การออกแบบสถานีไฟฟ้าย่อยให้เหมาะสมกับระบบส่งจ่ายไฟฟ้าในเขตเมืองควรทำอย่างไร?

ข้อจำกัดหลักในการออกแบบสถานีไฟฟ้าย่อยในเขตเมือง: พื้นที่ ความปลอดภัย และความสวยงาม

การเอาชนะข้อจำกัดด้านพื้นที่ในสภาพแวดล้อมที่มีความหนาแน่นสูง

พื้นที่มักจะมีจำกัดเสมอสำหรับสถานีไฟฟ้าย่อยในเขตเมือง โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อราคาที่ดินในเมืองใหญ่สามารถสูงถึงกว่าเก้าล้านดอลลาร์สหรัฐต่อเอเคอร์ ตามข้อมูลล่าสุดจากสถาบันที่ดินในเขตเมือง (Urban Land Institute) อุปกรณ์ตัดตอนกระแสไฟฟ้าแบบใช้ก๊าซเป็นฉนวน (Gas Insulated Switchgear) ช่วยลดความต้องการพื้นที่ทางกายภาพลงประมาณสองในสามเมื่อเทียบกับระบบแบบใช้อากาศเป็นฉนวนแบบดั้งเดิม จึงทำให้การใช้งานอุปกรณ์ชนิดนี้จำเป็นอย่างยิ่งในการติดตั้งโครงสร้างพื้นฐานด้านพลังงานในพื้นที่ที่มีความหนาแน่นสูง แนวทางแบบโมดูลาร์ช่วยให้วิศวกรสามารถจัดเรียงหม้อแปลงและอุปกรณ์อื่นๆ แบบซ้อนกันแนวตั้งแทนที่จะวางกระจายออกในแนวนอน หน่วยสถานีไฟฟ้าย่อยแบบพรีฟับริเคต (Prefabricated Substation Units) ช่วยเร่งกระบวนการติดตั้งได้อย่างมากเมื่อทำงานในพื้นที่แคบ เช่น ห้องสาธารณูปโภคใต้ดิน หรือตรอกเล็กๆ ที่อยู่ระหว่างอาคาร ส่วนการจัดวางอุปกรณ์ทั้งหมดอย่างชาญฉลาดนั้น รับประกันว่าจะมีพื้นที่เพียงพอรอบอุปกรณ์แต่ละชิ้นสำหรับการบำรุงรักษา ในขณะเดียวกันก็ยังคงรักษาการดำเนินงานให้เป็นไปอย่างราบรื่นทุกวัน

การรับประกันความปลอดภัยผ่านการปรับปรุงระบบต่อพื้นดิน (Earthing) และการควบคุมแรงดันไฟฟ้าแบบก้าวเดิน/สัมผัส (Step/Touch Voltage)

ระบบการต่อสายดินที่เหมาะสมจะจำกัดศักย์ไฟฟ้าแบบก้าว/สัมผัส (step/touch potentials) ให้ต่ำกว่า 5 โวลต์ในช่วงเกิดข้อบกพร่อง ตามมาตรฐาน IEEE 80-2013 โดยใช้วิธีการแบบหลายชั้น ซึ่งประกอบด้วย:

• ขั้วต่อสายดินแบบเจาะลึกเพื่อเข้าถึงชั้นดินที่มีค่าความต้านทานต่ำ
• การเชื่อมต่อให้ศักย์ไฟฟ้าเท่ากัน (equipotential bonding) ของโครงสร้างโลหะทั้งหมด
• พื้นผิวปูด้วยหินบด (ความลึก 0.15 เมตร) เพื่อเพิ่มความต้านทานการสัมผัส

การตรวจสอบความสมบูรณ์ของโครงข่ายต่อสายดินอย่างต่อเนื่อง ช่วยป้องกันความล้มเหลวจากสนิม — ซึ่งเป็นสาเหตุของภาวะไฟฟ้าดับที่สถานีจ่ายไฟร้อยละ 17 (รายงานของ EPRI ปี 2023) ระบบป้องกันแบบบูรณาการช่วยลดความเสี่ยงจากอาร์กแฟลชได้ร้อยละ 92 ในการติดตั้งภายในเมืองที่มีโครงสร้างปิดล้อม ตามที่ยืนยันไว้ในรายงานความปลอดภัยทางไฟฟ้า ปี 2024

การปฏิบัติตามข้อกำหนดของเทศบาลเกี่ยวกับการผสานรวมเชิงภาพและการลดระดับเสียง

เมืองต่างๆ กำหนดให้ระดับเสียงของสถานีจ่ายไฟต้องต่ำกว่า 55 เดซิเบล(เอ) ที่แนวเขตที่ดิน ซึ่งสอดคล้องกับแนวทางขององค์การอนามัยโลก (WHO) ซึ่งสามารถบรรลุได้ผ่าน:

• หม้อแปลงไฟฟ้าแบบต่ำเสียง (<65 เดซิเบล) พร้อมเปลือกหุ้มที่ลดเสียง
• กำแพงกันเสียงที่ผลิตจากวัสดุคอมโพสิต
• การออกแบบระบบระบายอากาศอย่างกลยุทธ์ เพื่อป้องกันการเกิดเรโซแนนซ์หรือการขยายเสียง

การผสานรวมเชิงศิลปะประกอบด้วยกำแพงสีเขียว วัสดุหุ้มอาคารที่สอดคล้องกับตึกโดยรอบ และการฝังสายส่งแรงสูง (HV) ใต้ดิน สถานีไฟฟ้าย่อยริเวอร์แบงก์ในชิคาโกเป็นตัวอย่างที่ประสบความสำเร็จของการลดผลกระทบด้านทัศนียภาพ—โครงสร้างระบายอากาศของสถานีฯ ทำหน้าที่คู่ขนานไปด้วยกันทั้งในฐานะงานศิลปะสาธารณะและรักษาความพร้อมใช้งานแบบ N+1

GIS กับ AIS: การเลือกเทคโนโลยีสถานีไฟฟ้าย่อยที่เหมาะสมที่สุดสำหรับพื้นที่ในเขตเมือง

เหตุใดอุปกรณ์ตัดต่อแบบฉนวนก๊าซ (GIS) จึงครองตลาดการออกแบบสถานีไฟฟ้าย่อยที่มีข้อจำกัดด้านพื้นที่

อุปกรณ์ตัด-ต่อไฟฟ้าแบบฉนวนก๊าซ (Gas Insulated Switchgear: GIS) แสดงศักยภาพอย่างเด่นชัดในพื้นที่เมืองที่หนาแน่น ซึ่งราคาที่ดินสูงลิ่วถึงเก้าล้านดอลลาร์สหรัฐต่อเอเคอร์ ด้วยการออกแบบที่กะทัดรัดและห้องบรรจุก๊าซซัลเฟอร์เฮกซาฟลูออไรด์ (SF6) ที่ปิดสนิท GIS ใช้พื้นที่น้อยลงประมาณเจ็ดสิบเปอร์เซ็นต์เมื่อเทียบกับอุปกรณ์ตัด-ต่อไฟฟ้าแบบฉนวนอากาศ (Air Insulated Switchgear: AIS) ซึ่งมีความสำคัญอย่างยิ่งเมื่อสถานีไฟฟ้าย่อยจำเป็นต้องติดตั้งในพื้นที่ที่มีขนาดเพียงสามสิบเปอร์เซ็นต์ของพื้นที่มาตรฐานที่เคยใช้มาก่อน อีกข้อได้เปรียบสำคัญหนึ่งคือ GIS ไม่ได้รับผลกระทบจากฝุ่นละอองในอากาศหรือเกลือที่ลอยมากับลมจากชายฝั่งใกล้เคียง ทำให้อัตราการล้มเหลวลดลงประมาณสี่สิบเปอร์เซ็นต์ในบริเวณใกล้โรงงานอุตสาหกรรมหรือตามแนวชายฝั่งทะเล ส่วนในด้านการบำรุงรักษา ระบบเหล่านี้สามารถดำเนินการได้นานกว่าสิบปีระหว่างการตรวจสอบแต่ละครั้ง ซึ่งยาวนานกว่าอุปกรณ์ AIS แบบทั่วไปถึงสามเท่า นั่นหมายถึงการประหยัดค่าใช้จ่ายโดยรวมประมาณสองล้านหนึ่งแสนดอลลาร์สหรัฐในระยะยาว แม้ว่าต้นทุนเริ่มต้นจะสูงกว่าอุปกรณ์ AIS ทั่วไปถึงยี่สิบถึงสามสิบเปอร์เซ็นต์ก็ตาม เนื่องจากข้อได้เปรียบทั้งหมดนี้ วิศวกรส่วนใหญ่จึงเลือกใช้ GIS เป็นอันดับแรกในการออกแบบระบบไฟฟ้าสำหรับเมืองใหญ่ ศูนย์กลางระบบขนส่งมวลชนใต้ดิน (subway hubs) และโรงพยาบาล ซึ่งความน่าเชื่อถือของระบบไม่อาจยอมให้มีข้อบกพร่องได้เลย

เมื่อระบบสวิตช์เกียร์ที่ใช้อากาศเป็นฉนวน (AIS) ยังคงเหมาะสมสำหรับการปรับปรุงโครงสร้างในเขตเมือง

อุปกรณ์สวิตช์เกียร์แบบฉนวนอากาศยังคงมีการใช้งานจริงในโลกปัจจุบัน โดยเฉพาะเมื่อทำงานกับโครงข่ายไฟฟ้าในเมืองเก่า ซึ่งโครงสร้างพื้นฐานที่มีอยู่แล้วทำให้การติดตั้งอุปกรณ์เข้ากับระบบได้ง่ายขึ้น ในการพิจารณาขยายสถานีไฟฟ้าย่อยเก่าที่มีอายุมากกว่า 100 ปี โดยเฉพาะในช่วงแรงดัน 11–33 กิโลโวลต์ การติดตั้งอุปกรณ์ AIS (Air Insulated Switchgear) มีค่าใช้จ่ายต่ำกว่าประมาณ 40 เปอร์เซ็นต์ เมื่อเทียบกับการปรับปรุงระบบ GIS (Gas Insulated Switchgear) ตามผลการศึกษาล่าสุดจากงานวิจัยการทันสมัยโครงข่ายไฟฟ้าเมื่อปีที่ผ่านมา ความจริงที่ว่าอุปกรณ์ AIS ติดตั้งภายนอกอาคารทำให้วิศวกรสามารถปรับปรุงส่วนต่าง ๆ ทีละส่วนโดยไม่จำเป็นต้องหยุดจ่ายไฟทั้งระบบ ซึ่งมีความสำคัญอย่างยิ่งในพื้นที่ที่บริษัทจำหน่ายไฟฟ้าได้รับอนุญาตให้หยุดจ่ายไฟได้เพียงช่วงเวลาสั้น ๆ เท่านั้น เช่น ไม่เกินสี่ชั่วโมงต่อครั้ง แน่นอนว่าระบบ GIS มีประสิทธิภาพเหนือกว่าในการทนต่อสภาพอากาศที่รุนแรง แต่ระบบ AIS ก็ใช้งานได้ดีพอสมควรในพื้นที่ที่ไม่มีปัญหาฝุ่นหรือสิ่งสกปรกสะสมอย่างต่อเนื่อง ตราบใดที่มีการบำรุงรักษาเป็นประจำเพื่อรักษาความสะอาดของอุปกรณ์ และเมื่อต้องจัดหาโซลูชันพลังงานชั่วคราวระหว่างการเปลี่ยนผ่านจากเฟสหนึ่งไปยังอีกเฟสหนึ่งของการดำเนินงาน โครงสร้างที่เรียบง่ายของชิ้นส่วน AIS ทำให้ทีมงานสามารถนำระบบกลับมาใช้งานได้เร็วกว่าประมาณสองในสามเท่า เมื่อเทียบกับทางเลือกที่ใช้ระบบ GIS

การเพิ่มประสิทธิภาพการจัดวางระบบไฟฟ้าและระบบระบายความร้อนสำหรับสถานีไฟฟ้าย่อยในเขตเมือง

การติดตั้งสายเคเบิลใต้ดิน การลดผลกระทบจากสัญญาณรบกวนแม่เหล็กไฟฟ้า (EMI) และการจัดระบบกราวด์อย่างสอดคล้องกัน

ปัจจุบันสถานีไฟฟ้าย่อยในเขตเมืองกำลังเปลี่ยนมาใช้ระบบสายเคเบิลใต้ดินมากขึ้นเรื่อยๆ เนื่องจากพื้นที่สำหรับติดตั้งสายส่งไฟฟ้าแบบอากาศ (overhead lines) มีไม่เพียงพออีกต่อไป ประกอบกับไม่มีใครต้องการให้เสาไฟฟ้าที่ดูไม่สวยงามมาทำลายทัศนียภาพของเมือง อย่างไรก็ตาม ปัญหาที่เกิดขึ้นคือ การเดินสายเคเบิลจำนวนมากใต้ดินอาจก่อให้เกิดปัญหาการรบกวนแม่เหล็กไฟฟ้า (electromagnetic interference) อย่างรุนแรง ซึ่งส่งผลกระทบต่อระบบควบคุมที่มีความละเอียดอ่อนและอุปกรณ์การสื่อสาร ดังนั้น วิศวกรจึงจำเป็นต้องติดตั้งสายเคเบิลแบบมีฉนวนป้องกันพิเศษ จัดวางเฟสไฟฟ้าให้สมดุลกันอย่างเหมาะสม และแยกสายเคเบิลสัญญาณออกจากสายไฟฟ้าแรงสูงให้ชัดเจน อีกหนึ่งประเด็นที่สำคัญยิ่งยวดคือ การต่อสายดิน (grounding) อย่างถูกต้อง โดยชิ้นส่วนโลหะทั้งหมดภายในสถานีไฟฟ้าย่อย — ไม่ว่าจะเป็นปลอกหุ้มสายเคเบิล ระบบท่อ หรือโครงสร้างเหล็กกล้าเอง — ควรเชื่อมต่อกันเป็นเครือข่ายการต่อสายดินแบบรวมศูนย์ (one big grounding network) ซึ่งการจัดตั้งระบบนี้จะช่วยนำกระแสไฟฟ้าที่ผิดปกติหรืออันตรายออกไปได้อย่างปลอดภัย และสอดคล้องตามมาตรฐานความปลอดภัยที่เข้มงวดตามเอกสาร IEEE 80-2013 ว่าด้วยแรงดันไฟฟ้าขณะสัมผัส (touch voltage) และแรงดันไฟฟ้าขณะก้าว (step voltage)

กลยุทธ์การจัดการความร้อนสำหรับสถานีไฟฟ้าย่อยที่ติดตั้งภายในอาคารหรือใต้ดิน

การควบคุมอุณหภูมิเป็นสิ่งที่ไม่อาจละเลยได้ในสถานีไฟฟ้าย่อยที่มีพื้นที่จำกัด ติดตั้งอยู่ภายในอาคาร หรือติดตั้งใต้ระดับพื้นดิน—ซึ่งการสะสมความร้อนจะเร่งกระบวนการเสื่อมสภาพของฉนวนและทำให้อายุการใช้งานของอุปกรณ์สั้นลง กลยุทธ์ที่มีประสิทธิภาพ ได้แก่:

• วิธีแบบพาสซีฟ: วัสดุบุผนังที่ดูดซับความร้อน การผสานวัสดุเก็บความร้อน (thermal mass) และการออกแบบเส้นทางการไหลของอากาศให้เหมาะสมโดยใช้แบบจำลองพลศาสตร์ของของไหลเชิงคำนวณ (CFD)
• ระบบทำความเย็นแบบแอคทีฟ: ระบบระบายอากาศด้วยแรงดันสำหรับอุปกรณ์แรงดันกลาง; หม้อแปลงไฟฟ้าที่ระบายความร้อนด้วยของเหลวสำหรับโซนที่มีโหลดสูง
  การตรวจสอบอุณหภูมิแบบรุกหน้า—โดยใช้เซ็นเซอร์ IoT แบบฝังตัวร่วมกับระบบตรวจจับความผิดปกติที่ขับเคลื่อนด้วยปัญญาประดิษฐ์ (AI)—ช่วยป้องกันจุดร้อนสะสมและยืดอายุการใช้งานของทรัพย์สินได้มากถึง 50% เมื่อเทียบกับสภาพแวดล้อมที่ไม่มีการจัดการอุณหภูมิ

การเตรียมความพร้อมสำหรับสถานีไฟฟ้าย่อยในเขตเมืองในอนาคต: ความสามารถในการขยายขนาดได้ ระบบอัจฉริยะ และความพร้อมรองรับพลังงานหมุนเวียน

ระบบสายส่งไฟฟ้าในเมืองจำเป็นต้องปรับตัวให้ทันกับความต้องการที่เพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่องจากยานยนต์ไฟฟ้า (EV), การผลิตพลังงานในท้องถิ่น และความท้าทายด้านสภาพภูมิอากาศ ปัจจุบันการออกแบบสถานีไฟฟ้าย่อยสมัยใหม่ใช้โครงสร้างแบบโมดูลาร์ ซึ่งช่วยให้หน่วยงานสาธารณูปโภคสามารถขยายกำลังการผลิตได้ทีละขั้นตอนแทนที่จะก่อสร้างทั้งหมดพร้อมกันในคราวเดียว วิธีนี้ทำให้การเชื่อมต่อสถานีชาร์จยานยนต์ไฟฟ้า (EV charging stations), เครือข่ายไฟฟ้าขนาดเล็กในท้องถิ่น หรือชุมชนใหม่ที่พัฒนาขึ้นเป็นไปได้อย่างสะดวกยิ่งขึ้น โดยไม่ก่อให้เกิดความรบกวนอย่างรุนแรง นอกจากนี้ยังมีการผสานเทคโนโลยีอัจฉริยะเข้าด้วยกัน เช่น ปัญญาประดิษฐ์ (artificial intelligence) และเซ็นเซอร์ที่เชื่อมต่อกับอินเทอร์เน็ต เพื่อช่วยทำนายเวลาที่อุปกรณ์อาจเสียหาย ควบคุมสมดุลโหลดไฟฟ้าแบบเรียลไทม์ และแยกส่วนที่มีปัญหาได้อย่างรวดเร็ว เพื่อไม่ให้การดับของไฟฟ้าคงอยู่เป็นเวลานานเกินไป สำหรับแหล่งพลังงานหมุนเวียน เช่น พลังงานลมและพลังงานแสงอาทิตย์ ได้มีการจัดวางโครงสร้างพิเศษเพื่อจัดการกับลักษณะที่ไม่แน่นอนของแหล่งพลังงานเหล่านี้ ขณะเดียวกันก็รักษาความมั่นคงของแรงดันไฟฟ้าไว้แม้เมื่อกระแสไฟฟ้าไหลย้อนกลับไปมาภายในระบบสายส่งไฟฟ้า (grid) ได้อย่างต่อเนื่อง การปรับตัวดังกล่าวช่วยให้เราสูญเสียพลังงานสะอาดน้อยลงในช่วงที่มีการผลิตไฟฟ้าเกินความต้องการ สำหรับการวางแผนระยะยาว เมืองที่ลงทุนในโครงสร้างพื้นฐานที่สามารถปรับขยายได้ (scalable infrastructure), ระบบตรวจสอบอัจฉริยะ (smart monitoring systems) และความยืดหยุ่นในการรองรับพลังงานสีเขียว จะสามารถวางรากฐานที่แข็งแกร่งยิ่งขึ้นให้กับระบบเครือข่ายไฟฟ้าของตนเอง

คำถามที่พบบ่อย

ข้อได้เปรียบหลักของการใช้สวิตช์เกียร์ที่ฉนวนด้วยก๊าซ (GIS) ในสถานีไฟฟ้าย่อยในเขตเมืองคืออะไร

GIS ต้องการพื้นที่น้อยลงสูงสุดถึง 70% เมื่อเทียบกับสวิตช์เกียร์ที่ฉนวนด้วยอากาศ (AIS) จึงเหมาะอย่างยิ่งสำหรับสภาพแวดล้อมในเขตเมืองที่มีความหนาแน่นสูง

สถานีไฟฟ้าย่อยในเขตเมืองรับประกันความปลอดภัยได้อย่างไร

โดยใช้ระบบกราวด์ที่ออกแบบให้เหมาะสม ระบบเชื่อมต่อศักย์ไฟฟ้าเท่ากัน (equipotential bonding) และการตรวจสอบอย่างต่อเนื่องเพื่อป้องกันความล้มเหลว รวมทั้งใช้ระบบป้องกันแบบบูรณาการเพื่อลดความเสี่ยงจากปรากฏการณ์อาร์กแฟลช (arc-flash)

กลยุทธ์ใดบ้างที่ใช้ในการจัดการความร้อนในสถานีไฟฟ้าย่อย

กลยุทธ์เหล่านี้รวมถึงวิธีแบบพาสซีฟ เช่น การผสานมวลความร้อน (thermal mass integration) และระบบรีฟริเจอเรชันแบบแอคทีฟ รวมทั้งการตรวจสอบอุณหภูมิแบบรุก (proactive thermal monitoring) โดยใช้เซ็นเซอร์อินเทอร์เน็ตของสรรพสิ่ง (IoT sensors)