สูตรทางไฟฟ้าสำหรับการออกแบบและบำรุงรักษาตู้ไฟฟ้าแรงดันต่ำ

คำตอบโดยย่อ: สูตรทางไฟฟ้าใดที่สำคัญที่สุดในตู้ไฟฟ้าแรงดันต่ำ?

สูตรที่มีประโยชน์ที่สุดสำหรับการออกแบบและบำรุงรักษาตู้ไฟฟ้าแรงดันต่ำ ได้แก่ กระแสโหลด, กระแสของมอเตอร์, แรงดันตกคร่อม, ความต้านทานของตัวนำ, ความร้อนจูล, กระแสลัดวงจร, การตรวจสอบพิกัดการตัดกระแสของเบรกเกอร์, กระแสของหม้อแปลง, ตัวประกอบกำลัง, การชดเชยค่ากำลังไฟฟ้าด้วยคาปาซิเตอร์, ความไม่สมดุลของระบบสามเฟส และการใช้พลังงาน.

ในการทำงานหน้างานจริง สูตรเหล่านี้ไม่ใช่เพียงทฤษฎี แต่ช่วยตอบคำถามในภาคสนามได้ เช่น:

• MCB, MCCB, คอนแทคเตอร์, รีเลย์ หรือสายไฟนี้มีขนาดที่เหมาะสมหรือไม่?
• ทำไมเทอร์มินัลบล็อกถึงมีความร้อนสูงเกินไป?
• มอเตอร์จะสามารถสตาร์ทได้โดยไม่มีแรงดันตกมากเกินไปหรือไม่?
• ค่าพิกัดการตัดกระแสลัดวงจร (Breaking Capacity) ของเบรกเกอร์เพียงพอสำหรับระดับกระแสลัดวงจรหรือไม่?
• หม้อแปลงไฟฟ้าใกล้จะโอเวอร์โหลดหรือไม่?
• ต้องใช้การชดเชยคาปาซิเตอร์เท่าใดเพื่อปรับปรุงค่าตัวประกอบกำลัง (Power Factor)?
• เฟสใดที่มีการโอเวอร์โหลดหรือเกิดความไม่สมดุล?

คู่มือนี้จัดทำขึ้นเพื่อเป็นแหล่งอ้างอิงสูตรคำนวณเชิงปฏิบัติสำหรับผู้ประกอบตู้ไฟฟ้า, ช่างซ่อมบำรุง, วิศวกรโรงงาน และทีมงานระบบจำหน่ายไฟฟ้าแรงดันต่ำ.

ตารางอ้างอิงด่วน

การคำนวณ	สูตรคำนวณหลัก	สิ่งที่ช่วยในการตัดสินใจ
กระแสไฟฟ้าเฟสเดียว	I = P / (V x PF x eta)	กระแสในวงจร, ขนาดเบรกเกอร์, โหลดของสายไฟ
กระแสไฟฟ้าสามเฟส	I = P / (sqrt(3) x VLL x PF x eta)	สายป้อนมอเตอร์, เมนเบรกเกอร์ขาเข้า, ตู้จ่ายไฟ
กำลังไฟฟ้าปรากฏ	S = sqrt(3) x VLL x I	ขนาดของหม้อแปลง เครื่องกำเนิดไฟฟ้า ATS และสวิตช์ประธาน
ตัวประกอบกำลัง	PF = P / S	การวิเคราะห์กำลังไฟฟ้าสูญเสียและขนาดของชุดตัวเก็บประจุ
การชดเชยกำลังไฟฟ้าด้วยตัวเก็บประจุ	Qc = P x (tan phi1 - tan phi2)	การคำนวณขนาดตู้ปรับปรุงค่าตัวประกอบกำลังไฟฟ้า
ความต้านทานของตัวนำ	R = rho x L / A	การสูญเสียในสายเคเบิล การสูญเสียในบัสบาร์ และแรงดันตกคร่อม
ความร้อนจูล	Pheat = I^2 x R	ขั้วต่อร้อน การเชื่อมต่อหลวม และการสึกหรอของหน้าสัมผัส
แรงดันไฟฟ้าตก	แรงดันตกคร่อม % = Delta V / V x 100	การเดินสายเคเบิลระยะไกล การสตาร์ทมอเตอร์ และปัญหาแรงดันตกชั่วขณะ
กระแสไฟฟ้าลัดวงจร	Isc = V / Zloop	การเลือกพิกัดการตัดกระแสลัดวงจรของ MCB/MCCB
กระแสไฟฟ้าเต็มพิกัดของหม้อแปลง	I = S / (sqrt(3) x VLL)	การคำนวณขนาดตู้สวิตช์เกียร์แรงต่ำ, หม้อแปลงกระแส (CT), สายไฟฟ้า และเบรกเกอร์
การตรวจสอบเบรกเกอร์	พิกัดการตัดกระแสลัดวงจร >= กระแสไฟฟ้าลัดวงจรที่จุดติดตั้ง (PSCC)	ไม่ว่าจะต้องการการป้องกันระดับ 6kA, 10kA, MCCB หรือสูงกว่านั้น
การใช้พลังงาน	kWh = kW x h	การประมาณการต้นทุนการดำเนินงานและโปรไฟล์โหลด
ความไม่สมดุลของเฟส	ความไม่สมดุล % = ค่าเบี่ยงเบนสูงสุด / ค่าเฉลี่ย x 100	การปรับสมดุลโหลดสามเฟสและการแก้ไขปัญหา

---

1. กระแสโหลดเฟสเดียว

สำหรับโหลดไฟฟ้ากระแสสลับแบบเฟสเดียว:

I = P / (V x PF x eta)

ที่ไหน:

• ฉัน = กระแสไฟฟ้าในหน่วยแอมแปร์
• พี = กำลังไฟฟ้าจริงในหน่วยวัตต์
• วี = แรงดันไฟฟ้าในหน่วยโวลต์
• ตัวประกอบกำลัง (PF) = ตัวประกอบกำลัง (Power factor)
• eta = ประสิทธิภาพ ในกรณีที่เป็นมอเตอร์หรือตัวแปลงพลังงาน

สำหรับโหลดที่เป็นความต้านทานล้วน ตัวประกอบกำลังและประสิทธิภาพมักจะมีค่าใกล้เคียงกับ 1 ดังนั้นสูตรอย่างง่ายจึงกลายเป็น:

I = P / V

ตัวอย่าง:

เครื่องทำความร้อนขนาด 2,000 วัตต์ บนวงจรไฟฟ้า 230 โวลต์ จะดึงกระแสไฟฟ้าประมาณ:

I = 2000 / 230 = 8.7 แอมแปร์

สำหรับเครื่องทำความร้อน หลอดไฟ และโหลดประเภทความต้านทานอื่นๆ การคำนวณอย่างรวดเร็วนี้มักเพียงพอสำหรับการประเมินเบื้องต้น แต่สำหรับมอเตอร์ หม้อแปลง แหล่งจ่ายไฟ และโซลินอยด์ ค่าตัวประกอบกำลัง (Power Factor) และประสิทธิภาพมีความสำคัญ.

2. กระแสไฟฟ้าของโหลดสามเฟส

สำหรับโหลดสามเฟสที่สมดุล:

I = P / (sqrt(3) x VLL x PF x eta)

ที่ไหน:

• VLL = แรงดันไฟฟ้าระหว่างเฟส (Line-to-line voltage)
• รากที่สองของ 3 (sqrt(3)) = 1.732
• ตัวประกอบกำลัง (PF) = ตัวประกอบกำลัง (Power factor)
• eta = ประสิทธิภาพ

ตัวอย่าง:

มอเตอร์สามเฟสขนาด 15 กิโลวัตต์ จ่ายไฟที่ 400 โวลต์ มีตัวประกอบกำลัง 0.85 และประสิทธิภาพ 0.90:

I = 15000 / (1.732 x 400 x 0.85 x 0.90)

I ≈ 28.3 แอมแปร์

นี่เป็นการคำนวณโดยประมาณ สำหรับการเลือกอุปกรณ์ป้องกันมอเตอร์และคอนแทคเตอร์ขั้นสุดท้าย ให้ตรวจสอบกระแสโหลดเต็มที่จากแผ่นป้ายชื่อมอเตอร์เสมอ การออกแบบมอเตอร์ ระดับประสิทธิภาพ ค่าเซอร์วิสแฟคเตอร์ และวิธีการสตาร์ทอาจส่งผลต่อกระแสใช้งานจริงได้.

หากการคำนวณนี้เป็นส่วนหนึ่งของการเลือก MCB หรือ MCCB ให้พิจารณาร่วมกับความสามารถในการรับกระแสของตัวนำ กระแสขณะสตาร์ท อุณหภูมิโดยรอบ และข้อกำหนดด้านการป้องกันไฟฟ้าลัดวงจร สำหรับตรรกะการเลือก MCB โปรดดู คู่มือการเลือก MCB: วิธีการเลือกเซอร์กิตเบรกเกอร์ขนาดเล็กที่เหมาะสม.

3. กระแสขณะสตาร์ทมอเตอร์

กระแสขณะสตาร์ทมอเตอร์มักจะสูงกว่ากระแสขณะทำงานปกติมาก ค่าประมาณที่ใช้กันทั่วไปในหน้างานสำหรับการสตาร์ทแบบต่อตรง (Direct-on-line) คือ:

Istart ≈ 5 ถึง 8 x In

ที่ไหน:

• Istart = กระแสขณะสตาร์ท
• ใน = กระแสพิกัดของมอเตอร์

ช่วงค่านี้เป็นเพียงค่าประมาณการในทางปฏิบัติเท่านั้น กระแสขณะโรเตอร์ล็อค (Locked-rotor current) ที่แท้จริงจะขึ้นอยู่กับการออกแบบมอเตอร์ แรงดันไฟฟ้าของแหล่งจ่าย วิธีการสตาร์ท และความเฉื่อยของโหลด.

เหตุใดสิ่งนี้จึงสำคัญ:

• เซอร์กิตเบรกเกอร์อาจทริปในระหว่างการสตาร์ทได้ แม้ว่ากระแสขณะทำงานปกติจะอยู่ในเกณฑ์ปกติก็ตาม.
• การเดินสายไฟระยะไกลอาจทำให้เกิดแรงดันตกคร่อมมากเกินไปในระหว่างการสตาร์ท.
• ต้องเลือกคอนแทคเตอร์ตามประเภทการใช้งานของมอเตอร์ ไม่ใช่พิจารณาเพียงแค่กระแสขณะทำงานปกติเท่านั้น.
• อาจจำเป็นต้องใช้ซอฟต์สตาร์ทเตอร์หรืออินเวอร์เตอร์ (VFD) ในกรณีที่กระแสกระชากหรือแรงกระแทกทางกลเป็นปัญหา.

สำหรับวงจรมอเตอร์ อย่าเลือกอุปกรณ์ป้องกันโดยพิจารณาจากสูตรกระแสขณะทำงานเพียงอย่างเดียว แต่ต้องตรวจสอบกระแสขณะสตาร์ท กราฟการทริป การทำงานของคอนแทคเตอร์ การตั้งค่าโอเวอร์โหลดรีเลย์ และการประสานสัมพันธ์ในการป้องกันกระแสลัดวงจร.

กำลังไฟฟ้าปรากฏ, กำลังไฟฟ้าจริง, กำลังไฟฟ้ารีแอคทีฟ และตัวประกอบกำลัง

ตู้ไฟฟ้าแรงดันต่ำไม่ได้นำพาเพียงแค่กำลังไฟฟ้าจริงเท่านั้น ในโรงงานอุตสาหกรรม มอเตอร์ หม้อแปลง เครื่องเชื่อม และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังต่างก็สร้างความต้องการกำลังไฟฟ้ารีแอคทีฟเช่นกัน.

ความสัมพันธ์ที่สำคัญมีดังนี้:

S = P / PF

PF = P / S

Q = sqrt(S^2 - P^2)

ที่ไหน:

• พี = กำลังไฟฟ้าจริงในหน่วย kW
• Q = กำลังไฟฟ้าเสมือนในหน่วย kvar
• S = กำลังไฟฟ้าปรากฏในหน่วย kVA
• ตัวประกอบกำลัง (PF) = ตัวประกอบกำลัง (Power factor)

สำหรับระบบไฟฟ้าสามเฟส:

S = sqrt(3) x VLL x I / 1000

ตัวอย่าง:

สายป้อนสามเฟสแรงดัน 400 V ที่มีกระแส 100 A จะมีกำลังไฟฟ้าปรากฏดังนี้:

S = 1.732 x 400 x 100 / 1000

S ≈ 69.3 kVA

หากตัวประกอบกำลัง (Power factor) เท่ากับ 0.80:

P = S x PF = 69.3 x 0.80 = 55.4 kW

นี่คือเหตุผลว่าทำไมค่าตัวประกอบกำลัง (Power Factor) ที่ต่ำจึงทำให้กระแสไฟฟ้าเพิ่มขึ้น แม้ว่ากำลังไฟฟ้าที่ใช้งานจริง (kW) จะไม่เพิ่มขึ้นก็ตาม กระแสไฟฟ้าที่สูงขึ้นหมายถึงการสูญเสียในสายไฟที่มากขึ้น ภาระของหม้อแปลงที่มากขึ้น ความร้อนที่เพิ่มขึ้น และกำลังสำรองในตู้ควบคุมไฟฟ้าที่ลดลง.

สำหรับความแตกต่างพื้นฐานระหว่างพลังงานและกำลังไฟฟ้า โปรดดูที่ ความแตกต่างระหว่าง kW และ kWh.

5. ขนาดของคาปาซิเตอร์สำหรับปรับปรุงค่าตัวประกอบกำลัง (Power Factor Correction Capacitor)

สูตรทั่วไปสำหรับการชดเชยด้วยคาปาซิเตอร์คือ:

Qc = P x (tan phi1 - tan phi2)

ที่ไหน:

• Qc = กำลังไฟฟ้ารีแอคทีฟของคาปาซิเตอร์ในหน่วย kvar
• พี = กำลังไฟฟ้าจริงในหน่วย kW
• phi1 = มุมก่อนการแก้ไข
• phi2 = มุมหลังการแก้ไข
• cos phi = ตัวประกอบกำลัง (Power factor)

ตัวอย่าง:

โหลดของโรงงานเท่ากับ 100 กิโลวัตต์ ค่าตัวประกอบกำลังไฟฟ้าปัจจุบันคือ 0.75 ค่าตัวประกอบกำลังไฟฟ้าเป้าหมายคือ 0.95.

ค่าโดยประมาณ:

• tan phi1 สำหรับค่า PF 0.75 ≈ 0.88
• tan phi2 สำหรับค่า PF 0.95 ≈ 0.33

Qc = 100 x (0.88 - 0.33)

Qc ≈ 55 kvar

ดังนั้น โครงการอาจเริ่มต้นด้วยการประเมินชุดคาปาซิเตอร์แบงก์ขนาดประมาณ 55 kvar จากนั้นจึงปรับเปลี่ยนตามสภาวะฮาร์มอนิก, ขั้นตอนการสับสวิตช์, การเปลี่ยนแปลงของโหลด, ข้อกำหนดของการไฟฟ้า และการวัดค่าจริงที่หน้างาน.

ข้อควรระวังในการบำรุงรักษา: ห้ามติดตั้งชุดคาปาซิเตอร์แบงก์โดยไม่พิจารณาในระบบที่มีฮาร์มอนิกสูงหรือมี VFD จำนวนมาก อาจจำเป็นต้องใช้รีแอคเตอร์แบบดีจูน (Detuned reactors) หรือการวิเคราะห์ฮาร์มอนิก.

6. ความต้านทานของตัวนำ

ความต้านทานของตัวนำไฟฟ้าเป็นตัวแปรแฝงที่อยู่เบื้องหลังแรงดันตกคร่อม การสูญเสียพลังงาน และความร้อนที่จุดต่อสาย.

R = rho x L / A

ที่ไหน:

• R = ความต้านทานในหน่วยโอห์ม
• โร (rho) = ค่าความต้านทานจำเพาะของวัสดุ
• ล = ความยาวของตัวนำไฟฟ้า
• เป็ = พื้นที่หน้าตัดของตัวนำไฟฟ้า

เมื่อใช้งาน โร (rho) ใน โอห์ม ตารางมิลลิเมตรต่อเมตร, ค่าอ้างอิงทั่วไปที่อุณหภูมิ 20°C มีค่าโดยประมาณดังนี้:

• ทองแดง: 0.01724 โอห์ม ตารางมิลลิเมตรต่อเมตร
• อะลูมิเนียม: 0.0282 โอห์ม ตารางมิลลิเมตรต่อเมตร

ค่าเหล่านี้เป็นค่าอ้างอิงทั่วไป ไม่ใช่ค่าคงที่สากลสำหรับตัวนำทุกชนิด เกรดของวัสดุ อุณหภูมิ การชุบ คุณภาพของจุดต่อ และการแข็งตัวจากการทำงาน (work hardening) สามารถเปลี่ยนแปลงค่าที่แท้จริงได้ สำหรับการเปรียบเทียบวัสดุ โปรดดู การนำไฟฟ้า เทียบกับ ความต้านทานไฟฟ้า เทียบกับ %IACS.

ความหมายในทางปฏิบัติ:

• สายไฟที่ยาวขึ้นจะมีความต้านทานเพิ่มขึ้น.
• พื้นที่หน้าตัดที่เล็กลงจะมีความต้านทานเพิ่มขึ้น.
• อะลูมิเนียมต้องการพื้นที่หน้าตัดที่ใหญ่กว่าทองแดงเพื่อให้ได้ค่าความต้านทานที่ใกล้เคียงกัน.
• จุดต่อสายที่หลวมอาจทำหน้าที่เสมือนตัวต้านทานส่วนเกินที่ไม่พึงประสงค์.

7. การเกิดความร้อนจูล (Joule Heating): สูตรเบื้องหลังจุดต่อสายที่ร้อน

ความร้อนที่เกิดจากความต้านทานไฟฟ้าคือ:

Pheat = I^2 x R

ที่ไหน:

• Pheat = ความร้อนที่เกิดขึ้นในหน่วยวัตต์
• ฉัน = กระแสไฟฟ้าในหน่วยแอมแปร์
• R = ความต้านทานในหน่วยโอห์ม

นี่คือหนึ่งในสูตรที่สำคัญที่สุดสำหรับช่างไฟฟ้าซ่อมบำรุง ความร้อนจะเพิ่มขึ้นเป็นทวีคูณตามกำลังสองของกระแสไฟฟ้า หากกระแสไฟฟ้าเพิ่มขึ้นสองเท่า ความร้อนจะเพิ่มขึ้นสี่เท่า โดยสมมติว่าค่าความต้านทานยังคงเท่าเดิม.

สำหรับเทอร์มินอลบล็อก จุดต่อบัสบาร์ หน้าสัมผัสของคอนแทคเตอร์ และขั้วต่อของเซอร์กิตเบรกเกอร์ ตัวแปรที่อันตรายมักไม่ใช่ตัวสายไฟเอง แต่เป็นความต้านทานที่จุดเชื่อมต่อ.

สาเหตุทั่วไปที่ทำให้ความต้านทานหน้าสัมผัสเพิ่มขึ้น ได้แก่:

• สกรูยึดเทอร์มินอลหลวม
• การย้ำหัวสายไม่ถูกต้อง
• พื้นผิวตัวนำเกิดออกไซด์
• ขนาดของเทอร์มินอลไม่เหมาะสมกับขนาดสายไฟ
• วัสดุตัวนำที่ผสมกันโดยไม่มีการจัดการที่เหมาะสม
• การสั่นสะเทือนและการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิแบบวัฏจักร
• พื้นผิวหน้าสัมผัสที่เสียหาย

แม้การเพิ่มขึ้นเพียงเล็กน้อยของความต้านทานหน้าสัมผัสก็สามารถทำให้เกิดความร้อนเฉพาะจุดได้เมื่อมีกระแสไฟฟ้าสูง ความร้อนนั้นจะเร่งกระบวนการออกซิเดชัน ซึ่งจะเพิ่มความต้านทานให้สูงขึ้นไปอีก ทำให้เกิดวงจรความล้มเหลว.

สำหรับคู่มือการแก้ไขปัญหาเชิงลึก โปรดดู ปัญหาความร้อนสูงเกินที่จุดต่อสายไฟ (Terminal Block) ในตู้ควบคุมไฟฟ้า.

8. การคำนวณแรงดันไฟฟ้าตก

แรงดันไฟฟ้าตกคือการลดลงของแรงดันไฟฟ้าระหว่างจุดจ่ายไฟและโหลด แรงดันไฟฟ้าตกที่มากเกินไปอาจทำให้เกิด:

• ปัญหาการสตาร์ทมอเตอร์
• เสียงคอยล์คอนแทคเตอร์สั่น
• แหล่งจ่ายไฟ PLC ไม่เสถียร
• ไฟหรี่
• ความร้อนสูงเกินจากกระแสไฟฟ้าที่สูงขึ้น
• การทริปโดยไม่มีสาเหตุหรือสัญญาณเตือนแรงดันไฟฟ้าต่ำ

วงจรไฟฟ้ากระแสตรงหรือวงจรความต้านทานแบบง่าย:

Delta V = I x R

วงจรไฟฟ้ากระแสสลับเฟสเดียวแบบง่าย:

Delta V ≈ 2 x L x I x R_per_m

วงจรไฟฟ้ากระแสสลับสามเฟส แบบลดรูป:

Delta V ≈ sqrt(3) x L x I x R_per_m

สำหรับการคำนวณไฟฟ้ากระแสสลับที่แม่นยำยิ่งขึ้น ให้รวมค่าความต้านทาน ค่ารีแอคแตนซ์ และค่าตัวประกอบกำลังไฟฟ้า:

ไฟฟ้ากระแสสลับเฟสเดียว:

Delta V = 2 x L x I x (R cos phi + X sin phi)

ไฟฟ้ากระแสสลับสามเฟส:

Delta V = sqrt(3) x L x I x (R cos phi + X sin phi)

เปอร์เซ็นต์แรงดันตก:

แรงดันตกคร่อม % = Delta V / V x 100

ที่ไหน:

• ล = ความยาวสายเคเบิลแบบทางเดียว
• ฉัน = กระแสโหลด
• R = ความต้านทานของตัวนำต่อหน่วยความยาว
• X = ค่ารีแอคแตนซ์ของตัวนำต่อหน่วยความยาว
• cos phi = ตัวประกอบกำลัง (Power factor)

แรงดันตกมีความสำคัญอย่างยิ่งในสายป้อนมอเตอร์ระยะไกล, ระบบจำหน่ายไฟฟ้าภายนอกอาคาร, ไฟฟ้าชั่วคราว, สถานีสูบน้ำ และอุปกรณ์ที่มีกระแสขณะสตาร์ทสูง.

สำหรับรายละเอียดเกี่ยวกับการเลือกขนาดสายเคเบิลและแรงดันตก โปรดดู สูตรการเลือกขนาดสายเคเบิล แรงดันตก และตารางความจุรางเดินสายตามมาตรฐาน IEC 60204-1.

9. การตรวจสอบพิกัดกระแสของสายเคเบิลและพิกัดของเบรกเกอร์

เซอร์กิตเบรกเกอร์ต้องทำหน้าที่ป้องกันสายไฟ ไม่ใช่แค่ป้องกันโหลดเพียงอย่างเดียว.

ตรรกะการเลือกอุปกรณ์ตามมาตรฐาน IEC ที่นิยมใช้คือ:

IB <= In <= IZ

และ:

I2 <= 1.45 x IZ

ที่ไหน:

• IB = กระแสโหลดที่ออกแบบไว้
• ใน = พิกัดกระแสของอุปกรณ์ป้องกัน
• IZ = ความสามารถในการนำกระแสของตัวนำภายใต้สภาวะการติดตั้ง
• I2 = กระแสใช้งานตามปกติของอุปกรณ์ป้องกัน

ในแง่ง่ายๆ:

• กระแสโหลดไม่ควรเกินพิกัดของเบรกเกอร์.
• พิกัดของเบรกเกอร์ไม่ควรเกินความสามารถในการนำกระแสของสายไฟ.
• เบรกเกอร์ต้องทำงานก่อนที่สายไฟจะร้อนเกินไปภายใต้สภาวะโหลดเกิน.

ข้อผิดพลาดที่พบหน้างาน:

มีการขยายตู้ไฟและติดตั้งเบรกเกอร์ขนาดใหญ่ขึ้น แต่ไม่ได้เปลี่ยนสายไฟให้ใหญ่ขึ้นตาม วงจรจะมีขนาดโหลดตามทฤษฎีเพิ่มขึ้น แต่ตัวนำอาจไม่ได้รับการป้องกันอีกต่อไป.

ต้องทำการลดพิกัดกระแส (Derating) สำหรับอุณหภูมิโดยรอบ การจัดกลุ่ม วิธีการติดตั้ง ความร้อนภายในตู้ และประเภทของฉนวนตัวนำ ตามมาตรฐานหรือข้อกำหนดท้องถิ่นที่เกี่ยวข้องเสมอ.

10. กระแสลัดวงจรและ PSCC

กระแสลัดวงจรที่คาดการณ์ไว้ (Prospective short-circuit current หรือ PSCC) คือกระแสไฟฟ้าที่อาจไหลผ่านจุดใดจุดหนึ่งหากเกิดการลัดวงจรขึ้น.

หลักการพื้นฐานคือ:

Isc = V / Zloop

ที่ไหน:

• Isc = กระแสลัดวงจร
• วี = แรงดันไฟฟ้า
• Zloop = ค่าความต้านทานรวมของลูป (Total loop impedance) ของหม้อแปลง สายไฟ บัสบาร์ แหล่งจ่าย และเส้นทางที่เกิดฟอลต์

ค่าความต้านทานที่ต่ำกว่าหมายถึงกระแสลัดวงจรที่สูงกว่า.

ทำไมถึงสำคัญ:

• เซอร์กิตเบรกเกอร์จะต้องสามารถตัดกระแสลัดวงจรที่เกิดขึ้นได้.
• MCB ขนาด 6kA ไม่เหมาะสมหากค่า PSCC ณ จุดติดตั้งสูงกว่าพิกัดการทนกระแสลัดวงจรของอุปกรณ์.
• ตู้ไฟที่อยู่ใกล้หม้อแปลงมักจะมีค่ากระแสลัดวงจรสูงกว่าตู้ไฟที่อยู่ปลายสาย.
• การเดินสายไฟระยะไกลช่วยลดกระแสลัดวงจรแต่จะทำให้แรงดันตกเพิ่มขึ้น.

สำหรับคู่มือการคำนวณเฉพาะทาง โปรดดูที่ วิธีคำนวณหาช่วงสั้นวงจรปัจจุบันสำหรับ MCB.

11. การตรวจสอบพิกัดการตัดกระแสลัดวงจรของเบรกเกอร์

การตรวจสอบในทางปฏิบัติคือ:

ค่าความสามารถในการตัดกระแสลัดวงจรของเบรกเกอร์ (Breaking capacity) ต้องมากกว่าหรือเท่ากับค่ากระแสลัดวงจรที่จุดติดตั้ง (PSCC)

สำหรับเซอร์กิตเบรกเกอร์ขนาดเล็ก (MCB) มักจะมีการพูดถึงค่าความสามารถในการตัดกระแสลัดวงจรที่ 6kA เทียบกับ 10kA ส่วนสำหรับเซอร์กิตเบรกเกอร์แบบเคสหล่อ (MCCB) ค่าที่เกี่ยวข้องอาจรวมถึง Icu, Ics, Icw, และ Icm, ขึ้นอยู่กับมาตรฐานผลิตภัณฑ์และการใช้งาน.

อย่าเข้าใจผิดว่าค่าความสามารถในการตัดกระแสลัดวงจรคือสิ่งเดียวกับพิกัดกระแสใช้งาน.

ตัวอย่าง:

• C32 อธิบายถึงกราฟการทริปและพิกัดกระแสใช้งาน.
• 6000 หรือ 6kA อธิบายถึงค่าความสามารถในการตัดกระแสลัดวงจร.
• 10kA หมายถึงพิกัดการตัดกระแสลัดวงจรที่สูงขึ้น ไม่ใช่กระแสโหลดต่อเนื่องที่สูงขึ้น.

สำหรับรายละเอียดเพิ่มเติม โปรดดู ความสามารถในการตัดกระแสลัดวงจรของ MCB ขนาด 6kA เทียบกับ 10kA แล้ว พิกัดของเซอร์กิตเบรกเกอร์ Icu เทียบกับ Ics เทียบกับ Icw เทียบกับ Icm.

12. กระแสโหลดเต็มพิกัดของหม้อแปลง

สำหรับหม้อแปลงสามเฟส:

I = S / (sqrt(3) x VLL)

ที่ไหน:

• ฉัน = กระแสโหลดเต็มพิกัด
• S = กำลังไฟฟ้าปรากฏของหม้อแปลงในหน่วย VA
• VLL = แรงดันไฟฟ้าระหว่างเฟส (Line-to-line voltage)

ตัวอย่าง:

หม้อแปลงไฟฟ้าขนาด 500 kVA ที่มีแรงดันไฟฟ้าขาออก 400 V:

I = 500000 / (1.732 x 400)

I ≈ 722 A

สิ่งนี้ช่วยในการประมาณค่า:

• ขนาดเฟรมของเบรกเกอร์หลัก
• พิกัดกระแสของบัสบาร์
• อัตราส่วนของหม้อแปลงกระแส (CT ratio)
• ขนาดของสายไฟหรือบัสเวย์
• ขนาดของ ATS หรือเมนสวิตช์

กระแสลัดวงจรที่ขั้วหม้อแปลงสามารถประมาณค่าได้จากค่าอิมพีแดนซ์ของหม้อแปลง:

Isc ≈ IFL / (Z% / 100)

ตัวอย่าง:

หากกระแสโหลดเต็มพิกัดของหม้อแปลงเท่ากับ 722 A และมีค่าอิมพีแดนซ์ 5%:

Isc ≈ 722 / 0.05 = 14,440 A

นี่เป็นเพียงค่าประมาณที่ขั้วหม้อแปลงเท่านั้น ค่าอิมพีแดนซ์ของสายเคเบิลที่อยู่ถัดไปจะช่วยลดกระแสลัดวงจรลง การเลือกอุปกรณ์ป้องกันขั้นสุดท้ายควรใช้ค่า PSCC ที่คำนวณได้ ณ จุดติดตั้งจริง.

13. ความไม่สมดุลของโหลดสามเฟส

สำหรับการบำรุงรักษาหน้างาน ความไม่สมดุลของเฟสเป็นวิธีที่รวดเร็วในการตรวจหาการกระจายโหลดที่ไม่เหมาะสม.

สูตรคำนวณความไม่สมดุลของกระแสไฟฟ้า:

เปอร์เซ็นต์ความไม่สมดุล = (ค่าเบี่ยงเบนสูงสุดจากค่าเฉลี่ย / ค่าเฉลี่ย) x 100

ตัวอย่าง:

ค่ากระแสไฟฟ้าที่วัดได้ในแต่ละเฟส:

• L1 = 82 A
• L2 = 74 A
• L3 = 69 A

ค่าเฉลี่ย:

(82 + 74 + 69) / 3 = 75 A

ค่าเบี่ยงเบนสูงสุดจากค่าเฉลี่ย:

82 - 75 = 7 แอมป์

ความไม่สมดุล:

7 / 75 x 100 = 9.31%

ความไม่สมดุลที่สูงอาจบ่งชี้ถึง:

• การกระจายโหลดเฟสเดียวที่ไม่เท่ากัน
• การเชื่อมต่อสายนิวทรัลหลวม
• เฟสใดเฟสหนึ่งมีโหลดเกิน
• คาปาซิเตอร์ในสเต็ปนั้นชำรุด
• ปัญหาที่ขดลวดมอเตอร์
• การเชื่อมต่อไม่ดีในเฟสใดเฟสหนึ่ง

ขีดจำกัดที่ยอมรับได้ขึ้นอยู่กับประเภทของอุปกรณ์ แนวทางปฏิบัติในพื้นที่ และคำแนะนำของผู้ผลิต สำหรับมอเตอร์ ความไม่สมดุลของแรงดันไฟฟ้าเพียงเล็กน้อยอาจทำให้เกิดความไม่สมดุลของกระแสไฟฟ้าและความร้อนสูงเกินสัดส่วน ดังนั้นควรใช้คำแนะนำของผู้ผลิตมอเตอร์เมื่อประเมินวงจรจ่ายไฟของมอเตอร์.

14. การใช้พลังงานและค่าใช้จ่ายในการดำเนินงาน

การใช้พลังงาน:

kWh = kW x h

ค่าใช้จ่ายในการดำเนินงาน:

ค่าใช้จ่าย = กิโลวัตต์-ชั่วโมง (kWh) x อัตราค่าไฟฟ้า

ตัวอย่าง:

โหลดขนาด 7.5 กิโลวัตต์ ทำงานวันละ 10 ชั่วโมง:

พลังงาน = 7.5 x 10 = 75 กิโลวัตต์-ชั่วโมงต่อวัน

หากราคาค่าไฟฟ้าอยู่ที่ 0.12 ต่อกิโลวัตต์-ชั่วโมง:

ค่าใช้จ่าย = 75 x 0.12 = 9 ต่อวัน

สูตรนี้เรียบง่ายแต่มีประโยชน์สำหรับทีมซ่อมบำรุงในโรงงานเพื่อประเมิน:

• ระยะเวลาการทำงานของมอเตอร์
• การใช้พลังงานของคอมเพรสเซอร์
• โหลดของระบบปรับอากาศ (HVAC)
• การอัปเกรดระบบแสงสว่าง
• พลังงานที่สูญเสียจากการทำงานโดยไม่จำเป็น
• ระยะเวลาคืนทุนจากการปรับเปลี่ยนระบบอัตโนมัติ

15. สูตรการบำรุงรักษาภาคสนามสำหรับจุดที่มีความร้อนสูง (Hot Spots)

เมื่อแผงไฟฟ้ามีจุดต่อสายที่ร้อน การใช้สูตรคำนวณจะช่วยหลีกเลี่ยงการคาดเดา.

แรงดันไฟฟ้าตกที่จุดสัมผัส

Delta Vcontact = I x Rc

ที่ไหน:

• Rc ความต้านทานหน้าสัมผัส

หากสองเฟสที่เหมือนกันนำกระแสไฟฟ้าในปริมาณที่ใกล้เคียงกัน แต่จุดต่อหนึ่งมีแรงดันตกคร่อมสูงกว่า จุดต่อนั้นอาจมีความต้านทานหน้าสัมผัสสูงกว่า.

ความร้อนที่หน้าสัมผัส

Pheat = I^2 x Rc

สิ่งนี้อธิบายว่าเหตุใดจุดต่อจึงอาจกลายเป็นอันตรายได้แม้ในขณะที่กระแสโหลดดูเป็นปกติ ปัญหาอาจเกิดจากความต้านทานเฉพาะจุด ไม่ใช่การใช้กระแสเกินพิกัดของวงจรทั้งหมด.

ตรรกะการวินิจฉัยเชิงปฏิบัติ

อาการ	เบาะแสจากสูตรคำนวณ	ปัญหาที่อาจเกิดขึ้น
จุดต่อหนึ่งจุดมีอุณหภูมิสูงกว่าจุดต่อข้างเคียง	P = I^2R	ความต้านทานการสัมผัสสูงขึ้น
สายป้อนที่มีความยาวมากทำให้แรงดันไฟฟ้าที่โหลดตก	Delta V = I x R	ปัญหาเรื่องความยาวหรือขนาดพื้นที่หน้าตัดของสายเคเบิล
เบรกเกอร์ทริปขณะสตาร์ทมอเตอร์	กระแสสตาร์ท (Istart) ประมาณ 5-8 เท่าของกระแสพิกัด (In)	กระแสกระชาก (Inrush current) หรือการเลือกใช้กราฟการทริปผิดประเภท
กระแสที่เมนเบรกเกอร์สูงแต่ค่ากำลังไฟฟ้า (kW) ปกติ	S = P / PF	ค่าตัวประกอบกำลังไฟฟ้า (Power factor) ต่ำ
มีข้อสงสัยเกี่ยวกับพิกัดการทนกระแสลัดวงจร (kA rating) ของเบรกเกอร์	Isc = V / Zloop	จำเป็นต้องมีการคำนวณค่ากระแสลัดวงจรที่จุดติดตั้ง (PSCC)
สายศูนย์ (Neutral) มีความร้อนสูง	ความไม่สมดุลของเฟสและกระแสฮาร์มอนิก	โหลดที่ไม่สมดุลหรือโหลดแบบไม่เป็นเชิงเส้น (Nonlinear loads)

16. ข้อผิดพลาดทั่วไปในการใช้สูตรทางไฟฟ้า

ข้อผิดพลาดที่ 1: การใช้หน่วย kW โดยเข้าใจว่าเท่ากับ kVA

kW คือกำลังไฟฟ้าจริง ส่วน kVA คือกำลังไฟฟ้าปรากฏ ค่าตัวประกอบกำลัง (Power factor) ที่ต่ำจะทำให้กระแสไฟฟ้าและภาระของหม้อแปลงเพิ่มสูงขึ้น.

ข้อผิดพลาดที่ 2: การละเลยประสิทธิภาพในการประมาณค่ากระแสไฟฟ้าของมอเตอร์

กระแสไฟฟ้าขาเข้าของมอเตอร์ขึ้นอยู่กับกำลังขาออก ประสิทธิภาพ แรงดันไฟฟ้า และตัวประกอบกำลัง ควรใช้ค่ากระแสไฟฟ้าที่ระบุบนแผ่นป้ายชื่อ (Nameplate) สำหรับการเลือกอุปกรณ์ขั้นสุดท้าย.

ข้อผิดพลาดที่ 3: การตรวจสอบเพียงกระแสพิกัดแต่ไม่ตรวจสอบค่าการทนกระแสลัดวงจร (Breaking Capacity)

เซอร์กิตเบรกเกอร์ขนาด 32 A อาจรองรับกระแสใช้งานต่อเนื่องได้ 32 A แต่ยังคงต้องมีค่าการทนกระแสลัดวงจรที่เพียงพอสำหรับจุดติดตั้งนั้นๆ.

ข้อผิดพลาดที่ 4: การคำนวณแรงดันตกคร่อมเฉพาะขณะมอเตอร์ทำงานปกติ

มอเตอร์อาจมีแรงดันไฟฟ้าขณะทำงานอยู่ในเกณฑ์ที่ยอมรับได้ แต่มีแรงดันตกคร่อมขณะสตาร์ทที่ไม่เป็นไปตามมาตรฐาน.

ข้อผิดพลาดที่ 5: การมองว่าความสามารถในการนำกระแสของสายไฟเป็นค่าคงที่

ความสามารถในการนำกระแสของสายไฟจะเปลี่ยนแปลงไปตามอุณหภูมิโดยรอบ การจัดกลุ่มสายไฟ สภาวะของตู้ควบคุม และวิธีการติดตั้ง.

ข้อผิดพลาดที่ 6: การละเลยความต้านทานที่จุดสัมผัส

จุดร้อนในตู้ไฟหลายแห่งไม่ได้เกิดจากกระแสโหลดที่ผิดพลาด แต่เกิดจากการเชื่อมต่อที่ไม่ดี การเกิดออกไซด์ หรือพื้นผิวสัมผัสที่เสียหาย.

ข้อผิดพลาดที่ 7: การใช้สูตรคำนวณแบบคร่าวๆ เป็นบทพิสูจน์การออกแบบขั้นสุดท้าย

สูตรคำนวณแบบรวดเร็วมีประโยชน์สำหรับการประเมินและการแก้ไขปัญหา แต่การออกแบบขั้นสุดท้ายควรเป็นไปตามมาตรฐานที่เกี่ยวข้อง กฎระเบียบท้องถิ่น เอกสารข้อมูลของผู้ผลิต และข้อกำหนดของโครงการ.

---

รายการตรวจสอบสูตรคำนวณแรงดันต่ำสำหรับผู้ประกอบตู้ไฟ

ก่อนอนุมัติการออกแบบตู้ไฟฟ้าแรงดันต่ำ ให้ตรวจสอบสิ่งต่อไปนี้:

ตรวจสอบ	สูตรหรือกฎเกณฑ์
กระแสโหลด	I = P / V หรือ I = P / (sqrt(3) x VLL x PF x eta)
การป้องกันสายเคเบิล	IB <= In <= IZ
แรงดันไฟฟ้าตก	Delta V % = Delta V / V x 100
พิกัดการทนกระแสลัดวงจรของเบรกเกอร์	พิกัดการตัดกระแสลัดวงจร >= กระแสไฟฟ้าลัดวงจรที่จุดติดตั้ง (PSCC)
กระแสไฟฟ้าของหม้อแปลง	I = S / (sqrt(3) x VLL)
ตัวประกอบกำลัง	PF = P / S
การชดเชยกำลังไฟฟ้าด้วยตัวเก็บประจุ	Qc = P x (tan phi1 - tan phi2)
การวินิจฉัยจุดต่อสายไฟที่มีความร้อนสูง	Pheat = I^2 x R
ความสมดุลของเฟส	ความไม่สมดุล % = ค่าเบี่ยงเบนสูงสุด / ค่าเฉลี่ย x 100
การใช้พลังงาน	kWh = kW x h

---

คำถามที่พบบ่อย

สูตรที่สำคัญที่สุดสำหรับการออกแบบตู้ไฟฟ้าแรงดันต่ำคืออะไร?

สูตรที่ใช้บ่อยที่สุดคือสูตรคำนวณกระแสไฟฟ้า: สำหรับโหลดสามเฟส, I = P / (sqrt(3) x VLL x PF x eta). เป็นจุดเริ่มต้นสำหรับการเลือกขนาดสายไฟ การเลือกเบรกเกอร์ การเลือกคอนแทคเตอร์ การคำนวณโหลดหม้อแปลง และการตรวจสอบแรงดันตก.

สูตรใดที่ใช้อธิบายสาเหตุที่เทอร์มินัลบล็อกเกิดความร้อนสูง?

ความร้อนที่ขั้วต่อสายไฟอธิบายได้จาก Pheat = I^2 x R. หากความต้านทานหน้าสัมผัสเพิ่มขึ้นเนื่องจากสกรูหลวม การย้ำหัวสายไม่ดี การเกิดออกไซด์ หรือพื้นผิวหน้าสัมผัสเสียหาย ขั้วต่ออาจเกิดความร้อนสูงเกินไปได้แม้ว่ากระแสโหลดจะดูเป็นปกติก็ตาม.

คุณคำนวณกระแสไฟฟ้าสามเฟสได้อย่างไร?

ใช้ I = P / (sqrt(3) x VLL x PF x eta). หากคุณทราบเพียงค่ากำลังไฟฟ้าปรากฏ ให้ใช้ I = S / (sqrt(3) x VLL).

คุณคำนวณแรงดันตกคร่อมได้อย่างไร?

สำหรับการประมาณค่าสามเฟสแบบง่าย ให้ใช้ Delta V ≈ sqrt(3) x L x I x R_per_m. สำหรับการคำนวณไฟฟ้ากระแสสลับที่แม่นยำยิ่งขึ้น ให้รวมค่ารีแอคแตนซ์และตัวประกอบกำลังไฟฟ้าด้วย: Delta V = sqrt(3) x L x I x (R cos phi + X sin phi).

คุณคำนวณกระแสไฟฟ้าลัดวงจรได้อย่างไร?

สูตรพื้นฐานคือ Isc = V / Zloop. ในทางปฏิบัติ ค่าอิมพีแดนซ์ของหม้อแปลง ความยาวสายเคเบิล ขนาดตัวนำ และค่าอิมพีแดนซ์ของระบบต้นทาง ล้วนส่งผลต่อกระแสลัดวงจรที่คาดการณ์ไว้ที่ตู้ไฟฟ้า.

สูตรคำนวณพิกัดการตัดกระแสลัดวงจรของเซอร์กิตเบรกเกอร์คืออะไร?

กฎในทางปฏิบัติคือ พิกัดการตัดกระแสลัดวงจรของเบรกเกอร์ >= กระแสลัดวงจรที่คาดการณ์ไว้. หากค่า PSCC สูงกว่าพิกัดของเบรกเกอร์ เบรกเกอร์นั้นจะไม่เหมาะสมสำหรับจุดติดตั้งดังกล่าว.

สูตรสำหรับการปรับปรุงค่าตัวประกอบกำลัง (Power Factor Correction) คืออะไร?

ใช้ Qc = P x (tan phi1 - tan phi2), ที่ไหน พี คือกำลังไฟฟ้าจริง, phi1 คือมุมก่อนการปรับปรุงค่า และ phi2 คือมุมหลังจากทำการแก้ไขแล้ว.

ทำไมค่าตัวประกอบกำลัง (Power Factor) ที่ต่ำจึงทำให้กระแสไฟฟ้าเพิ่มขึ้น?

ค่าตัวประกอบกำลังที่ต่ำจะทำให้กำลังไฟฟ้าปรากฏ (Apparent Power) เพิ่มขึ้นสำหรับกำลังไฟฟ้าจริง (kW) ที่เท่าเดิม เนื่องจากกระแสไฟฟ้าแปรผันตามกำลังไฟฟ้าปรากฏในระบบไฟฟ้ากระแสสลับ ค่าตัวประกอบกำลังที่ต่ำจึงส่งผลให้กระแสไฟฟ้าเพิ่มขึ้น รวมถึงเพิ่มการสูญเสีย แรงดันตก และภาระของหม้อแปลงไฟฟ้า.

สูตรเหล่านี้สามารถใช้แทนซอฟต์แวร์ออกแบบทางไฟฟ้าได้หรือไม่?

ไม่ได้ สูตรเหล่านี้มีประโยชน์สำหรับการประมาณการ การแก้ไขปัญหาเบื้องต้น และการเลือกอุปกรณ์ในขั้นแรกเท่านั้น การออกแบบตู้ไฟฟ้าขั้นสุดท้ายควรเป็นไปตามมาตรฐานที่เกี่ยวข้อง กฎระเบียบท้องถิ่น ข้อมูลจากผู้ผลิต การศึกษาการประสานงานของอุปกรณ์ป้องกัน และข้อกำหนดของโครงการ.

---

สรุป

การออกแบบและบำรุงรักษาตู้ไฟฟ้าแรงดันต่ำขึ้นอยู่กับการใช้สูตรจำนวนหนึ่งอย่างถูกต้อง สูตรกระแสไฟฟ้าใช้สำหรับกำหนดขนาดโหลด สูตรแรงดันตกใช้สำหรับอธิบายปัญหาแรงดันไฟฟ้าไม่เพียงพอที่อุปกรณ์ สูตรการลัดวงจรใช้สำหรับกำหนดว่า MCB หรือ MCCB มีพิกัดการตัดกระแสลัดวงจรเพียงพอหรือไม่ สูตรตัวประกอบกำลังใช้อธิบายว่าเหตุใดกระแสไฟฟ้าจึงเพิ่มขึ้นแม้ว่ากำลังไฟฟ้าจริง (kW) จะเท่าเดิม และปรากฏการณ์ความร้อนจูล (Joule heating) อธิบายว่าเหตุใดจุดต่อสายที่หลวมและหน้าสัมผัสที่ไม่ดีจึงกลายเป็นจุดที่เกิดความร้อนสูง.

สำหรับการเลือกอุปกรณ์ป้องกันในทางปฏิบัติ ให้เชื่อมโยงสูตรเหล่านี้เข้ากับพิกัดของอุปกรณ์ ได้แก่ พิกัดกระแสของ MCB/MCCB, พิกัดการตัดกระแสลัดวงจร, ความสามารถในการรับกระแสของสายไฟ, คุณภาพของจุดต่อสาย, การนำไฟฟ้าของบัสบาร์, หน้าที่ของคอนแทคเตอร์ และขนาดของหม้อแปลงไฟฟ้า นี่คือจุดที่ความรู้เรื่องสูตรจะนำไปสู่การออกแบบตู้ไฟฟ้าที่ปลอดภัยยิ่งขึ้นและการแก้ไขปัญหาหน้างานที่รวดเร็วยิ่งขึ้น.

---

แหล่งข้อมูลและคู่มือ VIOX ที่เกี่ยวข้อง

• วิธีคำนวณหาช่วงสั้นวงจรปัจจุบันสำหรับ MCB
• คู่มือการเลือกค่าพิกัดการตัดกระแสลัดวงจร (Breaking Capacity) ของเซอร์กิตเบรกเกอร์ลูกย่อย (MCB) ระหว่าง 6kA และ 10kA
• พิกัดของเซอร์กิตเบรกเกอร์ Icu เทียบกับ Ics เทียบกับ Icw เทียบกับ Icm
• สูตรการเลือกขนาดสายเคเบิล แรงดันตก และตารางความจุรางเดินสายตามมาตรฐาน IEC 60204-1
• ปัญหาความร้อนสูงเกินที่จุดต่อสายไฟ (Terminal Block) ในตู้ควบคุมไฟฟ้า
• การนำไฟฟ้า เทียบกับ ความต้านทานไฟฟ้า เทียบกับ %IACS
• ความแตกต่างระหว่าง kW และ kWh