การออกแบบระบบไฟเลี้ยงสำรอง AC และ DC ในสถานีไฟฟ้าย่อยให้มีเสถียรภาพสูงสุด

1. ระบบไฟเลี้ยงสำรอง: หัวใจที่มองไม่เห็นของสถานีไฟฟ้า

ระบบไฟเลี้ยงสำรอง (Auxiliary Power Supply) คือระบบที่จ่ายไฟให้กับอุปกรณ์ควบคุมและป้องกันทั้งหมดของสถานีไฟฟ้า ได้แก่ รีเลย์ป้องกัน คอยล์ Trip/Close ของเซอร์กิตเบรกเกอร์ ระบบ SCADA ระบบสื่อสาร และไฟแสงสว่างฉุกเฉิน จุดสำคัญคือระบบเหล่านี้ต้องทำงานได้แม้ในขณะที่ระบบไฟฟ้าหลักล้มเหลว เพราะช่วงเวลาที่เกิดฟอลต์รุนแรงคือช่วงเวลาที่รีเลย์และเบรกเกอร์ต้องการพลังงานมากที่สุด หากระบบ DC ล้มเหลวในจังหวะนั้น ระบบป้องกันทั้งสถานีจะกลายเป็นอัมพาตทันที ด้วยเหตุนี้ระบบ DC จึงถูกออกแบบให้เป็นอิสระจากระบบไฟหลักโดยสมบูรณ์ผ่านแบตเตอรี่และเครื่องประจุ (Battery Charger)

โครงสร้างพื้นฐานประกอบด้วยแบตเตอรี่ชนิด Vented Lead-Acid, VRLA หรือ Nickel-Cadmium ต่อขนานกับเครื่องประจุแบบ Float Charging จ่ายโหลด DC ต่อเนื่อง โดยแรงดันที่ใช้ทั่วไปคือ 110V หรือ 125V DC สำหรับวงจรควบคุมและ Trip และ 48V DC สำหรับระบบสื่อสาร ส่วนระบบ AC สำรองมาจากหม้อแปลง Station Service สองแหล่งสลับกันผ่าน Automatic Transfer Switch และในสถานีสำคัญอาจเสริมด้วยเครื่องกำเนิดไฟฟ้าดีเซล การเลือกชนิดแบตเตอรี่ต้องพิจารณาอายุการใช้งาน อุณหภูมิแวดล้อม ความถี่การบำรุงรักษา และพื้นที่ห้องแบตเตอรี่ประกอบกัน

2. มาตรฐานการออกแบบและการคำนวณขนาดแบตเตอรี่

การคำนวณขนาดแบตเตอรี่สำหรับสถานีไฟฟ้าอ้างอิงมาตรฐาน IEEE 485 สำหรับแบตเตอรี่ตะกั่ว-กรด และ IEEE 1115 สำหรับแบตเตอรี่ Nickel-Cadmium โดยวิธีการคือจัดทำ Duty Cycle Diagram ที่แสดงโหลดทุกช่วงเวลาตลอดระยะเวลาสำรองที่กำหนด ซึ่งประกอบด้วยโหลดต่อเนื่อง (รีเลย์ ไฟสถานะ SCADA) โหลดชั่วขณะ (คอยล์ Trip/Close การสตาร์ทมอเตอร์ Spring Charging) และโหลดสุ่ม (Random Load) ที่อาจเกิดขึ้นเมื่อใดก็ได้ จากนั้นคำนวณขนาด Cell ด้วยค่า Capacity Rating Factor พร้อมคูณค่าเผื่อการเสื่อมสภาพ (Aging Factor โดยทั่วไป 1.25) ค่าชดเชยอุณหภูมิ และค่าเผื่อการขยายโหลดในอนาคต

ด้านการติดตั้งและการบำรุงรักษา มาตรฐาน IEEE 450 กำหนดแนวทางการทดสอบและบำรุงรักษาแบตเตอรี่ Vented Lead-Acid ขณะที่ IEEE 1188 ครอบคลุมแบตเตอรี่ชนิด VRLA ส่วนการออกแบบห้องแบตเตอรี่ต้องจัดการระบายอากาศให้เพียงพอเพื่อควบคุมการสะสมของก๊าซไฮโดรเจนจากการประจุ พร้อมอุปกรณ์ล้างตาฉุกเฉินและพื้นทนกรดตามข้อกำหนดความปลอดภัย นอกจากนี้วงจร DC ต้องมีระบบตรวจจับกราวด์ (DC Ground Detection) เพราะระบบ DC ของสถานีไฟฟ้าเป็นแบบ Unearthed การเกิดกราวด์จุดแรกจะยังไม่ทำให้ระบบล้ม แต่หากเกิดจุดที่สองอาจสั่ง Trip เบรกเกอร์โดยไม่ตั้งใจได้

• IEEE 485: การคำนวณขนาดแบตเตอรี่ตะกั่ว-กรดสำหรับสถานีไฟฟ้า
• IEEE 1115: การคำนวณขนาดแบตเตอรี่ Nickel-Cadmium
• IEEE 450 / IEEE 1188: การบำรุงรักษาและทดสอบแบตเตอรี่ VLA / VRLA
• Aging Factor 1.25 และค่าชดเชยอุณหภูมิในการคำนวณขนาด
• ระบบ DC Unearthed ต้องมี Ground Detection เสมอ

3. การทดสอบความจุและการบำรุงรักษาตามวาระ

การทดสอบที่สำคัญที่สุดของระบบแบตเตอรี่คือการทดสอบคายประจุ (Capacity Discharge Test) ซึ่งเป็นวิธีเดียวที่พิสูจน์ความจุจริงของแบตเตอรี่ได้ โดยใช้ Load Bank คายประจุด้วยกระแสคงที่ตามอัตราที่กำหนด บันทึกแรงดันรายเซลล์เป็นระยะจนถึงแรงดันสิ้นสุด (End Voltage) แล้วคำนวณเปอร์เซ็นต์ความจุเทียบกับพิกัด ตามแนวทางของ IEEE 450 เมื่อความจุลดลงต่ำกว่าร้อยละ 80 ของพิกัด ถือว่าแบตเตอรี่เข้าสู่ช่วงปลายอายุและควรวางแผนเปลี่ยน ระหว่างการทดสอบต้องมีมาตรการรองรับ เช่น แบตเตอรี่สำรองชั่วคราวหรือการจัดลำดับงานให้สถานียังมีไฟ DC เลี้ยงระบบป้องกันตลอดเวลา

การบำรุงรักษาตามวาระประกอบด้วยการตรวจรายเดือน ได้แก่ วัดแรงดันรวมและแรงดัน Float รายเซลล์ ตรวจระดับและความถ่วงจำเพาะของอิเล็กโทรไลต์ (สำหรับชนิด Vented) ตรวจการกัดกร่อนของขั้วและค่าแรงบิดของจุดต่อ ส่วนการตรวจรายปีเพิ่มการวัดความต้านทานจุดต่อ (Connection Resistance) และการวัดค่า Internal Ohmic เพื่อติดตามแนวโน้มการเสื่อมของแต่ละเซลล์ ฝั่งเครื่องประจุต้องทดสอบแรงดัน Float และ Equalize การทำงานของ Alarm ต่าง ๆ เช่น แรงดันต่ำ/สูง กราวด์ DC และ Charger Fail รวมถึงทดสอบการสลับแหล่งจ่าย AC ผ่าน Transfer Switch ให้ทำงานได้จริงตามที่ออกแบบ

• Capacity Test ด้วย Load Bank คือการพิสูจน์ความจุจริงเพียงวิธีเดียว
• ความจุต่ำกว่า 80% ของพิกัด = วางแผนเปลี่ยนแบตเตอรี่
• ตรวจ Float Voltage รายเซลล์และจุดต่อเป็นประจำ
• ทดสอบ Alarm ของ Charger และการสลับแหล่งจ่าย AC

4. ความล้มเหลวที่พบบ่อยและการออกแบบเพื่อความเชื่อถือได้

กรณีความล้มเหลวที่พบบ่อยของระบบ DC ได้แก่ เซลล์เดียวเสื่อมสภาพแล้วดึงทั้งชุดล้มเหลวขณะจ่ายโหลดหนัก จุดต่อหลวมหรือกัดกร่อนทำให้แรงดันตกเกินขีดจำกัดขณะ Trip เบรกเกอร์ เครื่องประจุตั้งแรงดัน Float ผิดทำให้แบตเตอรี่เสื่อมเร็วหรือประจุไม่เต็ม และกราวด์ DC สะสมสองจุดที่ทำให้เกิดการ Trip ผิดพลาด ปัญหาเหล่านี้ส่วนใหญ่ตรวจพบได้ล่วงหน้าหากมีการบำรุงรักษาตามวาระอย่างเคร่งครัด แต่จุดอ่อนคือมักถูกละเลยเพราะระบบ DC ทำงานเงียบอยู่เบื้องหลังจนกว่าจะถึงวันที่ต้องใช้งานจริง

การออกแบบเพื่อความเชื่อถือได้สูงในสถานีสำคัญนิยมใช้ระบบแบตเตอรี่สองชุดพร้อมเครื่องประจุแยกอิสระ จ่ายผ่านบัส DC สองบัสที่แยกวงจร Trip ของระบบป้องกัน Main 1 และ Main 2 ออกจากกัน เพื่อไม่ให้ความล้มเหลวจุดเดียวทำให้การป้องกันทั้งหมดหยุดทำงาน วงจรจำหน่าย DC ควรจัดลำดับฟิวส์และเบรกเกอร์ย่อยให้เกิด Selectivity แยกวงจรที่มีปัญหาออกโดยไม่กระทบวงจรอื่น พร้อมติดตั้งระบบเฝ้าระวังต่อเนื่อง (Battery Monitoring System) ที่วัดแรงดันรายเซลล์ อุณหภูมิ และกระแส แล้วส่งข้อมูลขึ้น SCADA เพื่อให้เห็นแนวโน้มการเสื่อมก่อนเกิดเหตุ