การทดสอบกับดักศรีกระแสเกิน (Surge Arrester / MOA) สำหรับระบบไฟฟ้าแรงสูง

1. หน้าที่ของกับดักเสิร์จชนิดเมทัลออกไซด์ในระบบแรงสูง

กับดักเสิร์จชนิดเมทัลออกไซด์ (Metal-Oxide Surge Arrester: MOA) ทำหน้าที่จำกัดแรงดันเกินชั่วครู่จากฟ้าผ่าและการสวิตช์ชิงไม่ให้เกินระดับที่ฉนวนของหม้อแปลง สายเคเบิล และสวิตช์เกียร์จะทนได้ หัวใจของ MOA คือเม็ดวาริสเตอร์ซิงก์ออกไซด์ (ZnO) ซึ่งมีคุณสมบัติไม่เชิงเส้นสูงมาก กล่าวคือที่แรงดันใช้งานปกติจะมีกระแสรั่วไหลผ่านเพียงระดับไมโครถึงมิลลิแอมแปร์ แต่เมื่อแรงดันเกินมาถึงจะยอมให้กระแสเสิร์จหลายกิโลแอมแปร์ไหลผ่านลงดินได้ในเสี้ยววินาที

เนื่องจาก MOA ต่ออยู่กับระบบและรับแรงดันตลอดเวลา เม็ดวาริสเตอร์จะเสื่อมสภาพสะสมทีละน้อยจากความร้อน ความชื้นที่ซึมเข้าตัวถัง และพลังงานเสิร์จที่ดูดกลืนไปในแต่ละครั้ง ความเสื่อมนี้แสดงออกเป็นกระแสรั่วไหลเชิงความต้านทาน (resistive leakage current) ที่เพิ่มขึ้น ซึ่งสร้างความร้อนสะสมภายในและอาจนำไปสู่ภาวะ thermal runaway จนกับดักระเบิดเสียหายพร้อมทำให้ระบบลัดวงจรลงดิน การทดสอบตามรอบจึงมุ่งตรวจจับแนวโน้มความเสื่อมนี้ตั้งแต่ระยะแรก

2. มาตรฐานที่เกี่ยวข้องและพารามิเตอร์สำคัญ

มาตรฐานหลักของกับดักเสิร์จเมทัลออกไซด์คือ IEC 60099-4 ซึ่งกำหนดคุณลักษณะ การทดสอบ และการจัดชั้นของกับดักชนิดไม่มีช่องว่างประกายไฟ (gapless) ส่วนแนวทางการเลือกใช้และการประยุกต์อ้างอิง IEC 60099-5 พารามิเตอร์สำคัญที่วิศวกรต้องเข้าใจได้แก่ แรงดันพิกัด (Ur) แรงดันใช้งานต่อเนื่องสูงสุด (MCOV/Uc) กระแสดิสชาร์จระบุ (nominal discharge current) และระดับแรงดันป้องกัน (protection level) ซึ่งต้องประสานกับระดับฉนวนพื้นฐาน (BIL) ของอุปกรณ์ที่ถูกป้องกัน

ในงานทดสอบภาคสนาม ค่าที่ใช้ประเมินสภาพหลักคือกระแสรั่วไหลรวมและองค์ประกอบเชิงความต้านทาน โดยเฉพาะฮาร์มอนิกที่สามของกระแสรั่ว (third harmonic resistive current) ซึ่งไวต่อความเสื่อมของเม็ดวาริสเตอร์มากที่สุด ร่วมกับค่าความต้านทานฉนวนของตัวถัง และผลสแกนความร้อนเปรียบเทียบระหว่างเฟส ซึ่งกับดักเฟสที่เสื่อมจะมีอุณหภูมิสูงกว่าเฟสข้างเคียงอย่างเห็นได้ชัด

• IEC 60099-4 — ข้อกำหนดกับดักเสิร์จเมทัลออกไซด์ชนิด gapless
• IEC 60099-5 — แนวทางการเลือกและการประยุกต์ใช้งาน
• ประสานระดับแรงดันป้องกันกับ BIL ของอุปกรณ์
• ฮาร์มอนิกที่สามของกระแสรั่วเชิงความต้านทานคือดัชนีความเสื่อมหลัก

3. วิธีทดสอบกับดักเสิร์จทั้งแบบดับไฟและไม่ดับไฟ

การทดสอบแบบดับไฟเริ่มจากปลดกับดักออกจากระบบ วัดความต้านทานฉนวนด้วยเมกโอห์มมิเตอร์แรงดันสูงเพื่อคัดกรองความชื้นในตัวถัง จากนั้นวัดกระแสรั่วไหลกระแสตรงที่แรงดันอ้างอิงตามที่ผู้ผลิตกำหนด หรือวัดแรงดันอ้างอิง (reference voltage) ที่กระแสอ้างอิงเพื่อเทียบกับค่าจากโรงงาน ค่าที่เบี่ยงเบนจากข้อมูลตั้งต้นเกินเกณฑ์ผู้ผลิตบ่งชี้ว่าเม็ดวาริสเตอร์เสื่อมหรือมีความชื้นซึมเข้าภายใน ควรวางแผนเปลี่ยนก่อนเสียหาย

การทดสอบแบบไม่ดับไฟใช้เครื่องวัดกระแสรั่วไหลชนิดคล้องผ่านสายลงดินของกับดัก ซึ่งแยกองค์ประกอบเชิงความต้านทานออกจากกระแสคาปาซิทีฟด้วยการวิเคราะห์ฮาร์มอนิกที่สาม วิธีนี้เก็บข้อมูลได้โดยไม่กระทบการจ่ายไฟจึงเหมาะกับการเฝ้าระวังเชิงแนวโน้ม ทั้งนี้ควรบันทึกอุณหภูมิแวดล้อมและสภาพความชื้นทุกครั้ง เพราะทั้งสองปัจจัยมีผลต่อกระแสรั่วอย่างมีนัยสำคัญ และควรอ่านค่าที่สภาพระบบใกล้เคียงกันในแต่ละรอบเพื่อให้เปรียบเทียบกันได้จริง

4. สัญญาณเตือนความเสื่อมและแนวทางป้องกันความเสียหาย

สัญญาณที่บ่งชี้ว่ากับดักเสิร์จใกล้หมดสภาพได้แก่ กระแสรั่วเชิงความต้านทานที่เพิ่มขึ้นต่อเนื่องเมื่อเทียบเป็นแนวโน้ม อุณหภูมิผิวตัวถังสูงกว่าเฟสข้างเคียง ตัวนับจำนวนครั้งการทำงาน (surge counter) ที่เพิ่มขึ้นผิดปกติในช่วงฤดูฝน และสภาพภายนอกเช่น ตัวถังพอลิเมอร์แตกลาย ปะเก็นซีลเสื่อม หรือมีคราบน้ำเข้าบริเวณหน้าแปลน ซึ่งล้วนเปิดทางให้ความชื้นเข้าถึงเม็ดวาริสเตอร์โดยตรง

แนวทางป้องกันคือเลือกพิกัด MCOV ให้เหมาะกับแรงดันระบบจริงตั้งแต่การออกแบบ โดยเฉพาะระบบที่มีการต่อลงดินแบบอิมพีแดนซ์ซึ่งแรงดันเฟสดีอาจสูงขึ้นขณะเกิดฟอลต์ลงดิน ติดตั้ง disconnector หรือ surge counter เพื่อช่วยชี้กับดักที่ทำงานแล้ว ตรวจสแกนความร้อนเปรียบเทียบทุกปี และเก็บแนวโน้มกระแสรั่วอย่างสม่ำเสมอ เมื่อพบแนวโน้มเสื่อมชัดเจนควรเปลี่ยนทันทีในโอกาสดับไฟที่ใกล้ที่สุด เพราะกับดักที่ระเบิดขณะจ่ายไฟสร้างความเสียหายต่ออุปกรณ์ข้างเคียงและอันตรายต่อบุคคลอย่างมาก

• แนวโน้มกระแสรั่วเพิ่มต่อเนื่อง = สัญญาณอันตรายหลัก
• เทียบอุณหภูมิผิวระหว่างเฟสด้วยกล้องความร้อน
• เลือก MCOV ให้สอดคล้องกับรูปแบบการต่อลงดินของระบบ
• เปลี่ยนกับดักที่เสื่อมในโอกาสดับไฟแรกที่ทำได้