การป้องกันระบบไฟฟ้ากำลัง: รีเลย์และระบบป้องกัน

รีเลย์ป้องกัน (Protective Relays)

รีเลย์ป้องกันเป็นอุปกรณ์สำคัญในระบบไฟฟ้ากำลัง ทำหน้าที่ตรวจจับความผิดปกติ (Faults) ที่เกิดขึ้นในระบบ และสั่งการให้เซอร์กิตเบรกเกอร์ (Circuit Breaker) ทำงานปลดวงจรส่วนที่เกิดปัญหาออกไป เพื่อป้องกันความเสียหายที่อาจเกิดขึ้นกับอุปกรณ์อื่นๆ ในระบบ

หลักการทำงานของรีเลย์

รีเลย์จะทำงานเมื่อได้รับสัญญาณที่บ่งบอกถึงความผิดปกติ สัญญาณนี้อาจเป็นค่ากระแส, แรงดัน, อิมพีแดนซ์, หรือปริมาณทางไฟฟ้าอื่นๆ ที่เปลี่ยนแปลงไปจากสภาวะปกติ โดยทั่วไป รีเลย์จะมีการตั้งค่า (Setting) ไว้ล่วงหน้า เมื่อปริมาณที่ตรวจวัดได้เกินหรือต่ำกว่าค่าที่ตั้งไว้ รีเลย์ก็จะทำงาน

ประเภทของรีเลย์ป้องกัน

• Overcurrent Relay: รีเลย์กระแสเกิน ทำงานเมื่อค่ากระแสในระบบสูงเกินกว่าค่าที่ตั้งไว้ มักใช้ป้องกันการลัดวงจรและกระแสเกิน
  • Instantaneous Overcurrent Relay (รีเลย์กระแสเกินทันที) ทำงานทันทีเมื่อกระแสเกินค่าที่ตั้งไว้ โดยไม่มีการหน่วงเวลา (ตอบข้อ 1)
  • Time Overcurrent Relay (รีเลย์กระแสเกินแบบมีเวลา) ทำงานโดยมีการหน่วงเวลาตามลักษณะผกผัน (Inverse Time) หรือคงที่ (Definite Time)
• Undervoltage Relay: รีเลย์แรงดันต่ำ ทำงานเมื่อค่าแรงดันในระบบต่ำกว่าค่าที่ตั้งไว้ มักใช้ป้องกันมอเตอร์จากการทำงานที่แรงดันต่ำเกินไป (ตอบข้อ 5)
• Distance Relay: รีเลย์ระยะทาง ทำงานเมื่อค่าอิมพีแดนซ์ที่ตรวจวัดได้มีค่าน้อยกว่าค่าที่ตั้งไว้ มักใช้ป้องกันสายส่งจากการลัดวงจร (ตอบข้อ 11)
• Differential Relay: รีเลย์ผลต่าง ทำงานเมื่อผลต่างของกระแสที่ไหลเข้าและออกจากอุปกรณ์มีค่ามากเกินไป มักใช้ป้องกันหม้อแปลงและเครื่องกำเนิดไฟฟ้า (ตอบข้อ 18)
  • High Impedance Relay เป็นรีเลย์ผลต่างประเภทหนึ่ง (ตอบข้อ 7)
• Directional Relay: รีเลย์มีทิศทาง ทำงานเมื่อกระแสหรือกำลังไฟฟ้าไหลในทิศทางที่กำหนด มักใช้ร่วมกับรีเลย์กระแสเกินเพื่อเพิ่มความแม่นยำในการป้องกัน
• Frequency Relay: รีเลย์ความถี่ ทำงานเมื่อความถี่ในระบบสูงหรือต่ำเกินไป
• Thermal Relay: รีเลย์ความร้อน ทำงานเมื่ออุณหภูมิของอุปกรณ์สูงเกินไป มักใช้ป้องกันมอเตอร์และหม้อแปลง (ตอบข้อ 16)
• Negative Sequence Relay: รีเลย์ลำดับลบ ทำงานเมื่อมีกระแสลำดับลบในระบบ มักใช้ป้องกันมอเตอร์จากการทำงานที่โหลดไม่สมดุล (ตอบข้อ 23)

การตรวจจับความผิดปกติ (Fault Detection)

รีเลย์ใช้หลักการต่างๆ ในการตรวจจับความผิดปกติในระบบไฟฟ้า ดังนี้

• การตรวจวัดระดับ (Level Detection): ตรวจวัดค่ากระแส, แรงดัน, หรือปริมาณทางไฟฟ้าอื่นๆ ว่าเกินหรือต่ำกว่าค่าที่ตั้งไว้หรือไม่ (ตอบข้อ 4 และ 6)
• การเปรียบเทียบขนาด (Magnitude Comparison): เปรียบเทียบขนาดของกระแสหรือแรงดันที่จุดต่างๆ ในระบบ หากผลต่างมีค่ามากเกินไป แสดงว่าเกิดความผิดปกติ (ตอบข้อ 8)
• การเปรียบเทียบมุมเฟส (Phase Angle Comparison): เปรียบเทียบมุมเฟสของกระแสหรือแรงดันที่จุดต่างๆ ในระบบ หากมุมเฟสแตกต่างกันมากเกินไป แสดงว่าเกิดความผิดปกติ (ตอบข้อ 9)
• การเปรียบเทียบความแตกต่างของกระแส (Differential Current Comparison): เปรียบเทียบกระแสที่ไหลเข้าและออกจากอุปกรณ์ หากผลต่างมีค่ามากเกินไป แสดงว่าเกิดความผิดปกติ

สัญลักษณ์รีเลย์ตามมาตรฐาน IEC 60617

มาตรฐาน IEC 60617 กำหนดสัญลักษณ์สำหรับรีเลย์ต่างๆ เพื่อให้เข้าใจตรงกัน สัญลักษณ์บางส่วนที่สำคัญมีดังนี้

• I>: รีเลย์กระแสเกิน (Overcurrent Relay)
• I>>: รีเลย์กระแสเกินทันที (Instantaneous Overcurrent Relay)
• U<: รีเลย์แรงดันต่ำ (Undervoltage Relay)
• f>: รีเลย์ความถี่สูง (Overfrequency Relay)
• P>: รีเลย์กำลังเกิน (Overpower Relay)
• Z<: รีเลย์ระยะทาง (Distance Relay) (ตอบข้อ 46)

รหัสอุปกรณ์ตามมาตรฐาน ANSI Standard (ANSI Device Numbers)

มาตรฐาน ANSI กำหนดรหัสตัวเลขสำหรับอุปกรณ์ต่างๆ ในระบบไฟฟ้ากำลัง เพื่อให้เข้าใจตรงกัน รหัสบางส่วนที่สำคัญมีดังนี้

• 21: Distance Relay (ตอบข้อ 14)
• 27: Under Voltage Relay (ตอบข้อ 25)
• 40: Loss of Field Relay (ตอบข้อ 24 และ 32)
• 46: Unbalance Current Relay หรือ Negative Sequence Current Relay (ตอบข้อ 34)
• 49: Thermal Relay (ตอบข้อ 16)
• 50: Instantaneous Overcurrent Relay (ตอบข้อ 1)
• 51: AC Time Overcurrent Relay (ตอบข้อ 13)
• 59: Overvoltage Relay (ตอบข้อ 33)
• 67: AC Directional Overcurrent Relay (ตอบข้อ 15)
• 87: Differential Protective Relay (ตอบข้อ 12)

อุปกรณ์ป้องกันอื่นๆ

• ฟิวส์ (Fuse): อุปกรณ์ป้องกันกระแสเกิน ทำงานโดยการหลอมละลายเมื่อมีกระแสไหลผ่านมากเกินไป
• เซอร์กิตเบรกเกอร์ (Circuit Breaker): อุปกรณ์ตัดต่อวงจร ทำงานโดยการเปิดหน้าสัมผัส

การจัดลำดับการป้องกัน (Coordination)

การจัดลำดับการป้องกันที่ดี จะต้องให้รีเลย์ที่อยู่ใกล้จุดที่เกิดความผิดปกติทำงานก่อน และรีเลย์ที่อยู่ไกลออกไปทำหน้าที่เป็นตัวสำรอง (Backup) โดยมีการหน่วงเวลาที่เหมาะสม (Grading Margin)

ข้อควรพิจารณาในการป้องกัน

• ความเร็ว (Speed): รีเลย์ควรทำงานเร็วเพื่อลดความเสียหายที่อาจเกิดขึ้น
• ความไว (Sensitivity): รีเลย์ควรตรวจจับความผิดปกติได้ แม้จะมีขนาดเล็กน้อย
• ความเชื่อถือได้ (Reliability): รีเลย์ควรทำงานได้อย่างถูกต้องและแม่นยำ
• ความปลอดภัย (Security): รีเลย์ไม่ควรทำงานผิดพลาดเมื่อไม่มีความผิดปกติเกิดขึ้นจริง

รีเลย์แบบต่างๆ

• Electro-mechanical Relays: รีเลย์ที่ใช้กลไกทางไฟฟ้าและกลไกทางกลในการทำงาน
• Solid State Relays: รีเลย์ที่ใช้อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ในการทำงาน (ตอบข้อ 28)
• Digital Relays: รีเลย์ที่ใช้ไมโครโปรเซสเซอร์ในการทำงาน (ตอบข้อ 10) สามารถบันทึกข้อมูลและเหตุการณ์ได้

การต่อหม้อแปลงกระแส (CT) เพื่อตรวจจับ Zero-Sequence

การต่อ CT เพื่อตรวจจับ Zero-Sequence มีประโยชน์ในการป้องกัน Earth Fault (ตอบข้อ 29)

การป้องกันมอเตอร์ (Motor Protection)

• Overload Protection: ป้องกันมอเตอร์จากกระแสเกินเนื่องจากโหลดมากเกินไป
• Locked Rotor Protection: ป้องกันมอเตอร์จากการที่โรเตอร์ไม่หมุน (Locked Rotor) ทำให้กระแสสูงมาก
• Under Voltage Protection: ป้องกันมอเตอร์จากการทำงานที่แรงดันต่ำเกินไป
• Single Phasing Protection: ป้องกันมอเตอร์จากการทำงานเมื่อมีเฟสหายไป

การป้องกันหม้อแปลง (Transformer Protection)

• Buchholz Relay: ป้องกันความผิดปกติภายในหม้อแปลง เช่น การอาร์ก (Arcing), Short circuit (ตอบข้อ 27)
• Differential Relay: ตรวจจับความผิดปกติภายในหม้อแปลง โดยเปรียบเทียบกระแสที่ไหลเข้าและออกจากหม้อแปลง
• Overcurrent Relay: ป้องกันกระแสเกินเนื่องจากโหลดมากเกินไป หรือการลัดวงจรภายนอกหม้อแปลง
• Volts-per-Hertz Relay: ป้องกันหม้อแปลงจากสภาวะ Overfluxing (แรงดันสูงเกินไป หรือความถี่ต่ำเกินไป)

องค์ประกอบในระบบป้องกัน

• CT (Current Transformer): แปลงกระแสสูงให้เป็นกระแสต่ำ เพื่อให้รีเลย์สามารถวัดได้
• VT (Voltage Transformer): แปลงแรงดันสูงให้เป็นแรงดันต่ำ เพื่อให้รีเลย์สามารถวัดได้
• Fuse: อุปกรณ์ป้องกันกระแสเกิน ทำงานโดยการหลอมละลายเมื่อมีกระแสไหลผ่านมากเกินไป
• Circuit Breaker: อุปกรณ์ตัดต่อวงจร ทำงานโดยการเปิดหน้าสัมผัส (ตอบข้อ 19)