บทที่ 10 — สถานีไฟฟ้าและหม้อแปลง: ด่านเปลี่ยนแรงดัน

10.1 หม้อแปลง: เครื่องเปลี่ยนแรงดันที่ไม่มีอะไรหมุน

หม้อแปลง (transformer) เป็นอุปกรณ์ไฟฟ้าที่แปลกกว่าใครในระบบทั้งหมด เพราะไม่มีชิ้นส่วนเคลื่อนไหวแม้แต่ชิ้นเดียว ไม่มีอะไรหมุนเหมือนกังหันและเครื่องกำเนิดไฟฟ้าที่เล่าไว้ในบทที่ 4 แต่กลับทำงานหนักที่สุดชิ้นหนึ่งของทั้งระบบ โครงสร้างของมันเรียบง่ายอย่างไม่น่าเชื่อ นั่นคือแกนเหล็กรูปวงแหวนสี่เหลี่ยม พันรอบด้วยขดลวดทองแดงสองชุด ชุดหนึ่งเรียกว่าขดเข้า อีกชุดเรียกว่าขดออก ขดลวดทั้งสองชุดนี้ไม่แตะกันเลยแม้แต่จุดเดียว แยกห่างกันด้วยฉนวนอย่างสมบูรณ์

แล้วพลังงานไฟฟ้าข้ามจากขดหนึ่งไปอีกขดได้อย่างไรทั้งที่ไม่ได้แตะกันเลย คำตอบคือผ่านสนามแม่เหล็กที่เกิดขึ้นในแกนเหล็กนั่นเอง ทวนความจำจากบทที่ 4 ที่นั่นแม่เหล็กหมุนไปรอบๆ ขดลวดเพื่อสร้างไฟฟ้าขึ้นมา แต่ในหม้อแปลงไม่มีอะไรหมุนเลยสักชิ้น สิ่งที่เกิดขึ้นแทนคือสนามแม่เหล็กในแกนเหล็ก "สลับ" ทิศไปมาตามจังหวะของไฟฟ้ากระแสสลับ (Alternating Current เรียกย่อว่า AC) ซึ่งในระบบไฟฟ้าไทยสลับทิศเร็วถึงประมาณ 50 ครั้งต่อวินาที การสลับที่รวดเร็วนี้เหนี่ยวนำให้เกิดไฟฟ้าขึ้นในขดออกโดยอัตโนมัติ เหมือนมีสะพานที่มองไม่เห็นเชื่อมพลังงานข้ามจากฝั่งหนึ่งไปอีกฝั่งหนึ่งอยู่ตลอดเวลา

กติกาจำง่ายของหม้อแปลงคือการนับจำนวนรอบขดลวด ถ้าขดออกพันรอบมากกว่าขดเข้า แรงดันไฟฟ้าจะถูกยกสูงขึ้น เรียกว่าหม้อแปลงชนิดยกแรงดัน (step-up) แต่ถ้าขดออกพันรอบน้อยกว่า แรงดันจะถูกลดลง เรียกว่าหม้อแปลงชนิดลดแรงดัน (step-down) ลองเทียบกับเฟืองจักรยานดู เฟืองใหญ่ทดให้ล้อหมุนช้าแต่มีแรงมาก เฟืองเล็กทดให้ล้อหมุนเร็วแต่แรงน้อยลง หม้อแปลงก็ทดแรงดันไฟฟ้าด้วยหลักการเดียวกันทุกประการ เพียงแค่ใช้จำนวนรอบขดลวดแทนจำนวนซี่เฟืองเท่านั้นเอง

ตรงนี้เองที่ตอบคำถามซึ่งค้างคาใจมาตั้งแต่บทที่ 1 ว่าทำไมระบบไฟฟ้าทั้งโลกจึงเลือกใช้ไฟฟ้ากระแสสลับ (AC) แทนไฟฟ้ากระแสตรง (Direct Current เรียกย่อว่า DC) คำตอบอยู่ที่คำว่า "สลับ" นั่นเอง หม้อแปลงจะทำงานได้ก็ต่อเมื่อสนามแม่เหล็กในแกนเหล็ก "เปลี่ยนแปลง" อยู่ตลอดเวลาเท่านั้น ไฟฟ้ากระแสตรงให้สนามแม่เหล็กที่นิ่งสนิท ไม่มีการเปลี่ยนแปลงใดๆ จึงไม่มีการเหนี่ยวนำข้ามขดลวดเกิดขึ้นเลย พูดง่ายๆ คือหม้อแปลงทำงานกับไฟ DC ไม่ได้เด็ดขาด และนี่คือเหตุผลที่ปิดลูปกับบทที่ 9 ด้วย การที่ไฟ AC ยกแรงดันขึ้นลงได้ง่ายด้วยหม้อแปลงนี่เอง คือกุญแจสำคัญที่ทำให้การส่งไฟฟ้าทางไกลหลายร้อยกิโลเมตรเป็นไปได้จริงในทางปฏิบัติ

10.2 ทำไมหม้อแปลงใหญ่ต้องแช่น้ำมัน

หม้อแปลงกำลังขนาดใหญ่ที่ทำงานอยู่ในสถานีไฟฟ้าไม่ได้แห้งอยู่ในถังเหล็กเปล่าๆ แต่แช่อยู่ในน้ำมันฉนวนเต็มถังตลอดเวลา เหตุผลง่ายๆ คืองานหนักย่อมมาพร้อมความร้อน หม้อแปลงกำลังระดับสูงมีกระแสไฟฟ้าไหลผ่านขดลวดตลอดเวลาไม่มีหยุดพัก ความร้อนจึงสะสมขึ้นเรื่อยๆ ถ้าไม่ระบายออกอย่างเหมาะสม อุปกรณ์อาจเสียหายถาวรได้ น้ำมันในถังจึงทำหน้าที่สองอย่างพร้อมกัน อย่างแรกคือเป็นฉนวนป้องกันไฟฟ้ารั่วไหล อย่างที่สองคือเป็นตัวพาความร้อนออกจากแกนและขดลวดไปสู่ครีบระบายความร้อนที่ล้อมรอบถังอยู่ เหมือนหม้อน้ำในรถยนต์ที่หมุนเวียนน้ำระบายความร้อนออกจากเครื่องยนต์อยู่ตลอดเวลาเช่นกัน

ถ้าเดินเข้าใกล้หม้อแปลงกำลังในสถานีไฟฟ้า มักได้ยินเสียงฮัมทุ้มๆ ต่อเนื่องที่ความถี่ประมาณ 50 เฮิรตซ์ เสียงนี้เกิดจากแผ่นเหล็กบางๆ ที่ประกอบกันเป็นแกนเหล็กสั่นสะเทือนเบาๆ ตามจังหวะของสนามแม่เหล็กที่สลับไปมาตามที่เล่าไปในหัวข้อก่อนหน้า ยิ่งได้ยินเสียงฮัมชัดเจนเท่าไหร่ ยิ่งแปลว่าหม้อแปลงกำลังทำงานตามปกติอยู่นั่นเอง

1. Conservator Oil Tank — ถังพักน้ำมันสำรองที่วางอยู่บนสุด คอยชดเชยปริมาณน้ำมันในถังหลักที่ขยายตัวหดตัวตามอุณหภูมิ
2. High Voltage Bushings — ปลอกฉนวนเซรามิกสีเข้มที่สายแรงสูงเข้า/ออกต้องเจาะผ่านผนังถังอย่างปลอดภัย
3. Low Voltage Bushings — ปลอกฉนวนฝั่งแรงดันต่ำกว่า ทำหน้าที่เดียวกันแต่ขนาดเล็กลง
4. Cooling Radiators — ครีบระบายความร้อนด้านข้างถัง เปรียบได้กับหม้อน้ำรถยนต์ที่ระบายความร้อนออกจากน้ำมันที่ไหลเวียนอยู่ภายใน
5. Tap Changer (Not Visible) — กลไกปรับจำนวนรอบขดลวดเพื่อไล่ระดับแรงดันให้ละเอียดขึ้น ซ่อนอยู่ภายในถัง มองจากภายนอกไม่เห็น
6. Main Tank — ถังหลักที่บรรจุแกนเหล็กและขดลวดแช่อยู่ในน้ำมันฉนวน
7. Oil Level Gauge — มาตรวัดระดับน้ำมันข้างถัง ใช้ตรวจสอบว่าน้ำมันยังอยู่ในระดับปกติหรือไม่
8. Base Frame — โครงฐานที่รองรับน้ำหนักทั้งหมดของหม้อแปลงไว้กับพื้น
9. Drain Valve — วาล์วสำหรับระบายน้ำมันออกเวลาต้องเก็บตัวอย่างไปตรวจหรือซ่อมบำรุง

หม้อแปลงกำลังที่ดูแลรักษาดีสามารถใช้งานได้ยาวนานถึงประมาณ 30-40 ปี ซึ่งถือว่ายาวนานมากเมื่อเทียบกับอุปกรณ์ไฟฟ้าอื่นๆ ส่วนใหญ่ เคล็ดลับอยู่ที่การดูแลคุณภาพน้ำมันภายในให้ดีอยู่เสมอ จึงมีทีมงานเฉพาะทางที่คอยเก็บตัวอย่างน้ำมันจากหม้อแปลงแต่ละตัวไปตรวจในห้องปฏิบัติการเป็นประจำ ไม่ต่างจากการเจาะเลือดไปตรวจสุขภาพประจำปีของคนเราเลย

10.3 สถานีไฟฟ้า: มากกว่าที่ตั้งหม้อแปลง

สถานีไฟฟ้า (substation) ไม่ได้เป็นแค่ที่ตั้งของหม้อแปลงเพียงอย่างเดียวอย่างที่หลายคนเข้าใจ แต่ทำหน้าที่สำคัญพร้อมกันสามอย่าง อย่างแรกคือเปลี่ยนระดับแรงดันไฟฟ้าตามที่เล่าไปแล้วในหัวข้อก่อนหน้า อย่างที่สองคือเป็นชุมทางรวมและแยกสายไฟฟ้า เหมือนทางแยกทางด่วนขนาดใหญ่ที่รถจากหลายทิศทางมารวมกันแล้วแยกย้ายไปคนละเส้นทาง และอย่างที่สามคือเป็นจุดตัดตอนและป้องกันระบบ ซึ่งจะเล่าละเอียดในหัวข้อถัดไป

ถ้าลองไล่ดูตามแผนที่การเดินทางของไฟฟ้าที่เล่าไว้ในบทที่ 2 จะเห็นว่าสถานีไฟฟ้าไม่ได้มีแบบเดียว แต่มีหลายประเภทตามตำแหน่งบนเส้นทาง เริ่มจากสถานียกแรงดันที่ตั้งอยู่ข้างโรงไฟฟ้าโดยตรง ทำหน้าที่ยกแรงดันจากที่เครื่องกำเนิดผลิตออกมาขึ้นไปสู่ระดับสายส่งแรงสูง ต่อมาคือสถานีลดแรงดันขนาดใหญ่แถบชานเมืองที่ลดแรงดันจากสายส่งหลักลงมาให้พอเหมาะกับการจ่ายเข้าเมือง และสุดท้ายคือสถานีย่อยที่กระจายอยู่ทั่วเมือง ทำหน้าที่จ่ายไฟเข้าสู่ถนนสายต่างๆ ก่อนจะแตกแขนงไปยังหม้อแปลงหน้าบ้านในที่สุด

1. Incoming Transmission Lines — สายส่งแรงสูงจากภายนอกที่พาดเข้ามาสู่สถานี จุดเริ่มต้นของทุกอย่างในรั้วนี้
2. Surge Arresters — ล่อฟ้า เสาเซรามิกเรียงรายที่คอยดักแรงดันไฟกระชากแล้วระบายทิ้งลงดินก่อนไปทำลายอุปกรณ์อื่น
3. High Voltage Busbars — บัสบาร์แรงสูง รางตัวนำที่รวบรวมไฟฟ้าจากหลายเส้นทางไว้ด้วยกัน เหมือนชานชาลารวมผู้โดยสาร
4. Disconnect Switches — ใบมีดตัดตอน ใช้แยกวงจรออกจากกันให้เห็นชัดด้วยตาเปล่าตอนไม่มีกระแสไหลแล้ว เพื่อความปลอดภัยของทีมซ่อมบำรุง
5. Circuit Breakers — เบรกเกอร์ ตัดกระแสไฟฟ้าได้แม้ขณะมีไฟไหลอยู่ รายละเอียดอยู่ในหัวข้อ 10.4
6. Power Transformers — หม้อแปลงกำลัง หัวใจของสถานีตามที่เล่าไปในหัวข้อ 10.1-10.2
7. Control Building — อาคารควบคุม ที่ตั้งของระบบตรวจวัดและสั่งการอุปกรณ์ทั้งหมดในสถานี
8. Perimeter Security Fence — รั้วรอบขอบชิดที่กันคนภายนอกออกจากพื้นที่อันตรายแรงสูง

ลองทัวร์ดูอุปกรณ์หลักภายในรั้วสถานีไฟฟ้าแบบคร่าวๆ เริ่มจากบัสบาร์ (busbar) รางตัวนำทองแดงหรืออะลูมิเนียมขนาดใหญ่ที่รวบรวมไฟฟ้าจากหลายเส้นทางเข้าไว้ด้วยกัน เหมือนชานชาลาสถานีรถไฟฟ้าที่รวบรวมผู้โดยสารจากหลายขบวนไว้จุดเดียวก่อนแยกย้ายต่อ ถัดมาคือเบรกเกอร์ (circuit breaker) และใบมีดตัดตอน (disconnect switch) สองอุปกรณ์ที่ทำหน้าที่คล้ายกันแต่ต่างกันตรงจังหวะการใช้งาน เบรกเกอร์ตัดกระแสไฟฟ้าได้แม้ขณะมีไฟไหลอยู่ ส่วนใบมีดตัดตอนใช้แยกวงจรออกจากกันอย่างเห็นได้ชัดด้วยตาเปล่าเฉพาะตอนที่ไม่มีกระแสไหลแล้วเท่านั้น เพื่อความปลอดภัยสูงสุดของทีมช่างที่จะเข้าไปซ่อมบำรุง

อีกชิ้นที่สำคัญคือล่อฟ้า (surge arrester) แท่งเซรามิกทรงกระบอกยืนตั้งอยู่ประปรายทั่วสถานี คอยดักจับแรงดันไฟกระชากรุนแรงที่มาจากฟ้าผ่าหรือการสวิตช์ระบบ แล้วระบายทิ้งลงดินก่อนที่แรงดันเกินจะไปทำลายอุปกรณ์ราคาแพงชิ้นอื่น และสุดท้ายคือหม้อแปลงวัด (instrument transformer) อุปกรณ์ขนาดเล็กที่คอยวัดกระแสและแรงดันไฟฟ้าจริงตลอดเวลา ทำหน้าที่เหมือนตาชั่งที่ชั่งน้ำหนักไฟฟ้าและกล้องวงจรปิดที่เฝ้าดูความผิดปกติของทั้งระบบไปพร้อมกัน

10.4 เบรกเกอร์ยักษ์และการป้องกัน: ฟิวส์ของทั้งเมือง

เบรกเกอร์ที่ติดตั้งอยู่ในตู้ไฟบ้านของเราตามที่เล่าไว้ในบทที่ 1 ตัดกระแสไฟฟ้าได้ในระดับหลักสิบแอมป์เท่านั้น แต่เบรกเกอร์ในสถานีไฟฟ้าต้องรับมือกับสถานการณ์ที่หนักหนากว่านั้นมาก เมื่อเกิดการลัดวงจรบนสายส่งแรงสูง กระแสไฟฟ้าอาจพุ่งสูงถึงหลักหมื่นแอมป์ ที่แรงดันสูงถึงประมาณ 500,000 โวลต์ การจะตัดกระแสมหาศาลขนาดนี้ไม่ใช่แค่งัดสวิตช์ธรรมดา เพราะขณะที่หน้าสัมผัสกำลังแยกออกจากกัน จะเกิด "ประกายไฟยักษ์" หรือที่เรียกว่าอาร์ก (arc) ที่ร้อนจัดและอาจลุกลามต่อเนื่องได้ถ้าไม่ดับให้สนิท เบรกเกอร์แรงสูงจึงต้องใช้ก๊าซพิเศษอย่างซัลเฟอร์เฮกซะฟลูออไรด์ (Sulfur Hexafluoride เรียกย่อว่า SF6) หรือสภาวะสุญญากาศภายในตัวเรือน เพื่อดับอาร์กให้ขาดสนิทภายในเสี้ยววินาที

1. High-voltage busbars — บัสบาร์แรงสูง สายตัวนำที่พาดผ่านด้านบนสุดของภาพ รวบรวมไฟฟ้าจากหลายจุด
2. SF6 circuit breaker unit — ตัวเบรกเกอร์ที่ใช้ก๊าซ SF6 ดับอาร์กภายใน อยู่ในตัวเรือนสีขาวขนาดใหญ่ทางซ้ายของภาพ
3. Porcelain interrupter columns — เสาเซรามิกดำสูงตั้งฉากที่เป็นจุดตัดกระแสจริง ยิ่งแรงดันสูงเสายิ่งต้องสูงตามไปด้วยเช่นเดียวกับพวงลูกถ้วยในบทที่ 9
4. Disconnect switches — ใบมีดตัดตอนทางขวาของภาพ ใช้แยกวงจรให้เห็นชัดด้วยตาหลังตัดกระแสด้วยเบรกเกอร์แล้ว
5. Control cabinet — ตู้ควบคุมที่ฐานเบรกเกอร์ เป็นจุดที่รีเลย์ป้องกันส่งคำสั่งมาสั่งตัดกระแส
6. Substation area — พื้นที่ลานหินกรวดโดยรอบที่ป้องกันไฟรั่วลงดินและช่วยระบายน้ำ

ระบบป้องกันทั้งหมดนี้ทำงานอัตโนมัติเร็วกว่าที่ตาคนจะกะพริบทัน เมื่อฟ้าผ่าลงสายส่งหรือเกิดความผิดปกติใดๆ อุปกรณ์ที่เรียกว่ารีเลย์ป้องกัน (protection relay) จะตรวจจับความผิดปกติได้ก่อน แล้วสั่งให้เบรกเกอร์ตัดเฉพาะช่วงสายที่มีปัญหาออกจากระบบทันที ส่วนที่เหลือของโครงข่ายทั้งประเทศยังคงเดินเครื่องต่อไปตามปกติ นี่คือเหตุผลที่แท้จริงว่าทำไมฟ้าผ่าลงสายส่งสักจุดหนึ่งจึงไม่ทำให้ทั้งภาคดับมืดไปพร้อมกัน เชื่อมโยงกับเรื่องการรักษาสมดุลของทั้งระบบในบทที่ 3 และจะเชื่อมโยงต่อไปถึงเรื่องไฟดับบ้านเราในบทที่ 11 ด้วย

อาการที่คนไทยคุ้นเคยกันดีคือไฟกะพริบวูบเดียวแล้วกลับมาติดเองทันที อาการแบบนี้ไม่ใช่ความผิดปกติร้ายแรงแต่อย่างใด แต่เป็นสัญญาณว่าระบบเพิ่งลองจ่ายไฟซ้ำโดยอัตโนมัติ เรียกว่าการจ่ายซ้ำอัตโนมัติ (auto-reclose) หลังจากตรวจพบเหตุชั่วคราวบนสาย เช่นกิ่งไม้พาดสายแล้วหลุดออกไปเอง หรือสัตว์ที่บังเอิญเดินผ่านแล้วจากไป ระบบจะลองจ่ายไฟกลับเข้าไปใหม่ภายในเวลาไม่กี่วินาที ถ้าเหตุนั้นหายไปแล้วจริงๆ ไฟก็จะติดกลับมาโดยที่เราแทบไม่ทันสังเกตด้วยซ้ำ

10.5 น้องเล็กของครอบครัว: หม้อแปลงหน้าบ้าน

ถังทรงกระบอกสีเทาที่แขวนอยู่บนเสาไฟฟ้าหน้าบ้านซึ่งเราเห็นจนชินตา แท้จริงแล้วคือหม้อแปลงตัวจริงเหมือนกับที่อยู่ในสถานีไฟฟ้าทุกประการ เพียงแค่ย่อขนาดลงมาให้เหมาะกับงานเบาๆ เท่านั้น หม้อแปลงหน้าบ้านตัวนี้ทำหน้าที่ลดแรงดันจากประมาณ 22,000 โวลต์ ลงมาเหลือประมาณ 220 โวลต์ ที่ไหลเข้าปลั๊กบ้านเรา หม้อแปลงหนึ่งตัวมักเลี้ยงไฟให้บ้านเรือนได้ประมาณ 10-50 หลังพร้อมกัน ขึ้นอยู่กับขนาดของหม้อแปลงและปริมาณการใช้ไฟของแต่ละย่าน

1. High voltage (22 kV) 3-phase incoming lines — สายแรงกลางสามเฟสที่พาดเข้ามาจากด้านบนของเสา ยังเป็นแรงดัน 22,000 โวลต์ ตามบันไดแรงดันจากบทที่ 9
2. High voltage insulators — ลูกถ้วยฉนวนขนาดเล็กที่ยึดสายแรงกลางไว้กับตัวหม้อแปลง หลักการเดียวกับพวงลูกถ้วยบนเสาส่งใหญ่
3. Distribution transformer (22 kV / 400-230 V) — ตัวถังสีเทาทรงกระบอก คือหม้อแปลงจริงที่ลดแรงดันจาก 22,000 โวลต์ ลงมาเหลือประมาณ 220-380 โวลต์
4. Low voltage (400/230 V) outgoing lines — สายแรงต่ำที่กระจายออกจากด้านล่างหม้อแปลงไปยังบ้านเรือนแต่ละหลังในซอย
5. Low voltage circuit breaker — เบรกเกอร์ฝั่งแรงต่ำที่ป้องกันหม้อแปลงจากปัญหาซึ่งเกิดขึ้นในสายจำหน่ายฝั่งบ้าน
6. Electric energy meter — มิเตอร์วัดหน่วยไฟฟ้ารวมของหม้อแปลงตัวนี้ ก่อนแยกจ่ายไปยังมิเตอร์บ้านแต่ละหลัง
7. Mounting bracket and platform — แท่นเหล็กยึดหม้อแปลงเข้ากับเสา รับน้ำหนักตัวหม้อแปลงทั้งหมด
8. Concrete power pole — เสาไฟฟ้าคอนกรีตที่รองรับทั้งหม้อแปลงและสายไฟทุกชั้น

ถ้าลองนับดูตั้งแต่ต้นทางถึงปลายทางตามบันไดแรงดันที่เล่าไว้ในบทที่ 9 จะพบว่าไฟฟ้าหนึ่งหน่วยที่ไหลจากแรงดันครึ่งล้านโวลต์จนถึงปลั๊กบ้านเรา ต้องผ่านหม้อแปลงอย่างน้อยประมาณ 3-4 ตัวเสมอ ตั้งแต่หม้อแปลงยกแรงดันข้างโรงไฟฟ้า หม้อแปลงลดแรงดันในสถานีชานเมือง ไปจนถึงหม้อแปลงหน้าบ้านตัวสุดท้ายนี้ หม้อแปลงจึงเปรียบเสมือนสมาชิกในครอบครัวเดียวกันที่ทำหน้าที่แบบเดียวกันทุกตัว เพียงแค่ขนาดต่างกันตามงานที่ได้รับมอบหมายเท่านั้น

หลังจากผ่านหม้อแปลงซอยตัวนี้ไปแล้ว ไฟฟ้าก็เหลือระยะทางอีกไม่ไกลนักก่อนถึงมิเตอร์และปลั๊กบ้านเรา ช่วงสุดท้ายของการเดินทางนี้ พร้อมกับเรื่องมิเตอร์และไฟดับที่เราเจอกันบ่อยๆ จะเล่าให้ฟังต่อในบทที่ 11

สรุปท้ายบท

คำศัพท์ในบทนี้

ทบทวนความเข้าใจ