การคำนวณขนาดสายไฟฟ้าแรงต่ำและการควบคุมค่าแรงดันตก (Voltage Drop Calculation)

1. หลักการเลือกขนาดสายไฟฟ้าแรงต่ำ

การเลือกขนาดสายไฟฟ้าต้องผ่านเงื่อนไขอย่างน้อยสามข้อพร้อมกัน ข้อแรกคือขนาดกระแส (Ampacity) สายต้องนำกระแสโหลดต่อเนื่องได้โดยอุณหภูมิตัวนำไม่เกินพิกัดฉนวน เช่น 70 องศาเซลเซียสสำหรับฉนวน PVC และ 90 องศาเซลเซียสสำหรับ XLPE โดยค่าจากตารางต้องคูณตัวประกอบปรับลดตามอุณหภูมิแวดล้อม วิธีการเดินสาย และจำนวนวงจรที่เดินรวมกลุ่มกัน ข้อสองคือแรงดันตกปลายทางต้องอยู่ในเกณฑ์ และข้อสามคือสายต้องทนกระแสลัดวงจรได้ตลอดเวลาที่อุปกรณ์ป้องกันใช้ตัดวงจร

ในทางปฏิบัติของประเทศไทย การกำหนดขนาดสายอ้างอิงมาตรฐานการติดตั้งทางไฟฟ้าสำหรับประเทศไทยของ วสท. ซึ่งจัดกลุ่มวิธีการเดินสายและให้ตารางขนาดกระแสของสายชนิดต่าง ๆ ตามมาตรฐานผลิตภัณฑ์ มอก. ที่เกี่ยวข้อง วิศวกรต้องระบุชนิดสาย ฉนวน วิธีเดินสาย และสภาพแวดล้อมให้ครบก่อนเปิดตาราง เพราะสายรุ่นเดียวกันมีพิกัดกระแสต่างกันมากระหว่างการเดินในอากาศ ในท่อร้อยสาย หรือฝังดินโดยตรง

2. การคำนวณแรงดันตกและเกณฑ์ที่ยอมรับ

แรงดันตกในสายคำนวณจากผลคูณของกระแสโหลด ความยาวสาย และอิมพีแดนซ์ต่อหน่วยความยาวของสาย โดยสูตรใช้งานทั่วไปสำหรับวงจรสามเฟสคือรากที่สองของสามคูณกระแสคูณความยาวคูณผลรวมของความต้านทานคูณโคไซน์กับรีแอกแตนซ์คูณไซน์ของมุมเพาเวอร์แฟกเตอร์ สำหรับสายขนาดเล็กความต้านทานเป็นตัวหลัก แต่สายขนาดใหญ่ตั้งแต่ราว 95 ตารางมิลลิเมตรขึ้นไป รีแอกแตนซ์เริ่มมีนัยสำคัญและละเลยไม่ได้ ค่าความต้านทานยังต้องใช้ที่อุณหภูมิทำงานจริงของตัวนำ ไม่ใช่ค่าที่ 20 องศาเซลเซียส

เกณฑ์ออกแบบที่ใช้กันแพร่หลายตามแนวทางของมาตรฐานการติดตั้งฯ คือจำกัดแรงดันตกรวมจากจุดรับไฟถึงจุดใช้งานไม่เกินร้อยละ 5 โดยแบ่งเป็นสายป้อนไม่เกินร้อยละ 2 และวงจรย่อยไม่เกินร้อยละ 3 โดยประมาณ ทั้งนี้โหลดบางประเภทต้องการเกณฑ์เข้มกว่า เช่น วงจรที่มีมอเตอร์สตาร์ทตรงขนาดใหญ่ต้องตรวจสอบแรงดันตกชั่วขณะระหว่างสตาร์ทเพิ่มเติม เพื่อไม่ให้คอนแทคเตอร์หลุดหรือมอเตอร์เร่งไม่ขึ้น และระบบแสงสว่างที่แรงดันตกมากจะเห็นผลเป็นความสว่างลดและอายุหลอดสั้นลง

• ตรวจสามเงื่อนไขพร้อมกัน: ขนาดกระแส แรงดันตก และทนกระแสลัดวงจร
• คูณตัวประกอบปรับลดตามอุณหภูมิ วิธีเดินสาย และการเดินรวมกลุ่มเสมอ
• เกณฑ์แรงดันตกรวมไม่เกิน ~5% (สายป้อน ~2% วงจรย่อย ~3%)
• สายขนาดใหญ่ต้องรวมผลของรีแอกแตนซ์ในการคำนวณ
• โหลดมอเตอร์สตาร์ทตรงต้องตรวจแรงดันตกชั่วขณะสตาร์ทเพิ่ม

3. การตรวจสอบทนกระแสลัดวงจรของสาย

เงื่อนไขที่สามซึ่งมักถูกละเลยคือการตรวจสอบว่าสายทนกระแสลัดวงจรได้ตลอดเวลาตัดวงจรของอุปกรณ์ป้องกัน โดยใช้ความสัมพันธ์แบบอะเดียแบติกที่กำหนดว่าพื้นที่หน้าตัดขั้นต่ำเท่ากับรากที่สองของปริมาณ I²t หารด้วยค่าคงที่ k ของตัวนำและฉนวน ค่า k ของทองแดงหุ้ม XLPE สูงกว่า PVC เพราะฉนวนทนอุณหภูมิลัดวงจรได้สูงกว่า ค่า I²t ที่ใช้ควรอ่านจากเส้นโค้งพลังงานผ่าน (Let-through Energy) ของเบรกเกอร์จริง โดยเฉพาะเบรกเกอร์จำกัดกระแสซึ่งให้ค่าต่ำกว่าการคำนวณจากเวลาตัดตรง ๆ มาก

ประเด็นเดียวกันนี้ใช้กับสายดิน (Protective Conductor) ด้วย โดยขนาดสายดินต้องเพียงพอให้ทนกระแสลัดวงจรลงดินตลอดเวลาตัด และความยาววงจรต้องไม่มากเกินกว่าที่กระแสลัดวงจรปลายสายยังสูงพอให้อุปกรณ์ป้องกันตัดภายในเวลาที่กำหนด (เงื่อนไข Earth Fault Loop Impedance) วงจรที่ยาวมากอาจผ่านเงื่อนไขแรงดันตกแต่ตกเงื่อนไขนี้ ทางแก้คือเพิ่มขนาดสาย ลดพิกัดอุปกรณ์ป้องกัน หรือใช้การป้องกันด้วยเครื่องตัดไฟรั่วช่วยตัดวงจรลงดินที่กระแสต่ำ

4. ข้อผิดพลาดที่พบบ่อยในงานออกแบบและติดตั้ง

ข้อผิดพลาดที่พบบ่อยคือการเปิดตารางขนาดกระแสโดยไม่คูณตัวประกอบปรับลด โดยเฉพาะการเดินสายหลายวงจรรวมรางเดียวกันซึ่งลดพิกัดลงมาก การใช้ความยาวสายจากแบบแปลนแทนความยาวเดินจริงที่อ้อมขึ้นลง ทำให้แรงดันตกจริงเกินคำนวณ การเผื่อโหลดอนาคตไว้ที่เบรกเกอร์แต่ไม่เผื่อที่สาย และการต่อสายเปลี่ยนขนาดกลางทางโดยไม่ตรวจสอบว่าอุปกรณ์ป้องกันต้นทางยังคุ้มครองสายท่อนเล็กได้ นอกจากนี้ระบบที่มีฮาร์มอนิกส์ลำดับสามสูงต้องพิจารณาขนาดสายนิวทรัลเป็นพิเศษ เพราะกระแสฮาร์มอนิกส์ลำดับสามรวมกันในนิวทรัลแทนที่จะหักล้าง

แนวทางป้องกันคือจัดทำตารางคำนวณสายทุกวงจรที่แสดงเงื่อนไขครบทั้งสามข้อพร้อมตัวประกอบที่ใช้ ให้ตรวจทานข้ามได้ ใช้ความยาวจากการวัดเส้นทางเดินจริง ตรวจวัดแรงดันปลายทางจริงขณะโหลดสูงหลังติดตั้งเสร็จเพื่อยืนยันผลคำนวณ และเมื่อมีการเพิ่มโหลดหรือย้ายตำแหน่งตู้ในอนาคต ต้องคำนวณซ้ำทั้งเส้นทาง ไม่ตัดสินจากขนาดเบรกเกอร์ที่ยังเหลือช่องว่างเพียงอย่างเดียว

• จัดทำตารางคำนวณสายทุกวงจรแสดงครบสามเงื่อนไขและตัวประกอบ
• ใช้ความยาวจากเส้นทางเดินสายจริง ไม่ใช่ระยะบนแบบแปลน
• วัดแรงดันปลายทางจริงขณะโหลดสูงหลังติดตั้ง
• พิจารณาขนาดนิวทรัลเป็นพิเศษเมื่อฮาร์มอนิกส์ลำดับสามสูง