บทที่ 32 — หม้อแปลงไฟฟ้า

32.1 หลักการทำงานและ Turns Ratio (Working Principle & Turns Ratio)

หม้อแปลงไฟฟ้าทำงานด้วยหลักการเหนี่ยวนำร่วม (mutual induction) ซึ่งเป็นผลโดยตรงจากกฎการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้าของฟาราเดย์ที่ได้เรียนในบทที่ 6 ขดลวดชุดแรกที่เรียกว่า primary รับแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับเข้ามาแล้วสร้างฟลักซ์แม่เหล็กสลับขึ้นในแกนเหล็ก ฟลักซ์สลับนี้เองที่เดินทางผ่านแกนเหล็กไปเหนี่ยวนำแรงเคลื่อนไฟฟ้า (EMF) ขึ้นในขดลวดชุดที่สองที่เรียกว่า secondary โดยไม่มีการเชื่อมต่อทางไฟฟ้าโดยตรงระหว่างสองขดลวดเลย และที่สำคัญคือไม่มีชิ้นส่วนใดเคลื่อนที่ตลอดกระบวนการนี้ จึงทำให้หม้อแปลงเป็นเครื่องจักรไฟฟ้าที่มีประสิทธิภาพสูงที่สุดในบรรดาอุปกรณ์แปลงพลังงานไฟฟ้าทั้งหมด หม้อแปลงกำลังขนาดใหญ่ในโรงไฟฟ้าให้ประสิทธิภาพสูงถึง 99.3–99.7% แทบไม่มีเทคโนโลยีแปลงพลังงานไฟฟ้าชนิดใดทำได้ดีเท่านี้

ในกรณีสมมติของหม้อแปลงอุดมคติ (ideal transformer) ซึ่งไม่มีการสูญเสียใดๆ ไม่มีฟลักซ์รั่วไหลออกนอกแกน และแกนเหล็กมีค่าความซึมซาบแม่เหล็ก (permeability) เป็นอนันต์ ความสัมพันธ์ระหว่างแรงดัน กระแส และจำนวนรอบของขดลวดทั้งสองฝั่งจะเรียบง่ายมาก แรงดันแปรผันตรงตามจำนวนรอบ ในขณะที่กระแสแปรผกผัน (มากรอบกว่า → แรงดันสูงกว่า แต่กระแสต่ำกว่า) ผลคือกำลังไฟฟ้าปรากฏ (apparent power) ที่ไหลเข้าฝั่ง primary เท่ากับที่ไหลออกฝั่ง secondary เป๊ะ ไม่มีการสูญเสียระหว่างทาง

ในความเป็นจริง หม้อแปลงจริงต่างจากอุดมคติอยู่ 4 จุดสำคัญ ได้แก่ ความต้านทานของขดลวดทองแดงที่ก่อให้เกิด copper loss, ฟลักซ์รั่วไหลบางส่วนที่ไม่เดินทางผ่านแกนร่วมกันซึ่งก่อให้เกิด leakage reactance, การสูญเสียในแกนเหล็กจาก hysteresis และ eddy current ที่เรียกรวมว่า core loss และกระแส magnetizing ที่จำเป็นต้องมีเพื่อสร้างฟลักซ์ในแกน ซึ่งในหม้อแปลงกำลังขนาดใหญ่มีค่าเพียงราว 0.5–2% ของกระแสพิกัดเท่านั้น ความแตกต่างทั้งสี่จุดนี้คือที่มาของ equivalent circuit ที่จะอธิบายในหัวข้อถัดไป

ปริมาณแรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำต่อรอบขึ้นกับความถี่และค่าฟลักซ์สูงสุดในแกนตามสมการด้านล่าง วิศวกรผู้ออกแบบหม้อแปลงจึงเลือกความหนาแน่นฟลักซ์ในแกนไว้ที่ประมาณ 1.6–1.75 เทสลา ซึ่งอยู่ใกล้จุดอิ่มตัว (saturation) ของเหล็กซิลิคอนชนิด CRGO (Cold-Rolled Grain-Oriented steel — เหล็กซิลิคอนรีดเย็นเกรนออเรียนเต็ด ซึ่งมีคุณสมบัติทางแม่เหล็กดีตามแนวรีดเป็นพิเศษ) ที่ประมาณ 2.0 เทสลา เหตุผลคือยิ่งออกแบบใกล้จุดอิ่มตัวมากเท่าไร ยิ่งใช้ปริมาณเหล็กต่อพิกัดกำลังน้อยลงเท่านั้น คุ้มค่าทางเศรษฐศาสตร์มากกว่า แต่ก็มีข้อจำกัดตามมา หากจ่ายแรงดันเกินพิกัดหรือความถี่ต่ำกว่าพิกัด อัตราส่วน V/f ที่สูงเกินจะดันให้แกนอิ่มตัวจริง กระแส magnetizing จะพุ่งขึ้นอย่างรุนแรงและแกนเหล็กจะร้อนจัดผิดปกติ นี่คือที่มาของฟังก์ชันป้องกันหมายเลข 24 หรือ V/Hz protection ซึ่งมีความสำคัญเป็นพิเศษกับหม้อแปลง GSU (Generator Step-Up transformer — หม้อแปลงเพิ่มแรงดันที่ต่อกับขั้วเครื่องกำเนิดไฟฟ้าโดยตรงเพื่อยกแรงดันขึ้นสู่ระบบสายส่ง) เพราะช่วงที่เครื่องกำเนิดไฟฟ้ากำลังเร่งความเร็วขึ้นหรือลดความเร็วลงระหว่าง start/stop ตามที่ได้กล่าวถึงในบทที่ 31 ความถี่จะยังไม่นิ่งที่ 50 Hz ในขณะที่แรงดันขั้วเครื่องอาจถูกดันขึ้นไปแล้วบางส่วน ทำให้อัตราส่วน V/f เสี่ยงเกินพิกัดได้ง่าย

อีกหนึ่งความสัมพันธ์พื้นฐานที่ใช้บ่อยมากในการวิเคราะห์วงจรคือ อิมพีแดนซ์ที่มองผ่านหม้อแปลงจากอีกฝั่งหนึ่งจะถูกแปลงค่าด้วยกำลังสองของ turns ratio เสมอ ตามสูตร Z′ = a²Z หลักการนี้คือพื้นฐานของการ "refer" ค่าองค์ประกอบวงจรจากฝั่งหนึ่งไปยังอีกฝั่งหนึ่งในวงจรสมมูลที่จะอธิบายต่อไปในหัวข้อ 32.2

โดย $E$ = EMF rms ของขดลวด (V), $f$ = ความถี่ (Hz), $N$ = จำนวนรอบ, $\Phi_{max}$ = flux สูงสุดในแกน (Wb)

โดย $a$ = turns ratio, $N$ = จำนวนรอบ, $V$ = แรงดัน (V), $I$ = กระแส (A); ตัวห้อย 1 = primary, 2 = secondary

32.2 Equivalent Circuit (วงจรสมมูล)

เพื่อวิเคราะห์พฤติกรรมของหม้อแปลงจริงในเชิงปริมาณ วิศวกรไฟฟ้าใช้วงจรสมมูล (equivalent circuit) ซึ่งจำลองความไม่สมบูรณ์ทั้งสี่จุดที่กล่าวไปในหัวข้อก่อนหน้าให้อยู่ในรูปองค์ประกอบวงจรแยกส่วน วงจรนี้ประกอบด้วยความต้านทานขดลวด R₁ และรีแอกแตนซ์รั่วไหล X₁ ทางฝั่ง primary ตามด้วย R₂′ และ X₂′ ซึ่งเป็นค่าของฝั่ง secondary ที่ถูก "refer" มาไว้ฝั่ง primary ด้วยกฎ Z′ = a²Z แล้ว และมี magnetizing branch ต่อขนานอยู่กึ่งกลางวงจร ประกอบด้วย R_c ที่แทนการสูญเสียในแกนเหล็ก ขนานกับ X_m ที่แทนกระแสสร้างฟลักซ์แม่เหล็ก

R_c มีลักษณะพิเศษตรงที่เป็นค่าคงที่ไม่ขึ้นกับโหลดเลย เพราะ core loss เกิดขึ้นตลอดเวลาที่หม้อแปลงมีแรงดันจ่ายอยู่ ไม่ว่าจะมีโหลดต่ออยู่หรือไม่ก็ตาม ส่วน X_m แทนกระแส magnetizing ที่จำเป็นต้องมีเพื่อสร้างฟลักซ์ในแกน ค่าทั้งสองนี้หาได้จากการทดสอบที่เรียกว่า open-circuit test ซึ่งทำโดยจ่ายแรงดันพิกัดเข้าด้าน LV ในขณะที่ปล่อยด้าน HV เปิดวงจรไว้ แล้ววัดกำลังไฟฟ้า P₀ และกระแส I₀ ที่ไหลเข้า ในทางกลับกัน R_eq = R₁ + R₂′ และ X_eq = X₁ + X₂′ ซึ่งเป็นค่าสมมูลรวมของทั้งวงจรอนุกรม หาได้จากการทดสอบที่เรียกว่า short-circuit test โดยลัดวงจรด้าน LV แล้วค่อยๆ เพิ่มแรงดันด้าน HV จนกระแสไหลเท่าพิกัด วัดกำลังไฟฟ้า P_sc และแรงดัน V_sc ที่ใช้ แรงดัน V_sc นี้เองที่เป็นที่มาของค่า percent impedance ซึ่งจะอธิบายในหัวข้อ 32.7

ในหม้อแปลงกำลังขนาดใหญ่ ค่า X_eq มักสูงกว่า R_eq มาก อัตราส่วน X/R ของหม้อแปลงกำลังทั่วไปอยู่ที่ประมาณ 20–50 เท่า ด้วยเหตุนี้งานคำนวณกระแสลัดวงจร (fault calculation) ในทางปฏิบัติจึงมักประมาณ %Z ≈ %X ได้เลยโดยไม่คลาดเคลื่อนมากนัก ส่วน magnetizing branch นั้น เนื่องจากกระแส I₀ มีขนาดเล็กมากเมื่อเทียบกับกระแสโหลด ในงานคำนวณโหลดปกติหรืองานคำนวณกระแสลัดวงจรจึงมักตัดสาขานี้ทิ้งได้เพื่อให้วงจรง่ายขึ้น แต่ต้องไม่ลืมพิจารณามันเมื่อวิเคราะห์ปรากฏการณ์ inrush current หรือภาวะ overexcitation เพราะทั้งสองปรากฏการณ์นี้เกี่ยวข้องโดยตรงกับพฤติกรรมของแกนเหล็กและกระแส magnetizing

ผลลัพธ์ที่วัดได้ในทางปฏิบัติจากค่าองค์ประกอบเหล่านี้คือ voltage regulation ซึ่งนิยามจากผลต่างระหว่างแรงดันขณะไม่มีโหลดกับแรงดันขณะมีโหลดเต็มพิกัด หารด้วยแรงดันขณะมีโหลดเต็มพิกัด หม้อแปลงกำลังทั่วไปมีค่า voltage regulation ราว 2–5% ที่ตัวประกอบกำลัง 0.8 lagging ขึ้นอยู่กับค่า %Z ของหม้อแปลงลูกนั้นเป็นหลัก

โดย $V.R.$ = voltage regulation (%), $I$ = กระแสโหลด (A), $R_{eq}, X_{eq}$ = ค่าสมมูลรวม (Ω), $\theta$ = มุมเฟสของโหลด (lagging เป็นบวก), $V_2$ = แรงดัน secondary พิกัด (V)

32.3 โครงสร้างหม้อแปลงกำลัง (Construction)

แกนเหล็กของหม้อแปลงกำลังทำจากเหล็กซิลิคอน CRGO เป็นแผ่นบางหนา 0.23–0.30 มิลลิเมตร เคลือบฉนวนบนผิวแต่ละแผ่น แล้วนำมาซ้อนกันแบบ step-lap ซึ่งเป็นเทคนิคการซ้อนแผ่นเหล็กให้รอยต่อของแต่ละชั้นเหลื่อมกันเป็นขั้นบันได แทนที่จะซ้อนตรงแนวเดียวกันทุกชั้น วิธีนี้ช่วยลดทั้ง eddy current loss และเสียงฮัมของหม้อแปลงลงได้อย่างมีนัยสำคัญ โครงสร้างแกนแบ่งเป็นสองแบบหลัก คือ core type ซึ่งขดลวดพันล้อมรอบแกน เป็นแบบที่นิยมใช้ในหม้อแปลงกำลังขนาดใหญ่ทั่วไป กับ shell type ซึ่งแกนเหล็กล้อมรอบขดลวดแทน ทนต่อแรงทางกลจากกระแสลัดวงจรได้ดีกว่า พบได้ในหม้อแปลงบางยี่ห้อและหม้อแปลงเตาหลอมโลหะ

ขดลวดทำจากทองแดงพันแบบ disc หรือ helical หุ้มฉนวนกระดาษ cellulose ที่ชุบน้ำมันอยู่ตลอดเวลา โดยทั่วไปขดลวด LV จะอยู่ชิดแกนด้านในและขด HV อยู่ด้านนอก เพราะการทำฉนวนจากขดลวดถึงแกนของฝั่ง LV ซึ่งมีแรงดันต่ำกว่าทำได้ง่ายกว่า ฉนวนกระดาษชุบน้ำมันนี้เปรียบเสมือน "อายุ" ของหม้อแปลงทั้งลูก เพราะทุกครั้งที่อุณหภูมิใช้งานเพิ่มขึ้น 6–8 องศาเซลเซียส อายุการใช้งานของฉนวนจะสั้นลงครึ่งหนึ่ง การควบคุมอุณหภูมิให้อยู่ในขีดจำกัดจึงเป็นหัวใจของการยืดอายุหม้อแปลง

ที่ระดับแรงดัน 72.5 kV ขึ้นไป bushing ที่นำกระแสออกจากถังจะใช้แบบ condenser bushing ซึ่งมีสองชนิดหลักคือ OIP (Oil Impregnated Paper — กระดาษชุบน้ำมัน) และ RIP (Resin Impregnated Paper — กระดาษชุบเรซิน) ทั้งสองชนิดมีชั้น foil ฝังอยู่ภายในเพื่อเกลี่ยสนามไฟฟ้าให้สม่ำเสมอ และมี test tap สำหรับวัดค่า tan δ ของตัว bushing เองโดยไม่ต้องถอดออกจากหม้อแปลง bushing ที่ระเบิดคือหนึ่งในสาเหตุอันดับต้นๆ ของไฟไหม้หม้อแปลงกำลัง จึงเป็นจุดที่ต้องเฝ้าระวังเป็นพิเศษ

ด้านบนของถังหม้อแปลงมักมีถังน้ำมันสำรองที่เรียกว่า conservator ทำหน้าที่รองรับการขยายตัวของน้ำมันซึ่งมีปริมาตรเปลี่ยนแปลงได้ถึง 7–8% เมื่ออุณหภูมิเปลี่ยนจาก −5 ถึง 100 องศาเซลเซียส ภายใน conservator มักมี rubber bag หรือ diaphragm กั้นไม่ให้น้ำมันสัมผัสอากาศโดยตรง ป้องกันความชื้นและออกซิเจนเข้าไปทำปฏิกิริยากับน้ำมันฉนวน และมี breather บรรจุ silica gel ซึ่งเปลี่ยนสีจากฟ้าเป็นชมพูเมื่อดูดความชื้นจนอิ่มตัว เป็นตัวบ่งชี้ง่ายๆ ว่าต้องเปลี่ยนหรืออบใหม่

อุปกรณ์ป้องกันสำคัญที่ติดตั้งอยู่ในท่อระหว่างถังหลักกับ conservator คือ Buchholz relay (63) ซึ่งท่อนี้ต้องเอียงทำมุม 3–7 องศาตามข้อกำหนด หากเกิด fault เล็กๆ ภายในหม้อแปลง ก๊าซที่เกิดจากการสลายตัวของน้ำมันจะค่อยๆ สะสมอยู่ในตัว relay จนลอยขึ้นไปดันสวิตช์ลูกลอยให้ส่งสัญญาณ alarm แต่หาก fault รุนแรงถึงขั้นทำให้น้ำมันพุ่งผ่านท่อด้วยความเร็วเกินประมาณ 1 เมตรต่อวินาที แรงดันน้ำมันที่พุ่งผ่านจะไปกระแทก flap อีกตัวหนึ่งให้ส่งสัญญาณ trip ทันที และก๊าซที่สะสมอยู่ในตัว relay ยังสามารถนำไปวิเคราะห์เพิ่มเติมได้ว่า fault ที่เกิดขึ้นเป็นชนิดใด นอกจากนี้ยังมีอุปกรณ์เสริมมาตรฐานอื่นๆ ได้แก่ pressure relief device สำหรับระบายแรงดันในถังเมื่อเกิด fault ภายในรุนแรง, winding temperature indicator และ oil temperature indicator หรือ WTI/OTI ซึ่งมีหน้าสัมผัสสำหรับส่งสัญญาณ alarm และ trip ได้ในตัว, ระบบ radiator พร้อมพัดลม และในบางแบบยังมีการเติม N₂ blanket เหนือผิวน้ำมันเพื่อกันไม่ให้สัมผัสอากาศเพิ่มเติมด้วย

1. Conservator Air Breather — ท่อหายใจที่ปลายบนของ conservator ภายในบรรจุ silica gel ดักความชื้นจากอากาศที่ไหลเข้า-ออกเมื่อระดับน้ำมันขยาย/หดตัวตามอุณหภูมิ สีของ silica gel เปลี่ยนจากฟ้าเป็นชมพูเมื่ออิ่มความชื้นเป็นตัวบ่งชี้ว่าต้องเปลี่ยน
2. Conservator Tank — ถังน้ำมันสำรองรูปทรงกระบอกวางนอนบนหลังถังหลัก รองรับปริมาตรน้ำมันที่ขยายตัวได้ 7–8% ตลอดช่วงอุณหภูมิใช้งาน −5 ถึง 100 °C
3. Oil Level Gauge — เกจแสดงระดับน้ำมันในถัง conservator แบบเข็มชี้ ใช้ตรวจสอบว่าน้ำมันยังอยู่ในระดับปกติ ระดับต่ำผิดปกติอาจบ่งชี้การรั่วซึม
4. HV Bushings — บุชชิงฝั่งแรงดันสูงที่นำกระแสจากขดลวด HV ออกนอกถัง ตัวยาวกว่าฝั่ง LV เพราะต้องทนแรงดันไฟฟ้าสูงกว่า ตำแหน่งสูงสุดบนฝาถัง
5. LV Bushings — บุชชิงฝั่งแรงดันต่ำ ตัวสั้นกว่า HV เพราะทนแรงดันน้อยกว่า อยู่บนฝาถังเช่นกันแต่แยกตำแหน่งจาก HV ชัดเจนเพื่อระยะห่างทางไฟฟ้า
6. Tap Changer (Off-Circuit) — กล่องเปลี่ยนแทปแบบต้องดับไฟก่อนปรับ ติดตั้งด้านข้างถัง ปรับตั้งค่าเดียวตอน commissioning หรือเมื่อแรงดันระบบเปลี่ยนแปลงถาวร
7. Radiators — แผงครีบระบายความร้อนแนวตั้งติดข้างถัง น้ำมันร้อนจากภายในไหลผ่านครีบเหล่านี้แล้วถ่ายเทความร้อนสู่อากาศภายนอก
8. Cooling Fans — พัดลมติดตั้งใต้ชุด radiator เป่าอากาศผ่านครีบเพื่อเพิ่มอัตราการระบายความร้อน เปลี่ยนโหมดจาก ONAN เป็น ONAF เมื่อเดินเครื่อง
9. Tank — ผนังถังหลักที่บรรจุน้ำมันฉนวนและชุดแกน-ขดลวดทั้งหมดไว้ภายใน ผลิตจากเหล็กแผ่นเชื่อมให้ทนแรงดันและกันรั่วซึม
10. Base Frame — โครงฐานรองรับน้ำหนักตัวถังหม้อแปลงทั้งลูก ยึดกับฐานรากคอนกรีตที่ลานหม้อแปลง
11. Conservator Connection — จุดต่อท่อระหว่าง conservator กับส่วนบนของถังหลัก เป็นเส้นทางที่น้ำมันไหลผ่านเมื่อขยาย/หดตัว
12. Insulating Oil — น้ำมันฉนวนที่แช่ทั้งแกนเหล็กและขดลวดไว้ ทำหน้าที่ทั้งเป็นฉนวนไฟฟ้าและตัวกลางถ่ายเทความร้อนออกจากขดลวดไปยัง radiator
13. Concentric Copper Disc Windings — ขดลวดทองแดงพันแบบ disc ซ้อนศูนย์กลางร่วมรอบแกนแต่ละขา มองเห็นเป็นวงแหวนทองแดงเรียงซ้อนกันในภาพตัด
14. Laminated Steel Core (3-Limb) — แกนเหล็กซ้อนแผ่นแบบ 3 ขา (3-limb) รองรับขดลวดแต่ละเฟส เป็นเส้นทางเดินของฟลักซ์แม่เหล็กตามที่อธิบายในหัวข้อ 32.1
15. Drain Valve — วาล์วระบายน้ำมันที่ก้นถัง ใช้ระบายน้ำมันออกเพื่อบำรุงรักษาหรือเก็บตัวอย่างน้ำมันปริมาณมาก

1. Buchholz gas relay — อุปกรณ์ป้องกันหมายเลข 63 ที่ติดตั้งอยู่กึ่งกลางท่อเชื่อมระหว่างถังหลักกับ conservator ตรวจจับทั้งก๊าซที่เกิดจาก fault เล็กและการไหลพุ่งของน้ำมันจาก fault รุนแรง
2. Upper sight glass (gas accumulation) — กระจกมองด้านบนสำหรับดูปริมาณก๊าซที่สะสมอยู่ในตัว relay ถ้าก๊าซสะสมมากพอจะดันสวิตช์ลูกลอยให้ส่งสัญญาณ alarm
3. Lower sight glass (oil level) — กระจกมองด้านล่างสำหรับตรวจระดับน้ำมันภายในตัว relay เอง แยกจากระดับน้ำมันใน conservator
4. Connection to conservator — จุดต่อท่อด้านบนของ relay ไปยัง conservator ซึ่งเป็นปลายทางที่น้ำมันไหลต่อไปเมื่อขยายตัว
5. Inclined pipe to conservator — ท่อเอียงทำมุม 3–7 องศาตามข้อกำหนด มุมเอียงนี้จำเป็นเพื่อให้ก๊าซที่เกิดขึ้นลอยตัวไปสะสมที่ตัว relay ได้อย่างถูกต้อง
6. Oil flow direction toward conservator — ทิศทางการไหลปกติของน้ำมันเมื่อขยายตัวจากความร้อน ไหลจากถังหลักขึ้นไปยัง conservator ผ่านตัว relay นี้เสมอ
7. Connection to transformer main tank — จุดต่อท่อด้านล่างของ relay ลงสู่ถังหลักของหม้อแปลง เป็นเส้นทางที่ fault ภายในถังจะส่งสัญญาณผ่านก๊าซหรือการไหลพุ่งของน้ำมันขึ้นมาที่ relay
8. Transformer main tank — ผนังถังหลักของหม้อแปลงที่มองเห็นบางส่วนในมุมภาพ เป็นจุดกำเนิดของสัญญาณ fault ที่ Buchholz relay ตรวจจับ

32.4 ระบบระบายความร้อน (Cooling Classes)

หม้อแปลงกำลังทุกลูกมีรหัสระบุระบบระบายความร้อนเป็นตัวอักษร 4 ตัวติดกัน ตัวอักษรสองตัวแรกบอกตัวกลางและวิธีการหมุนเวียนภายในถัง ส่วนสองตัวหลังบอกตัวกลางและวิธีการหมุนเวียนภายนอกถัง ตัวอักษรแต่ละตัวมีความหมายตายตัว คือ O แทนน้ำมันแร่ (mineral oil), N แทนการหมุนเวียนตามธรรมชาติ (natural), F แทนการบังคับด้วยพัดลมหรือปั๊ม (forced), D แทนการบังคับทิศทางเฉพาะจุด (directed), A แทนอากาศ (air) และ W แทนน้ำ (water)

รหัส ONAN หมายถึงน้ำมันหมุนเวียนเองตามหลักการพาความร้อนที่เรียกว่า thermosiphon ผสานกับอากาศที่พาความร้อนออกทางธรรมชาติผ่าน radiator เป็นระบบที่เงียบที่สุดและไม่ต้องพึ่งไฟฟ้า auxiliary ใดๆ เลย แต่ได้พิกัดกำลังต่ำที่สุดในบรรดารูปแบบทั้งหมด รหัส ONAF เพิ่มพัดลมเป่า radiator เข้ามาช่วยระบายความร้อน ทำให้พิกัดเพิ่มขึ้นได้อีกราว 25–33% จากพิกัด ONAN เดิม รหัส OFAF เพิ่มปั๊มน้ำมันเข้ามาช่วยหมุนเวียนน้ำมันเร็วขึ้นควบคู่กับพัดลม ส่วนรหัส ODAF ใช้ปั๊มน้ำมันแบบ directed ซึ่งบังคับให้น้ำมันไหลผ่านช่องทางในขดลวดโดยตรงแทนที่จะปล่อยให้ไหลเวียนตามธรรมชาติรอบขดลวด ระบบนี้พบในหม้อแปลงขนาดใหญ่ที่สุด เช่น GSU หลายร้อย MVA ที่ต้องการระบายความร้อนที่มีประสิทธิภาพสูงสุด

หม้อแปลงหนึ่งลูกมักออกแบบให้มีหลายพิกัดกำลังตามระดับ cooling stage เช่นระบุเป็น ONAN/ONAF/OFAF = 60/80/100% ของพิกัดสูงสุด หมายความว่าเมื่อระบายความร้อนแบบธรรมชาติล้วนจ่ายได้ 60% เมื่อพัดลมเดินจ่ายได้ 80% และเมื่อทั้งพัดลมและปั๊มน้ำมันเดินครบจึงจ่ายได้เต็ม 100% พัดลมและปั๊มเหล่านี้ถูกสั่งให้เดินโดยอัตโนมัติตามอุณหภูมิของขดลวดหรือน้ำมันที่วัดได้จริง ไม่ใช่ตามโหลดที่จ่ายอยู่โดยตรง

มาตรฐาน IEC 60076 กำหนดขีดจำกัดอุณหภูมิไว้ที่สภาวะแวดล้อม 40 องศาเซลเซียส คือ top-oil rise ต้องไม่เกิน 60 K, average winding rise ต้องไม่เกิน 65 K และ hot-spot rise ต้องไม่เกิน 78 K จุด hot-spot คือจุดที่ร้อนที่สุดในขดลวดและเป็นจุดที่กำหนดอายุการใช้งานของฉนวนทั้งลูก โดยทั่วไปออกแบบให้จุดนี้มีอุณหภูมิใช้งานต่อเนื่องอยู่ที่ประมาณ 98 องศาเซลเซียส หากปั๊มน้ำมันหรือพัดลมเสียหรือไม่เดินตามคำสั่ง หม้อแปลงจะต้องลดโหลดลงตามตาราง derating ที่กำหนดไว้ล่วงหน้า และในการเดินเครื่องแบบ OFAF ตอนที่น้ำมันยังเย็นจัดหลังหยุดเดินช่วงฤดูหนาว ต้องระวังปรากฏการณ์ static electrification ที่เกิดในหม้อแปลงบางรุ่นด้วย เพราะน้ำมันเย็นที่ไหลเร็วผ่านผิวกระดาษฉนวนสามารถสะสมประจุไฟฟ้าสถิตได้

1. High-voltage bushings — บุชชิงฝั่งแรงดันสูงที่มองเห็นด้านบนของภาพ เป็นจุดนำกระแสเข้า-ออกจากขดลวด HV ภายในถัง
2. Radiator (bank of cooling fins) — แผงครีบระบายความร้อนที่น้ำมันร้อนไหลผ่าน ครีบบางแนวตั้งเพิ่มพื้นที่ผิวสัมผัสกับอากาศให้ถ่ายเทความร้อนได้เร็วขึ้น
3. Cooling fans (forced air cooling) — พัดลมที่ติดตั้งอยู่ใต้ radiator เป่าอากาศผ่านครีบเพื่อเร่งอัตราการระบายความร้อน เมื่อพัดลมชุดนี้เดินคือการยกระดับจาก ONAN เป็น ONAF ตามที่อธิบายในเนื้อหา
4. Transformer tank — ผนังถังหลักด้านขวาของภาพ ซึ่งน้ำมันร้อนจากภายในไหลออกมาสู่ radiator ทางท่อด้านบนแล้วไหลกลับเข้าถังทางท่อด้านล่างเป็นวงจรปิด
5. Oil inlet/outlet (header pipe) — ท่อรวมด้านบนและด้านล่างที่กระจายน้ำมันเข้าสู่ครีบ radiator แต่ละแผ่นและรวบรวมน้ำมันที่เย็นแล้วกลับเข้าถังหลัก
6. Support structure — โครงเหล็กรองรับน้ำหนักและยึดชุด radiator กับพัดลมให้ตั้งมั่นคงกับตัวถังหม้อแปลง

32.5 Tap Changer (อุปกรณ์ปรับแรงดัน)

Tap changer ทำหน้าที่เปลี่ยนจำนวนรอบที่ใช้งานจริง (effective turns) ของขดลวด เพื่อชดเชยแรงดันระบบไฟฟ้าที่แกว่งขึ้นลงตลอดเวลาตามโหลด โดยทั่วไปมักติดตั้งไว้ที่ขดลวดด้าน HV เพราะกระแสด้านนี้ต่ำกว่า ทำให้การตัดต่อหน้าสัมผัสทำได้ง่ายกว่าด้าน LV ซึ่งมีกระแสสูงมาก tap changer แบ่งได้เป็นสองประเภทหลักตามความสามารถในการปรับขณะจ่ายไฟ

ประเภทแรกคือ off-circuit tap changer หรือ DETC (De-Energized Tap Changer — ตัวเปลี่ยนแทปที่ต้องดับไฟหม้อแปลงก่อนจึงจะปรับได้) ปรับได้เฉพาะตอนหม้อแปลงถูกตัดไฟแล้วเท่านั้น มักมีช่วงปรับ ±2×2.5% หรือ 5 ตำแหน่ง ใช้กับหม้อแปลง GSU และหม้อแปลงในระบบที่แรงดันไม่แกว่งมากนัก โดยปรับตั้งเพียงครั้งเดียวตอน commissioning แล้วแทบไม่ต้องแตะอีกเลยตลอดอายุใช้งาน ประเภทที่สองคือ on-load tap changer หรือ OLTC (On-Load Tap Changer — อุปกรณ์เปลี่ยนแทปได้ขณะยังจ่ายโหลดอยู่) ซึ่งปรับได้ขณะหม้อแปลงจ่ายโหลดตามปกติ ช่วงปรับทั่วไปอยู่ที่ ±8×1.25% หรือ ±10% แบ่งเป็น 17–19 ตำแหน่ง หัวใจสำคัญของ OLTC คือหลักการ "make-before-break" หมายความว่าต้องต่อวงจรกับแทปตำแหน่งใหม่ให้เรียบร้อยก่อน แล้วจึงค่อยปล่อยแทปตำแหน่งเดิม โดยระหว่างช่วงเปลี่ยนผ่านที่ทั้งสองแทปต่ออยู่พร้อมกันชั่วขณะ มี transition resistor ทำหน้าที่จำกัดกระแสที่ไหลวนระหว่างสองแทปไม่ให้สูงเกินไป

OLTC ประกอบด้วยสองส่วนทำงานร่วมกัน คือ tap selector ซึ่งเลือกตำแหน่งแทปถัดไปในขณะที่ยังไม่มีกระแสไหลผ่าน อยู่ภายในถังหลักหรือ compartment แยกก็ได้ และ diverter switch ซึ่งเป็นส่วนที่สับถ่ายกระแสจริงและเกิดการอาร์กขึ้น จึงต้องแยกอยู่ในถังน้ำมันของตัวเองต่างหากจากถังหลักเสมอ กลไกสปริงของ diverter switch สับถ่ายกระแสเสร็จสิ้นภายในเวลาเพียง 40–60 มิลลิวินาทีเท่านั้น เนื่องจากน้ำมันในถัง diverter สัมผัสกับการอาร์กโดยตรงเป็นประจำ น้ำมันส่วนนี้จึงมีสภาพปนเปื้อนเป็นเรื่องปกติของการทำงาน ข้อควรระวังที่สำคัญคือห้ามนำผลการวิเคราะห์ก๊าซละลายในน้ำมัน (DGA) ของถัง OLTC ไปปนกับผลของถังหลักเด็ดขาด เพราะจะทำให้การแปลผลผิดพลาดโดยสิ้นเชิง

เนื่องจาก diverter switch เป็นชิ้นส่วนเดียวในหม้อแปลงทั้งลูกที่มีการเคลื่อนไหวทางกลไกจริงและเกิดการอาร์กซ้ำๆ จึงต้อง overhaul ตามจำนวนครั้งการทำงานสะสม โดยทั่วไปอยู่ที่ประมาณ 50,000–100,000 ครั้ง หรือทุก 6–7 ปี และเป็นสาเหตุความเสียหายอันดับต้นๆ ของหม้อแปลงกำลังที่ติดตั้ง OLTC คิดเป็นสัดส่วนราว 30–40% ของความเสียหายทั้งหมดในหม้อแปลงกลุ่มนี้ เทคโนโลยีรุ่นใหม่เริ่มใช้ vacuum interrupter แทนหน้าสัมผัสในถังน้ำมันแบบเดิม ทำให้น้ำมันไม่ปนเปื้อนจากการอาร์กอีกต่อไป และยืดรอบ overhaul ออกไปได้ถึงประมาณ 300,000 ครั้ง

1. Drive shaft (from operating mechanism) — เพลาขับที่ส่งแรงหมุนจากกลไกขับเคลื่อนภายนอกเข้ามาสั่งการ diverter switch ให้เปลี่ยนตำแหน่งตามคำสั่งจาก tap selector
2. Cam stack — ชุดลูกเบี้ยวเรียงซ้อนกันตามแนวเพลา แปลงการหมุนของเพลาขับให้เป็นจังหวะการเคลื่อนที่ของหน้าสัมผัสแต่ละชุดตามลำดับที่ถูกต้อง
3. Moving contact (bridge) — หน้าสัมผัสเคลื่อนที่รูปสะพานที่เชื่อมกระแสระหว่างหน้าสัมผัสคงที่สองจุด เป็นชิ้นส่วนที่เคลื่อนไหวเร็วในจังหวะสับถ่ายกระแส
4. Fixed contact — หน้าสัมผัสคงที่ติดตั้งอยู่กับโครงของ diverter switch ที่หน้าสัมผัสเคลื่อนที่มาแตะสัมผัสด้วยในแต่ละจังหวะ
5. Spring assembly (provides contact pressure) — ชุดสปริงที่กักพลังงานไว้แล้วปลดปล่อยอย่างรวดเร็วเพื่อขับเคลื่อนหน้าสัมผัสให้สับถ่ายกระแสเสร็จสิ้นภายใน 40–60 มิลลิวินาทีตามที่อธิบายในเนื้อหา
6. Lower terminal (to transformer winding) — ขั้วต่อด้านล่างที่เชื่อมต่อไปยังขดลวดของหม้อแปลง เป็นจุดที่กระแสไหลออกจากกลไก diverter ไปสู่วงจรหลัก
7. Oil compartment (insulating oil) — ถังน้ำมันแยกต่างหากที่หุ้ม diverter switch ทั้งชุดไว้ น้ำมันในถังนี้สัมผัสกับการอาร์กโดยตรงจึงปนเปื้อนได้เร็วกว่าน้ำมันถังหลักมาก ห้ามนำผล DGA มาปนกัน
8. Transition resistor (with protective insulating tube) — ตัวต้านทานที่จำกัดกระแสไหลวนระหว่างสองแทปในช่วงเปลี่ยนผ่านตามหลักการ make-before-break หุ้มด้วยท่อฉนวนป้องกันการลัดวงจร
9. Diverter switch stationary frame — โครงยึดส่วนที่อยู่กับที่ของ diverter switch รองรับหน้าสัมผัสคงที่และชิ้นส่วนอื่นๆ ให้อยู่ในตำแหน่งแม่นยำ
10. Diverter switch moving arm — แขนเคลื่อนที่หลักที่พาหน้าสัมผัสเคลื่อนที่ไปยังตำแหน่งแทปใหม่ตามจังหวะที่ cam stack กำหนด
11. Upper terminal (from transformer winding) — ขั้วต่อด้านบนที่รับกระแสมาจากขดลวดของหม้อแปลงเข้าสู่กลไก diverter

32.6 หม้อแปลงในโรงไฟฟ้าและ Vector Group (Plant Transformers & Vector Groups)

ในโรงไฟฟ้าหนึ่งยูนิตมีหม้อแปลงหลายลูกทำหน้าที่แตกต่างกัน หม้อแปลง GSU แปลงแรงดันจากขั้วเครื่องกำเนิดไฟฟ้าซึ่งอยู่ในช่วง 15–24 kV ขึ้นไปสู่ระดับแรงดันสายส่ง เช่น 230 หรือ 500 kV มีพิกัดกำลังใกล้เคียงหรือใหญ่กว่าพิกัดของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเล็กน้อย มักออกแบบเป็น vector group YNd11 ใช้ tap changer แบบ DETC และทำงานที่โหลดใกล้เต็มพิกัดแทบตลอดอายุการใช้งาน เพราะเครื่องกำเนิดไฟฟ้าโดยทั่วไปเดินเครื่องต่อเนื่องที่โหลดสูง หม้อแปลงอีกลูกหนึ่งที่สำคัญคือ UAT (Unit Auxiliary Transformer — หม้อแปลงจ่ายไฟใช้เองของยูนิต) ซึ่งต่อแยกออกมาจาก isolated phase bus duct ระหว่างเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากับ GSU ทำหน้าที่จ่ายไฟให้อุปกรณ์ช่วยต่างๆ ของยูนิตผ่านบัสแรงดันระดับ 6.9 หรือ 11 kV มีพิกัดกำลังประมาณ 6–10% ของพิกัดยูนิตเท่านั้น และยังมีหม้อแปลง Station Service หรือ Startup Transformer ซึ่งรับไฟจากระบบส่งโดยตรง เช่นจากบัส 115 หรือ 230 kV ใช้สำหรับการ start เครื่องตั้งแต่ยังไม่มีไฟฟ้าจากเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเอง และทำหน้าที่สำรองเมื่อ UAT ไม่พร้อมใช้งาน นอกจากนี้ยังมี excitation transformer ที่จ่ายไฟให้ระบบ static excitation ตามที่ได้เรียนไว้ในบทที่ 30 และ 31 ซึ่งมักเป็นชนิด dry type แบบ cast resin เพราะติดตั้งอยู่ภายในอาคาร

Vector group คือรหัสที่บอกทั้งลักษณะการต่อขดลวดและมุมเลื่อนเฟส (phase shift) ระหว่างด้าน HV กับ LV โดยเทียบเป็น "ตำแหน่งบนหน้าปัดนาฬิกา" ตัวอย่างเช่นรหัส YNd11 อ่านได้ว่าด้าน HV ต่อแบบ star (สัญลักษณ์ Y) และมีจุด neutral ต่อออกมาใช้งานได้ (สัญลักษณ์ N ต่อท้าย) ส่วนด้าน LV ต่อแบบ delta (สัญลักษณ์ d ตัวเล็ก) และตัวเลข 11 บอกว่าแรงดันด้าน LV นำหน้าด้าน HV อยู่ 30 องศา เทียบเท่ากับตำแหน่ง 11 นาฬิกาบนหน้าปัดเมื่อกำหนดให้ด้าน HV อยู่ที่ตำแหน่ง 12 นาฬิกาเสมอ

เหตุผลที่ YNd11 ได้รับความนิยมสูงมากสำหรับหม้อแปลง GSU มีอยู่หลายข้อ ข้อแรกคือด้าน HV ที่ต่อแบบ star มีจุด neutral ให้ต่อลงดินได้ ทำให้ระบบสายส่งฝั่งนั้นเป็นระบบที่ต่อลงดินอย่างมีประสิทธิผล (effectively grounded) ซึ่งช่วยประหยัดต้นทุนฉนวนของอุปกรณ์ทั้งระบบด้วยเทคนิคที่เรียกว่า graded insulation ข้อที่สองคือด้าน delta ที่ฝั่งเครื่องกำเนิดไฟฟ้าให้เส้นทางเดินหมุนวนสำหรับกระแสฮาร์มอนิกที่ 3 อยู่ภายในสามเหลี่ยม delta เอง ไม่ให้ไหลออกไปรบกวนระบบภายนอก ข้อที่สามคือ delta ยังทำหน้าที่บล็อกลำดับศูนย์ (zero-sequence) ไม่ให้กระแส earth fault จากฝั่งระบบทะลุผ่านมาถึงฝั่งเครื่องกำเนิดไฟฟ้าได้ และข้อสุดท้ายคือกระแส fault ลงดินทางฝั่ง LV ถูกจำกัดด้วยระบบกราวด์ของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเองเท่านั้น ไม่ปะปนกับระบบกราวด์ฝั่งสายส่ง

เมื่อจำเป็นต้องเดินหม้อแปลงหลายลูกขนานกัน มีเงื่อนไขที่ต้องตรวจสอบให้ครบก่อนเสมอ ได้แก่ vector group ต้องเหมือนกัน หรืออย่างน้อยมีมุม phase shift เท่ากัน, อัตราส่วนแรงดัน (ratio) ต้องเท่ากัน และค่า %Z ต้องใกล้เคียงกัน เพราะถ้าต่างกันเกิน 10% โหลดจะแบ่งกันไม่สมดุล หม้อแปลงลูกที่มี %Z ต่ำกว่าจะรับโหลดมากเกินสัดส่วนของตัวเอง ตัวอย่างที่ผิดกฎชัดเจนคือการนำหม้อแปลง Dyn11 มาขนานตรงกับ Yd1 ไม่ได้เลย เพราะมุมเฟสต่างกันถึง 60 องศา

1. High-voltage bushings — บุชชิงฝั่งแรงดันสูงทั้งสามต้นที่ยื่นสูงขึ้นจากฝาถัง เชื่อมต่อกับสายส่งที่ไปยังระบบ 230/500 kV ตามที่อธิบายในเนื้อหา
2. Conservator tank — ถังน้ำมันสำรองทรงกระบอกวางนอนอยู่ด้านบนของถังหลัก รองรับการขยายตัวของน้ำมันฉนวน
3. Main tank — ผนังถังหลักที่บรรจุแกนเหล็กและขดลวดทั้งชุดของหม้อแปลง GSU
4. Radiator banks — แผงระบายความร้อนหลายชุดติดตั้งเรียงกันด้านข้างถัง เนื่องจาก GSU ขนาดใหญ่ต้องระบายความร้อนปริมาณมาก จึงมีจำนวนแผงมากกว่าหม้อแปลงทั่วไป
5. On-load tap changer — กล่อง OLTC ติดตั้งด้านข้างถังหลัก แต่ GSU ส่วนใหญ่มักใช้ DETC แบบ off-circuit ตามที่อธิบายในหัวข้อ 32.5 เพราะระบบด้านหลังเครื่องกำเนิดไฟฟ้าไม่แกว่งมาก บางการติดตั้งจึงยังเลือกใช้ OLTC ได้ตามความต้องการของแต่ละโรงไฟฟ้า
6. Cooling fans — พัดลมติดตั้งอยู่ใต้ radiator banks เพื่อยกระดับการระบายความร้อนเมื่อ GSU จ่ายโหลดสูง
7. Neutral bushing — บุชชิงขนาดเล็กกว่าที่จุด neutral ของขดลวด star ด้าน HV ต่อลงดินตามหลักการ effectively grounded ที่อธิบายไว้ในเนื้อหา
8. Oil drain valve — วาล์วระบายน้ำมันที่ฐานถัง ใช้สำหรับบำรุงรักษาหรือเก็บตัวอย่างน้ำมันปริมาณมาก
9. Base frame — โครงฐานที่รองรับน้ำหนักตัวถังทั้งหมดและยึดกับฐานรากคอนกรีตในลานหม้อแปลง

32.7 Losses, %Z และ Inrush Current

การสูญเสียในหม้อแปลงแบ่งเป็นสองกลุ่มหลักตามพฤติกรรม กลุ่มแรกคือ no-load loss หรือ core loss ซึ่งเกิดขึ้นตลอดเวลาที่หม้อแปลงมีแรงดันจ่ายอยู่ ไม่ว่าจะมีโหลดหรือไม่ก็ตาม สำหรับ GSU ขนาดใหญ่ค่านี้อยู่ที่ประมาณ 0.03–0.05% ของพิกัดกำลัง เช่นหม้อแปลง 300 MVA จะมี core loss ราว 100–200 กิโลวัตต์ กลุ่มที่สองคือ load loss ซึ่งประกอบด้วย copper loss และ stray loss แปรผันตามกำลังสองของกระแสโหลด สำหรับ GSU ขนาดใหญ่ค่านี้อยู่ที่ประมาณ 0.2–0.35% ของพิกัดเมื่อจ่ายโหลดเต็ม

ประสิทธิภาพของหม้อแปลงจะสูงสุดเมื่อ copper loss มีค่าเท่ากับ core loss พอดี ซึ่งเกิดขึ้นที่ระดับโหลดตามสัดส่วนรากที่สองของอัตราส่วน P₀ ต่อ P_k คูณด้วย 100% ของพิกัด หม้อแปลงชนิด distribution ที่จ่ายไฟให้ผู้ใช้ปลายทางมักออกแบบให้จุดประสิทธิภาพสูงสุดนี้อยู่ที่ราว 40–50% ของพิกัด เพราะโหลดจริงในสนามมักผันผวนอยู่แถวนั้น แต่หม้อแปลง GSU ถูกออกแบบให้ทำงานได้ดีที่สุดที่โหลดเต็มพิกัดแทน เพราะเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเดินที่โหลดสูงเกือบตลอดเวลาอยู่แล้ว

Percent impedance หรือ %Z คือค่าแรงดันที่ต้องจ่ายเข้าด้าน HV เพื่อให้เกิดกระแสไหลเท่าพิกัดเมื่อลัดวงจรด้าน LV เอาไว้ โดยแสดงเป็นเปอร์เซ็นต์ของแรงดันพิกัด ค่านี้วัดได้โดยตรงจากการทดสอบ short-circuit test ที่กล่าวถึงในหัวข้อ 32.2 หม้อแปลง distribution ทั่วไปมีค่า %Z อยู่ที่ 4–6% หม้อแปลง station transformer อยู่ที่ 8–12% ในขณะที่หม้อแปลง GSU มีค่าสูงถึง 12–16% ค่า %Z นี้เป็นการแลกเปลี่ยนที่ต้องพิจารณาสองด้านเสมอ หาก %Z สูง กระแส fault ที่จะไหลเมื่อเกิดลัดวงจรจะต่ำลง ทำให้เลือกใช้เบรกเกอร์และบัสบาร์ที่ทนกระแสน้อยกว่าได้ ประหยัดต้นทุน แต่ voltage regulation จะแย่ลงและหม้อแปลงกินกำลังไฟฟ้ารีแอกทีฟมากขึ้น ในทางกลับกันหาก %Z ต่ำ แรงดันจะนิ่งกว่าแต่กระแส fault จะรุนแรงมากขึ้น กระแส fault ด้านทุติยภูมิเมื่อแหล่งจ่ายด้านต้นทางแข็งมาก (มีอิมพีแดนซ์แทบเป็นศูนย์) ประมาณได้จากกระแสพิกัดหารด้วยค่า %Z ในหน่วย per-unit

ปรากฏการณ์ inrush current เกิดขึ้นตอนสั่ง energize หม้อแปลงจากสภาวะไม่มีไฟ ในช่วงเวลานั้นแกนเหล็กอาจอยู่ในสภาวะอิ่มตัวชั่วขณะ อันเป็นผลจากทั้งฟลักซ์ตกค้าง (residual flux) ที่หลงเหลืออยู่ในแกนจากการ de-energize ครั้งก่อน และจังหวะมุมของแรงดันขณะที่สั่ง energize พอดี ผลรวมของทั้งสองปัจจัยนี้ทำให้กระแส magnetizing พุ่งสูงขึ้นได้ถึง 6–12 เท่าของกระแสพิกัด ในลักษณะเป็นพัลส์ครึ่งคลื่นด้านเดียว (unidirectional) และค่อยๆ decay ลงในเวลาหลายวินาทีจนถึงสิบวินาทีสำหรับหม้อแปลงขนาดใหญ่ กระแส inrush นี้ไม่ใช่กระแส fault แต่หากมองแค่ขนาดของกระแสอย่างเดียว รีเลย์ผลต่างกระแส 87T ที่จะได้เรียนในบทที่ 36 จะแยกไม่ออกระหว่าง inrush กับ fault จริง จุดสังเกตสำคัญที่ใช้แยกความแตกต่างคือ inrush current มีปริมาณฮาร์มอนิกที่ 2 สูงถึง 15–70% ของความถี่มูลฐาน ซึ่งกระแส fault จริงแทบไม่มีเลย รีเลย์ 87T จึงถูกออกแบบให้มีฟังก์ชัน harmonic restraint ใช้สัดส่วนฮาร์มอนิกที่ 2 นี้เป็นตัวยับยั้งไม่ให้ trip ผิดพลาด นอกจากนี้ การ energize หม้อแปลงลูกหนึ่งยังสามารถเหนี่ยวนำให้เกิด sympathetic inrush ในหม้อแปลงลูกข้างเคียงที่กำลังจ่ายไฟอยู่ตามปกติได้ด้วย ผ่านผลกระทบทางแม่เหล็กไฟฟ้าที่ส่งผ่านระบบร่วมกัน

โดย $\eta$ = efficiency (%), $P_{out}$ = กำลังจ่ายโหลด (W), $P_0$ = no-load loss (W), $P_k$ = load loss ที่ full load (W), $x$ = สัดส่วนโหลดต่อพิกัด (pu)

โดย $I_{fault}$ = กระแสลัดวงจร 3 เฟสด้าน secondary เมื่อแหล่งจ่ายแข็งมาก (A), $I_{rated}$ = กระแสพิกัด (A), $Z_{pu}$ = impedance ต่อหน่วย (%Z/100), $S_{rated}$ = พิกัด (VA), $V$ = แรงดัน line (V)

32.8 การทดสอบหม้อแปลง (Testing & DGA)

การทดสอบหม้อแปลงมีหลายชนิดที่ทำเป็นประจำเพื่อยืนยันสภาพความสมบูรณ์ เริ่มจาก turns ratio test หรือ TTR (Turns ratio Test — การทดสอบวัดอัตราส่วนรอบ) ซึ่งวัดอัตราส่วนแรงดันจริงในทุกตำแหน่งแทปเทียบกับค่าที่ระบุบน nameplate เกณฑ์ที่ยอมรับได้คือคลาดเคลื่อนไม่เกิน ±0.5% หากค่าที่วัดได้ผิดไปจากเกณฑ์นี้ มักบ่งชี้ว่ามีรอบขดลวดลัดวงจรกันเอง (shorted turns) หรือจุดต่อแทปผิดตำแหน่ง

การวัด winding resistance ใช้เครื่องมือที่เรียกว่า DC micro-ohmmeter วัดค่าทุกตำแหน่งแทปและเปรียบเทียบระหว่างเฟสด้วยกัน หากค่าที่วัดได้ระหว่างเฟสต่างกันเกิน 2–5% มักบ่งชี้ว่าหน้าสัมผัสของ OLTC เสียหายหรือมีจุดต่อหลวม การวัดค่านี้ต้องปรับแก้ตามอุณหภูมิขณะทดสอบเสมอ เพราะความต้านทานทองแดงเปลี่ยนแปลงตามอุณหภูมิ ตามสูตร R₂ = R₁×(235+t₂)/(235+t₁)

การวัด insulation resistance ใช้เครื่อง megger จ่ายแรงดัน 5 kV วัดระหว่างขดลวดกับกราวด์และระหว่างขดลวดต่อขดลวด ค่าสำคัญที่คำนวณต่อจากการวัดนี้คือ PI (Polarization Index — ดัชนีโพลาไรเซชัน) ซึ่งนิยามจากค่าความต้านทานที่วัดได้ที่นาทีที่ 10 หารด้วยค่าที่วัดได้ที่นาทีที่ 1 หาก PI มีค่าตั้งแต่ 2.0 ขึ้นไปถือว่าฉนวนอยู่ในสภาพดี ค่าระหว่าง 1.0–1.25 น่ากังวลว่าฉนวนอาจชื้นหรือสกปรก และค่าต่ำกว่า 1.0 ถือว่าอันตรายและไม่ควรจ่ายไฟจนกว่าจะสอบสวนสาเหตุให้ชัดเจนก่อน

การวัด tan δ หรือ dissipation factor เป็นการวัดมุมสูญเสียของฉนวนที่แรงดันทดสอบ 10 kV หม้อแปลงใหม่ควรมีค่าต่ำกว่า 0.5% ส่วนหม้อแปลงที่ใช้งานแล้วยอมรับได้ที่ต่ำกว่า 1% แต่สิ่งที่สำคัญกว่าค่าที่วัดได้ครั้งเดียวคือแนวโน้มการเพิ่มขึ้นเมื่อเทียบกับการวัดครั้งก่อนหน้า การวัดค่านี้ยังทำผ่าน test tap ของตัว bushing ได้โดยตรงด้วย หากค่า tan δ ของ bushing เพิ่มขึ้นถึง 2 เท่าของค่าที่ nameplate ระบุไว้ ถือเป็นสัญญาณว่าต้องเปลี่ยน bushing ตัวนั้น

การวิเคราะห์ที่ให้ข้อมูลเชิงลึกที่สุดคือ DGA (Dissolved Gas Analysis — การวิเคราะห์ก๊าซที่ละลายอยู่ในน้ำมันฉนวน) เพราะก๊าซแต่ละชนิดที่ละลายอยู่ในน้ำมันบ่งชี้ชนิดของ fault ที่แตกต่างกันอย่างชัดเจน ก๊าซไฮโดรเจน (H₂) บ่งชี้ partial discharge หรือการปล่อยประจุบางส่วน มีเทน (CH₄) และอีเทน (C₂H₆) รวมกันบ่งชี้ภาวะร้อนเกินในช่วงอุณหภูมิต่ำถึงกลาง ต่ำกว่า 300 องศาเซลเซียส เอทิลีน (C₂H₄) บ่งชี้ภาวะร้อนเกินรุนแรงที่จุดโลหะร้อนจัดสูงกว่า 300 องศาเซลเซียส ส่วนอะเซทิลีน (C₂H₂) บ่งชี้การอาร์กที่อุณหภูมิสูงกว่า 700 องศาเซลเซียส ถือเป็นก๊าซบ่งชี้ที่ร้ายแรงที่สุด แม้พบเพียงระดับ ppm ไม่กี่หน่วยก็ต้องรีบสอบสวนทันที และคาร์บอนมอนอกไซด์กับคาร์บอนไดออกไซด์ (CO และ CO₂) บ่งชี้การเสื่อมสภาพหรือไหม้ของฉนวนกระดาษ cellulose

แนวทางเกณฑ์ตามมาตรฐาน IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers — สถาบันวิศวกรไฟฟ้าและอิเล็กทรอนิกส์) C57.104 กำหนดระดับ condition 1 ไว้โดยประมาณคือ H₂ ต่ำกว่า 100 ppm, CH₄ ต่ำกว่า 120 ppm, C₂H₄ ต่ำกว่า 50 ppm, C₂H₂ ต่ำกว่า 1–2 ppm และ CO ต่ำกว่า 350 ppm การแปลผลในทางปฏิบัติมักใช้เครื่องมือช่วยอย่าง Duval Triangle หรือ Rogers Ratio เพื่อระบุชนิด fault ได้แม่นยำขึ้นจากสัดส่วนของก๊าซหลายชนิดร่วมกัน แต่สิ่งที่สำคัญยิ่งกว่าค่าสัมบูรณ์ที่วัดได้ในแต่ละครั้งคืออัตราการเปลี่ยนแปลง (rate of change) ของแต่ละก๊าซเมื่อเทียบกับเวลา จึงจำเป็นต้องเก็บตัวอย่างน้ำมันอย่างสม่ำเสมอ ปีละ 1–2 ครั้งสำหรับหม้อแปลงทั่วไป หรือติดตั้ง online DGA monitor สำหรับหม้อแปลงที่มีความสำคัญสูง นอกจากนี้ยังมีการทดสอบเสริมอื่นๆ ได้แก่ SFRA (Sweep Frequency Response Analysis — การวิเคราะห์ผลตอบสนองความถี่แบบกวาด) ซึ่งใช้จับความผิดปกติของตำแหน่งขดลวดหลังผ่าน fault รุนแรงหรือการขนย้าย และการทดสอบคุณสมบัติน้ำมันโดยตรง เช่น ค่าแรงดันพังทลาย (breakdown voltage) ต้องไม่ต่ำกว่า 50–60 kV ต่อระยะห่าง 2.5 มิลลิเมตรสำหรับด้าน HV ความชื้นต้องต่ำกว่า 10–15 ppm และค่าความเป็นกรด

1. Oil sampling valve — วาล์วเก็บตัวอย่างน้ำมันติดตั้งอยู่บนผนังถังหม้อแปลง เปิดวาล์วนี้เพื่อให้น้ำมันฉนวนไหลออกมาสำหรับเก็บตัวอย่างไปวิเคราะห์ DGA
2. Glass syringe (sampler) — กระบอกฉีดแก้วที่ใช้ดูดน้ำมันตัวอย่างจากวาล์วโดยตรง เลือกใช้แก้วแทนพลาสติกเพื่อไม่ให้ทำปฏิกิริยาหรือปนเปื้อนก๊าซที่ละลายอยู่ในน้ำมันซึ่งเป็นสิ่งที่ต้องวัดอย่างแม่นยำ
3. Insulating oil sample — น้ำมันฉนวนตัวอย่างสีเหลืองอำพันที่กำลังถูกถ่ายจากกระบอกฉีดลงขวดเก็บตัวอย่าง เป็นสิ่งที่ห้องปฏิบัติการนำไปวิเคราะห์หาปริมาณก๊าซแต่ละชนิดตามที่อธิบายในเนื้อหา
4. Laboratory glassware (sample bottle) — ขวดแก้วมีขีดบอกปริมาตรสำหรับเก็บตัวอย่างน้ำมันส่งห้องปฏิบัติการ ใช้แก้วเพราะไม่ทำปฏิกิริยากับน้ำมันหรือก๊าซที่ละลายอยู่ภายใน
5. Transformer tank — ผนังถังหม้อแปลงที่ติดตั้งวาล์วเก็บตัวอย่างไว้ เป็นแหล่งที่มาของน้ำมันตัวอย่างทั้งหมด
6. Oil level sight gauge — เกจแสดงระดับน้ำมันแบบมองผ่านกระจกที่ติดตั้งบนผนังถัง ใช้ตรวจสอบระดับน้ำมันคู่ไปกับการเก็บตัวอย่าง

สรุปท้ายบท

ศัพท์เทคนิคในบทนี้

แบบทดสอบท้ายบท