บทที่ 2
การป้องกันเครื่องกำเนิดไฟฟ้าซิงโครนัส


วัตถุประสงค์
1. เพื่อให้นักศึกษาเข้าใจเกี่ยวกับการป้องกันเครื่องกำเนิดไฟฟ้าซิงโครนัส
2. เพื่อให้นักศึกษาทราบถึงการทำงานที่ผิดปกติของเครื่องกำเนิดไฟฟ้า
3. เพื่อให้นักศึกษาสามารถคำนวณจุดลัดวงจรและคำนวณที่ เปอร์เซ็นต์ ต่าง ๆ ได้

 

 

การป้องกันมอเตอร์ไฟฟ้าขนาดใหญ่ หรือมอเตอร์ ซิงโครนัส มอเตอร์เหนี่ยวนำ โดยทั่วไปถือว่ามีความผิดปกติทางไฟฟ้า ที่เกิดขึ้นใน มอร์เตอร์ในลักษณะเดียวกันและยังมีความผิดปกติทางไฟฟ้าเหมือนกันที่เกิดขึ้นในเครื่องกำเนิดไฟฟ้าด้วย   ดังนั้นการป้องกันมอเตอร์ ขนาดใหญ่ จึงคล้ายกับของเครื่องกำเนิดไฟฟ้า ที่มีขนาดเดียวกัน สำหรับมอเตอร์ขนาดกลางหรือขนาดเล็กลงมา การจัดการป้องกันน้อยลง ตามขนาดและราคาของมอเตอร์ ราคาของการจัดอุปกรณ์ป้องกันโดยทั่วไปประมาณ 10 –15 % ของราคามอเตอร์ ยกเว้นในกรณีของมอเตอร์ ที่อยู่ในส่วน ของงานอุตสาหกรรมที่สำคัญต่อการผลิต หรือมอเตอร์อยู่ในสถานที่ที่ถอดออกมาซ่อมบำรุงรักษายากมาก จึงจำเป็นต้องจัดการ ป้องกันในระดับที่ดีกว่าปกติ ก่อนที่จะจัดการระบบป้องกันมอเตอร์ต้องพิจารณาสภาวะการทำงานผิดปกติของมอเตอร์ซึ่งแบ่งออกได้ สองลักษณะคือ

  1. สาเหตุหรือสภาวะผิดปกติจากภายนอกของตัวมอเตอร์ เช่น แรงเคลื่อนไฟฟ้าของแหล่งจ่ายไม่สมดุล แรงเคลื่อนไฟฟ้าตกลงมาต่ำกว่าปกติ การลำดับเฟสผิด เป็นต้น
  2. ความผิดปกติจากภายในตัวมอเตอร์ เช่น การลัดวงจรอย่างรุนแรง  การตัดวงจรภายในขดลวดสเตเตอร์ ลัดวงจรลงดิน การจ่ายโหลดเกิน ความผิดปกติทางกล ได้แก่ แบริ่ง เฟืองขบหรือแตก เป็นต้น

 

2.1 การป้องกัน
การป้องกันมอเตอร์ขนาดใหญ่ให้พิจราณาความผิดปกติที่อาจจะเกิดขึ้น กับมอเตอร์แล้วจึงจัดการป้องกันในลำดับต่อไปตามขั้นตอนดังต่อไปนี้

  1. การลัดวงจรอย่างรุนแรง การลัดวงจรอย่ารุนแรงจะมีค่าของกระแสเข้ามอเตอร์มากเกินกว่าค่าที่ตั้งไว้   ในการป้องกันการลัดวงจรอย่างรุนแรงของตัวรีเลย์จะถูกตั้ง ให้ทำงานตั้งแต่กระแสเข้ามอเตอร์สูงระหว่าง 2 ถึง 20 เท่าของกระแสพิกัด ซึ่งเวลาที่ใช้ในการทำงานจะผกผันกับเวลาหรือจะทำงานอย่างทันทีทันใด ถ้ากระแสผิดพร่อง สูงมาก ตัวเซอร์กิตเบรกเกอร์จะลัดวงจร ตามการควบคุมของรีเลย์ เพื่อป้องกันการเสียหายที่รุนแรงต่อตัวมอเตอร์ อุปกรณ์ควบคุม ตลอดจนสายป้อนไฟฟ้าที่จ่ายให้แก่มอเตอร์
  2. การป้องกันการลัดวงจรภายในขดลวดและการตัดวงจรลงดิน การลัดวงจรในขดลวดในเฟสใดเฟสหนึ่งจะเกิดเฟสไม่สมดุล ทำให้เกิดกระแสลำดับลบขึ้น หากตัวรีเลย์ที่มีหน้าที่ป้องกันกระแสลำดับลบสูงถึงค่าที่ตั้งไว้ ตัวรีเลย์จะควบคุม ให้ตัวเซอร์กิตเบรกเกอร์ ตัดวงจรมอเตอร์ออกจากแหล่งจ่ายไฟฟ้า ถ้าถึงระดับที่ตั้งค่าไว้ เช่น 10 –15 % ของกระแสอัตราพิกัด ตัวรีเลย์จะทำงานควบคุมให้เชอร์กิต เบรกเกอร์ ตัดวงจรมอเตอร์ออกจากแหล่งจ่าย
  3. การป้องกันโหลดเกิน การใช้โลดเกินขนาดจะทำให้ขดลวดของมอเตอร์ร้อนขึ้นมากว่าปกติอาจะทำให้ฉนวนเสื่อมสภาพและ ลัดวงจร ได้มนภายหลังโดยอุณหภูมิจะค่อยๆสูงขึ้นซึ่งต้องใช้เวลาพอสมควร ดังนั้นการตัดวงจรในกรณีนี้จะมีเวลาหน่วงการทำงาน ของรีเลย์ เวลาที่ใช้ในการตัดวงจรจะแปรผกผันกับค่ากระแสเข้ามอเตอร์กำลังสอง ดังนั้นรีเลย์ที่ใช้ในการการป้องกันในกรณีนี้จะตั้งค่าทั้งกระแส และการตั้งค่าเลาที่ใช้ในการตัด มอเตอร์ที่ขับโหลดซึ่งมีค่าเปลี่ยนแปลงขึ้น ๆลง ๆ การตัดวงจรมอเตอร์ออกจากแหล่งจ่ายไฟฟ้า จะรบกวน กระบวนการผลิต ทำให้เกิดการเสียหาย ดังนั้นจึงต้องตั้งค่าการตัดวงจรของมอเตอร์ ที่มีค่าสูงกว่าค่าปกติ โดยมอเตอร์ที่ใช้กับโหลดคงที่ ความผิดปกติ จากโหลดเกินขนาด จะมีโอกาสเกิดขึ้นจากโหลดทางกลหรอความผิดปกติทางกลหรือแหล่งจ่ายผิดปกติ
  4. การป้องกันการเสียกายทางกล ส่วนทางกลของมอเตอร์คือ แบริงลูกปืน การชำรุดเสียการของแบลิงลุกปืนจะเกิดขึ้นอย่างรวดเร็ว เมื่อตลับแบลิงแตก ชิ้นส่วนที่แตกจะขัดกันทำให้เกิดความฝืด มอเตอร์จะทำงานหนักเกินจนกลายเป็นสาเหตุ ให้รีเลย์ป้องกันโหลดเกินทำงาน ตัดวงจร เพื่อไม่ให้มอเตอร์ไหม้เสียหาย สำหรับมอเตอร์ขนาดใหญ่ที่ใช้ แบรังสิ อาจจะติดอุปกรณ์เกี่ยวกับอุณหภูมิเป็น ตัววัดสัญญาณผิดปกติ เพื่อให้อุปกรณ์ตัดวงจรและ แก้ไขป้องกันมิให้แบลิงชำรุดเสียหาย การผิดปกตติกับระบบหล่อลื่อนของมอเตอร์จะเป็นสาเหตุให้อุณหภูมิของ น้ำมันหล่อลื่นสูงขึ้นกว่าปกติ รวมทั้งอุณหภูมิเสื้อแบริง จะสูงขึ้นด้วย ดังนั้นการป้องกันการเกิด ความผิดปกติสามารถ ทำได้จาก การวัดอุณหภูมิน้ำมัน หรือตัวเสื้อแบริงเพื่อนำมาควบคุมรีเลย์ป้องกันอีกทอดหนึ่ง
  5. การป้องกันความผิดปกติจากภายนอกตัวมอเตอร์ คือแหล่งจ่ายไฟฟ้าผิดปกติ ในกรณีที่ติดตั้งอุปกรณ์ป้องกัน มีเพียงตัวเซอร์กิต เบรกเกอร์ตามการป้องกับข้อ 1. และอุปกรณ์ป้องกันโหลดเกิน ตามการป้องกันข้อ 3. เท่านั้นควรที่จะตัดการป้องกันเสริมหรือสำรอง เพื่อความปลอดภัยให้แก่ตัวมอเตอร์มากยิ่งขึ้น ได้แก่ การป้อกันการเกิดความผิดปกติจากแหล่งจ่ายไฟ การตรวจสอบความผิดปกติ จากข้อนี้ จะตรวจสอบสัญญาณแรงเคลื่อนไฟฟ้า จ่ายเข้าตัวมอเตอร์ซึ่งมีการป้องกันหลายแบบให้เลือกตามความเหมาะสมของงาน

                การป้องกันแรงเคลื่อนไฟฟ้าตกหรอเพิ่มขึ้นจากแรงเคลื่อนไฟฟ้าอัตราพิกัดผลจากแรงเคลื่อนไฟฟ้าสูงกว่าอัตราพิกัดจะมีผลทำให้กระแสสาขา ทำให้เกิดเส้นแรงแม่เหล็กสูง ทำให้กระแสตอนไม่มีโหลดของมอเตอร์สูงกว่าปกติ และแม้มอเตอร์จะรับโหลดได้ยังไม่ถึงอัตราพิกัด มอเตอร์ก็จะมีความร้อนสูงกว่าปกติ ซึ่งโดยทั่วไปรงเคลื่อนไฟฟ้าที่กำหนดไว้ไม่ควรเกิน 115 % ของแรงเคลื่อนไฟฟ้าพิกัด สำหรับกรณีที่แรงเคลื่อนไฟฟ้าของแหล่งจ่ายตกลงมาต่ำกว่าอัตราพิกัดจะมีผลทำให้มอเตอร์มีแรงบิดขับโหลดต่ำลง ความเร็วก็จะลดลงมา และกระแสเข้ามอเตอร์สูงขึ้นเป็น อันตรายแก่มอเตอร์ ดังนั้นจึงควรตั้งค่าอุปกรณ์ป้องกันไว้ที่แรงเคลื่อนไฟฟ้าต่ำกว่าอัตราพิกัด 0-20 % แล้วแต่ว่ามอเตอร์ใช้งานที่โหลดหนักมากน้อยเท่าใด
การป้องกันแรงเคลื่อนไฟฟ้าไม่สมดุล การป้องกันแรงเคลื่อนไฟฟ้าไม่สมดุลนี้จะสังเคราะห์วงจรไฟฟ้าขึ้นมาเพื่อวัดสัญญาณ แรงเคลื่อนไฟฟ้าลำดับศูนย์ หรอแรงเคลื่อนไฟฟ้าลำดับลบ สำหรับการตรวจสอบสัญญาณแรงเคลื่อนไฟฟ้าลำดับลบนี้ ให้ป้องกันการลำดับเฟสผิดด้วย การตั้งค่าอยู่ในระดับ 0 – 15 % ของแรงเคลื่อนไฟฟ้า อัตราพิกัด แล้วแต่ว่ามอเตอร์ใช้งานโหลดมากเท่าไร

2.2 เครื่องกำเนิดไฟฟ้า โดยทั่วไป ประกอบด้วย 2 ชนิด
2.2.1 Synchronous Generator
- วิ่งตาม Synchronous speed
- มีชุด Exiter สร้างขั้วแม่เหล็ก

 

 

 

2.2.2 Induction Generator
- วิ่งด้วยความเร็วที่มากหรือต่ำกว่า
- เกิดจากการเหนี่ยวนำโดยตรง

 

2.3  การทำงานผิดปกติของเครื่องกำเนิดไฟฟ้า
1. ความผิดปกติที่ฉนวนของขดลวดตัวนำ Stator
2. เครื่องรับสภาวะเกินขนาด Overload
3. เครื่องมีแรงดันมากเกินไป
4. การรับภาระเกินขนาดของเครื่องกำเนิดไฟฟ้า
5. การลัดวงจรที่ขดลวด rotor
6. การสูญเสียสนามแม่เหล็ก
7. การสูญเสียการเข้าจังหวะ หรือ ซิงโครนิสซึม
8. ความร้อนในเครื่องสูงเกินไป
9. ความผิดปกติของเครื่องเมื่อเริ่มงาน
10. ความเร็วสูงเกินไป

การลัดวงจรในขดลวด Stator



เป็นผลมาจาก
1. แรงดันเกิน
2. ฉนวนขาดไปเองตามเวลา


สาเหตุหลักของการลัดวงจร
1.การลัดวงจรระหว่างเฟสกับดิน ======> เกิดมากที่สุด
ทำให้เกิดการไหม้ที่แกน rotor ทั้งหมด===> รีเลย์ควรตัดให้เร็วที่สุด และรีเลย์นิยมใช้มากที่สุด Differential relay
2.การลัดวงจรระหว่างเฟสกับเฟส
2.การลัดวงจรระหว่างวงรอบ (Turn to turn )

 

การป้องกันขดลวด Stator
โดยการใช้ Dfferential relay แบบกระแสต่างตามยาว



เมื่อ CT เปิดวงจรป้องกันขดลวด
เมื่อ CB ทำงานจะต้องมีรีเลย์ช่วยทำหน้าที่ตัดสายเหล่านี้พร้อมกันทันที
1. ไกตัดวงจรใหญ่
2. ตัดไฟออกจากวงจรสนามแม่เหล็กของเครื่องกำเกิดไฟฟ้า
3. ตัดสายด้านที่ลงจุดนิวตรอน ของ Generator ออก (ถ้ามี)
4. ดับเครื่องต้นกำลัง
5. เตรียมเครื่องดับเพลิง
6. สั่งสัญญาณเตือนภัย

จุดที่ 3 เป็นจุดที่เกิดการลัดวงจรมากที่สุดเพราะมีความต้านทานต่ำที่สุด

 

 

เลือกค่า Pick up = 1 จะตั้งค่า ไว้ต่ำมากไม่ได้เพราะทำให้เกิด Overreach ทำให้ รีเลย์ตัดเร็ว

2.4 การคำนวณจุดลัดวงจร
ที่จุด 15% ===> (5x15)/100=0.75A รีเลย์ไม่ทำงาน เนื่องจากค่า Pick up สูงกว่า
ที่จุด 25% ===> (5x25)/100=1.25A รีเลย์ทำงาน เนื่องจากค่า Pick up ต่ำกว่า
ที่จุด 50% ===> (5x50)/100=2.5A รีเลย์ทำงาน เนื่องจากค่า Pick up ต่ำกว่า
ที่จุด 100% ===> (5x100)/100=100A รีเลย์ทำงาน เนื่องจากค่า Pick up ต่ำกว่า
บริเวณปลายของ Coil รีเลย์จะป้องกันไม่ได้เลย
เพราะฉะนั้นรีเลย์ ป้องกัน Generator ไม่ได้ในส่วนปลาย แต่ส่วนอื่นป้องกันได้เพียง 70% , 65%
ที่หัวของ Coil มีโอกาสลัดวงจรได้มากกว่าปลาย Coil แต่ความเสียหายที่ปลาย Coil จะเกิดความ เสียหายได้ต่ำกว่าหัว Coil 
2.5 การคำนวณที่ %ต่างๆ
ที่จุด 20%
เมื่อกระแสลัดวงจร 20 % ของ Fault load ขดลวดป้องกันไม่ได้ 100%
เมื่อกระแสลัดวงจร 20 % ของ Fault load ขดลวดป้องกันไม่ได้ (20x100)/20=100%

ที่จุด 40%
เมื่อกระแสลัดวงจร 20 % ของ Fault load ขดลวดป้องกันไม่ได้ 100%
เมื่อกระแสลัดวงจร 40 % ของ Fault load ขดลวดป้องกันไม่ได้ (20x100)/40=50%
ที่จุด 60%
เมื่อกระแสลัดวงจร 20 % ของ Fault load ขดลวดป้องกันไม่ได้ 100%
เมื่อกระแสลัดวงจร 60 % ของ Fault load ขดลวดป้องกันไม่ได้ (20x100)/60=33.33%
ที่จุด 80%
เมื่อกระแสลัดวงจร 20 % ของ Fault load ขดลวดป้องกันไม่ได้ 100%
เมื่อกระแสลัดวงจร 80 % ของ Fault load ขดลวดป้องกันไม่ได้ (20x100)/80=25%
ที่จุด 150%
เมื่อกระแสลัดวงจร 20 % ของ Fault load ขดลวดป้องกันไม่ได้ 100%
เมื่อกระแสลัดวงจร 150 % ของ Fault load ขดลวดป้องกันไม่ได้ (20x100)/150=13.33%
ที่จุด 200%
เมื่อกระแสลัดวงจร 20 % ของ Fault load ขดลวดป้องกันไม่ได้ 100%
เมื่อกระแสลัดวงจร 200 % ของ Fault load ขดลวดป้องกันไม่ได้ (20x100)/200=10%

 

กระลัดวงจรที่ Terminal คิดเป็น % ของกระแส fault load

%ของขดลวดที่ไม่ถูกป้องกัน

%ขดลวดที่ป้องกันได้

20%

100

0

40%

50

50

60%

33.33

66.67

80%

25

75

150%

13.33

86.67

200%

10

90

 

 

กราฟที่สามารถ Plot ได้


ถ้าต้องป้องกัน 85% ใช้ R เท่าไร
ที่จุด ป้องกันได้ 85% แสดงว่า ป้องกันไม่ได้ 100 - 85 = 15 %
เมื่อกระแสลัดวงจร 20 % ของ Fault load ขดลวดป้องกันไม่ได้ 100%
เมื่อกระแสลัดวงจร 15% ของ Fault load ขดลวดป้องกันไม่ได้ (20x100)/15=133.33%


 

2.6 การทำงานที่ผิดปกติของเครื่องกำเนิดไฟฟ้า
การทำงานที่ผิดปกติของระบบหลัก ๆ แยกเป็นชนิดดังนี้
1.ความผิดปกติที่ฉนวนขดลวดของตัวนำ stator
2.การรับภาระเกินขนาดของเครื่องกำเนิดไฟฟ้า
3.การรับภาระไม่สมดุล
4.ความผิดปกติที่ Rotor
5.การสูญเสียสนามแม่เหล็ก
6.การสูญเสียการเข้าจังหวะ หรือ ซิงโครนัสซึม
7.ความร้อนในเครื่องสูงเกินไป

2.7 การลักวงจรในขดลวดตัวนำของ Stator มี 3 แบบ
(1.) การลัดวงจรลงดิน ซึ่งมีโอกาสเกิดได้ง่ายกว่าอีก 2 แบบ ที่จะกล่าวถึง เพื่อให้การป้องกันขดลวดตัวนำเตเตอร์ทำได้ง่ายขึ้น มักจะต่อจุดกลาง (neutral) ของขดลวดตัวนำของสเตเตอร์ของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าลงดิน และโดยมักจะต่ออิมพิแดนซ์ค่าสูงพอสมควร ระหว่างจุดกลางนี้กับดิน เพื่อจำกัดค่ากระแสไฟฟ้าลัดวงจรลงดินให้มีค่าตำประมาณ 5 ถึง 20 แอมแปร์ เพื่อป้องกันมิให้เหล็กไหม้ ถ้าเป็นชุดเครื่องกำเนิดไฟฟ้า-หม้อแปลง การต่อลงดินมักใช้หม้อแปลงต่อลงดิน
(2.) การลัดวงจรระหว่างเฟส มีโอกาสเกิดขึ้นได้ยากกว่าการลัดวงจรลงดิน การลัดวงจรแบบนี้เกิดขึ้นระหว่างเฟส กับ เฟส และไม่เกี่ยวกับดินเลย แต่ถ้าเกิดขึ้นแล้ว มักจะกลายเป็นการลัดวงจรลงดินไปในที่สุด
(3) การลัดวงจรระหว่างวงขดลวด มีโอกาสเกิดขึ้นยาก และมักจะไม่มีการป้องกันโดยเฉพาะต้องรอให้กลายเป็นการลัดวงจรลงดินเสียก่อน ระบบป้องกันจึงจะสั่งตัดวงจร

 

การป้องกันการลัดวงจรลงดิน


ในกรณีที่ไม่มีขั้วสายแต่ละเฟสทางด้านจุดกลางโผล่ออกมา ให้ต่อหม้อแปลงกระแสได้ หรือป้องกันเฉพาะการลัดวงจรลงดินเพียงอย่างเดียวเท่านั้น อาจใช้การป้องกันเฉาะ การลัดวงจรลงดิน ดังรูป การป้องกันแบบนี้มักใช้รีเลย์ที่มี Impedance สูง และจะต้องป้องกันการลัดวงจรที่ลงดินเท่านั้น ส่วนการลัดวงจรระหว่างเฟส หรือ ระหว่างรอบของขดลวดนั้นป้องกันไม่ได้

 

การป้องกันแบบกระแสผลต่างตามขวาง


 

หลักการใช้กับโรงงานพลังน้ำ ทำงานโดยการ เปรียบเทียบค่ากระแสระหว่าง Turn ด้านบนกับด้านล่าง ว่าค่าเท่ากันหรือไม่ ถ้าเท่ากันจะไม่ทำงาน แต่ถ้าต่างกัน จะทำงานตัดวงจรทันที