อุปกรณ์สวิตช์เกียร์ระดับแรงดันกลางและแรงดันต่ำในระบบจ่ายไฟฟ้าไมโครกริด

ไมโครกริดคือระบบที่ผสานแหล่งพลังงานแบบกระจาย (DERs) เช่น พลังงานแสงอาทิตย์ ระบบเก็บพลังงาน และเครื่องกำเนิดไฟฟ้า เข้ากับโหลด โดยต้องสามารถทำงานได้ทั้งในโหมดเชื่อมต่อกับโครงข่ายหลักและโหมดแยกตัวอย่างอิสระ ชุดอุปกรณ์สวิตช์เกียร์สำหรับไมโครกริด ตั้งอยู่ใจกลางระบบนี้ ไม่ใช่เพียงทำหน้าที่ส่งผ่านกระแสไฟฟ้าเท่านั้น แต่ยังควบคุมทิศทางการไหลของพลังงาน ตัดแยกส่วนใดส่วนหนึ่งออกจากระบบ และรักษาความปลอดภัยของไมโครกริดเมื่อเงื่อนไขแวดล้อมเปลี่ยนแปลง

1. สถาปัตยกรรมแรงดันปานกลางและแรงดันต่ำ

ไมโครกริดทั่วไปจัดระบบการจ่ายไฟฟ้าผ่านสองชั้นแรงดัน ซึ่งแต่ละชั้นมีชุดอุปกรณ์สวิตช์เกียร์และระบบป้องกันที่ออกแบบเฉพาะ

ฝั่งแรงดันปานกลาง

ฝั่งแรงดันปานกลางทำหน้าที่รวบรวมพลังงานจากแหล่งพลังงานแบบกระจาย และเชื่อมต่อกับโครงข่ายไฟฟ้าของบริษัทจำหน่ายไฟฟ้า โดยชุดอุปกรณ์สวิตช์เกียร์แรงดันปานกลางมักประกอบด้วยเบรกเกอร์หลัก ตัวตัดวงจรแบบแยกได้ (disconnect switch) และแผงจ่ายไฟ (feeder panels) สำหรับแต่ละแหล่งผลิตไฟฟ้า ชั้นนี้ต้องรองรับกระแสลัดวงจรที่สูง และจำเป็นต้องมีระบบป้องกันอันตรายจากอาร์กแฟลชที่แข็งแรง

ด้านแรงดันต่ำ

ด้านแรงดันต่ำ (LV) ทำหน้าที่จ่ายพลังงานจากข้างรองของหม้อแปลงไฟฟ้าไปยังวงจรผู้ใช้ปลายทางและโหลดขนาดเล็ก ชุดอุปกรณ์ควบคุมแรงดันต่ำ (LV switchgear) ให้บริการกับวงจรย่อยโดยใช้เบรกเกอร์แบบมีเปลือกพลาสติก (molded-case breakers) และระบบบัสบาร์ที่มีขนาดเล็กกว่า การแยกส่วนระหว่างแรงดันกลาง (MV) กับแรงดันต่ำ (LV) ช่วยควบคุมระดับกระแสลัดวงจรให้อยู่ในขอบเขตที่จัดการได้ และทำให้แต่ละชั้นสามารถป้องกันได้อย่างอิสระ

2. เบรกเกอร์ อุปกรณ์ตัดวงจร และบัสบาร์

อุปกรณ์หลักสามชนิดนี้เป็นโครงสร้างพื้นฐานของชุดอุปกรณ์ควบคุมทุกชุด โดยแต่ละชนิดมีบทบาทเฉพาะที่จำเป็นอย่างยิ่ง

เครื่องตัดวงจร

เบรกเกอร์ตรวจจับและตัดกระแสลัดวงจรโดยอัตโนมัติ ทำหน้าที่ปกป้องอุปกรณ์ที่อยู่ด้านหลัง (downstream equipment) และป้องกันไม่ให้เหตุขัดข้องลุกลามไปทั่วทั้งระบบ ในแอปพลิเคชันแรงดันกลาง (MV) มักใช้เบรกเกอร์แบบสุญญากาศ (vacuum) หรือแบบก๊าซ SF6 ส่วนในแอปพลิเคชันแรงดันต่ำ (LV) จะนิยมใช้เบรกเกอร์แบบมีเปลือกพลาสติก (molded-case)

อุปกรณ์ตัดวงจรและบัสบาร์

การตัดการเชื่อมต่อให้ช่องว่างอากาศที่มองเห็นได้ เพื่อความปลอดภัยในการบำรุงรักษา โดยมั่นใจว่าวงจรจะถูกตัดพลังงานก่อนเริ่มงานทุกครั้ง บัสบาร์ทำหน้าที่รวมทุกส่วนเข้าด้วยกัน โดยจัดเตรียมจุดเชื่อมต่อไฟฟ้าร่วมสำหรับแหล่งจ่ายและโหลดหลายแหล่ง ในสวิตช์เกียร์ระดับแรงดันปานกลาง (MV) ใช้สวิตช์อากาศหรือเบรกเกอร์แบบดึงออกเป็นอุปกรณ์ตัดการเชื่อมต่อหลัก ส่วนในสวิตช์เกียร์ระดับแรงดันต่ำ (LV) มักใช้เบรกเกอร์แบบมีเปลือกพลาสติก (molded-case breaker) แทน

แต่ละอุปกรณ์มีหน้าที่ชัดเจน และไม่มีอุปกรณ์ใดสามารถข้ามการติดตั้งไปได้โดยไม่ส่งผลให้ระดับความปลอดภัยโดยรวมของระบบลดลง

3. การแยกส่วนที่เกิดข้อผิดพลาดและการป้องกันแบบขั้นบันได

เมื่อเกิดข้อผิดพลาด ระบบป้องกันต้องแยกเฉพาะบริเวณที่ได้รับผลกระทบอย่างน้อยที่สุด ขณะยังคงให้ไมโครกริดส่วนที่เหลือทำงานต่อไปได้

การประสานงานและความจำเพาะ

เบรกเกอร์ที่อยู่ใกล้จุดข้อผิดพลาดที่สุดควรตัดวงจรก่อนเป็นลำดับแรก รีเลย์สำรองที่ติดตั้งอยู่ด้านหลังจะรอเป็นระยะเวลาสั้น ๆ ก่อนตัดวงจรเฉพาะกรณีที่ระบบป้องกันหลักล้มเหลว หลักการนี้เรียกว่า การประสานงาน (coordination) หรือ การเลือกสรร (selectivity) ซึ่งช่วยให้ข้อผิดพลาดเพียงจุดเดียวไม่ลุกลามกลายเป็นการดับของระบบขนาดใหญ่

ความท้าทายแบบสองโหมด

ในไมโครกริด ความท้าทายเพิ่มขึ้นเนื่องจากกระแสลัดวงจรในโหมดเกาะ (islanded mode) อาจต่ำกว่ามากเมื่อเทียบกับโหมดเชื่อมต่อกับระบบไฟฟ้าหลัก (grid-connected mode) การตั้งค่าระบบป้องกันจึงต้องทำงานได้อย่างเชื่อถือได้ทั้งในสองสถานะนี้ เครื่องรีเลย์ดิจิทัลรุ่นใหม่ที่มีการปรับค่าแบบปรับตัวได้ (adaptive settings) สามารถสลับระหว่างโปรไฟล์การป้องกันต่าง ๆ ตามโหมดการดำเนินงาน เพื่อรักษาระดับความสามารถในการเลือกแยกส่วน (selectivity) อย่างสม่ำเสมอ ไม่ว่าไมโครกริดจะเชื่อมต่อกับระบบไฟฟ้าหลักหรือทำงานแบบอิสระ

4. การเปลี่ยนผ่านระหว่างโหมดเชื่อมต่อกับระบบไฟฟ้าหลักและโหมดเกาะ

จุดที่ไมโครกริดเชื่อมต่อกับระบบไฟฟ้าหลักถือเป็นจุดสำคัญที่สุดในระบบทั้งหมด

ชุดอุปกรณ์สวิตช์สำหรับการเชื่อมต่อร่วม

ชุดอุปกรณ์สวิตช์สำหรับการเชื่อมต่อร่วมตั้งอยู่ที่จุดเชื่อมต่อกลาง (point of common coupling) เมื่อระบบไฟฟ้าหลักเกิดความผิดปกติ อุปกรณ์ชุดนี้ต้องแยกไมโครกริดออกอย่างรวดเร็ว ในขณะเดียวกันก็รักษาระบบโหลดภายในให้ยังคงได้รับพลังงานอยู่ สำหรับเหตุการณ์การเข้าสู่โหมดเกาะที่วางแผนไว้ล่วงหน้า อุปกรณ์จะเปิดวงจรในช่วงเวลาที่แม่นยำพอดี และส่งสัญญาณไปยังตัวควบคุม DER เพื่อปรับค่ากำลังขาออกให้เหมาะสม

การสลับวงจรอย่างรวดเร็วและการสื่อสาร

เบรกเกอร์ที่ทำงานเร็ว ร่วมกับตรรกะที่ใช้การสื่อสาร ช่วยป้องกันการตัดไฟที่ไม่จำเป็น และปกป้องทั้งสองฝั่งของการเปลี่ยนผ่าน เมื่อเกิดภาวะเกาะ (islanding) อินเวอร์เตอร์ของแหล่งจ่ายพลังงานแบบกระจาย (DER) ต้องเปลี่ยนจากการทำงานแบบแหล่งจ่ายกระแส (current-source) เป็นแหล่งจ่ายแรงดัน (voltage-source) เพื่อรักษาความถี่และแรงดันให้คงที่ อุปกรณ์สวิตช์เกียร์และตัวควบคุมที่เกี่ยวข้องจะประสานงานการส่งผ่านนี้

5. การเชื่อมต่อกับหม้อแปลง วงจรแปลงไฟฟ้า และระบบควบคุม

อุปกรณ์สวิตช์เกียร์ไม่ทำงานอย่างแยกตัว แต่ผสานเข้ากับระบบนิเวศของไมโครกริดโดยรวมอย่างลึกซึ้ง

การเชื่อมต่อกับหม้อแปลงและวงจรแปลงไฟฟ้า

อุปกรณ์สวิตช์เกียร์เชื่อมต่อกับหม้อแปลงแบบเพิ่มแรงดัน (step-up) และลดแรงดัน (step-down) ซึ่งทำหน้าที่เชื่อมระหว่างระดับแรงดันกลาง (MV) กับแรงดันต่ำ (LV) รวมทั้งเชื่อมต่อกับวงจรขาออกของอินเวอร์เตอร์ที่แปลงไฟฟ้ากระแสตรง (DC) จากแผงโซลาร์เซลล์หรือแบตเตอรี่ให้เป็นไฟฟ้ากระแสสลับ (AC) การประสานงานอย่างเหมาะสมระหว่างค่ากำหนดของอุปกรณ์สวิตช์เกียร์กับกำลังของหม้อแปลงและอินเวอร์เตอร์ มีความสำคัญยิ่งต่อการดำเนินงานที่เชื่อถือได้

โปรโตคอลการสื่อสาร

เบรกเกอร์สมัยใหม่และรีเลย์ป้องกันแลกเปลี่ยนข้อมูลกันผ่านโปรโตคอลต่าง ๆ เช่น Modbus หรือ IEC 61850 ซึ่งทำให้ไมโครกริดคอนโทรลเลอร์สามารถตรวจสอบสถานะสวิตช์และส่งคำสั่งจากระยะไกลได้ หากระบบการสื่อสารเหล่านี้ไม่มีอยู่ การทำงานแบบเกาะเดี่ยวที่ประสานกัน (coordinated islanding) และการฟื้นฟูระบบหลังดับสนิท (black-start restoration) จะเป็นไปไม่ได้

6. สิ่งจำเป็นในการเลือก

การเลือกสวิตช์เกียร์ที่เหมาะสมต้องใส่ใจอย่างรอบคอบกับค่าเรตติ้งที่สำคัญสามประการ

แรงดันไฟฟ้าที่กำหนด

แรงดันไฟฟ้าเรตติ้งต้องสอดคล้องกับระดับระบบ สำหรับการใช้งานระดับ MV มักใช้ค่าเรตติ้งทั่วไปคือ 11 kV, 22 kV หรือ 33 kV ส่วนการใช้งานระดับ LV ค่ามาตรฐานมักเป็น 380/220 V การเลือกชั้นแรงดันที่ถูกต้องจะรับประกันความสมบูรณ์ของฉนวนและการใช้งานที่เชื่อถือได้ในระยะยาว

ทนต่อกระแสลัดวงจร

ค่าเรตติ้งความสามารถทนกระแสลัดวงจรต้องสูงกว่ากระแสลัดวงจรสูงสุดที่อาจเกิดขึ้น ณ จุดติดตั้ง ในโหมดเชื่อมต่อกับโครงข่ายไฟฟ้า (grid-connected mode) แหล่งจ่ายจากสาธารณูปโภคสามารถทำให้กระแสลัดวงจรสูงมาก ในโหมดเกาะเดี่ยว (islanded mode) แหล่งจ่ายที่ใช้อินเวอร์เตอร์มีส่วนร่วมลดลง แต่ก็ยังต้องมีความสามารถทนกระแสลัดวงจรเพียงพอ

การป้องกันห้อง

การป้องกันตัวเรือนขึ้นอยู่กับสภาพแวดล้อมในการติดตั้ง โดยอุปกรณ์สวิตช์เกียร์สำหรับใช้ภายในอาคารในห้องที่สะอาดมักต้องการค่า IP30 ขณะที่การติดตั้งภายนอกอาคารหรือในสภาพแวดล้อมที่รุนแรงจำเป็นต้องใช้ค่า IP54 หรือสูงกว่านั้น นอกจากนี้ ยังควรพิจารณาอัตราการทนต่ออาร์กภายในและชนิดของฉนวนเพื่อความปลอดภัยของบุคลากรและขนาดพื้นที่ที่อุปกรณ์ครอบครอง

ปัจจัยเพิ่มเติมที่ต้องพิจารณาสำหรับการใช้งานไมโครกริด ได้แก่ อุณหภูมิแวดล้อม ความชื้น การสัมผัสกับละอองเกลือ และเส้นโค้งการลดกำลัง (derating curves) ที่เฉพาะเจาะจงซึ่งจำเป็นเมื่อติดตั้งที่ระดับความสูงมากกว่าปกติ ปัจจัยด้านสิ่งแวดล้อมมีผลโดยตรงต่อการเลือกวัสดุและช่วงเวลาการบำรุงรักษา

7. สถานการณ์การใช้งาน

8. คํา ถาม ที่ ถาม บ่อย

คำถามข้อที่ 1: อุปกรณ์สวิตช์เกียร์สำหรับไมโครกริดคืออะไร และเหตุใดจึงมีความสำคัญ?

อุปกรณ์สวิตช์เกียร์สำหรับไมโครกริดคืออุปกรณ์รวมศูนย์สำหรับการจ่ายไฟและการป้องกัน ซึ่งทำหน้าที่ควบคุมการไหลของพลังงานระหว่างแหล่งผลิตพลังงานแบบกระจาย โหลด และระบบจำหน่ายไฟฟ้าของบริษัทผู้ให้บริการไฟฟ้า โดยอุปกรณ์นี้รับประกันการดำเนินงานอย่างปลอดภัยทั้งในโหมดเชื่อมต่อกับระบบจำหน่ายไฟฟ้าและโหมดแยกตัว (islanded mode) พร้อมทั้งแยกส่วนที่เกิดข้อผิดพลาดออกได้ และทำให้การเปลี่ยนผ่านระหว่างโหมดการใช้งานต่าง ๆ เป็นไปอย่างราบรื่น

คำถามข้อที่ 2: ความแตกต่างระหว่างอุปกรณ์สวิตช์เกียร์ระดับแรงดันปานกลางกับระดับแรงดันต่ำในไมโครกริดคืออะไร?

อุปกรณ์สวิตช์เกียร์ระดับแรงดันปานกลางทำงานที่ระดับแรงดันปานกลาง (โดยทั่วไปคือ 11 กิโลโวลต์ ถึง 33 กิโลโวลต์) และทำหน้าที่รับพลังงานจากแหล่งผลิตพลังงานแบบกระจาย รวมทั้งเชื่อมต่อกับระบบจำหน่ายไฟฟ้าของบริษัทผู้ให้บริการไฟฟ้า ส่วนอุปกรณ์สวิตช์เกียร์ระดับแรงดันต่ำทำงานที่ระดับแรงดันต่ำกว่า (380/220 โวลต์) และทำหน้าที่จ่ายพลังงานไปยังโหลดปลายทาง ทั้งสองชั้นนี้แยกจากกันด้วยหม้อแปลงไฟฟ้า และแต่ละชั้นมีระบบป้องกันที่เป็นอิสระต่อกัน

คำถามข้อที่ 3: การประสานงานระบบป้องกัน (protection coordination) ในไมโครกริดทำงานอย่างไร?

การประสานงานด้านการป้องกันอุปกรณ์ทำตามหลักการเลือกสรร: เบรกเกอร์ที่อยู่ใกล้จุดขัดข้องที่สุดจะตัดวงจรก่อนเป็นลำดับแรก โดยรีเลย์สำรองทำหน้าที่เสริมความน่าเชื่อถือ สำหรับไมโครกริด จำเป็นต้องใช้ค่าการตั้งค่าระบบป้องกันแบบปรับตัวได้ เนื่องจากกระแสขัดข้องมีความแตกต่างกันอย่างมากในโหมดที่เชื่อมต่อกับโครงข่ายไฟฟ้าและโหมดเกาะ

คำถามข้อ 4: โปรโตคอลการสื่อสารใดบ้างที่ใช้ในชุดสวิตช์เกียร์สมัยใหม่สำหรับไมโครกริด

โปรโตคอลที่นิยมใช้ ได้แก่ Modbus RTU/TCP, IEC 61850 (GOOSE และ MMS), และ DNP3.0 ซึ่งโปรโตคอลเหล่านี้ช่วยให้สามารถตรวจสอบสถานะแบบเรียลไทม์ ส่งคำสั่งควบคุมการเปิด-ปิดจากระยะไกล และประสานตรรกะการป้องกันระหว่างชุดสวิตช์เกียร์กับตัวควบคุมไมโครกริด

คำถามข้อ 5: ควรพิจารณาปัจจัยใดบ้างเมื่อเลือกชุดสวิตช์เกียร์สำหรับโครงการไมโครกริด

ปัจจัยสำคัญ ได้แก่ แรงดันไฟฟ้าที่กำหนดไว้ต้องสอดคล้องกับระดับของระบบ ความสามารถในการทนกระแสลัดวงจรต้องสูงกว่ากระแสขัดข้องสูงสุดที่อาจเกิดขึ้น ค่า IP rating ที่เหมาะสมกับสภาพแวดล้อมของการติดตั้ง การจัดประเภทความปลอดภัยจากการเกิดอาร์กภายใน และความสามารถในการสื่อสารเพื่อการผสานรวมกับตัวควบคุมไมโครกริด