ผลกระทบจากการไม่สมดุลของระบบไฟฟ้าสามเฟสคืออะไร

การไม่สมดุลของระบบไฟฟ้าสามเฟสในระบบพลังงานไฟฟ้าก่อให้เกิดผลกระทบเชิงลบหลายประการ ได้แก่ การสูญเสียพลังงานไฟฟ้าในสายส่งเพิ่มขึ้น การสูญเสียพลังงานไฟฟ้าในหม้อแปลงไฟฟ้าเพิ่มขึ้น กำลังผลิตของหม้อแปลงไฟฟ้าลดลง การเกิดกระแสลำดับศูนย์ (Zero-sequence current) ในหม้อแปลงไฟฟ้า อุปกรณ์ไฟฟ้าทำงานไม่ปลอดภัย และประสิทธิภาพของมอเตอร์ไฟฟ้าลดลง การแก้ไขปัญหาการไม่สมดุลของระบบไฟฟ้าสามเฟสสามารถทำได้อย่างไร? บริษัท เทคโนโลยีไฟฟ้าจื้อเฟิง หนานทง จำกัด จะอธิบายถึงอันตรายที่เกิดจากการไม่สมดุลของระบบไฟฟ้าสามเฟส และแนวทางแก้ไขปัญหาโดยละเอียดในส่วนต่อไปนี้

อันตรายที่เกิดจากการไม่สมดุลของระบบไฟฟ้าสามเฟส:

1. การสูญเสียพลังงานไฟฟ้าในสายส่งเพิ่มขึ้น

ในเครือข่ายจ่ายไฟฟ้าแบบสามเฟสสี่สาย เมื่อกระแสไฟฟ้าไหลผ่านตัวนำสายส่ง พลังงานไฟฟ้าจะสูญเสียไปเนื่องจากอิมพีดแดนซ์ที่มีอยู่ และการสูญเสียพลังงานนี้จะเป็นสัดส่วนโดยตรงกับกำลังสองของกระแสไฟฟ้า เมื่อเครือข่ายแรงดันต่ำถูกจ่ายไฟโดยระบบสามเฟสสี่สาย การมีโหลดแบบเฟสเดียวจะก่อให้เกิดความไม่สมดุลของโหลดสามเฟสอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ ภายใต้สภาวะโหลดที่ไม่สมดุลเช่นนี้ กระแสไฟฟ้าจะไหลผ่านตัวนำสายกลาง ซึ่งส่งผลให้เกิดการสูญเสียพลังงานไม่เพียงแต่ในตัวนำเฟสเท่านั้น แต่ยังรวมถึงในตัวนำสายกลางด้วย ดังนั้นจึงเพิ่มการสูญเสียพลังงานโดยรวมในสายส่งของเครือข่ายไฟฟ้า

2.การสูญเสียพลังงานไฟฟ้าในหม้อแปลงไฟฟ้าเพิ่มมากขึ้น

หม้อแปลงไฟฟ้าจ่ายเป็นอุปกรณ์จ่ายไฟหลักในเครือข่ายแรงดันต่ำ เมื่อหม้อแปลงทำงานภายใต้สภาวะโหลดสามเฟสไม่สมดุล จะก่อให้เกิดการสูญเสียพลังงานในหม้อแปลงเพิ่มขึ้น เนื่องจากการสูญเสียพลังงานของหม้อแปลงมีค่าเปลี่ยนแปลงไปตามระดับความไม่สมดุลของโหลด

3. การลดกำลังไฟฟ้าของหม้อแปลงไฟฟ้าสำหรับระบบจำหน่าย

ในการออกแบบหม้อแปลงไฟฟ้าแบบกระจาย โครงสร้างขดลวดของมันจะอ้างอิงจากเงื่อนไขการปฏิบัติงานภายใต้ภาระโหลดที่สมดุล โดยมีประสิทธิภาพของขดลวดโดยแท้จริงเท่ากัน และมีกำลังไฟฟ้าเรตติ้งเท่ากันในแต่ละเฟส กำลังผลิตสูงสุดที่หม้อแปลงไฟฟ้าแบบกระจายสามารถให้ได้จะถูกจำกัดโดยกำลังไฟฟ้าเรตติ้งของแต่ละเฟส เมื่อหม้อแปลงไฟฟ้าแบบกระจายทำงานภายใต้เงื่อนไขของภาระโหลดสามเฟสที่ไม่สมดุล เฟสที่มีภาระเบาจะมีกำลังสำรองที่เหลือ ซึ่งจะนำไปสู่การลดลงของกำลังผลิตของหม้อแปลงไฟฟ้า ระดับการลดลงของกำลังผลิตนั้นเกี่ยวข้องกับระดับความไม่สมดุลของภาระโหลดสามเฟส ความไม่สมดุลยิ่งมาก กำลังผลิตของหม้อแปลงไฟฟ้าแบบกระจายก็จะลดลงมากยิ่งขึ้น ดังนั้น เมื่อหม้อแปลงไฟฟ้าทำงานภายใต้เงื่อนไขของภาระโหลดสามเฟสที่ไม่สมดุล กำลังผลิตของหม้อแปลงจะไม่สามารถถึงระดับเรตติ้งได้ กำลังสำรองจึงลดลงตามไปด้วย และความสามารถในการรับภาระเกินก็จะลดลงด้วย หากหม้อแปลงไฟฟ้าแบบกระจายทำงานภายใต้สภาพการเกินภาระ มีความเป็นไปได้สูงที่จะทำให้หม้อแปลงเกิดความร้อน ซึ่งในกรณีที่รุนแรงอาจนำไปสู่การไหม้ของหม้อแปลงได้

4. การเกิดกระแสลำดับศูนย์ (Zero-sequence current) โดยหม้อแปลงไฟฟ้าแบบกระจาย

เมื่อหม้อแปลงไฟฟ้าสำหรับจ่ายไฟทำงานภายใต้สภาวะโหลดสามเฟสไม่สมดุล จะเกิดกระแสลำดับศูนย์ (Zero-sequence current) ขึ้น กระแสดังกล่าวจะเปลี่ยนแปลงตามระดับความไม่สมดุลของโหลดสามเฟส โดยความไม่สมดุลที่มากขึ้นจะทำให้กระแสลำดับศูนย์มีขนาดใหญ่ขึ้น หากมีกระแสลำดับศูนย์เกิดขึ้นในหม้อแปลงไฟฟ้าขณะทำงาน ก็จะก่อให้เกิดการไหลของฟลักซ์แม่เหล็กลำดับศูนย์ภายในแกนของหม้อแปลง (ไม่มีกระแสลำดับศูนย์ในด้านแรงดันสูง) สิ่งนี้บังคับให้ฟลักซ์ลำดับศูนย์ไหลผ่านเพียงแค่ผนังถังน้ำมันและชิ้นส่วนโครงสร้างเหล็กเท่านั้น เนื่องจากวัสดุเหล็กมีค่าการซึมผ่านแม่เหล็ก (Magnetic permeability) ค่อนข้างต่ำ เมื่อกระแสลำดับศูนย์ไหลผ่านชิ้นส่วนเหล่านี้จึงเกิดการสูญเสียพลังงานจากฮีสทีรีซิส (Hysteresis) และกระแสน้ำวน (Eddy current) ซึ่งทำให้เกิดการเพิ่มอุณหภูมิในท้องที่และชิ้นส่วนเหล็กของหม้อแปลงรับความร้อน ส่งผลให้ฉนวนของขดลวดหม้อแปลงไฟฟ้าเสื่อมสภาพเร็วขึ้น เนื่องจากอุณหภูมิสูงเกินไป ทำให้อายุการใช้งานของอุปกรณ์ลดลง นอกจากนี้ การมีอยู่ของกระแสลำดับศูนย์ยังเพิ่มการสูญเสียพลังงานของหม้อแปลงไฟฟ้าด้วย

5. ผลกระทบต่อการปฏิบัติงานที่ปลอดภัยของอุปกรณ์ไฟฟ้า

หม้อแปลงไฟฟ้าแบบกระจายถูกออกแบบโดยคำนึงถึงสภาพการใช้งานภายใต้โหลดสามเฟสที่สมดุล โดยค่าความต้านทาน ค่าความต้านรั่ว และค่าความต้านแม่เหล็กของขดลวดแต่ละเฟสจะใกล้เคียงกันโดยแท้จริง เมื่อหม้อแปลงไฟฟ้าแบบกระจายทำงานภายใต้โหลดสามเฟสที่สมดุล กระแสไฟฟ้าสามเฟสจะมีค่าใกล้เคียงกันโดยแท้จริง และแรงดันตกภายในแต่ละเฟสของหม้อแปลงก็จะเกือบเท่ากันด้วย ดังนั้นแรงดันไฟฟ้าขาออกของหม้อแปลงสามเฟสจึงอยู่ในภาวะสมดุล แต่หากหม้อแปลงไฟฟ้าแบบกระจายทำงานภายใต้ภาวะโหลดสามเฟสที่ไม่สมดุล กระแสไฟฟ้าขาออกของแต่ละเฟสจะไม่เท่ากัน และแรงดันตกภายในของแต่ละเฟสของหม้อแปลงจะแตกต่างกัน ซึ่งย่อมนำไปสู่ภาวะแรงดันไฟฟ้าสามเฟสไม่สมดุลที่ขาออกของหม้อแปลง

ในเวลาเดียวกัน เมื่อหม้อแปลงไฟฟ้าแบบกระจายทำงานภายใต้ภาวะโหลดสามเฟสไม่สมดุล กระแสไฟฟ้าขาออกของสามเฟสจะไม่เท่ากัน ส่งผลให้เกิดกระแสไหลผ่านตัวนำสายกลาง ซึ่งจะก่อให้เกิดแรงดันตกค้าง (impedance voltage drop) ในตัวนำสายกลาง ทำให้จุดกลางเกิดการเคลื่อนที่ (neutral point displacement) และส่งผลให้แรงดันเฟสของแต่ละเฟสเปลี่ยนแปลงไป แรงดันของเฟสที่มีโหลดหนักจะลดลง ในขณะที่แรงดันของเฟสที่มีโหลดเบาจะเพิ่มขึ้น การจ่ายไฟฟ้าภายใต้สภาวะแรงดันไม่สมดุลเช่นนี้ อาจทำให้อุปกรณ์ไฟฟ้าที่ต่อกับเฟสที่มีแรงดันสูงเสียหายได้ง่าย ในขณะที่อุปกรณ์ที่ต่อกับเฟสที่มีแรงดันต่ำอาจไม่สามารถทำงานได้ ดังนั้น การทำงานภายใต้ภาวะโหลดสามเฟสไม่สมดุลจึงเป็นอันตรายอย่างร้ายแรงต่อการปฏิบัติงานอย่างปลอดภัยของอุปกรณ์ไฟฟ้า

6. การลดลงของประสิทธิภาพมอเตอร์ไฟฟ้า

เมื่อหม้อแปลงไฟฟ้าแบบกระจายทำงานภายใต้สภาวะโหลดไม่สมดุลในระบบสามเฟส จะทำให้แรงดันไฟฟ้าขาออกเกิดภาวะไม่สมดุลในระบบสามเฟส โดยแรงดันที่ไม่สมดุลนี้ประกอบด้วยองค์ประกอบของแรงดันลำดับบวก ลำดับลบ และลำดับศูนย์ เมื่อแรงดันที่ไม่สมดุลนี้ถูกนำไปใช้กับมอเตอร์ไฟฟ้า แรงดันลำดับลบจะสร้างสนามแม่เหล็กที่หมุนในทิศทางตรงข้ามกับสนามแม่เหล็กที่เกิดจากแรงดันลำดับบวก ทำให้เกิดผลในการเบรก อย่างไรก็ตาม เนื่องจากสนามแม่เหล็กลำดับบวกรุนแรงกว่าสนามแม่เหล็กลำดับลบมาก มอเตอร์ไฟฟ้ายังคงหมุนไปในทิศทางของสนามแม่เหล็กลำดับบวกอยู่ แต่เนื่องจากผลการเบรกของสนามแม่เหล็กลำดับลบ กำลังไฟฟ้าที่มอเตอร์ผลิตออกมาย่อมลดลง ทำให้ประสิทธิภาพของมอเตอร์ลดลงด้วย ในเวลาเดียวกัน อุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นและสูญเสียพลังงานปฏิกิริยาของมอเตอร์ไฟฟ้าจะเพิ่มขึ้นตามระดับความไม่สมดุลของแรงดันสามเฟสนั้น ดังนั้น การให้มอเตอร์ไฟฟ้าทำงานภายใต้สภาวะแรงดันสามเฟสไม่สมดุลจึงไม่ประหยัดและไม่ปลอดภัยอย่างยิ่ง