุดของระบบต้องอยู่ในอย่างน้อยหนึ่งโซน โซนซ้อนกันที่เบรกเกอร์
CT ห้ามเปิดวงจรทุติยภูมิ · 5P20 = ผิดพลาด ≤ 5 % ถึง 20 เท่าที่ภาระพิกัด

ห่วงโซ่การป้องกัน พื้นฐาน

ฟอลต์ในระบบ→CT / VT ลดขนาดสัญญาณ→รีเลย์วัดและตัดสินใจ→หน้าสัมผัสทริป + แบตเตอรี่ DC→เบรกเกอร์เปิดหน้าสัมผัส ดับอาร์ก

P1 Fault clearing time เวลากำจัดฟอลต์

t_{clear} = t_{relay} + t_{breaker} \qquad (\text{รีเลย์ทันที } 20\text{–}40\ \text{ms},\ \text{เบรกเกอร์ } 40\text{–}80\ \text{ms})

ทุกส่วนต้องทำงานได้แม้ไฟ AC ดับ (ระหว่างฟอลต์แรงดันอาจตกเกือบศูนย์) จึงใช้ แบตเตอรี่ DC ของสถานี 110 V หรือ 220 V จ่ายให้รีเลย์และขดทริป ในตู้แรงต่ำ เบรกเกอร์มีตัวตรวจจับในตัว (trip unit) จึงรวมสามขั้นไว้ในอุปกรณ์เดียว

คุณสมบัติ 5 ข้อของระบบป้องกัน พื้นฐาน

คุณสมบัติ	ความหมาย	ขัดแย้งกับ
ความเชื่อถือได้ (Reliability)	Dependability: ทำงานเมื่อมีฟอลต์ · Security: ไม่ทำงานเมื่อไม่มี	สองด้านนี้ขัดกันเอง: ป้องกันสองชุดแบบ OR เพิ่ม dependability ลด security
การเลือกตัด (Selectivity)	ตัดเฉพาะส่วนที่เสีย	ความเร็ว (ต้องหน่วงเวลาเป็นขั้น)
ความเร็ว (Speed)	ลดความเสียหาย รักษาเสถียรภาพ	การเลือกตัด และ security
ความไว (Sensitivity)	ตรวจฟอลต์ที่เล็กที่สุดได้ (ปลายสาย ลงดินผ่านความต้านทาน)	Security (ไวเกินทริปผิดจาก inrush หรือโหลด)
ความประหยัด (Economy)	ค่าใช้จ่ายเหมาะกับมูลค่าที่ปกป้อง	ทุกข้อ

P2 Setting window หน้าต่างการตั้งค่า

k_1\,I_{load,max} \;<\; I_{setting} \;<\; \frac{I_{fault,min}}{k_2} \qquad k_1 \approx 1.2\text{–}1.5,\ \ k_2 \approx 1.5\text{–}2

โซนป้องกัน ป้องกันหลักและสำรอง กลาง

โซนซ้อนกันที่เบรกเกอร์ ทำได้โดยใช้ CT คนละด้านของเบรกเกอร์ ฟอลต์ในช่วงซ้อนทำให้สองโซนตัด แต่ไม่มีจุดไหนที่ไม่มีใครดูแล
ป้องกันหลัก (main) ตัดเร็วเฉพาะโซนของตัวเอง เช่น รีเลย์ผลต่าง 87
ป้องกันสำรอง (back-up) ทำงานเมื่อป้องกันหลักหรือเบรกเกอร์ล้มเหลว: สำรองเฉพาะที่ (local) หรือสำรองระยะไกล (remote) เช่น รีเลย์กระแสเกินต้นทางที่หน่วงเวลามากกว่า
Breaker failure (50BF): ถ้าสั่งตัดแล้วกระแสยังไหลหลัง ~150 ms ให้สั่งตัดเบรกเกอร์ที่อยู่รอบ ๆ ทั้งหมด

หม้อแปลงกระแส (CT): ดวงตาของรีเลย์ กลาง

P3 CT ratio อัตราส่วน CT

I_s = \frac{I_p}{n} \qquad n = \frac{I_{pn}}{I_{sn}}\ \ (\text{เช่น } 400/5,\ 600/1)

P4 CT burden ภาระที่ต่อกับ CT

S_b = I_{sn}^2\left(R_{lead,loop} + R_{relay}\right) \qquad R_{lead,loop} = \frac{2\rho\ell}{A}\ \ (\text{ฟอลต์ลงดิน})

P5 Actual accuracy limit factor ALF ที่แท้จริงเมื่อภาระไม่เท่าพิกัด

ALF' = ALF\,\frac{S_n + S_{in}}{S_b + S_{in}} \qquad S_{in} = I_{sn}^2 R_{ct}

P6 Knee-point requirement แรงดันจุดเข่าที่ต้องการ (CT คลาส PX)

V_k \ge K\,I_{f,s}\left(R_{ct} + R_{lead} + R_{relay}\right) \qquad K \approx 1\text{–}2\ \ (\text{เผื่อ DC offset})

ตัวอย่าง P-1

CT 400/5 5P20 15 VA R_ct = 0.2 Ω สายคู่ 10 m ขนาด 2.5 mm² รีเลย์ดิจิทัล 0.2 VA

สาย: $R_{loop} = 2(0.0178)(10)/2.5 = 0.142\ \Omega$ · รีเลย์ $0.2/5^2 = 0.008\ \Omega$
P4: $S_b = 25(0.142 + 0.008) = 3.76$ VA · $S_{in} = 25(0.2) = 5$ VA
P5: $ALF' = 20 \times (15+5)/(3.76+5) = 45.7$ → แม่นยำถึง $45.7 \times 400 = 18.3$ kA
ถ้าใช้รีเลย์แบบกลไกเก่า 10 VA ภาระรวม 13.6 VA → $ALF' = 20(20)/18.6 = 21.5$ → 8.6 kA เท่านั้น — รีเลย์ดิจิทัลช่วยให้ CT ใช้ได้ดีขึ้นมาก

ความปลอดภัย ห้ามเปิดวงจรทุติยภูมิของ CT ขณะมีกระแสปฐมภูมิ แกนจะอิ่มตัวและเกิดแรงดันยอดหลายพันโวลต์ ต้องลัดขั้วทุติยภูมิด้วยเทอร์มินัลลัดวงจร (shorting terminal) ก่อนถอดเครื่องวัดเสมอ

VT (หม้อแปลงแรงดัน) ลดแรงดันเป็น 100–120 V สำหรับรีเลย์แรงดัน รีเลย์ทิศทาง และรีเลย์ระยะทาง ด้านทุติยภูมิ ห้ามลัดวงจร (ตรงข้ามกับ CT) และต้องมีฟิวส์ ส่วน ขั้ว (polarity) ของทั้ง CT และ VT สำคัญมากสำหรับรีเลย์ทิศทางและรีเลย์ผลต่าง — ต่อกลับขั้วหนึ่งตัว รีเลย์ผลต่างจะทริปทันทีที่จ่ายโหลด

รีเลย์: จากกลไกสู่ดิจิทัล พื้นฐาน

ยุค	หลักการ	ข้อสังเกต
Electromechanical	จานหมุนเหนี่ยวนำ (induction disc) แม่เหล็กไฟฟ้า	ทนทาน แต่ภาระสูง ต้องปรับเทียบบ่อย ยังพบในสถานีเก่า
Static	วงจรอนาล็อก ทรานซิสเตอร์	เร็วขึ้น ช่วงสั้นในประวัติศาสตร์
Numerical (ดิจิทัล)	สุ่มสัญญาณ ADC → DFT หาเฟสเซอร์พื้นฐาน → อัลกอริทึม	หลายฟังก์ชันในเครื่องเดียว บันทึกเหตุการณ์ (disturbance record) สื่อสาร IEC 61850

รีเลย์ดิจิทัลสุ่มกระแสและแรงดัน 16–80 ครั้งต่อรอบ แล้วใช้ DFT แยกเฟสเซอร์ความถี่พื้นฐานออกมา (กรองฮาร์มอนิกและ DC offset) จากนั้นคำนวณ $I_1, I_2, 3I_0$ (องค์ประกอบสมมาตร) อิมพีแดนซ์ และกำลัง — คณิตศาสตร์ทุกบทที่เรียนมาอยู่ในกล่องเดียว ลองคำนวณเวลาทำงานของรีเลย์หนึ่งตัวด้านล่าง แล้วไปต่อที่ การประสานรีเลย์กระแสเกิน

คำถามที่พบบ่อย

CT คลาส 5P20 หมายถึงอะไร?

5P20 คือ CT สำหรับงานป้องกัน (P) มีความผิดพลาดรวมไม่เกิน 5 % ที่กระแส 20 เท่าของพิกัด (ALF = 20) เมื่อต่อภาระเท่ากับพิกัด VA ของ CT ถ้าภาระจริงน้อยกว่าพิกัด CT จะแม่นยำถึงกระแสที่สูงกว่า 20 เท่า คำนวณได้จาก ALF ที่แท้จริง

ทำไมห้ามเปิดวงจรด้านทุติยภูมิของ CT ขณะมีกระแส?

CT บังคับกระแสตามด้านปฐมภูมิ ถ้าด้านทุติยภูมิเปิด แรงแม่เหล็กจากกระแสปฐมภูมิไม่มีอะไรหักล้าง แกนอิ่มตัวทันที และเกิดแรงดันยอดสูงหลายพันโวลต์ที่ขั้วทุติยภูมิ อันตรายต่อคนและทำให้ฉนวน CT เสีย ต้องลัดขั้ว (short) ก่อนถอดเครื่องวัดหรือรีเลย์เสมอ

การเลือกตัด (selectivity) คืออะไร?

คือความสามารถของระบบป้องกันที่จะตัดเฉพาะอุปกรณ์ป้องกันที่อยู่ใกล้ฟอลต์ที่สุด เพื่อให้ไฟดับในพื้นที่น้อยที่สุด ทำได้ด้วยการแบ่งโซนป้องกัน ใช้เวลาหน่วงเป็นขั้น (time grading) ใช้ระดับกระแส (current grading) หรือใช้การสื่อสารระหว่างรีเลย์