Electrical Power

สถานีไฟฟ้าแรงสูงแบบใช้ฉนวนก๊าซ

( Gas Insulated Substation : GIS)

เนื่องจากประเทศไทยมีการพัฒนาขยายการลงทุน ทำให้มีผู้ใช้ไฟรายใหญ่เกิดขึ้นจำนวนมาก ทั้งในส่วนภาคธุรกิจอุตสาหกรรม ธุรกิจห้างสรรพสินค้า โรงแรม การคมนาคมขนส่ง และการศึกษา ทำให้ความต้องการใช้ไฟฟ้าในประเทศมีปริมาณเพิ่มสูงขึ้น จึงต้องจัดหาแหล่งผลิตไฟฟ้าตลอดจนขยายระบบส่งเพิ่มขึ้นเพื่อให้สามารถส่งจ่ายพลังงานให้ถึงผู้ใช้ไฟ โดยมีปริมาณที่เพียงพอและมีคุณภาพตาม มาตรฐานสากลแต่ปัญหาที่ประสบอยู่ประการหนึ่ง คือ การเพิ่มหรือขยายสถานีไฟฟ้าแรงสูงในเขตตัวเมือง โดยเฉพาะอย่างยิ่งใน กทม. เนื่องจากที่ดินมีราคาสูงและหาพื้นที่ในการก่อสร้างได้ยาก

รูป สถานีไฟฟ้าแบบ GIS ติดตั้งภายในอาคาร

ที่มา : new.abb.com

จึงมีการพิจารณาการแก่ปัญหาโดยนำ GIS มาใช้ทั้งในด้านการขยายสถานีไฟฟ้าแรงสูงที่มีอยู่ และในด้านการก่อสร้างสถานีไฟฟ้าแรงสูงแห่งใหม่สำหรับลูกค้ารายใหญ่ที่มีความต้องการใช้ไฟฟ้าปริมาณมาก และต้องการระบบที่มีความมั่นคง และมีคุณภาพ ต้องมีการปรับเปลี่ยนระบบการรับไฟฟ้า (upgrade voltage system) โดยแทนที่จะรับจากระบบจำหน่ายที่แรงดันระดับปานกลาง (medium voltage) เปลี่ยนมาเป็นการรับจากระบบแรงดันสูง ( high voltage system) โดยมีสถานีไฟฟ้าเป็นของตนเอง ดังนั้นจึงเป็นสิ่งจำเป็นที่ผู้เกี่ยวข้องโดยเฉพาะบุคลากรด้านการบำรุงรักษา จะต้องมีความรู้และความเข้าใจเกี่ยวกับอุปกรณ์ภายในสถานีไฟฟ้าแรงสูงของตน เพื่อความปลอดภัยต่อบุคคลและต่ออุปกรณ์ภายในสถานีไฟฟ้า

ข้อดี - ข้อเสียของสถานีไฟฟ้าแบบ GIS

ข้อดีของสถานีไฟฟ้าแบบ GIS	ข้อเสียของสถานีไฟฟ้าแบบ GIS
- ใช้พื้นที่การก่อสร้างน้อยกว่า AIS	- ราคาอุปกรณ์แพงกว่า AIS มาก
- ติดตั้งได้รวดเร็วกว่า AIS	- การขยายหรือเพิ่มเติมต้องวางแผนล่วงหน้า และต้องใช้ผลิตภัณฑ์เดิม ซึ่งผู้ผลิตมักเสนอราคาสูงกว่าความเป็นจริง
- มีความปลอดภัยในการใช้งานสูงกว่า AIS	- เมื่อมีความเสียหายระหว่างการใช้งานภายในจะหาตำแหน่งจุดบกพร่องได้ยากกว่า AIS และการซ่อมแซมมีความยุ่งยาก ทำให้เสียเวลาจ่ายไฟฟ้า
- ไม่มีผลกระทบจากมลภาวะภายนอก	- หลังซ่อมหรือขยายเพิ่มเติม อาจต้องดับไฟฟ้าทั้งหมดเพื่อทดสอบ Dielectric
- การบำรุงรักษาน้อยกว่า AIS	- ใช้ปริมาณก๊าซ SF6 มากกว่า ซึ่งมีราคาแพงและมีผลกระทบต่อสภาพแวดล้อม

อุปกรณ์หลักในสถานีไฟฟ้าแบบ GIS

อุปกรณ์ใน GIS ในแต่ละ Bay ของ GIS จะประกอบไปด้วยอุปกรณ์ไฟฟ้าต่าง ๆ ซึ่งมีพิกัดการใช้งานเหมือนกับ AIS ทุกประการ เพียงแต่ออกแบบเป็นลักษณะ Module แต่ละ Module จะมีหน้าแปลน (Flange) เพื่อจะไดนำมาประกอบต่อกันไดตามลักษณะการจัด Bus ตาม Single Line ที่ต้องการ

ตัวถังของ GIS ทำจากอลูมิเนียมผสมหรือเหล็กทำหน้าที่เป็นท่อหุ้มส่วนที่มีไฟ นอกจากนั้นยังเป็นทางผ่านของกระแสเหนี่ยวนำ (Induced Current) ซึ่งอาจสูงถึง 80 -100 % ของกระแสที่ไหลในบัสบาร์ ดังนั้นท่อโลหะทุกส่วนต้องต่อถึงกันทั้งหมดและต่อลงดินตัวถังโลหะของ GIS แบ่งตามลักษณะโครงสร้างไดเป็น 2 ประเภทคือ แบบที่บรรจุบัสบาร์หรืออุปกรณ์ทั้ง 3 เฟส อยู่ภายในตัวถังเดียวกัน เรียกว่า ตัวถังชนิด 3 เฟส ( Three Phase Enclosure) สวนอีกประเภทหนึ่งคือ แต่ละท่อหรือตัวถังจะบรรจุอุปกรณ์เพียงเฟสเดียวเท่านั้นเรียกว่า ตัวถังชนิดเฟสเดียว (Single phase enclosure)

รูป : แสดงลักษณะ GIS แบบเฟสเดียว

ที่มา : new.abb.com

รูป : แสดงลักษณะ GIS แบบสามเฟส

ที่มา : superwork1234 - WordPress.com

หากทำการแยก Bay ของ GIS แต่ละตัวออกจากกันให้เหลือเพียงหนึ่ง Bay สามารถบอกส่วนประกอบของอุปกรณ์ต่างๆที่มีภายใน Bay ของ GIS ตัวถังชนิด 3 เฟส และ GIS ตัวถังชนิดเฟสเดียว ไดดังนี้

ส่วนประกอบอุปกรณ์ต่างๆของ GIS แบบเฟสเดียว

รูป : แสดงส่วนประกอบ GIS แบบถังเดียว

ที่มา : http://engineering.electrical-equipment.org

1. Busbar	2. Busbar Disconnector
3. Earthing Switch	4. CurrentTransformer
5. Circuit Breaker	6. CurrentTransformer
7. Earthing Switch	8. Disconnecting Switch
9. Earthing Switch	10. Voltage Transformer
11. Cable Sealing End

ส่วนประกอบอุปกรณ์ต่างๆ ของ GIS แบบสามเฟส

รูป : แสดงส่วนประกอบต่างๆ GIS แบบสามเฟส

ที่มา : http://www.kanohar.com

1. Main Bus Disconnector	2. Disconnector
3. Earthing Switch	4. Circuit Breaker
5. CurrentTransformer	6. Voltage Transformer
7. Lightning Arrestor	8. Operating Cubicle
9. Fault Making ES	10. Cable Head Box
11. Local Control Panel

อุปกรณ์และหน้าที่ของอุปกรณ์แต่ละตัว

- บัสบาร์ ( Bus-Bar)

โดยทั่วไปทำจากอลูมิเนียมหรือทองแดงออกแบบให้มีขนาดตามพิกัดกระแสต่อเนื่อง(Rated Continuous Current) ระยะความห่างของจุดจับยึดขึ้นอยู่กับแรงกระทำทางกลขณะเกิดลัดวงจร ที่ปลายบัสบาร์ทั้ง 2 ข้างจะเคลือบด้วยเงินหรือ Chromium Copper การต่อกับอุปกรณ์มีทั้งแบบยึดกันด้วยBolt และแบบเสียบ ( Plug - in)

- Insulation Spacer

บางครั้งเรียกว่า Insulating Cone ทำจาก Epoxy Resin ซึ่งมีคุณสมบัติเป็นฉนวนสูงปราศจากโพรงอากาศภายในเนื้อมีความต้านทานต่อสารเคมีต่างๆ ทนความร้อนสูง ขึ้นรูปง่ายไดตามความต้องการ ใช้สำหรับรองรับบัสบาร์หรืออุปกรณ์ต่างๆ ใน GIS เช่น เซอร์กิตเบรคเกอร์,ใบมีดตัดตอน,หม้อแปลงวัดแรงดัน เป็นต้นInsulation Spacer มีการออกแบบใช้งาน 2 ประเภทคือแบบปิด ( Gas Tight Spacer) และแบบเปิด (Gas Pass Insulator) นอกจากนี้ยังทำหน้าที่แบ่งส่วน (Partition) ของ Gas Compartment เพื่อแยกเป็นส่วนเวลาที่เกิดปัญหาไม่ให้กระทบกับส่วนอื่นๆ

- อุปกรณ์ระบายแรงดันเกิน (Pressure relief device)

ทำหน้าที่ระบายแรงดันภายในไมให้สูงเกินค่าที่ตัวถังโลหะทนได กรณีระบบป้องกันตัดฟอล์ททำงานช้ากว่าปกติมักกำหนดให้ติดตั้งทุก Compartment อุปกรณ์ระบายแรงดันเกินนี้เป็นแบบทำงานไดครั้งเดียว ทำจากกราไฟท์ (Graphite) หรือโลหะ อุปกรณ์ระบายแรงดันจะต้องติดตั้งให้ ขณะที่ทำงานจะระบายก๊าซออกไปในทิศทางที่เหมาะสมเพื่อป้องกันอันตรายต่อผู้ปฏิบัติงานที่อยู่ในบริเวณนั้น

- เซอรกิตเบรคเกอร (Circuit breaker )

ออกแบบเป็นชนิดตัวถังไมมีไฟ (Dead Tank) โดยใช้ก๊าซ SF6 ทำหน้าที่เป็นทั้งฉนวนตัวกลางและตัวดับอาร์ค โดยปกติแลว Compartment ของเซอรกิตเบรกเกอร์จะใช้

แรงดันก๊าซสูงกว่าใน Compartment อื่น Interrupter มีหลักการทำงานแบบ Puffer คือขณะ Moving Contact เคลื่อนที่ลง จะเป็นการใช้ลูกสูบอัดก๊าซในเวลาเดียวกันด้วย

เมื่อค่าพิกัดแรงดันสูงกว่า 230 kV ภายใน Interrupter จะต่อ Contact อนุกรมและมี Grading capacitor ต่อขนานกับ Contact เพื่อให้แรงดันตกคร่อมแต่ละ Contact เท่ากันช่วงเวลาที่เซอร์กิตเบรคเกอรกำลังตัดกระแส ลักษณะการจัดวางเซอรกิตเบรคเกอร มี 2 แบบ คือ การจัดวางในแนวตั้งและวางในแนวนอนซึ่งมีข้อสังเกตคือ เซอรกิตเบรคเกอรวางในแนวนอนสามารถมั่นใจไดวา ฝุ่นผง ที่เกิดจากการอาร์คจะตกลงสู่พื้นด้านล่างซึ่งเป็นบริเวณที่มีความเครียดทางไฟฟ้าต่ำกว่า เมื่อพิจารณาลักษณะการจัดวางจะเห็นได้ว่า เซอรกิตเบรคเกอร แบบแนวตั้งจะลดพื้นที่ในการติดตั้งไดมากกว่า แต่ระยะความสูงจะเพิ่มขึ้น เมื่อบำรุงรักษาจะต้องยก Interrupter ขึ้นทั้งชุด ดังนั้นต้องออกแบบอาคารให้มีความสูงเผื่อไว้ด้วย การบำรุงรักษากรณีการจัดวางในแนวนอนต้องดึง Contact ทั้งชุดออกตามแนวนอน ดังนั้นจะต้องเผื่อพื้นที่ด้านข้างในอาคารสำหรับการบำรุงรักษาเช่นกัน

ในสวนของชุด Operating Mechanism มีทั้งแบบ สปริง , ลม (Pneumatic) และ ไฮดรอลิค ปัจจุบัน Operating Mechanism แบบลม ไมเป็นที่นิยมเนื่องจากประกอบด้วยซีลจำนวนมาก และการเสื่อมสภาพมักขึ้นกับคุณภาพลมและความดันของลมที่ใช้ทำให้วาระการบำรุงรักษาสั้น อีกทั้งต้องใช้ Air Compressor ชนิดพิเศษสำหรับอัดแรงดันให้สูงถึง 30 Bar ซึ่งมีราคาและค่าใช้จ่ายในการบำรุงรักษาสูง

- ใบมีดตัดตอน (Disconnecting switch)

เป็นอุปกรณ์ที่ใช้สำหรับแยกเซอรกิตเบรคเกอร,บัสบาร์หรือสายส่งออกจากระบบเพื่อทำการบำรุงรักษา โดยทั่วไปใบมีดตัดตอนจะเป็นชนิดที่ทำงานขณะไมมีกระแสไฟ แต่ต้องสามารถตัดตอนกระแส Charging ที่เกิดจากค่าคาปาซิแตนซ์ (capacitance) ของบัสบาร์และสายส่งได้ด้วย

ลักษณะของตัวถังสวิตซ์ใบมีดตัดตอนเป็นแบบ Modular คือมีรูปแบบโดยเฉพาะสามารถเลือกต่อเข้ากับอุปกรณ์อื่นไดหลายแบบ ตามความเหมาะสมกับตำแหน่งที่จะ

นำไปใช้งาน การเคลื่อนที่ของ Moving Contact จะเคลื่อนที่โดยการขับเคลื่อนของมอเตอร์ ผ่านทาง Driving Insulator ที่อยู่ภายในใบมีดตัดตอน นอกจากนี้บางบริษัทยังมีช่องมองเพื่อใช้ดูตำแหน่งของใบมีดไดอีกด้วย แต่ห้ามมองขณะสวิตซ์ใบมีดทำงานเพราะแสงจากอาร์คอาจทำให้ตาเสียได

- หม้อแปลงวัดกระแส (Current Transformers)

ทำหน้าที่แปลงระดับกระแสด้านปฐมภูมิให้ต่ำลง เพื่อใช้สำหรับระบบป้องกันและระบบการวัด โดยทั่วไปจะสอดท่อตัวนำซึ่งถือว่าเป็นขดลวดปฐมภูมิแบบ 1 รอบลอดผ่านแกนเหล็กของหม้อแปลงวัดกระแส ซึ่งเป็นชนิด Ring Type ตามปกติหม้อแปลงวัดกระแสแต่ละตัวจะมีแกนเหล็กหลายๆ ชุด ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับ Primary Current, Accuracy Class และ Rated Burden ของแต่ละขดลวด

โดยทั่วไปมักเป็นแบบติดตั้งภายนอกตัวถัง ซึ่งหม้อแปลงกระแสที่ติดตั้งแบบนี้จะมีฉนวนกั้นตัวถังไวด้านหนึ่งเพื่อไมให้ติดกัน เพื่อป้องกัน Return Current รบกวนการทำงานของหม้อแปลง ซึ่งจะมีผลไปถึงการทำงานของรีเลย์ด้วย กรณีนี้ต้องมี Varistor เพื่อจำกัดแรงดันเหนี่ยวนำที่เกิดขึ้นระหว่างการทำงานของใบมีดตัดตอน

- กับดักฟ้าผ้า (Lightning Arrester)

อุปกรณ์ชิ้นนี้เป็นชนิด Gapless Type โดยใช้ Zinc Oxide (ZnO) ที่ปลายของ Element จะต่อกับตัวนำส่วนปลายอีกด้านหนึ่งต่อกับดินของระบบ ภายในสภาวะการทำงานปกติ Element จะเป็น Resistive ไมมีกระแสไหลผ่าน เมื่อเกิดแรงดันเกินจากปรากฏการณฟ้าผ่าหรือการ Switching เกิดขึ้นบน Bus conductor จะยอมให้กระแสไหลลงดินเมื่อรักษาระดับแรงดันให้อยู่ในพิกัด

โดยทั่วไปผู้ใช้งานมักเลือกใช้กับดักฟ้าผ่าแบบธรรมดาติดตั้งไวภายนอกตัว GIS เนื่องจากมีราคาถูกกว่า แต่มีบางกรณีที่จำเป็นต้องใช้กับดักฟ้าผ่าแบบ GIS เท่านั้น เช่นสายส่งเป็นแบบใต้ดิน (Underground Cable) หรือกรณีต่อ GIS เข้ากับหม้อแปลงโดยตรง เป็นต้น

- ตู้ควบคุมแรงดันต่ำ (Local Control Cubicle)

GIS แต่ละ bay จะมีตูควบคุมเพื่อต่อสัญญาณควบคุมไปยังอุปกรณ์ต่างๆ เช่น เซอรกิตเบรคเกอร, ใบมีดตัดตอน, ใบมีดกราวด์, หม้อแปลงวัดกระแส, หม้อแปลงวัดแรงดัน และสวิตซ์ตรวจจับแรงดันก๊าซ (Pressure switches)

การควบคุมจากตูแบงออกเป็น 2 ระบบคือ

1. ใช้ควบคุมอุปกรณ์ภายใน Bay

- สามารถควบคุมอุปกรณ์ทุกตัวไดทางไฟฟ้า

- มี Single Line Diagram และ Mimic Diagram สำหรับแสดงตำแหน่งของอุปกรณ์

- แสดง Compartments ที่เกิดเหตุการณ เช่น แรงดันก๊าซต่ำ

2. ใช้ต่อเชื่อมกับสัญญาณควบคุมภายนอก

- สามารถต่อร่วมกับอุปกรณ์ควบคุมเพื่อสามารถควบคุมจากห้องควบคุมศูนย์หรือศูนย์ควบคุมไดนอกจากนั้นยังส่ง Information ขึ้นไปยังศูนย์ควบคุมได้อีกด้วย

- Cable terminations หรือ Cable Sealing End

เป็นการเปลี่ยนจากฉนวน SF6 เป็นฉนวนที่ใช้กับสาย cable เช่น XLPE, น้ำมันฉนวน ซึ่งมาตรฐานสากลได้ ข้อกำหนดลักษณะการต่อ Cable terminator ระหว่างผู้ผลิต GISและผู้ผลิต Cable ให้สามารถต่อเข้ากันไดทุกยี่ห้อ