การคำนวณขนาดบัสบาร์ทองแดงและการทนกระแสต่อเนื่องในตู้สวิตช์บอร์ด MDB

1. หลักการนำกระแสของบัสบาร์ทองแดง

บัสบาร์ทองแดงคือทางเดินกระแสหลักภายในตู้ MDB ที่รับกระแสจากเมนเบรกเกอร์ไปกระจายสู่วงจรย่อย ความสามารถนำกระแสต่อเนื่อง (Ampacity) ของบัสบาร์ไม่ได้ขึ้นกับพื้นที่หน้าตัดเพียงอย่างเดียว แต่ขึ้นกับสมดุลระหว่างความร้อนที่เกิดจากกำลังสูญเสีย I²R กับความสามารถระบายความร้อนออกสู่บรรยากาศผ่านการพาและการแผ่รังสี ปัจจัยสำคัญจึงรวมถึงอัตราส่วนความกว้างต่อความหนาของแท่ง การจัดวางแนวตั้งหรือแนวนอน จำนวนแท่งต่อเฟส ระยะห่างระหว่างแท่ง และอุณหภูมิแวดล้อมภายในตู้

ที่ความถี่ 50 เฮิรตซ์ ปรากฏการณ์สกินเอฟเฟกต์ (Skin Effect) ทำให้กระแสไหลหนาแน่นบริเวณผิวมากกว่าใจกลางแท่ง และเมื่อวางหลายแท่งขนานกันในเฟสเดียว ปรากฏการณ์พรอกซิมิตี้ (Proximity Effect) จะทำให้การกระจายกระแสระหว่างแท่งไม่เท่ากัน ผลคือบัสบาร์สองแท่งขนานไม่ได้นำกระแสเป็นสองเท่าของแท่งเดียว ผู้ออกแบบจึงต้องใช้ตัวประกอบลดทอนจากตารางมาตรฐานแทนการคูณตรง ๆ มิฉะนั้นบัสบาร์จะร้อนเกินพิกัดทั้งที่คำนวณพื้นที่หน้าตัดไว้เพียงพอ

2. การใช้ตารางมาตรฐาน DIN 43671 และเกณฑ์อุณหภูมิเพิ่ม

มาตรฐานที่ใช้อ้างอิงแพร่หลายที่สุดสำหรับการเลือกขนาดบัสบาร์ทองแดงคือ DIN 43671 ซึ่งให้ตารางพิกัดกระแสของบัสบาร์หน้าตัดสี่เหลี่ยมขนาดมาตรฐานที่เงื่อนไขอ้างอิง ได้แก่ อุณหภูมิแวดล้อม 35 องศาเซลเซียส อุณหภูมิตัวนำ 65 องศาเซลเซียส และการติดตั้งในอากาศนิ่งภายในอาคาร โดยแยกค่าตามผิวบัสบาร์เปลือยหรือทาสี (ผิวทาสีแผ่รังสีความร้อนดีกว่าจึงนำกระแสได้สูงกว่า) และตามจำนวนแท่งขนานต่อเฟสตั้งแต่หนึ่งถึงหลายแท่ง

เมื่อเงื่อนไขจริงต่างจากเงื่อนไขอ้างอิง ต้องคูณตัวประกอบปรับแก้ เช่น อุณหภูมิภายในตู้ที่สูงกว่า 35 องศา ระดับความสูงจากน้ำทะเล หรือการติดตั้งในตู้ปิดที่ระบายอากาศจำกัด ทั้งนี้เกณฑ์อุณหภูมิเพิ่ม (Temperature Rise) ของตู้สำเร็จรูปต้องเป็นไปตาม IEC 61439-1 ซึ่งจำกัดอุณหภูมิที่จุดต่อและอุปกรณ์ต่าง ๆ เพื่อไม่ให้ฉนวน จุดต่อ และอุปกรณ์ข้างเคียงเสื่อมเร็ว การเลือกบัสบาร์ในตู้จริงจึงมักได้ขนาดใหญ่กว่าค่าจากตาราง DIN เปล่า ๆ เสมอ

• เงื่อนไขอ้างอิง DIN 43671: แวดล้อม 35°C ตัวนำ 65°C อากาศนิ่ง
• ผิวทาสีนำกระแสได้สูงกว่าผิวเปลือยเพราะแผ่รังสีความร้อนดีกว่า
• ใช้ตัวประกอบลดทอนเมื่อวางหลายแท่งขนานต่อเฟส
• ปรับแก้เพิ่มเมื่ออุณหภูมิในตู้สูงกว่าเงื่อนไขอ้างอิง
• ตรวจสอบอุณหภูมิเพิ่มรวมของตู้ตาม IEC 61439-1 เสมอ

3. การตรวจสอบทนกระแสลัดวงจรและระยะจับยึด

นอกจากกระแสต่อเนื่อง บัสบาร์ต้องทนกระแสลัดวงจรได้ทั้งทางความร้อนและทางกล ในทางความร้อนต้องตรวจสอบว่าพื้นที่หน้าตัดเพียงพอให้อุณหภูมิตัวนำไม่เกินขีดจำกัดระยะสั้นตลอดช่วงเวลาที่เบรกเกอร์ใช้ตัดวงจร (ค่า Icw ที่เวลากำหนด เช่น 1 วินาที) ส่วนทางกล กระแสลัดวงจรค่ายอด (Peak) จะสร้างแรงแม่เหล็กไฟฟ้าระหว่างเฟสมหาศาลที่พยายามผลักบัสบาร์ออกจากกัน แรงนี้แปรผันตามกำลังสองของกระแสและแปรผกผันกับระยะห่างระหว่างเฟส

ระยะห่างระหว่างจุดจับยึด (Support Spacing) จึงเป็นตัวแปรออกแบบสำคัญ ยิ่งจุดจับยึดถี่ โมเมนต์ดัดในแท่งบัสบาร์ยิ่งต่ำ ฉนวนรองรับ (Busbar Support) ต้องมีพิกัดรับแรงทางกลสอดคล้องกับกระแสลัดวงจรค่ายอดของระบบ สำหรับตู้สำเร็จรูปตามระบบที่ผ่านการทดสอบเฉพาะแบบ ผู้ผลิตจะกำหนดตารางจับคู่ขนาดบัสบาร์ ระยะจับยึด และพิกัด Icw ไว้แล้ว ผู้ประกอบตู้ต้องปฏิบัติตามอย่างเคร่งครัด ไม่สามารถเพิ่มระยะจับยึดเพื่อประหยัดฉนวนรองรับได้

4. จุดต่อบัสบาร์: แหล่งความร้อนที่ถูกมองข้าม

ปัญหาบัสบาร์ร้อนเกินที่พบในงานภาคสนามส่วนใหญ่ไม่ได้เกิดจากขนาดหน้าตัดไม่พอ แต่เกิดที่จุดต่อ (Joint) ซึ่งความต้านทานสัมผัสสูงขึ้นตามเวลาเพราะแรงบิดสลักเกลียวคลายตัวจากวัฏจักรร้อน-เย็น ผิวสัมผัสเกิดออกไซด์ หรือใช้แหวนสปริงไม่เหมาะสม จุดต่อที่เสื่อมจะร้อนขึ้นเรื่อย ๆ แบบเร่งตัวเองจนอาจถึงขั้นหลอมละลายและเกิดอาร์คภายในตู้ นอกจากนี้การเจาะรูจุดต่อมากเกินไปยังลดพื้นที่หน้าตัดสุทธิ ณ จุดนั้นอีกด้วย

แนวทางปฏิบัติที่ดีคือเตรียมผิวสัมผัสให้เรียบสะอาดก่อนประกอบ ขันสลักเกลียวด้วยประแจวัดแรงบิดตามค่าที่กำหนดพร้อมแหวนสปริงจานหรือแหวนแบบคงแรงกด ทำเครื่องหมายตำแหน่งขัน (Torque Mark) เพื่อให้ตรวจการคลายตัวได้ด้วยสายตา และบรรจุการถ่ายภาพความร้อนขณะโหลดสูงไว้ในแผนบำรุงรักษาประจำปี โดยเปรียบเทียบอุณหภูมิจุดต่อแต่ละจุดกับจุดข้างเคียงและกับผลปีก่อนหน้า จุดใดที่อุณหภูมิสูงกว่าแนวโน้มปกติชัดเจนต้องเปิดตรวจและประกอบใหม่ก่อนถึงจุดวิกฤต

• เตรียมผิวสัมผัสให้เรียบสะอาดก่อนประกอบจุดต่อทุกครั้ง
• ขันด้วยประแจวัดแรงบิดพร้อมแหวนสปริงจานและทำ Torque Mark
• ถ่ายภาพความร้อนจุดต่อขณะโหลดสูงเป็นประจำทุกปี
• เปิดตรวจและประกอบจุดต่อที่ร้อนผิดแนวโน้มใหม่ทันที