การศึกษาคำนวณการประสานงานของรีเลย์ป้องกัน (Protection Relay Coordination)

1. การประสานงานรีเลย์ป้องกันคืออะไร และสำคัญอย่างไร

การประสานงานรีเลย์ป้องกัน (Protection Coordination) คือการตั้งค่ารีเลย์และอุปกรณ์ป้องกันทุกตัวในระบบให้ทำงานอย่างเป็นลำดับชั้น เมื่อเกิดฟอลต์ อุปกรณ์ป้องกันที่อยู่ใกล้จุดเกิดเหตุที่สุดต้องตัดวงจรก่อน โดยอุปกรณ์ต้นทางทำหน้าที่เป็นแนวป้องกันสำรอง (backup) ที่จะทำงานก็ต่อเมื่อแนวหน้าล้มเหลว หลักการนี้เรียกว่า selectivity ซึ่งทำให้ไฟดับจำกัดวงแคบที่สุด แทนที่ฟอลต์ในสายป้อนย่อยสายเดียวจะลามไปดับทั้งโรงงานเพราะเบรกเกอร์ต้นทางปลดตัดหน้า

ระบบที่ไม่เคยทำการศึกษาการประสานงาน หรือทำไว้นานแล้วแต่มีการขยายโหลดและเปลี่ยนอุปกรณ์ภายหลัง มักแสดงอาการเป็นเหตุการณ์ "ไฟดับทั้งระบบจากปัญหาเล็ก" หรือกลับกันคือรีเลย์ไม่ทำงานเลยจนอุปกรณ์เสียหายหนัก การศึกษาการประสานงานจึงไม่ใช่งานทำครั้งเดียวจบ แต่ต้องทบทวนทุกครั้งที่ระบบเปลี่ยนแปลงอย่างมีนัยสำคัญ เช่น เพิ่มหม้อแปลง เปลี่ยนเบรกเกอร์ หรือค่ากระแสลัดวงจรจากการไฟฟ้าต้นทางเปลี่ยนไป

2. ฟังก์ชันป้องกันหลักและมาตรฐานที่ใช้อ้างอิง

ฟังก์ชันพื้นฐานของระบบจำหน่ายในโรงงานคือรีเลย์กระแสเกิน (ANSI 50/51) โดยฟังก์ชัน 51 ทำงานแบบหน่วงเวลาผกผันตามขนาดกระแส และ 50 ตัดทันทีเมื่อกระแสสูงถึงระดับที่ตั้งไว้ คู่กับรีเลย์กระแสเกินลงดิน (50N/51N) ซึ่งตรวจจับฟอลต์ลงดินที่กระแสต่ำกว่าฟอลต์ระหว่างเฟสมาก เส้นโค้งเวลาผกผันมาตรฐาน เช่น Standard Inverse, Very Inverse และ Extremely Inverse กำหนดไว้ใน IEC 60255 ส่วนรหัสเลขฟังก์ชันอุปกรณ์อ้างอิง IEEE C37.2

แนวทางการทำการศึกษาการประสานงานในระบบไฟฟ้าอุตสาหกรรมและอาคารพาณิชย์มีคู่มืออ้างอิงสำคัญคือชุดเอกสาร IEEE 242 (Buff Book) ซึ่งอธิบายหลักการเลือกช่วงเวลาประสาน (coordination time interval) ระหว่างอุปกรณ์ป้องกันสองชั้นที่อยู่ติดกัน โดยต้องเผื่อเวลาการทำงานของเบรกเกอร์ ความคลาดเคลื่อนของรีเลย์ และค่าเผื่อความปลอดภัยรวมกัน นอกจากนี้การตั้งค่ายังต้องตรวจสอบกับเส้นโค้งความเสียหายของหม้อแปลงและสายเคเบิล เพื่อให้อุปกรณ์ถูกป้องกันจริง ไม่ใช่เพียงประสานกันได้เท่านั้น

• 50/51 — กระแสเกินแบบตัดทันทีและหน่วงเวลาผกผัน
• 50N/51N — ตรวจจับฟอลต์ลงดินกระแสต่ำ
• IEC 60255 — นิยามเส้นโค้งเวลาผกผันมาตรฐาน
• IEEE 242 (Buff Book) — คู่มือการประสานงานระบบอุตสาหกรรม
• ตรวจการตั้งค่ากับเส้นโค้งความเสียหายของหม้อแปลงและสายเสมอ

3. ขั้นตอนการทำการศึกษาการประสานงานอย่างเป็นระบบ

การศึกษาเริ่มจากรวบรวมข้อมูลระบบให้ครบและเป็นปัจจุบัน ได้แก่ แผนภาพเส้นเดียว (single line diagram) พิกัดหม้อแปลงและค่าอิมพีแดนซ์ ข้อมูลสายเคเบิล อัตราส่วน CT รุ่นและช่วงการตั้งค่าของรีเลย์ทุกตัว และค่ากระแสลัดวงจร ณ จุดรับไฟจากการไฟฟ้า จากนั้นคำนวณกระแสลัดวงจรที่บัสทุกระดับทั้งค่าสูงสุดและต่ำสุด เพราะการตั้งค่าต้องทำงานได้แน่นอนที่ฟอลต์กระแสต่ำสุด และต้องทนไม่ทำงานผิดพลาดที่กระแสโหลดสูงสุดรวมกระแสพุ่งเข้าชั่วขณะของหม้อแปลงและมอเตอร์

ขั้นต่อมาคือเขียนเส้นโค้งเวลา–กระแส (TCC curve) ของอุปกรณ์ทุกชั้นลงบนกราฟเดียวกัน ปรับค่ากระแสเริ่มทำงาน ตัวคูณเวลา และชนิดเส้นโค้ง ให้แต่ละชั้นห่างกันตามช่วงเวลาประสานที่เหมาะสมตลอดช่วงกระแสฟอลต์ที่เป็นไปได้ แล้วจัดทำตารางตั้งค่าฉบับอนุมัติ นำไปตั้งค่าจริงที่หน้างานพร้อมทดสอบรีเลย์ด้วยชุดจ่ายกระแสทุติยภูมิ (secondary injection) เพื่อพิสูจน์ว่ารีเลย์ทำงานตามเส้นโค้งที่ออกแบบ และปิดงานด้วยการเก็บเอกสารทั้งหมดไว้เป็นฐานข้อมูลสำหรับการทบทวนครั้งถัดไป

4. ปัญหาที่พบบ่อยและแนวทางดูแลระยะยาว

ปัญหาคลาสสิกคือการตั้งค่ารีเลย์ตาม "ค่าที่เคยใช้กันมา" โดยไม่มีการคำนวณรองรับ การตั้งค่ากระแสเริ่มทำงานสูงเกินไปจนไม่ครอบคลุมฟอลต์ปลายสาย การลืมพิจารณากระแสพุ่งเข้าของหม้อแปลงจนเบรกเกอร์ปลดทุกครั้งที่จ่ายไฟเข้า และการเปลี่ยนรีเลย์รุ่นใหม่แต่คัดลอกค่าจากรุ่นเก่าโดยไม่ตรวจว่าชนิดเส้นโค้งตรงกันจริง นอกจากนี้ระบบที่มีเครื่องกำเนิดไฟฟ้าหรือโซลาร์เชื่อมขนาน ค่ากระแสฟอลต์จะเปลี่ยนไปตามโหมดการเดินเครื่อง ซึ่งการศึกษาเดิมอาจไม่ครอบคลุม

แนวทางดูแลระยะยาวคือกำหนดให้ทบทวนการศึกษาทุกครั้งที่มีการเปลี่ยนแปลงระบบอย่างมีนัยสำคัญ และอย่างช้าตามรอบที่นโยบายบำรุงรักษากำหนด ทดสอบรีเลย์ด้วย secondary injection ตามวาระเพื่อจับความเสื่อมของอุปกรณ์ ควบคุมเอกสารตั้งค่าให้มีฉบับอนุมัติฉบับเดียวและห้ามแก้ค่าหน้างานโดยไม่ผ่านการทบทวนทางวิศวกรรม รวมทั้งวิเคราะห์เหตุการณ์ทุกครั้งที่มีการปลดวงจร ว่าลำดับการทำงานเป็นไปตามออกแบบหรือไม่ เพราะทุกเหตุการณ์จริงคือบททดสอบคุณภาพของการประสานงานที่ดีที่สุด

• ห้ามตั้งค่ารีเลย์ตามความเคยชินโดยไม่มีการคำนวณ
• พิจารณากระแสพุ่งเข้าของหม้อแปลงและมอเตอร์เสมอ
• ทบทวนการศึกษาเมื่อระบบเปลี่ยนหรือมีแหล่งจ่ายขนานเพิ่ม
• วิเคราะห์ลำดับการทำงานทุกครั้งที่เกิดเหตุปลดวงจรจริง