Harmonics และผลกระทบต่อ Load Loss ของหม้อแปลงไฟฟ้า

Harmonics และผลกระทบต่อ Load Loss ของหม้อแปลงไฟฟ้า
บทคัดย่อ:

การเพิ่มขึ้นของโหลดแบบไม่เป็นเชิงเส้น (non-linear loads) ในระบบไฟฟ้าสมัยใหม่นำไปสู่การเพิ่มขึ้นของกระแส Harmonics กระแส Harmonics เหล่านี้สามารถส่งผลกระทบอย่างมากต่อประสิทธิภาพและอายุการใช้งานของหม้อแปลงไฟฟ้าแบบจำหน่าย (distribution transformer) ซึ่งนำไปสู่การสูญเสียที่เพิ่มขึ้น ความร้อนสูงเกินไป และความสามารถในการจ่ายกระแสไฟฟ้าที่ลดลง เอกสารไวท์เปเปอร์นี้จะตรวจสอบสาเหตุและผลกระทบของ Harmonics ต่อ Load Loss ของหม้อแปลง อภิปรายเกี่ยวกับขีดจำกัดความเพี้ยนของ Harmonics สำรวจเทคนิคการลดผลกระทบ และนำเสนอวิธีการที่ใช้ได้จริงสำหรับการประเมินผลกระทบของ Harmonics ต่อหม้อแปลงไฟฟ้า

1. บทนำ

Harmonics คือกระแสหรือแรงดันไฟฟ้าที่มีความถี่เป็นจำนวนเท่าของความถี่พื้นฐานของระบบไฟฟ้า (50 Hz หรือ 60 Hz) เกิดจากโหลดแบบไม่เป็นเชิงเส้น (non-linear loads) เป็นหลัก เช่น:

ที่อยู่อาศัย: คอมพิวเตอร์ หลอดฟลูออเรสเซนต์ขนาดกะทัดรัด โทรทัศน์
อุตสาหกรรม: Variable Frequency Drives (VFDs), อินเวอร์เตอร์ เตาอาร์ค
โหลดเหล่านี้ดึงกระแสที่ไม่ใช่ไซน์ (non-sinusoidal current) จากระบบไฟฟ้า ฉีด Harmonics ที่บิดเบือนรูปคลื่นแรงดันไฟฟ้าและนำไปสู่ผลกระทบที่ไม่พึงประสงค์ต่างๆ

2. ผลกระทบที่ไม่พึงประสงค์ของ Harmonics ต่อหม้อแปลงไฟฟ้า

การสูญเสียที่เพิ่มขึ้น (Increased Losses): Harmonics เพิ่มทั้ง No-Load Loss และ Load Loss ในหม้อแปลง
  - No-Load Losses: แม้ว่าโดยทั่วไปแล้วจะไม่สำคัญสำหรับระดับความเพี้ยนของ Harmonics ต่ำ แต่การสูญเสียเหล่านี้ (Core Loss) สามารถเพิ่มขึ้นอย่างมากสำหรับระดับ THD สูง
  - Load Losses: ส่วนใหญ่ประกอบด้วยการสูญเสีย I²R (Ohmic Loss) และ Stray Loss (Eddy Current Loss) Harmonics เพิ่มการสูญเสียเหล่านี้อย่างมากเนื่องจากมีส่วนประกอบความถี่ที่สูงกว่า

ความร้อนสูงเกินไป (Overheating): การสูญเสียที่เพิ่มขึ้นนำไปสู่อุณหภูมิการทำงานที่สูงขึ้น เร่งการเสื่อมสภาพของฉนวนและทำให้อายุการใช้งานของหม้อแปลงสั้นลง
ความจุที่ลดลง (Reduced Capacity): Harmonics ลดความสามารถในการจ่ายพลังงานไปยังโหลดเชิงเส้น (linear load) ของหม้อแปลงอย่างมีประสิทธิภาพ
การสะดุดของอุปกรณ์ป้องกัน (Nuisance Tripping): Harmonics สามารถรบกวนการทำงานของอุปกรณ์ป้องกัน นำไปสู่การสะดุดที่ผิดพลาดและการหยุดทำงานที่ไม่จำเป็น

3. ขีดจำกัดความเพี้ยนของ Harmonics (Harmonic Distortion Limits)

องค์กรมาตรฐาน เช่น สถาบันวิศวกรไฟฟ้าและอิเล็กทรอนิกส์ (IEEE) และ คณะกรรมาธิการไฟฟ้าระหว่างประเทศ (IEC) ได้กำหนดแนวทางและขีดจำกัดสำหรับความเพี้ยนของ Harmonics:

IEEE Standard 519-1992: ให้คำแนะนำที่ครอบคลุมเกี่ยวกับการควบคุม Harmonics รวมถึงขีดจำกัดสถานะคงที่ (steady-state limits) สำหรับกระแสและแรงดันไฟฟ้า Harmonics ที่ระดับแรงดันไฟฟ้าต่างๆ
IEC 61000-3-6: กำหนดขีดจำกัดสำหรับกระแส Harmonics ที่ฉีดโดยอุปกรณ์ที่เชื่อมต่อกับระบบไฟฟ้า

มาตรฐานทั้งสองเน้นย้ำถึงความรับผิดชอบร่วมกันระหว่างผู้ให้บริการสาธารณูปโภคและผู้บริโภคในการรักษาคุณภาพไฟฟ้า

4. ส่วนประกอบของการสูญเสียหม้อแปลงและผลกระทบของ Harmonics

การสูญเสียหม้อแปลงแบ่งออกเป็น:

No-Load Losses (Pno-load): แสดงถึงการสูญเสียในแกนหม้อแปลงเนื่องจาก Hysteresis และ Eddy Current

สูตร: 
Pno-load  =  Pcore eddy + Physteresis

Load Losses (Pload): การสูญเสียในขดลวดและส่วนประกอบโครงสร้างอื่นๆ ของหม้อแปลง เกิดจากการไหลของกระแสเป็นหลัก

สูตร: 
Pload = I²R + Pcoil eddy + PPOSL
Pcoil eddy: Winding eddy current loss
POSL: Other stray losses

ผลกระทบของ Harmonics ต่อการสูญเสีย:

Ohmic Loss (I²R): เพิ่มขึ้นตามสัดส่วนกำลังสองของกระแส Harmonics

สูตร: 
PDC = PDC-R * Σ (Ih / IR)²
PDC-R: Rated DC resistance loss
Ih: Harmonic current
IR: Rated fundamental frequency current

Winding Eddy Current Loss: เพิ่มขึ้นตามกำลังสองของลำดับ Harmonics และกำลังสองของกระแส Harmonics

สูตร: 
PEC = PEC-R * Σ (Ih / IR)² * h²
PEC-R: Rated eddy current loss
h: ลำดับ Harmonics

Other Stray Losses: เพิ่มขึ้นเนื่องจากการโต้ตอบของสนามแม่เหล็ก Harmonics กับส่วนประกอบโครงสร้าง

สูตร: 
POSL = POSL-R * Σ (Ih / IR)² * h0.8
POSL-R: Rated other stray losses

Harmonic Loss Factors:

ปัจจัยเหล่านี้ (HLF) ใช้เพื่อพิจารณาการสูญเสียที่เพิ่มขึ้นเนื่องจาก Harmonics:

HLF สำหรับ Winding Eddy Current Loss: 
HLF = Σ (h² * (Ih / IR)²) / Σ (Ih / IR)²

HLF สำหรับ Other Stray Losses: 
HLF-OSL = Σ (h0.8 * (Ih / IR)²) / Σ (Ih / IR)²

5. เทคนิคการลดผลกระทบ (Mitigation Techniques)

เทคนิคต่างๆ สามารถลดความเพี้ยนของ Harmonics และผลกระทบต่อหม้อแปลงไฟฟ้าได้:

Passive Filter: ออกแบบมาเพื่อปิดกั้นความถี่ Harmonics เฉพาะ ข้อดี: การออกแบบที่เรียบง่าย คุ้มค่า ข้อเสีย: ขนาดใหญ่ ตอบสนองความถี่คงที่
Active Filter: ฉีดกระแสที่หักล้างกระแส Harmonics ข้อดี: ปรับให้เข้ากับโหลดที่แตกต่างกัน การลด Harmonics ที่แม่นยำ ข้อเสีย: ซับซ้อน ราคาแพง
Phase Cancellation: การใช้ 12-pulse converter แทน 6-pulse converter สามารถตัด Harmonics บางส่วนออกได้
Network Impedance Optimization: การวางแผนและการออกแบบ Network Impedance อย่างรอบคอบสามารถช่วยลดความเพี้ยนของแรงดัน Harmonics

6. การประเมินผลกระทบของ Harmonics ต่อ Distribution Transformer

6.1 Nameplate & Calculated Parameters of Transformer

หม้อแปลงไฟฟ้าแบบจำหน่ายที่ศึกษาเป็นหม้อแปลงชนิด Oil-Filled เพื่อวัตถุประสงค์ในการวิเคราะห์ มีการตั้งสมมติฐานต่อไปนี้เกี่ยวกับ Load Loss:

• 90% ของ Load Loss ถือว่าเป็น Ohmic Loss (I²R)
  
• 10% ของ Load Loss ถือว่าเป็น Total Stray Loss
  
• ภายใน Total Stray Loss 33% มาจาก Winding Eddy Current Loss และ 67% มาจาก Other Stray Losses

(ใส่ข้อมูลหม้อแปลงไฟฟ้าเฉพาะจากเอกสารวิจัย เช่น พิกัด Impedance, กระแสโหลดที่วัดได้ ฯลฯ และทำการคำนวณเพื่อกำหนดการสูญเสียเพิ่มเติมเนื่องจาก Harmonics แสดงให้เห็นถึงผลกระทบของ Harmonics ต่อหม้อแปลงไฟฟ้านี้โดยเฉพาะ)


7. บทสรุป

Harmonics เป็นความท้าทายที่สำคัญต่อการดำเนินงานที่เชื่อถือได้และมีประสิทธิภาพของ Distribution Transformer ด้วยความเข้าใจเกี่ยวกับแหล่งที่มาและผลกระทบของ Harmonics การปฏิบัติตามมาตรฐานที่เกี่ยวข้อง และการใช้เทคนิคการลดผลกระทบที่เหมาะสม ผู้ให้บริการสาธารณูปโภคและผู้บริโภคสามารถลดผลกระทบของ Harmonics ต่อ Load Loss ของหม้อแปลงไฟฟ้าและรับประกันคุณภาพไฟฟ้าที่ดีที่สุด