บทที่ 5

การป้องกันเครื่องกำเนิดไฟฟ้า

(Generator Protection)

 

5.1 บทนำ

                เครื่องกำเนิดไฟฟ้าเป็นเครื่องกลไฟฟ้าที่ใช้เปลี่ยนพลังงานกลไฟฟ้า ดังนั้นเมื่อเครื่องกำเนิดไฟฟ้าถูกต่อเข้ากับระบบโอกาสที่เครื่องกำเนิดไฟฟ้าจะเกิดฟอลต์ (Fault) นั้นมีกรณีต่าง ๆ ดังนี้

-         เกิดการลัดวงจร  (Short Circuit) ภายในขดลวดสเตเตอร์ (Stator)

-         เครื่องกำเนิดไฟฟ้ามีอุณหภูมิสูงเกินไป

-         แรงดันเกินขนาด (Over voltage)

-         การป้องกันการขาดสนามแม่เหล็ก (Loss of excitation)

-         ขดลวดสนามแม่เหล็กรั่วลงดิน (Rotor earth fault) และโรเตอร์เบี้ยว

-         เกิดการไม่สมดุลย์ในขดลวดสเตเตอร์ (Stator)

-         การป้องกันเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเป็นมอเตอร์ (Motor)

-         ความเร็วรอบของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าสูงผิดปกติ

-         เกิดการลัดวงจรระหว่างรอบของขดลวด (Inturn fault)

-         การป้องกันแบบเป็นชุดกับหม้อแปลง

 

5.2 การป้องกันการลัดวงจร  (Short circuit)ภายในขดลวดสเตเตอร์ (Stator)

                การลัดวงจรภายในขดลวดสเตเตอร์นั้นมีอยู่ 3 แบบ คือ

5.2.1การลัดวงจรลงดิน (Earth faults) ซึ่งมีโอกาสเกิดขึ้นได้ง่าย เพื่อให้การป้องกันขดลวดสเตเตอร์เรามักจะต่อจุดนิวตรอลลงดิน (Neutral) ของขดลวดสเตเตอร์ของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าลงดิน โดยต่อให้มีค่าอิมพึแดนซ์สูงพอสมควรเพื่อจำกัดกระแสลัดวงจรลงดินให้มีค่าต่ำประมาณ 5 – 10 แอมแปร์ เพื่อป้องกันไม่ให้กระแสไหม้ วิธีการหาค่า คตท. R ต่อจุดจากจุดนิวตรอลลงดิน (Neutral) ที่เหมาะสมเพื่อป้องกันการลัดวงจรลงดินนั้นหาได้ดังนี้ พิจารณารูปที่ 5.1

รูปที่ 5.1 เป็นเปอร์เซนต์ของขดลวดที่ไม่สามารถป้องกันได้เมื่อเกิดการลัดวงจรลงดิน

 

                จากรูปที่ 5.1 ถ้าจุดนิวตรอลต่อลงดินเลยดดยไม่ผ่าน คตท. R แล้วการป้องกันขดลวดสเตเตอร์สามารถทำได้ถึง 100 เปอร์เซ็นต์แต่การที่นำเอา คตท. R มาต่ออนุกรมจากจุดนิวตรอลลงดินก็เพื่อป้องกันไม่ให้กระแสไหลในขดลวดสเตเตอร์มากเกินไปซึ่งจะเป็นการป้องกันแกนเหล็กไม่ให้ไหม้

                แต่เมื่อต่อ คตท. R อนุกรมกับจุดนิวตรอลลงดินแล้วจะมีผลทำให้การป้องกันขดลวดสเตเตอร์ไม่สมบูรณ์ถึง 100 เปอร์เซ็นต์ ซึ่งสามารถหาจำนวนเปอร์เซนต์ของขดลวดที่ไม่ได้ป้องกันได้ดังนี้

%ของขดลวดที่ไม่ได้ป้องกัน = R x I x (100 / V)

                เมื่อ R = ค่าความต้านทานที่นำมาต่อจากจุดนิวตรอล (Neutral)ลงดิน

                       V = แรงดันที่วัดระหว่างเฟสกับดิน

                       I  = กระแสโหลดเต็มที่ (Full load) ของเครื่องกำเนิดไฟฟ้า

                ถ้าเราตั้งค่า กระแสของรีเลย์กระแสต่าง ให้ทำงานโดยต่อผ่านหม้อแปลงลงดินแล้วรีเลย์ก็จะสามารถป้องกันขดลวดสเตเตอร์ได้ถึง 85 % ของขดลวดทั้งหมด

 

ตัวอย่างที่ 5.1 เครื่องกำเนิดไฟฟ้าขนาด 4000 เควีเอ สามเฟส 6600 โวลต์จุดนิวตรอลต่อลงกราวด์โดยต่อผ่าน คตท. 7.5 โอห์ม และเครื่องกำเนิดไฟฟ้ามีค่ารีแอกแตนซ์ (Reactance) ต่อเฟส 2 โอห์ม ถ้าหาหใช้รีเลย์กระแสต่างเป็นตัวป้องกันโดยตัวรีเลย์ทำงานเมื่อเกิดกระแสไม่สมดุลย์ 30 % ให้หาเปอร์เซนต์ของขดลวดที่ไม่ได้ป้องกันเมื่อเกิดฟอลต์แบบเฟสลงดิน

วิธีทำ คตท. ที่ต่อลงกราวด์มีค่า 7.5 โอห์ม

                แรงดันต่อเฟส (V)                              = 6.6 x 1000Ö3 = 3800 V

                กระแส I0 ที่จะทำให้รีเลย์ทำงาน      = (0.3 x 4000 x 103)/(Ö3 x 6600) = 105 แอมแปร์

                %ของขดลวดที่ไม่ได้ป้องกัน            = R x I0 x (100/v)

= (7.5 x 105 x 100)/(6600/Ö3)

=20.7%

               %ของขดลวดที่ไม่ได้ป้องกัน             =20.7 %

 

ตัวอย่างที่ 5.2 เครื่องกำเนิดไฟฟ้าขนาด 10000 เควีเอ จุดนิวตรอลต่อลงกราวด์ด้วย คตท. 10 โอห์ม รีเลย์ถูกตั้งให้ทำงานเมื่อเกิดกระแสไม่สมดุลย์ 1 แอมแปร์ โดยใช้หม้อแปลงกระแสที่มีอัตราส่วน 1000/5 ให้คำนวณหาจำนวน เปอร์เซนต์ของขดลวดของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าที่ไม่ได้ป้องกัน เมื่อเกิดฟอลต์ลงดิน และถ้าต้องการป้องกันขดลวดในแต่ละเฟสได้ 90 % ค่า คตท. R ที่นำมาต่อจากจุดนิวตรอลจะต้องมีค่าเท่าไร

วิธีทำ กระแสไม่สมดุลย์ในสายนำ (Pilot wire) = 1 แอมแปร์

เมื่อใช้หม้อแปลงกระแส กระแสด้านปฐมภูมิจะต้องมีค่า = (1 x 1000)/5 = 200 แอมแปร์

กระแส  I0 มีค่า = 200 แอมแปร์

เปอร์เซนต์ของขดลวดที่ไม่ได้ป้องกัน             = R x I0 x (100/v)

= (10 x 200 x 100)/(1000/Ö3)

                                                                = 34.8%

เปอร์เซนต์ของขดลวดที่ป้องกันได้                  = 100-34.8

                                                                = 65.2%

โจทย์บอกถ้าต้องการป้องกันขดลวดได้ 90% จะต้อนำ คตท. กี่โอห์มมาต่อ

เปอร์เซนต์ของขดลวดที่ไม่สามารถป้องกัน = 100 – 90 = 10 %

10 = (R x 200 x 100)/ (10000 /Ö3)

                                                R= 2.88 โอห์ม

จะต้องนำ คตท. ขนาด 2.88 โอห์มมาต่อที่จุดนิวตรอล จึงจะสามารถป้องกันขดลวดได้ 90% เมื่อเกิดฟอลต์ลงดิน

5.2.2 การลัดวงจรระหว่างเฟส (Phase fault) แบบนี้มีโอกาสเกิดขึ้นได้ยากกว่าแบบลัดวงจรลงดิน(Earth fault) แต่เมื่อเกิดลัดวงจรระหว่างเฟสกับเฟส(Phase fault) แล้วมักจะกลายเป็นลัดวงจรลงดิน(Earth fault) ไปในที่สุด

5.2.3 การลัดวงจรระหว่างขดลวด (Inter – turn fault) แบบนี้มีโอกาสเกิดขึ้นได้ยากและมักไม่มีการป้องกัน ซึ่งจะต้องรอให้กลายเป็นลัดวงจรลงดิน(Earth fault) ก่อนระบบจึงจะสั่งตัดวงจร

                สำหรับการป้องกันเครื่องกำเนิดไฟฟ้าที่ต่อเป็นแบบD, Y โดยใช้รีเลย์กระแสต่าง(Differential relay)มีวงจรดังรูป 5.2 (,)

รูปที่ 5.2. เป็นการป้องกันเครื่องกำเนิดไฟฟ้าที่ต่อเป็นแบบ Dโดยใช้รีเลย์กระแสต่าง (Differential relay)

รูปที่ 5.2. เป็นการป้องกันเครื่องกำเนิดไฟฟ้าที่ต่อเป็นแบบ Yโดยใช้รีเลย์กระแสต่าง(Differential relay)

 

                จากรูปที่ 5.2 เมื่อเกิดฟอลต์ขึ้นที่จุดที่ 1 ซึ่งจะอยู่นอกเครื่องกำเนิดไฟฟ้าซึ่งเป็นฟอลต์นอกเขตป้องกัน (External หรือ Thought fault)ก็จะมีกระแสไหลผ่านขดปฐมภูมิของหม้อแปลงกระแสหมายเลข A ทั้งสองตัวเท่า ๆ กัน ดังนั้นจะมีกระแสไหลวนอยู่ระหว่าง ขดปฐมภูมิของหม้อแปลงกระแส ไหลผ่านขดลวดต้านการทำงาน(Retraining coil)ของรีเลย์ แต่ไม่มีกระแสไหลผ่านขดลวดทำงาน (Opering coil) ดังนั้นจึงไม่มีรีเลย์ตัวใดทำงานเลย

เมื่อเกิดฟอลต์ขึ้นที่จุดที่ 2 จะเห็นว่ามีกระแสส่วนหน่งของขดลวดอาเมเจอร์ลัดวงจรลงดินจะมีกระแสไหลในขดทุติยภูมิของหม้อแปลงกระแสหมายเลข A ตัวซ้ายมือผ่านซีกซ้ายของขดลวดต้านการทำงาน(Retraining coil) ของรีเลย์ A แล้วผ่านขดลวดทำงาน(Opering coil)  ของรีเลย์ A ทั้งขด ดังนั้นรีเลย์ A  จึงทำการตัดวงจรออก

เมื่อเกิดฟอลต์ขึ้นที่จุดที่ 3 จะเป็นการลัดวงจรระหว่างเฟส A กับ เฟส B จะมีกระแสไหลวนอยู่ทางด้านทุติยภูมิของหม้อแปลงกระแสตัวซ้ายมือหมายเลข A และ B ทั้งสองตัว ดังนั้นรีเลย์ A และ B จะทำการตัดวงจรออก

เมื่อเกิดฟอลต์ขึ้นที่จุดที่ 4 จะเป็นการลัดวงจรทั้งสามเฟสถึงกัน (3 – phase fault) จะพบว่ารีเลย์ทั้งสามตัวจะทำงานหมดทุกตัว

จากรูปที่ 5.2 จะเห็นว่าจุดนิวตรอลของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าถูกต่อลงดินโดยผ่านค่า คตท. ซึ่งใช้เป็นตัวจำกัดกระแสลัดวงจรระหว่างเฟสกับดินไม่ให้เกินค่ากระแสโหลดเต็มที่ (Full load current) จึงทำให้รีเลย์รูปที่ 5.2. ไม่สามารถป้องกันขดลวดได้หมดเพื่อให้การป้องกันระบบสามารถป้องกันขดลวดได้หมดจึงจำเป็นจะต้องมีกราวด์รีเลย์(Ground relay) มาช่วยป้องกันโดยต่ออยู่ในสายนิวตรอลของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าโดยต่อผ่านหม้อแปลงกระแสดังรูปที่ 5.3

รูปที่ 5.3 เป็นการป้องกันเครื่องกำเนิดไฟฟ้าโดยใช้กราวด์รีเลย์ ร่วมกับรีเลย์กระแสต่าง (differential relay)

 

เนื่องจากรีเลย์กระแสต่าง (Differential relay) เหมาะสำหรับป้องกันเครื่องกำเนิดไฟฟ้าที่มีขนาดใหญ่กว่า 2 เมกกะวัตต์ (Mega watt) จึงจะคุ้มค่าการลงทุน ดังนั้นสำหรับเครื่องกำเนิดไฟฟ้าที่มีขนาดเล็กลงมาจึงนิยมนำรีเลย์กระแสเกินมาใช้ในการป้องกันโหลดเกิน (Over load) การลัดวงจรระหว่างเฟส (Phase – phase fault) ซึ่งมีวงจรดังรูปที่ 5.4 จึงจะประหยัด

สำหรับเครื่องกำเนิดไฟฟ้าที่ขดลวดสเตเตอร์ต่อวงจรแบบ Dการป้องกันโดยใช้รีเลย์กระแสต่าง(Differential relay) ดังรูปที่ 5.5

รูปที่ 5.4 เป็นการป้องกันเครื่องกำเนิดไฟฟ้าโดยรีเลย กระแสเกิน (Over current relay)  มาดัดแปลงเป็น เฟส , กราวด์และ Earth fault รีเลย์

รูปที่ 5.5 เป็นการป้องกันเครื่องกำเนิดไฟฟ้าที่ต่อเป็นแบบ D โดยที่ใช้รีเลย์กระแสต่าง(Differential reay)

 

การป้องกันเครื่องกำเนิดไฟฟ้าที่จ่ายไฟออกจากสะพานไฟสองทางมีวงจรดังรูปที่ 5.6 เนื่องจากขณะที่เครื่องกำเนิดไฟฟ้าต่อเข้ากับสะพานไฟอาจมีไฟฟ้าป้อนกลับจากระบบเข้ามาได้เราจำเป็นต้องตั้งขดปฐมภูมิของหม้อแปลงกระแสให้สูงขึ้น 25 %

รูปที่ 5.6 เป็นการป้องกันเครื่องกำเนิดไฟฟ้าที่จ่ายไฟออกจากสะพานไฟสองทาง

 

5.3 การป้องกันเครื่องกำเนิดไฟฟ้าที่อุณหภูมิสูงเกินไป

 ถ้าเครื่องกำเนิดไฟฟ้าจ่ายโหลดมากเกินไปหรือระบบระบายความร้อนขัดข้องขึ้นมา ก็จะทำให้อุณหภูมิของขดลวดอาเมเจอร์มีอุณหภูมิสูงเกนขนาด เราสามารถตรวจสอบพบได้โดยง่าย โดยการฝังค่าความต้านทานที่จะตรวจจับอุณหภูมิ (Resister temperature detector) ซึ่งเป็นแบบเทอร์โมคัปเปิลลงไปตามสล๊อต (Slot) ตามจุดต่าง ๆ รอบอาเมเจอรืในเครื่องกำเนิดไฟฟ้าที่มีขนาดตั้งแต่ 500 เควีเอขึ้นไป เราอ่านค่าอุณหภูมิของขดลวดได้จากเทอร์โมคัปเปิล และถ้าอุณหภูมิสูงกว่าที่เราตั้งไว้ก็ให้มันส่งสัญญาณเตือนออกมาให้ทราบ วงจรที่ใช้กับรีเลย์จะเป็นดังรูปที่ 5.7 เมื่อรีเลย์ส่งสัญญาณเตือนเราจะต้องทำการลดโหลดหรือทำการตรวจดูระบบระบายความร้อนว่ายังปกติหรือไม่ การตั้งรีเลย์ปกติจะตั้งไว้ให้ทำงานที่อุณหภูมิต่ำไว้ก่อนเพราะอุณหภูมิจริง ๆ ย่อมสูงกว่าจุดที่เราฝังเทอร์โมคัปเปิลไว้

รูปที่ 5.7 เป็นวงจรวัดอุณหภูมิของสเตเตอร์และรีเลย์ที่ใช้ในการป้องกันอุณหภูมิสูงผิดปกติ

 

5.4 การป้องกันแรงดันสูงเกินขยาด (Over voltage)

วิธีนี้ใช้ป้องกันกับเครื่องกำเนิดไฟฟ้าพลังน้ำเครื่องกังหันก๊าซซึ่งมักจะวิ่งเร็วกว่าปกติ เมื่อทำการปลดโหลดให้หลุดออกไปซึ่งจะมีผลให้เกิดแรงดันสูงเกินใปเสมอ ๆ

ปกติแล้วเราใช้เครื่องปรับแรงดันอัตโนมัติ (Automatic voltage regulator) เป็นตัวควบคุมแรงดันของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าไม่ให้สูงเกินไปอยู่แล้ว แต่ถ้าจะใช้รีเลย์ป้องกันเพิ่มขึ้นอีกก็จะใช้รีเลย์แรงดันเกินโดยมีเวลาล้าหลัง (Time lag over voltage relay) ตัวเดียวหรือใช้รีเลย์แรงดันเกิน (Over voltage relay) สองตัว โดยที่ตั้งให้รีเลย์ตัวแรกทำงานที่แรงดันเป็น 110% ของแรงดันปกติแต่ให้ทำงานผกผันกับเวลา (Inverse time)  อีกตัวตั้งให้ทำงานที่แรงดัน 130-150% โดยใช้รีเลย์ที่ให้ทำงานทันที (Instantaneous relay) รีเลย์ทั้งสองนี้ต่อจากหม้อแปลงแรงดัน (Potential transformer) ซึ่งเป็นคนละชุดกับชุดควบคุมแรงดันแบบอัตโนมัติ (Automatic voltage regulator) การทำงานของรีเลย์เริ่มแรกจะสั่งให้เพิ่ม คตท. เข้าไปยังขดลวดกระตุ้นสนามแม่เหล็ก (Excited field) ซึ่งจะมีผลให้แรงดันลดลง แต่ถ้าแรงดันยังมีค่าสูง (Over voltage) รีเลย์ก็จะสั่งตัดเซอร์กิตเบรกเกอร์ออกจากเครื่องกำเนิดไฟฟ้าและตัดไฟเข้าขดกระตุ้นสนามแม่เหล็ก (Excited field)

 

5.5 การป้องกันการเสียจังหวะ (Loss of synchronism)

ถ้าเครื่องกำเนิดไฟฟ้าของเราที่ต่ออยู่กับระบบไฟฟ้าเกิดไม่ทำงานเข้าจังหวะกับระบบ รีเลย์ที่จะทำงานก็คือรีเลย์ระยะทาง (distance relay) ที่ต่ออยู่ในสายส่งสำหรับเชื่อมกำเนิดไฟฟ้าของเราเข้ากับระบบด้วยกันอยู่แล้วดังนั้นภายในเครื่องกำเนิดไฟฟ้าจึงไม่จำเป็นต้องมีการป้องกันเสียจังหวะอีก แต่ภายในตัวโรงจักรเองมีเครื่องกำเนิดไฟฟ้าหลายเครื่องและกำลังเชื่อมกันอยู่ เครื่องกำเนิดไฟฟ้าเครื่องหนึ่งอาจเสียจังหวะเมื่อเทียบกับอีกเครื่องหนึ่ง ถ้าหากว่าแหล่งจ่ายกระแสตรงที่จ่ายเข้าไปยังขดกระตุ้นสนมาแม่เหล็ก (Excited field) เกิดขาดหายไปซึ่งเรามีวิธีป้องกันอยู่แล้วเรียกว่าการป้องกันการขาดสนามแม่เหล็ก (Loss of excitation or Field failture protection)

 

5.6 การป้องกันการขาดสนามแม่เหล็ก (Loss of excitation or Field failture protection)

เมื่อเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเกิดสนามแม่เหล็กขาดไป มันจะหมุนเร็วกว่าความเร็วซิงโครนัส (Synchronous speed) เครื่องกำเนดไฟฟ้าจะกลายเป็นเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเหนี่ยวนำไป (Induction generator) ถ้าที่ตัวโรเตอร์ (Rotor) ไม่เป็นแบบกรงกระรอก (Squirrel cage) ฝังอยู่ที่ตัวโรเตอร์จะร้อนมากเนื่องจากกระแสที่เหนี่ยวนำในตัวโรเตอร์นั้นเกิดขึ้นเนื่องจากค่าสลิป(Slip) ซึ่งเวลาที่จะทำให้ร้อนอาจเร็วมากเพียง 2 –3 นาที่เท่านั้น สำหรับโรเตอร์แบบลวดพัน (Wound rotor) จะไม่มีแท่งเหล็กแบบกรงกระรอกฝังอยู่เลย แต่สำหรับโรเตอร์แบบ:ซาเรี้ยนโพล (Salinet pole rotor)จะมีอยู่ดังนั้นโรเตอร์แบบนี้ยังคงทำงานเป็นเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบเหนี่ยวนำได้

นอกจากจะตรวจพบว่าเครื่องกำเนิดไฟฟ้าขาดสนามแม่เหล็กแล้ว บางครั้งการขาดสนามแม่เหล็กไปอาจมีผลต่อเสถียรภาพ (Stability) ของระบบด้วย เพราะเดิมเครื่องกำเนิดไฟฟ้าจ่ายกิโลวาร์ (KVAR) เข้าสู่ระบบ เมื่อขาดสนามแม่เหล็กไปเครื่องกำเนิดไฟฟ้าจะดูดกิโลวาร์ (KVAR) เข้ามาแทน ทำให้แรงดันในส่วนต่าง ๆ ของระบบตกลงทันทีทันใด ซึ่งจะมีผลต่อเสถียรภาพของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเครื่องอื่น ๆ ด้วยดังนั้น จึงต้องสั่งการให้เซอร์กิตเบรกเกอรืตัดวงจรของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเครื่องนี้ออกจากระบบทันทีที่พบว่าขาดสนามแม่เหล็กไป การตรวจจับว่าเครื่องกำเนิดไฟฟ้าขาดสนามแม่เหล็กนั้นเราใช้รีเลย์กระแสขาด เป็นตัวสั่งการโดยต่ออยู่ในวงจรขดลวดสนามแม่เหล็กนั้นแล้วทำการปรับจุดการทำงานของรีเลยืไม่ให้ทำงานเมื่อมีกระแสเกินปกติ นอกจากนั้นยังต้องมีการถ่วงเวลาในรีเลย์ด้วย

 

5.7 การป้องกันขดลวดสนามแม่เหล็กรั่วลงดิน (Earth fault protection)

การป้องกันสนามแม่เหล็กรั่วลงดินนั้นเรามีวงจรดังรูปที่ 5.8

รูปที่ 5.8 เป็นการป้องกันขดลวดสนามแม่เหล็กรั่วลงดิน

 

เมื่อไรที่เกิดมีกระแสรั่วลงดินรีเลย์จะทำงานทันที วิธีปรับแต่งวงจรทำได้โดยปรับ คตท. R จนกระทั่งรีเลย์เริ่มทำงานซึ่งหมายความว่าถ้าเกิดรั่วลงดินตรงขั้วบวกของขดลวดสนามแม่เหล็กรีเลย์ก็จะทำงาน ดังนั้นถ้ารั่วที่จุดอื่น ๆ แรงดันที่จะทำให้รีเลย์ทำงานก็จะยิ่งมากขึ้น เช่น สมมุติว่าเกิดการรั่วของขดลวดสนามแม่เหล็กลงดินที่ขั้วลบของขดลวด แรงดันที่จะทำให้รีเลย์ทำงาน คือ แรงดันจากตัวกระตุ้น (Excited voltage) บวกกับแบตเตอรี่นั่นเอง ถ้ามีจุดรั่วลงดินเพียงจุดเดียวรีเลย์ก็จะส่งสัญญาณเตือนภัยก็เพียงพอแล้ว เพราะในช่วงเวลานั้นเครื่องกำเนิดไฟฟ้ายังทำงานได้ตามปกติทุกอย่าง แต่ถ้าเกิดรั่วลงดินที่จุดอื่นเกินสองจุดขึ้นไปก็จะเป็นอันตรายมากเพราะจุดที่รั่วลงดินจะเกิดการอาร์กขึ้นเกิดคว่มร้อนทำให้โรเตอร์ขยายตัวเฉพาะบริเวณนั้น ทำให้ดรเตอร์เสียสมดุลย์เวลาหมุนจะแกว่งตัวไปมาเกิดการสั่นขึ้น อาการนี้อาจเกิดขึ้นนานตั้งแต่ครึ่งชั่วโมงไปจนถึงสองชั่งโมงจึงจะสังเกตุพบ นอกจากนี้การที่กระแสรั่วลงดินสองจุดนั้นจะทำให้ขดลวดสนามแม่เหล็กบางส่วนไม่มีกระแสไหล เพราะไหลผ่านไปตามดินหรือแกนเหล็กโรเตอร์หมดแล้วจึงทำให้สนามแม่เหล็กไม่สมดุลย์ขึ้น  แรงดูดระหว่างโรเตอร์กดับสเตเตอร์ไม่เท่ากันซึ่งอาจจะดึงให้โรเตอร์โค้งไปได้ ถ้าแรงดึงที่เกิดขึ้นนี้มากพอก็จะทำให้ตัวโรเตอร์โค้งไปเสียดสีกับสเตเตอร์เสียหายและลูกปืนก็พังทลายได้ ดังนั้นเมื่อเกิดรั่วลงดินที่จุดแรกแล้วรีเลย์ก็จะส่งสัญญาณเตือนภัยและการป้องกันเมื่อเกิดรั่วลงดินที่จุดที่สองรีเลย์ก็จะสั่งเซอร์กิตเบรกเกอร์ ตัดวงจรจากระบบไปเลย

 

5.8 การป้องกันการไม่สมดูลย์ของกระแสในสเตเตอร์ 

ถ้าหากกระแสที่ไหลในขอลวดอาร์มาเจอร์ ทั้งสามเฟสไม่สมดูลย์กันจะเกิดการเหนี่ยวนำกระแสขึ้นมาในแกนเหล็กโรเตอร์ ได้ซึ่งกระแสนี้จะมีความถี่เป็นสองเท่าของกระแสที่ไหลในอาร์มาเจอร์กระแสนี้จะทำให้โรเตอร์ ร้อนและไหม้ได้ดังนั้นเราจำเป็นต้องทำการปรับป้องกันเหตุการดังกล่าวโดยใช้รีเลย์ต่อเพื่อที่จะตรวจจับกระแสดังกล่าวซึ่งเป็นกระแสเฟสซีเควนซ์ลบ (Negative phase sequence) หรือใช้ตัวย่อเป็น NPS ซึ่งมีวงจรตามรูปที่ 5.9

รูปที่ 5.9 เป็นการใช้รีเลย์กระแสเกินป้องกันกระแสไม่สมดูลย์เนื่องจากกระแสเฟสซีเควนซ์ลบ

รูปที่ 5.10 เป็นการใช้รีเลย์กระแสต่าง (Differential relay) ป้องกันกระแสไม่สมดูลย์ เนื่องจากกระแสเฟสซเควนซ์ลบ (Negative phase sequence)

 

สำหรับรีเลย์ที่ใช้นี้เราใช้รีเลย์กระแสเกิน (Over current relay) ชนิดทำงานผกผันกับเวลา (Inverse time) เมื่อรีเลย์ตรวจพบกระแสที่ไม่สมดูลย์เกินกว่าที่ตั้งไว้รีเลย์ก็จะสั่งเซอร์กิตเบรกเกอร์ตัดไฟออกจากระบบ บางครั้งเราก้ป้องกันกระแสที่ไม่สมดูลย์ในแต่ละเฟสได้โดยใช้รีเลย์กระแสต่าง (Differential relay) ซึ่งมีวงจรดังรูป 5.10

 

5.9 การป้องกันเครื่องกำเนิดไฟฟ้าที่เป็นมอเตอร์ (Motor)

เครื่องกำเนิดไฟฟ้าเมื่อต่อเข้ากับระบบจ่ายกิโลวาร์ (KVAR) ให้กับระบบแต่เมื่อเป็นมอเตอร์ (Motor) จะดึงกิโลวาร์ จากระบบเข้าสู่ตัวเอง (Reverse power) ปกติแล้วเราจะใช้รีเลย์กำลังชนิดมีทิศ (Power directional relay) เป็นตัวป้องกันเมื่อใดที่มีกำลังไฟฟ้าไหลเข้าในเครื่องกำเนิดไฟฟ้ามากกว่า 3% ของกระแสโหลดเต็มพิกัด (Full load current) และจะต้องถ่วงเวลาไว้สักครู่เพื่อป้องกันไม่ให้รีเลย์ทำงานผิดพลาดขณะที่ทำการต่อเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเข้าสู่ระบบซึ่งตอนนั้นอาจจะมกำลังไฟฟ้าไหลกลับทิศได้ชั่วคราว

 

5.10 การป้องกันความเร็วรอบเครื่องกำเนิดไฟฟ้าสูงเกินปกติ

นั้นเราใช้รีเลย์ความถี่ (Frequency relay) เป็นตัวป้องกันเมื่อใดที่มีความถี่เกินกว่าที่ตั้งไว้รีเลย์ก็จะทำงานแต่โดยทั่วไปแล้วทางด้านการป้องกันเครื่องต้นกำลังก็จะมีตัวสวิตช์แรงเหวี่ยง (Centrifugal switch) ต่อตรงอยู่กับแกนหมุนของเครื่องต้นกำลังเป็นตัวป้องกันอยู่แล้ว ซึ่งจะทำงานเมื่อความเร็วของเครื่องต้นกำลังหมุนเร็วกว่าความเร็วที่ต้องการ 3-5% ก็จะทำงาน

 

ตัวอย่างที่ 5.3 เครื่องกำเนิดไฟฟ้าตามรูปที่ 5.11 เรามีระบบป้องกันเครื่องกำเนิดไฟฟ้าโดยใช้รีเลย์กระแสต่างแบบเปอร์เซนต์เตจไบอัส (Percentage bias Differrential relay) รีเลย์กระแสเกิน (Earth fault relay) ซึ่งเป็นรีเลย์แบบมีทิศทางเป็นตัวป้องกันสำหรับหม้อแปลงกระแสทั้งหมดแปดตัวนั้นแต่ละตัวมีอัตราส่วนเป็น 5000/5 แอมแปร์ ในสภาวะปกติเครื่องกำเนิดไฟฟ้าจ่ายโหลดเฟสละ 1000 แอมแปร์ จกณูปที่ 5.11 สมมุติว่า หม้อแปลงกระแสหมายเลข 2ด้านปฐมภุมิถูกลัดวงจรโดยใช้เส้นลวด

                ให้คำนวณ

ก)      กระแสที่ไหลในรีเลย์แต่ละตัว

ข)      รีเลย์หมายเลขใดที่จะทำงานสั่งเซอร์กิตเบรกเกอร์ ถ้ารีเลย์กระแสเกินและ Earth fault relay ตั้งค่ากระแสทำงานไว้ที่ 50% ของรีเลยืซึ่งมีขนาดพิกัด 5 แอมแปร์ ส่วนรีเลย์กระแสต่างมีค่าชัน (Slope) 10% ของกระแส (I1-I2) และ (I1-I2)/2 และมีค่ากระแสพิกอัพเป็น 1 แอมแปร์

รูปที่ 5.11 แสดงวงจรป้องกันเครื่องกำเนิดไฟฟ้าโดยใช้รีเลย์ชนิดต่างๆ

                วิธีทำ

ก)      กระแสที่ไหลในรีเลย์หมายเลข E มีค่า = 1 แอมแปร์

กระแสที่ไหลในรีเลย์หมาบเลข D มีค่า = 1 แอมแปร์

รูปที่ 5.12 กระแสที่ไหลผ่านรีเลย์หมายเลข D มีค่า 1 แอมแปร์

 

กระแสที่ไหลในรีเลย์กระแสต่างหมายเลข B และ C จะมีค่า = 0 แอมแปร์

รูปที่ 5.13 กระแสที่ไหลผ่านรีเลย์หมายเลข B และ C มีค่า 0 แอมแปร์

 

สำหรับกระแสที่ไหลผ่านรีเลย์หมายเลข A มีค่าดังรูปที่ 5.14

รูปที่ 5.14 กระแสที่ไหลผ่านคอลย์ทำงานของรีเลย์หมายเลข A มีค่า 1 แอมแปร์

 

ข)      รีเลย์หมายเลข B C D E ไม่ทำงานเพราะมีกระแสไหลผ่านคอลย์น้อยกว่าค่ากระแสพิกอัพ

สำหรับรีเลย์หมายเลข A จะทำงานเพราะ

1.       กระแสที่ไหลผ่านคอลย์ทำงาน = 1 แอมแปร์ซึ่งมีค่าเท่ากับกระแสพิกอัพพอดี

2.       ความชันของเส้น (I1-I2) และ (I1-I2)/2 มีค่ามากกว่า 10% จึงทำให้แรงบิดเป็นบวก ดังรูปที่ 5.15 รีเลย์หมายเลข A จึงส่งสัญญาณสั่งตัดเซอร์กิตเบรกเกอร์ได้

รูปที่ 5.15 กราฟแสดงความสัมพันธ์ระหว่างกระแส (I1-I2) และ (I-I2)/2

 

5.11 การป้องกันการลัดวงจรระหว่างรอของขดรีเลย์ (Inter- turn protection)

การลัดวงจรรอบของขดลวด (inter-turn fault) ในเครื่องกำเนิดนั้นมีโอกาศที่เกิดขึ้นไม่มากนักแต่ถ้าเกิดขึ้นไม่มีการป้องกันในที่สุดก็จะเป็นการลัดวงจรลงดินไปการลัดวงจรระหว่างขดลวดเพียงไม่กี่รอบของขดลวดสเตเตอร์นั้น จะทำให้เกิดกระแสลัดวงจรมีค่ามากเกิดขึ้นในขดลวดที่เกิดการลัดวงจร แต่กระแสที่ออกจากขั่วปลายของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าจะมีค่าน้อย ดังนั้นถ้าเกิดฟอลต์ระหว่างรอบของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าขนาดใหญ่ที่มีขดลวดสองชุดต่อเฟสสามารถทำได้ดังนี้ คือ ต่อวงจรตามรูปที่ 5.16

รูปที่ 5.16 แสดงการป้องกันการลัดวงจรระหว่างรอบของขดลวดสำหรับเครื่องกำเนิดไฟฟ้าขนาดใหญ่ที่มีขดลวดขนานกันสองชุดต่อหนึ่งเฟส

 

                วิธีการคือต่อรีเลย์ โดยใช้หม้อแปลงกระแสสองชุดต่อไขว้กันในหนึ่งเฟส (Cross differrential principle) ดังนั้นเมื่อเกิดฟอลต์ชนิดลัดวงจรระหว่างรอบของขดลวดขึ้นรีเลย์จึงจะทำงานรีเลย์ที่ใช้จะต้องมีความไวสูง (High sensitive) จึงจำเป็นต้องเลือกรีเลย์ชนิดที่มีค่าอิมพีแดนซ์สูง (High impedance)

                สำหรับเครื่องกำเนิดไฟฟ้าที่มีขดลวดเพียงชุดเดียวต่อหนึ่งเฟส การป้องกันฟอลตืซึ่งเป็นการลัดวงจรระหว่างรอบของขดลวดสามารถทำได้คือ พิจารณารูปที่ 5.17

รูปที่ 5.17 แสดงการป้องกันการลัดวงจรระหว่างขดลวดของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าที่มีขดลวดหนึ่งชุดต่ดหนึ่งเฟส

 

                จากรูปที่ 5.17 จะเห็นว่าขดลวดทุติยภูมิและขดลวดตติยภูมต่อเข้ากับรีเลย์แบบวัตต์ชั่งโมง เมื่อเกิดฟอลต์ระหว่างขดลวดรีเลย์ก็จะวัดค่าของแรงดันตกค่ง (Residual voltage) ที่เกิดขึ้นในสภาวะปกติ แรงดันตกค้างจะมีค่าเท่ากับ VRES ซึ่ง

VRES = VAN+VBN+VCN = 0

แต่ถ้าเกิดฟอลต์คือ เกิลัดวงจรระหว่างรอบของขดลวด แรงดันตกค้างจะไม่เป็นศูนย์ แรงดันนี้จะต่อเข้ากับรีเลย์รีเลย์ก็จะทำงาน

 

5.12 การป้องกันหม้อแปลงและเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเป็นชุด

ในโรงจักรไฟฟ้าขนาดใหญ่ เรามักที่จะติดตั้งหม้อแปลงเพื่อเพิ่มขนาดของแรงดันเข้าไปอยู่ติดกับเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเลย ดังนั้นการป้องกันจึงเป็นระบบป้องกันที่รวงเอาเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากับหม้อแปลงเข้าด้วยกันได้ซี่งมีชุดป้องกันที่ประกอบด้วย

รูปที่ 5.18 แสดงการป้องกันหม้อแปลงและเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเป็นชุดที่สมบูรณ์แบบ

 

1.       รีเลย์กระแสต่าง (Differrential relay) ซึ่งใช้ป้องกันเครื่องกำเนิดไฟฟ้าหม้อแปลงกำลังและหม้อแปลงจ่ายไฟในโรงงาน

2.       Earth fault relay สำหรับการป้องกันการลัดวงจรลงดินของขดลวดเครื่องกำเนิดไฟฟ้าและขดลวดด้านแรงต่ำของหม้อแปลง รวมทั้งขดลวดปฐมภูมิของหม้อแปลงจ่ายไฟในโรงงาน

3.       Earth fault แบบจำกัดบริเวณ (Restrict earth fault relay) สำหรับการป้องกันเครื่องกำเนิดไฟฟ้าและหม้อแปลงกำลังด้านแรงสูง

4.       รีเลย์กระแสเกินสำหรับป้องกันเครื่องกำเนิดไฟฟ้าและหม้อแปลงด้านแรงสูง

5.       มีรีเลย์เพื่อต่อใช้ป้องกันเฟสซีเควนซ์ลบ (Negative phase sequence)

6.       มีการป้องกันขดลวดของหม้อแปลงกำลังโดยใช้บุคโฮลย์รีเลย์ และเครื่องเตือนภัยเมื่ออุณหภูมิสูงเกินไป

7.       มีระบบป้องกันเครื่องกำเนิดไฟฟ้าไม่ให้เป็นมอเตอร์

8.       มีการป้องกันโรเตอร์ของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบโรเตอร์ Earth fault และป้องกันขดลวดสนามแม่เหล็กแบบ Field failure

9.       Earth fault แบบจำกัดบริเวณ (Restric earth fault) สำหรับด้านแรงต่ำของหม้อแปลงในโรงจ่าย

10.    รีเลย์กระแสเกินป้องกันหม้อแปงในโรงจ่าย

11.    มี Earth fault รีเลย์แบบ Stan by ในโรงงาน

12.    ระบบเครื่องต้นกำลังจะมีระบบป้องกัน

-         ไม่ให้หม้อน้ำมีความดันต่ำไป (Low boiler preeure)

-         ป้องกันไม่ให้ระบบสูญญากาศต่ำ (Low vaccum)

-         มีทริฟอย่างฉุกเฉิน (Emergency trip)

-         มีระบบน้ำมันหล่อลื่น (Lubricating oil)

 

 

แบบฝึกหัดบทที่ 5

 

1)      การป้องกันเครื่องกำเนิดไฟฟ้าทำได้อย่างไร? อธิบายมาให้เข้าใจ

2)      การลัดวงจรลงดินนั้นถ้าไม่มีการจำกัดกระแสที่ผ่านขดลวดเครื่องกำเนิดไฟฟ้าจะมีผลเสียอย่างไร?

3)      การต่อกราวด์ผ่านจุดนิวตรอนโดยต่อผ่าน 89m. กับอินดักแตนซ์จะต่างกันอย่างไร?

4)      เหตุผิดปกติต่างๆ ที่เกิดขึ้นกับเครื่องกำเนิดไฟฟ้าระหว่างที่ใช้งานมีอะไรบ้าง

5)      เครื่องกำเนิดไฟฟ้าขนาด 100 เควีเอ ใช้ฟิวส์หรือรีเลย์กระแสต่างเป็นตัวป้องกันจึงจะเหมาะสม

6)      เมื่อรีเลย์กระแสต่าง (Differrential relay) ตรวจพบว่ามีเหตุผิดปกติหรือฟอลต์เกิดขึ้นกระแสสั่งการต่างๆ ในการดับเครื่อง (Shut down) ระบบจะทำอย่างไร?

7)      การต่อจุดนิวตรอนลงดินโดยตรงผ่าน คตท. เราควรออกแบบให้ คตท. จำกัดกระแสลงดินให้มีค่าเพียงกี่เปอร์เซนต์ของกระแสโหลดเต็มที่

8)      ในกรณีที่รีเลย์กระแสต่างไม่สามารถป้องกันการลัดวงจรลงดินของขดอาร์เมเจอร์ตั้งแต่ค่าประมาณ 20% ลงมา จนถึงจุดนิวตรอนเราควรจะป้องกันอย่างไร  ? กับขดลวดอาร์เมเจอร์ช่วงนี้

9)      อุปกรณ์ที่ใช้ป้องกันแรงดันสูงเกินปกติในเครื่องกำเนิดไฟฟ้ามีอะไรบ้าง

10)   การป้องกันขดลวดสนามแม่เหล็กรั่วลงดินถ้ารั่วลงดินเพียงจุดเดียวหรือหลายจุดรีเลย์จะสั่งการอย่างไร?

11)   ให้เขียนและอธิบายวงจรป้องกันขดลวดสนามแม่เหล็กรั่วลงดินมาให้ดูสักหนึ่งตัวอย่าง

12)   เมื่อเครื่องกำเนิดไฟฟ้าจ่ายกระแสออกมาในแต่ละเฟสไม่สมดุลย์กันอย่างมากจะมีผลอย่างไร และเรามีวิธีป้องกันได้อย่างไรอธิบายมาให้เข้าใจ

13)   การที่ขาดสนามแม่เหล็กในเครื่องกำเนิดไฟฟ้าจะมีผลต่อเสถียรภาพของระบบอย่างไร ?

14) ให้อธิบายวิธีการป้องกันเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบเป็นชุดกับหม้อแปลงไฟฟ้าโดยอธิบายชุดป้องกันในแต่ละชุดด้วย

15) การป้องกันการลัดวงจรระหว่างอบของขดลวดทำได้อย่างไร

16) Cross  differential  principle  หมายความว่าอย่างไร

17) อธิบายการใช้  Stabilizer   กับรีเลย์มาให้เข้าใจ

18) จากรูปที่  5.19    ถ้าหม้อแปลงกระแสด้านทุติยภูมิตัวที่สองถูกต่อลัดวงจรจะมีผลอย่างไร

19) จากรูปที่   5.19   ถ้าหม้อแปลงหมายเลขสองด้านปฐมภูมิถูกต่อลัดวงจรจะมีกระแสไหลในวงจรอย่างไร

20) จากรูปที่   5.19   ถ้าหม้อแปลงหนึ่งด้านปฐมภูมิถูกต่อลัดวงจรและเกิดฟอลต์นอกเขตป้องกันจะมีผลอย่างไรกับรีเลย์

21) เครื่องกำเนิดไฟฟ้าขดลวดภายในอาร์มาเจอร์ต่อแบบสตาร์  เครื่องกำเนิดไฟฟ้ามีขนาด   13.8   เควี  125   เอ็มวีเอ   มีค่ารีแอกแตนซ์  1.4   เปอร์ยูนิต / เฟส  ถ้าเราใช้รีเลย์แบบเมอรซ์ไพรส์  โดยรีเลย์จะทำงานเมื่อมีกระแสต่าง   10  %  ของกระแสโหลดเต็มที่ถ้าเครื่องกำเนิดไฟฟ้าต่อลงกราวด์ผ่านค่า  คตท.  2  โอห์ม  ให้คำนวณหาเปอร์เซ็นต์ของขดลวดที่สามารถป้องกันได้และไม่ได้

22) เครื่งกำเนิดไฟฟ้าขนาด  30  เมกกะวัตต์ ,  37.5  เอ็มวีเอ ,   33  เควี  จุด  สตาร์ของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าต่อลงกราวด์  โดยผ่าน  คตท   ถ้าหากเราใช้รีเลย์กระแสต่างเป็นตัวป้องกันขดลวดอาร์มาเจอร์  โดยใช้หม้อแปลงกระแสที่มีอัตราส่วนเป็น  600 / 1   แอมแปร์และตั้งรีเลย์  ให้ทำงานที่   10  เปอร์เซ็นต์ของรีเลย์ที่มีพิกัด   1  แอมแปร์ให้คำนวณหาค่า  คตท.   ที่ะนำมาต่อที่จุดสตาร์

23) ให้อธิบายการป้องกันแนวหลังของเครื่องกำเนิดไฟฟ้ามาให้เข้าใจ

รูปที่  5.19 แสดงการป้องกันเครื่องกำเนิดไฟฟ้าโดยใช้รีเลย์กระแสต่าง