Directional Earth Fault Protection in an Ungrounded System

ระบบไฟฟ้าอาจเกิดความผิดปกติได้จากหลายสาเหตุ หนึ่งในปัญหาที่ต้องให้ความสำคัญคือ Earth Fault หรือการที่ตัวนำไฟฟ้าเกิดการสัมผัสกับดิน ซึ่งอาจส่งผลต่อแรงดันไฟฟ้าและความปลอดภัยของอุปกรณ์ในระบบ

โดยเฉพาะระบบไฟฟ้าแบบ Ungrounded ซึ่งมีลักษณะการต่อลงดินแตกต่างจากระบบทั่วไป การตรวจจับตำแหน่งที่เกิดความผิดปกติจึงต้องอาศัยการพิจารณาสัญญาณทางไฟฟ้ามากกว่าการตรวจจับกระแสเพียงอย่างเดียว

บทความนี้จะอธิบายหลักการทำงานของ Directional Earth Fault Relay รวมถึงปัจจัยที่ส่งผลต่อการตรวจจับความผิดปกติ เพื่อให้เข้าใจว่าทำไมการเลือกและตั้งค่ารีเลย์ให้เหมาะสมจึงมีความสำคัญต่อระบบไฟฟ้า

Directional Earth Fault Relay คืออะไร?

Directional Earth Fault Relay คืออุปกรณ์ป้องกันระบบไฟฟ้าที่ใช้ตรวจจับความผิดปกติจากกระแสไฟฟ้ารั่วลงดิน โดยพิจารณาทั้งขนาดและทิศทางของกระแสที่เกิดขึ้น เพื่อช่วยแยกแยะว่าวงจรใดเป็นจุดที่เกิดความผิดปกติ

การทำงานของรีเลย์ชนิดนี้อาศัยสัญญาณสำคัญ 2 ส่วน ได้แก่

Residual Voltage: แรงดันไฟฟ้าคงเหลือ ซึ่งเกิดจากผลรวมของแรงดันไฟฟ้าทั้ง 3 เฟส
Residual Current: กระแสไฟฟ้าคงเหลือ ซึ่งเกิดจากผลรวมของกระแสไฟฟ้าทั้ง 3 เฟส

ในสภาวะที่ระบบไฟฟ้าทั้ง 3 เฟสมีความสมดุล ผลรวมของสัญญาณจะเป็นศูนย์ แต่เมื่อเกิด Earth Fault ค่าดังกล่าวจะเปลี่ยนแปลง ทำให้รีเลย์สามารถนำข้อมูลไปใช้ตรวจจับความผิดปกติได้

ความสัมพันธ์ระหว่าง Residual Voltage และ Residual Current

Residual Voltage เป็นสัญญาณที่วัดได้จาก Voltage Transformer (VT) โดยด้าน Primary ต่อแบบ Y ลง Ground และด้าน Secondary ต่อแบบ Broken Delta เพื่อวัดผลรวมทางเวกเตอร์ของแรงดันทั้ง 3 เฟส

เมื่อระบบทำงานสมดุล Residual Voltage จะมีค่าเป็นศูนย์ แต่เมื่อเกิด Earth Fault แรงดันไฟฟ้าของเฟสที่เกิดความผิดปกติจะเปลี่ยนแปลง ทำให้เกิด Residual Voltage ขึ้น

ส่วน Residual Current คือผลรวมทางเวกเตอร์ของกระแสไฟฟ้าทั้ง 3 เฟส ซึ่งสามารถตรวจวัดได้จากการใช้ Current Transformer (CT) ทั้ง 3 เฟส แล้วนำสัญญาณมารวมกัน

ความสัมพันธ์ของแรงดันและกระแสทั้งสองสามารถอธิบายได้ด้วยระบบ Sequence Network ซึ่งใช้วิเคราะห์สภาวะผิดปกติที่เกิดขึ้นในระบบไฟฟ้า

**Sequence Network ขณะเกิด Single Line to Ground Fault**

จากหลักการดังกล่าว สามารถเขียนความสัมพันธ์ได้ดังนี้

Residual Voltage = 3V₀

Residual Current = 3I₀

โดย V₀ และ I₀ คือ Zero Sequence Voltage และ Zero Sequence Current ตามลำดับ

ความสัมพันธ์ระหว่าง Residual Voltage และ Residual Current จะขึ้นอยู่กับ Zero Sequence Impedance ซึ่งส่งผลต่อมุมเฟสของสัญญาณทั้งสอง และเป็นเหตุผลที่ต้องกำหนดค่า Relay Characteristic Angle (RCA) ให้เหมาะสมกับระบบ

ระบบ Ungrounded ทำงานอย่างไรเมื่อเกิด Earth Fault?

ระบบ Ungrounded คือระบบไฟฟ้าที่ไม่มีการต่อนิวทรัลลงดินโดยตรง ลักษณะสำคัญของระบบนี้คือ เมื่อเกิด Single Line to Ground Fault หรือความผิดปกติที่ตัวนำไฟฟ้าเฟสใดเฟสหนึ่งสัมผัสกับดิน กระแส Fault ที่ไหลลงดินจะมีค่าน้อยมาก หรืออาจเกิดจากกระแสที่เกี่ยวข้องกับวงจร Voltage Transformer และ Stray Capacitance ของสายส่งเป็นหลัก

ข้อดีของระบบนี้คือ วงจรส่วนที่เหลือยังสามารถทำงานต่อไปได้ แม้จะเกิดความผิดปกติลงดินในบางจุด

อย่างไรก็ตาม ไม่ได้หมายความว่าระบบจะไม่มีความเสี่ยง เพราะเมื่อเกิด Earth Fault อาจทำให้แรงดันไฟฟ้าในระบบเปลี่ยนแปลงและเกิดแรงดันเกิน (Over Voltage) ได้ ดังนั้นระบบจึงต้องได้รับการออกแบบให้สามารถรองรับสภาวะดังกล่าว

โดยทั่วไปจึงมีการใช้ระบบ Ungrounded กับระบบแรงดันต่ำ (Low Voltage) และแรงดันปานกลาง (Medium Voltage)

การตรวจจับความผิดปกติในระบบนี้จึงต้องใช้ Directional Earth Fault Relay ร่วมกับ Voltage Transformer และ Current Transformer โดยมีการต่อวงจรเพื่อส่งสัญญาณ Residual Voltage และ Residual Current เข้าสู่รีเลย์

**Relay Connections on Ungrounded System**

นอกจากนี้ ในวงจรยังมีการติดตั้ง Resistor ทางด้าน Secondary ของ Voltage Transformer เพื่อป้องกันการเกิด Ferroresonance โดยเลือกค่าความต้านทานให้สัมพันธ์กับ Voltage Transformer Ratio ตามตารางในเอกสารต้นฉบับ

ปัจจัยที่ส่งผลต่อการตรวจจับ Earth Fault

เมื่อเกิด Single Line to Ground Fault ในระบบ Ungrounded กระแส Fault สามารถแยกพิจารณาได้จาก 2 แหล่งสำคัญ ได้แก่ กระแสที่เกิดจาก Voltage Transformer และกระแสที่เกิดจาก Stray Capacitance ซึ่งมีผลต่อทิศทางของ Residual Current แตกต่างกัน

1. กระแส Fault ที่เกิดจาก Voltage Transformer

เมื่อเกิด Phase C to Ground Fault กระแสที่มาจากวงจร Voltage Transformer จะส่งผลต่อทิศทางของ Residual Current โดยผลการวิเคราะห์ในเอกสารพบว่า Residual Current จะนำหน้า Residual Voltage อยู่ประมาณ 90 องศา

**ทิศทางการไหลของกระแส Fault จาก Voltage Transformer**

การจำลองด้วยโปรแกรม PSCAD/EMTDC ถูกนำมาใช้เพื่อศึกษาความสัมพันธ์ของสัญญาณทั้งสอง โดยพิจารณากระแส Fault ที่มาจาก Voltage Transformer เพียงอย่างเดียว

**Simulation Circuit using PSCAD/EMTDC**

ผลการจำลองพบว่า Fault Feeder ซึ่งเป็นวงจรที่เกิดความผิดปกติ มี Residual Current นำหน้า Residual Voltage อยู่ 90 องศา ขณะที่ Healthy Feeder ซึ่งเป็นวงจรปกติ มี Residual Current เท่ากับศูนย์

**Residual Voltage และ Residual Current on Fault Feeder**

**Residual Voltage และ Residual Current on Healthy Feeder**

2. กระแส Fault ที่เกิดจาก Stray Capacitance

Stray Capacitance คือค่าความจุไฟฟ้าแฝงที่เกิดขึ้นระหว่างสายไฟฟ้ากับดิน ซึ่งมีผลต่อกระแสที่ไหลในระบบเมื่อเกิด Earth Fault

ผลการวิเคราะห์ในเอกสารพบว่า กระแสที่เกิดจาก Stray Capacitance มีทิศทางแตกต่างจากกระแสที่เกิดจาก Voltage Transformer โดยบน Fault Feeder จะพบว่า Residual Current ล้าหลัง Residual Voltage อยู่ประมาณ 90 องศา

**ทิศทางการไหลของกระแส Fault จาก Stray Capacitance**

การจำลองด้วยโปรแกรม PSCAD/EMTDC ยังถูกนำมาใช้ศึกษากรณีที่กระแส Fault เกิดจาก Stray Capacitance เพียงอย่างเดียว

ผลการจำลองพบว่า Fault Feeder มี Residual Current ล้าหลัง Residual Voltage อยู่ 90 องศา ส่วน Healthy Feeder มี Residual Current นำหน้า Residual Voltage อยู่ 90 องศา

ทำไมการตั้งค่า RCA จึงมีความสำคัญ?

RCA หรือ Relay Characteristic Angle คือค่ามุมอ้างอิงที่ใช้กำหนดลักษณะการทำงานของ Directional Earth Fault Relay โดยต้องเลือกให้สัมพันธ์กับมุมเฟสระหว่าง Residual Voltage และ Residual Current

ปัญหาที่อาจเกิดขึ้นคือ หากสาย Feeder เป็นสาย Cable ระยะสั้น อาจพิจารณาตั้งค่า RCA เท่ากับ 90 องศา หรือใช้รีเลย์ที่มีคุณลักษณะการทำงานตามรูปที่ 15

อย่างไรก็ตาม หากสาย Feeder เป็นสาย Cable ระยะยาว จะมีค่า Stray Capacitance สูงขึ้น และอาจทำให้กระแส Fault จาก Stray Capacitance มีค่ามากกว่ากระแสที่เกิดจาก Voltage Transformer ส่งผลให้ Residual Current เปลี่ยนทิศทางและล้าหลัง Residual Voltage

ผลที่ตามมาคือ

รีเลย์บน Fault Feeder อาจไม่สามารถตรวจจับความผิดปกติและไม่ส่งสัญญาณ Trip
รีเลย์บน Healthy Feeder อาจตรวจจับผิดพลาดและส่งสัญญาณ Trip ทั้งที่วงจรไม่ได้เกิดความผิดปกติ

**Directional Earth Fault Relay Characteristic, Toshiba Type IDG5D**

ดังนั้น การตั้งค่า RCA โดยใช้ค่าเดียวกันกับทุกระบบอาจไม่เหมาะสม เนื่องจากแต่ละระบบมีลักษณะของสาย Feeder และค่า Stray Capacitance แตกต่างกัน

เพื่อให้ทราบว่า Residual Current นำหน้าหรือล้าหลัง Residual Voltage ควรทำการทดสอบจริงที่หน้างาน หรือวัดค่า Stray Capacitance ของสาย Feeder ทุกวงจร

ผลการตรวจวัดจากระบบไฟฟ้าจริง

นอกจากการจำลองด้วยโปรแกรม PSCAD/EMTDC แล้ว เอกสารยังแสดงผลการตรวจวัด Residual Voltage และ Residual Current จากการทดสอบจริงที่โรงงานน้ำตาลแห่งหนึ่งในจังหวัดกาญจนบุรี

ผลการตรวจวัดประกอบด้วยสัญญาณจากทั้ง Fault Feeder และ Healthy Feeder ซึ่งช่วยให้เห็นความสัมพันธ์ของสัญญาณทั้งสองในระบบไฟฟ้าจริง และสามารถนำมาใช้ประกอบการพิจารณาการตั้งค่า Directional Earth Fault Relay ได้

**สัญญาณ Residual Voltage และ Residual Current บน Fault Feeder**

**สัญญาณ Residual Voltage และ Residual Current บน Healthy Feeder**

สรุป

การป้องกัน Earth Fault ในระบบ Ungrounded มีความซับซ้อนกว่าการตรวจจับกระแสไฟฟ้ารั่วลงดินทั่วไป เนื่องจากกระแส Fault อาจเกิดจากทั้ง Voltage Transformer และ Stray Capacitance ซึ่งส่งผลต่อทิศทางและมุมเฟสของ Residual Current แตกต่างกัน

การเลือกใช้ Directional Earth Fault Relay จึงต้องพิจารณาลักษณะของระบบไฟฟ้า ความยาวสาย Feeder และค่า Stray Capacitance ร่วมด้วย เพื่อให้สามารถตรวจจับความผิดปกติได้อย่างถูกต้อง ลดโอกาสการไม่ทำงานของระบบป้องกันและการสั่ง Trip ผิดพลาด

อ่านเอกสารเพิ่มเติมได้ที่นี่

https://drive.google.com/file/d/1fduTXImHKjFg1fpZpNT6UzRBp6DzKvA7/view?usp=sharing

กลับหน้าหลัก