Short Circuit Current หรือกระแสลัดวงจร คือค่ากระแสที่คาดว่าจะเกิดขึ้นเมื่อเกิดการลัดวงจร ณ จุดติดตั้ง ใช้ประกอบการเลือกพิกัดทนกระแสลัดวงจรของตู้ MDB และพิกัดตัดกระแสของเบรกเกอร์ให้เหมาะสม เพื่อป้องกันความเสียหายจากความร้อนและแรงทางกล
การเลือกพิกัด Icw ต้องเริ่มจากการคำนวณกระแสลัดวงจร โดยพิจารณาข้อมูลหม้อแปลง ระยะสาย และระบบป้องกันตามเงื่อนไขของระบบและมาตรฐาน IEC 61439
บทความนี้จะอธิบายวิธีคำนวณ Short Circuit Current ตัวอย่างการคำนวณ ความแตกต่างระหว่าง Ipk, Icw และ Icc รวมถึงแนวทางเลือกพิกัด Icw สำหรับตู้ MDB โดยสามารถอ่านเพิ่มเติมได้ที่ Short Circuit Rating คืออะไร
Short Circuit Current คืออะไร และสำคัญกับตู้ MDB อย่างไร?
Short Circuit Current หรือกระแสลัดวงจรที่เป็นไปได้ (prospective short-circuit current) คือค่ากระแสที่ระบบสามารถจ่ายเข้าสู่จุดลัดวงจรได้ ภายใต้เงื่อนไขของแหล่งจ่ายและระบบไฟฟ้าจุดนั้น โดยพิจารณาความสามารถในการจ่ายกระแสของระบบก่อนที่อุปกรณ์ป้องกันจะตัดวงจร
ค่าที่ใช้พิจารณามีทั้งกระแสค่า r.m.s. ซึ่งเป็นค่าประสิทธิผลของกระแสสลับ และกระแสยอดสูงสุด (peak current) ซึ่งเกี่ยวข้องกับแรงทางกลที่เกิดขึ้นกับบัสบาร์และอุปกรณ์ภายในตู้ในช่วงแรกของการลัดวงจร
สำหรับตู้ MDB ซึ่งมักติดตั้งใกล้แหล่งจ่ายหลัก เช่น หม้อแปลงไฟฟ้า กระแสลัดวงจรที่เป็นไปได้อาจมีค่าสูง เนื่องจากอิมพีแดนซ์ระหว่างแหล่งจ่ายกับตู้มีน้อย เมื่อกระแสไหลผ่านสายที่มีอิมพีแดนซ์เพิ่มขึ้น ค่ากระแสลัดวงจรที่ปลายสายมักลดลง อย่างไรก็ตาม ต้องคำนวณจากข้อมูลระบบจริง ไม่ควรใช้ระยะทางเพียงอย่างเดียวในการตัดสิน
การทราบค่า Short Circuit Current ช่วยให้ผู้ออกแบบและผู้ผลิตตู้ตรวจสอบได้ว่า
-
ตู้ MDB มีพิกัดทนกระแสลัดวงจรเพียงพอต่อระบบหรือไม่
-
บัสบาร์และโครงสร้างยึดภายในตู้รองรับแรงทางกลและความร้อนที่เกิดขึ้นได้หรือไม่
-
เบรกเกอร์มีพิกัดตัดกระแสเหมาะสมกับกระแสลัดวงจร ณ จุดติดตั้งหรือไม่
-
ระบบป้องกันสามารถทำงานร่วมกันได้ตามเงื่อนไขที่ออกแบบไว้หรือไม่
วิธีคำนวณ Short Circuit Current จากหม้อแปลง
การประมาณกระแสลัดวงจรเบื้องต้นที่ขั้วทุติยภูมิของหม้อแปลง สามารถทำได้โดยใช้กระแสโหลดเต็มพิกัดหารด้วยค่าอิมพีแดนซ์ของหม้อแปลงในรูปต่อหน่วย วิธีนี้ตั้งสมมติฐานว่าอิมพีแดนซ์ของระบบด้านต้นทางมีค่าน้อยมากเมื่อเทียบกับหม้อแปลง จึงเหมาะสำหรับประมาณค่ากระแสลัดวงจรสูงสุดที่ขั้วหม้อแปลงในกรณีดังกล่าว
สูตรที่ใช้มีดังนี้
1. คำนวณกระแสโหลดเต็มพิกัดของหม้อแปลง (In)
In = (kVA × 1,000) ÷ (√3 × V)
โดยที่
-
kVA = ขนาดกำลังไฟฟ้าปรากฏของหม้อแปลง
-
V = แรงดันไฟฟ้าระหว่างสายด้านทุติยภูมิ หน่วยโวลต์
-
In = กระแสโหลดเต็มพิกัด หน่วยแอมแปร์
2. คำนวณค่าอิมพีแดนซ์ต่อหน่วย (Zpu)
Zpu = %Z ÷ 100
โดย %Z คือค่าอิมพีแดนซ์ของหม้อแปลงที่ระบุในแผ่นป้ายหรือเอกสารทางเทคนิค
3. ประมาณกระแสลัดวงจร (Isc)
Isc ≈ In ÷ Zpu
ตัวอย่างคำนวณหม้อแปลง 1,000 kVA
สมมติว่าหม้อแปลงมีขนาด 1,000 kVA แรงดันด้านทุติยภูมิ 400 V และค่าอิมพีแดนซ์ 5% สามารถคำนวณได้ดังนี้
|
รายการ |
วิธีคำนวณ |
ผลลัพธ์ |
|---|---|---|
|
กระแสโหลดเต็มพิกัด (In) |
1,000,000 ÷ (1.732 × 400) |
ประมาณ 1,443 A |
|
อิมพีแดนซ์ต่อหน่วย (Zpu) |
5 ÷ 100 |
0.05 |
|
กระแสลัดวงจรโดยประมาณ |
1,443 ÷ 0.05 |
ประมาณ 28.9 kA |
จากตัวอย่าง จะได้กระแสลัดวงจรประมาณ 28.9 kA ที่ขั้วทุติยภูมิของหม้อแปลง ภายใต้สมมติฐานที่ใช้ในการคำนวณ
ค่า %Z มีผลต่อกระแสลัดวงจรอย่างชัดเจน หากหม้อแปลงขนาดและแรงดันเท่าเดิม แต่มีค่าอิมพีแดนซ์ 4% กระแสลัดวงจรโดยประมาณจะเพิ่มเป็น 36.1 kA ขณะที่ค่าอิมพีแดนซ์ 6% จะทำให้กระแสลดลงเหลือประมาณ 24.1 kA
จุดสำคัญ:
ตัวเลขดังกล่าวเป็นเพียงตัวอย่างเพื่ออธิบายวิธีคำนวณ ไม่ใช่ค่าที่นำไปกำหนดพิกัดตู้ MDB ได้ทันที เพราะการคำนวณระบบจริงต้องพิจารณาอิมพีแดนซ์ของแหล่งจ่ายและสาย รวมถึงแหล่งจ่ายอื่นที่อาจป้อนกระแสเข้าสู่จุดลัดวงจร เช่น มอเตอร์หรือเครื่องกำเนิดไฟฟ้า ควรใช้ข้อมูลจริงและให้วิศวกรผู้ออกแบบระบบยืนยันค่าที่จุดติดตั้งตู้
Icw คืออะไร? ต่างจาก Ipk และ Icc อย่างไร?
Icw คือพิกัดกระแสทนระยะสั้น (rated short-time withstand current) ของวงจรหรือตู้ไฟฟ้า เป็นค่า r.m.s. ของกระแสที่ตู้สามารถทนได้ภายในระยะเวลาที่กำหนดภายใต้เงื่อนไขที่ระบุ เช่น 1 วินาที โดยไม่เกิดความเสียหายเกินเกณฑ์ที่กำหนด พิกัดนี้สำคัญกับตู้ MDB ที่ต้องรองรับกระแสลัดวงจรระหว่างรอให้อุปกรณ์ป้องกันด้านต้นทางตัดวงจร
ตาม IEC 61439-1 มีพิกัดที่เกี่ยวข้องกับการทนกระแสลัดวงจร 3 แบบ ซึ่งมีความหมายแตกต่างกัน ดังนี้
|
พิกัด |
ความหมาย |
สิ่งที่ต้องพิจารณา |
|---|---|---|
|
Ipk |
พิกัดกระแสยอดสูงสุดที่ตู้ทนได้ภายใต้เงื่อนไขที่กำหนด |
ต้องรองรับค่ายอดของกระแสลัดวงจรที่เป็นไปได้ ซึ่งเกี่ยวข้องกับแรงทางกลต่อบัสบาร์และโครงสร้าง |
|
Icw |
พิกัดกระแสทนระยะสั้นในรูปค่า r.m.s. โดยระบุระยะเวลาที่ทนได้ |
ต้องรองรับกระแสลัดวงจรตามระยะเวลาที่กำหนด เช่น 1 วินาที |
|
Icc |
พิกัดกระแสลัดวงจรแบบมีเงื่อนไข เมื่อใช้อุปกรณ์ป้องกันที่กำหนด |
ต้องพิจารณาคุณสมบัติของอุปกรณ์ป้องกันกระแสลัดวงจร (SCPD) ที่ใช้ร่วมกับตู้ |
การเลือกพิกัดจึงไม่ได้ดูเฉพาะค่า Icw เท่านั้น แต่ต้องตรวจสอบ Ipk และเงื่อนไขการป้องกันที่เกี่ยวข้องด้วย หากตู้ใช้พิกัด Icc จะต้องมีอุปกรณ์ป้องกันและเงื่อนไขการใช้งานตรงตามที่ผู้ผลิตตู้ระบุ
Icw ต้องสัมพันธ์กับระยะเวลาที่ทนกระแสได้
พิกัด Icw ต้องระบุร่วมกับระยะเวลา เช่น 25 kA, 1 s หมายถึงตู้ได้รับการประกาศพิกัดทนกระแสระยะสั้น 25 kA เป็นเวลา 1 วินาทีภายใต้เงื่อนไขที่กำหนด จึงไม่ควรเปรียบเทียบตัวเลข kA เพียงอย่างเดียวโดยไม่พิจารณาระยะเวลา
หากระบบออกแบบให้เบรกเกอร์ด้านต้นทางหน่วงเวลาเพื่อให้เบรกเกอร์วงจรย่อยตัดก่อน ตู้ต้องทนกระแสลัดวงจรได้ตลอดช่วงเวลาที่เกี่ยวข้อง และต้องตรวจสอบการประสานงานของอุปกรณ์ป้องกันตามการออกแบบ
ส่วน Ipk เป็นพิกัดที่เกี่ยวข้องกับกระแสยอดสูงสุด โดย IEC 61439-1 มีค่าตัวคูณ n สำหรับใช้กำหนดความสัมพันธ์ระหว่างกระแส r.m.s. กับกระแสยอดตามช่วงกระแสและเงื่อนไขที่กำหนด ตัวอย่างค่าตัวคูณที่อ้างอิงจากตารางในมาตรฐาน ได้แก่
|
ช่วงกระแส r.m.s. |
ตัวคูณ n |
|---|---|
|
ไม่เกิน 5 kA |
1.5 |
|
มากกว่า 5 ถึง 10 kA |
1.7 |
|
มากกว่า 10 ถึง 20 kA |
2.0 |
|
มากกว่า 20 ถึง 50 kA |
2.1 |
|
มากกว่า 50 kA |
2.2 |
ค่าตัวคูณนี้เป็นข้อมูลอ้างอิงตามเงื่อนไขในตาราง ไม่ควรนำไปใช้แทนการตรวจสอบพิกัด Ipk ที่ผู้ผลิตประกาศ โดยเฉพาะบริเวณใกล้หม้อแปลงหรือเครื่องกำเนิดไฟฟ้า ซึ่งลักษณะของระบบอาจส่งผลต่อกระแสยอดได้ ต้องตรวจสอบมาตรฐานฉบับที่โครงการอ้างอิงและข้อมูลจากผู้ผลิตก่อนใช้งานจริง
วิธีเลือกพิกัด Icw สำหรับตู้ MDB ให้เหมาะสม
การเลือก Icw ควรเริ่มจากค่ากระแสลัดวงจรที่เป็นไปได้ ณ จุดติดตั้ง แล้วตรวจสอบว่าพิกัดของตู้และอุปกรณ์ภายในรองรับสภาวะดังกล่าวได้ตามเงื่อนไขการออกแบบ โดยดำเนินการตามขั้นตอนต่อไปนี้
ขั้นที่ 1: หาค่ากระแสลัดวงจร ณ จุดติดตั้งตู้ MDB
รวบรวมข้อมูลจากแบบ Single Line Diagram ขนาดหม้อแปลง ค่า %Z แรงดัน ระบบสาย และข้อมูลแหล่งจ่ายที่เกี่ยวข้อง จากนั้นให้วิศวกรคำนวณกระแสลัดวงจรที่จุดต่อเข้าตู้ ไม่ควรใช้ค่าที่คำนวณจากหม้อแปลงเพียงอย่างเดียวแทนค่าของระบบจริง
ขั้นที่ 2: กำหนดพิกัด Icw และระยะเวลาที่ต้องทนได้
นำค่ากระแสลัดวงจรที่คำนวณได้มาเปรียบเทียบกับพิกัด Icw ของตู้ MDB โดยพิจารณาทั้งค่ากระแสและระยะเวลาที่กำหนด พิกัดต้องเหมาะสมกับสภาวะที่คาดว่าจะเกิดขึ้นและเงื่อนไขตามมาตรฐานที่ใช้อ้างอิง
ขั้นที่ 3: ตรวจสอบพิกัด Ipk ของตู้
ตรวจสอบว่าพิกัดกระแสยอดที่ผู้ผลิตประกาศรองรับค่ายอดสูงสุดของกระแสลัดวงจรที่เป็นไปได้ เพราะแม้ค่า r.m.s. จะอยู่ในเกณฑ์ แต่แรงทางกลจากกระแสยอดก็เป็นอีกเงื่อนไขหนึ่งที่ต้องตรวจสอบ
ขั้นที่ 4: ตรวจสอบเบรกเกอร์และการประสานงานของระบบป้องกัน
ตรวจสอบพิกัดตัดกระแสของเบรกเกอร์ ณ จุดติดตั้ง รวมถึงค่าการตั้งทริปและการหน่วงเวลา หากใช้เบรกเกอร์ด้านต้นทางหน่วงเวลา ตู้ต้องรองรับกระแสได้ตามระยะเวลาที่เกี่ยวข้องด้วย พิกัดตัดกระแสของเบรกเกอร์เป็นคนละคุณสมบัติกับ Icw ของตู้ จึงไม่ควรใช้แทนกัน
ขั้นที่ 5: ขอเอกสารยืนยันพิกัดจากผู้ผลิตตู้
ขอข้อมูลพิกัดทนกระแสลัดวงจรและหลักฐานการตรวจสอบที่ตรงกับรูปแบบตู้ อุปกรณ์ และเงื่อนไขการใช้งานที่สั่งผลิต เพื่อให้มั่นใจว่าตู้ที่ได้รับสอดคล้องกับข้อกำหนดของโครงการ สามารถดูแนวทางตรวจรับได้ที่ มาตรฐานตู้ควบคุมไฟฟ้า IEC 61439 เช็กลิสต์ตรวจรับงาน
ตัวอย่างการเลือกพิกัดจากกรณีหม้อแปลง 1,000 kVA
จากตัวอย่างก่อนหน้า หม้อแปลงขนาด 1,000 kVA แรงดัน 400 V และค่า %Z เท่ากับ 5% ให้ค่ากระแสลัดวงจรโดยประมาณที่ขั้วหม้อแปลง 28.9 kA ภายใต้สมมติฐานที่กำหนด
ตัวเลขนี้ใช้เป็นข้อมูลตั้งต้นในการพิจารณาระบบได้ แต่ยังไม่เพียงพอสำหรับสรุปว่าตู้ MDB ต้องเลือก Icw เท่าใดโดยอัตโนมัติ เพราะต้องคำนวณค่ากระแสลัดวงจรที่จุดติดตั้งจริง และตรวจสอบระยะเวลาที่ตู้ต้องทนกระแส รวมถึงพิกัด Ipk และอุปกรณ์ป้องกันที่ใช้งานร่วมกัน
หากมีสายระหว่างหม้อแปลงกับตู้ อิมพีแดนซ์ของสายจะส่งผลต่อค่ากระแสลัดวงจรที่จุดติดตั้ง ส่วนกรณีที่มีหม้อแปลงหลายตัวต่อขนาน หรือมีเครื่องกำเนิดไฟฟ้าทำงานร่วมกับระบบ ต้องพิจารณาสภาวะการจ่ายไฟแต่ละรูปแบบด้วย
สำหรับระบบที่มีเครื่องกำเนิดไฟฟ้าทำงานร่วมกับแหล่งจ่ายหลัก สามารถศึกษาข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับ ตู้ Synchronizing Panel เพื่อทำความเข้าใจระบบซิงโครไนซ์ที่เกี่ยวข้อง
หากเลือกพิกัดทนกระแสลัดวงจรต่ำเกินไปจะเกิดอะไรขึ้น?
หากพิกัดทนกระแสลัดวงจรของตู้ หรือพิกัดตัดกระแสของอุปกรณ์ป้องกันไม่เหมาะสมกับค่าที่ระบบอาจเกิดขึ้น อาจทำให้เกิดความเสียหายต่ออุปกรณ์และโครงสร้างภายในตู้ เช่น
-
บัสบาร์และตัวยึดเสียหาย: แรงทางกลจากกระแสลัดวงจรอาจทำให้บัสบาร์หรือตัวยึดเคลื่อนตัวหรือเสียหาย
-
ความร้อนสูงเกินเกณฑ์: กระแสลัดวงจรอาจทำให้ส่วนประกอบภายในตู้ได้รับความร้อนสูงในช่วงเวลาที่เกิดเหตุ
-
อุปกรณ์ป้องกันทำงานไม่สอดคล้องกับระบบ: หากเลือกพิกัดหรือเงื่อนไขการป้องกันไม่เหมาะสม อาจไม่สามารถตัดวงจรได้ตามที่ออกแบบไว้
-
เพิ่มความเสี่ยงต่ออาร์กและไฟไหม้: ความเสียหายจากการลัดวงจรอาจลุกลามไปยังอุปกรณ์หรือส่วนอื่นของระบบ
การออกแบบจึงต้องพิจารณาทั้งพิกัดของตู้ บัสบาร์ เบรกเกอร์ และอุปกรณ์ป้องกันร่วมกัน ไม่ใช่เลือกจากขนาดกระแสใช้งานปกติเพียงอย่างเดียว หากต้องการศึกษาเรื่องอาร์กไฟฟ้าเพิ่มเติม อ่านได้ที่ Arc Flash คืออะไร และดูข้อมูลเกี่ยวกับ ความสำคัญของ Bus Bar ในตู้ไฟฟ้า
หากโครงการอ้างอิงมาตรฐานฝั่งอเมริกาเหนือ อาจมีข้อกำหนดเรื่อง Short-Circuit Current Rating (SCCR) ตามมาตรฐานที่เกี่ยวข้อง ซึ่งมีวิธีประกาศและตรวจสอบต่างจากการเลือก Icw ตาม IEC จึงควรยืนยันมาตรฐานอ้างอิงกับเจ้าของโครงการก่อนสั่งผลิต อ่านเพิ่มเติมได้ที่ Short Circuit Rating คืออะไร
ข้อควรระวัง:
ตัวอย่างและสูตรในบทความนี้ใช้เพื่อทำความเข้าใจเท่านั้น ไม่ใช่การคำนวณออกแบบจริง การเลือกพิกัดตู้และเบรกเกอร์ในงานจริงต้องให้วิศวกรไฟฟ้าผู้มีใบอนุญาตคำนวณและรับรอง โดยใช้ข้อมูลจริงของระบบ
สรุป
Short Circuit Current คือค่ากระแสลัดวงจรที่ระบบอาจจ่ายเข้าสู่จุดติดตั้งตู้ MDB ซึ่งเป็นข้อมูลสำคัญในการเลือกพิกัดทนกระแสลัดวงจรให้เหมาะสม สามารถประมาณเบื้องต้นจากกระแสโหลดเต็มพิกัดของหม้อแปลงหารด้วยค่าอิมพีแดนซ์ต่อหน่วย แต่ต้องตรวจสอบค่าจริงที่จุดติดตั้งโดยรวมอิมพีแดนซ์ของสายและแหล่งจ่ายอื่นที่เกี่ยวข้อง
การเลือก Icw ต้องพิจารณาทั้งค่ากระแสและระยะเวลาที่ตู้ต้องทนได้ พร้อมตรวจสอบพิกัด Ipk พิกัดตัดกระแสของเบรกเกอร์ และเงื่อนไขการป้องกันให้สอดคล้องกับระบบตาม IEC 61439 การเลือกพิกัดจึงควรอ้างอิงผลคำนวณของผู้ออกแบบและข้อมูลที่ผู้ผลิตตู้ประกาศ ไม่ควรใช้ตัวอย่างคำนวณเพียงอย่างเดียวในการตัดสินใจ
FAQ
Q1: Short Circuit Current กับ Icw เหมือนกันหรือไม่? A: ไม่เหมือนกัน Short Circuit Current คือกระแสลัดวงจรที่คาดว่าจะเกิดขึ้น ณ จุดติดตั้ง ส่วน Icw คือพิกัดกระแสที่ตู้สามารถทนได้ในระยะเวลาที่กำหนด ต้องนำค่าทั้งสองมาเปรียบเทียบเพื่อประเมินความเหมาะสมของตู้ไฟฟ้า
Q2: หากเลือกพิกัด Icw ต่ำกว่าค่ากระแสลัดวงจร จะเกิดอะไรขึ้น? A: ตู้อาจไม่สามารถทนต่อความร้อนและแรงทางกลจากกระแสลัดวงจรได้ ทำให้เกิดความเสียหายและเพิ่มความเสี่ยงต่อผู้ปฏิบัติงาน
Q3: ต้องใช้ข้อมูลอะไรในการคำนวณ Short Circuit Current? A: ข้อมูลหลัก ได้แก่ กำลังและแรงดันของหม้อแปลง ค่า %Z และอิมพีแดนซ์ของระบบ โดยควรให้วิศวกรคำนวณจากข้อมูลระบบจริง
Q4: วิธีคำนวณ Short Circuit Current จากหม้อแปลงอย่างไร? A: สามารถประมาณค่าเบื้องต้นได้จากสูตร Isc ≈ In ÷ Zpu โดย In คือกระแสโหลดเต็มพิกัด และ Zpu คือค่าอิมพีแดนซ์ต่อหน่วย ทั้งนี้ ค่าที่ได้ยังขึ้นอยู่กับเงื่อนไขของระบบไฟฟ้าจริง
Q5: พิกัด Icw ของตู้ ต่างจากพิกัดตัดกระแส Icu ของเบรกเกอร์อย่างไร? A: Icw คือพิกัดกระแสที่ตู้ทนได้ในระยะเวลาที่กำหนด ส่วน Icu คือพิกัดกระแสลัดวงจรสูงสุดที่เบรกเกอร์สามารถตัดได้ ต้องตรวจสอบพิกัดของตู้ เบรกเกอร์ และการประสานการทำงานให้เหมาะสมกับกระแสลัดวงจร ณ จุดติดตั้ง
การเลือกพิกัดทนกระแสลัดวงจรที่เหมาะสม เป็นส่วนสำคัญในการออกแบบตู้ MDB ให้รองรับความเสี่ยงจากระบบไฟฟ้าได้อย่างเหมาะสม SK Power Electric ให้บริการออกแบบและผลิตตู้ไฟฟ้าตามความต้องการของโครงการ พร้อมพิจารณาพิกัดอุปกรณ์และข้อกำหนดทางเทคนิคที่เกี่ยวข้อง เพื่อให้ตู้ไฟฟ้าเหมาะสมกับการใช้งานจริง ดูบริการ รับผลิตตู้สวิทช์บอร์ด
☎️ Tel: 093-596-4288
🟢 Line: sk_powerelectric
📬 Email: [email protected]
📘 Facebook: SK Power Electric
