จะจัดวางอุปกรณ์ควบคุมและป้องกัน (switchgear) ภายในอาคารไฟฟ้าให้มีประสิทธิภาพสูงสุดได้อย่างไร

ผลที่ตามมาจากการจัดวางอุปกรณ์ควบคุมและป้องกันไฟฟ้าไม่เหมาะสม

อาคารระบบไฟฟ้าที่ดูเป็นระเบียบเรียบร้อยบนแผนผังแบบเส้นเดียว (single-line diagram) อาจกลายเป็นภาระในการบำรุงรักษาเมื่อพิจารณาในพื้นที่จริง การจัดวางอุปกรณ์ควบคุมและป้องกันไฟฟ้าโดยไม่คำนึงถึงระยะการเข้าถึงเพื่อการซ่อมบำรุง ระบบระบายความร้อน และการขยายระบบในอนาคต จะส่งผลให้การเปลี่ยนตัวตัดวงจรตามปกติจำเป็นต้องปิดระบบจ่ายไฟของสายวงจรข้างเคียง และความหนาแน่นของสายเคเบิลสูงเกินไปจนจำกัดการไหลเวียนของอากาศ ส่งผลให้อุปกรณ์ต้องลดกำลังการใช้งานลง (derate) การจัดวางที่ดีคือปัจจัยสำคัญที่ทำให้อาคารระบบไฟฟ้าสามารถทำงานได้อย่างมีเสถียรภาพเป็นเวลา 30 ปี ต่างจากอาคารที่ต้องปรับปรุงโครงสร้างใหม่ด้วยค่าใช้จ่ายสูงภายในระยะเวลาเพียง 5 ปี

ระยะการเข้าถึงเพื่อการซ่อมบำรุงและความปลอดภัยตามมาตรฐาน

มาตรา 110.26 ของ NEC กำหนดระยะความกว้างขั้นต่ำสำหรับพื้นที่ทำงานด้านหน้าอุปกรณ์ควบคุมไฟฟ้า (switchgear) ตามระดับแรงดันไฟฟ้าและลักษณะของผนังฝั่งตรงข้าม โดยสำหรับอุปกรณ์ควบคุมไฟฟ้าที่ใช้งานที่แรงดัน 480 โวลต์ และมีผนังฝั่งตรงข้ามต่อพื้นดิน (grounded) ระยะความลึกขั้นต่ำคือ 3 ฟุต ส่วนอุปกรณ์ที่ใช้งานที่แรงดัน 4,160 โวลต์ ระยะความลึกขั้นต่ำจะเพิ่มขึ้นเป็น 4 ฟุต ทั้งนี้เป็นค่าขั้นต่ำเท่านั้น — การบำรุงรักษาจริงมักต้องการระยะที่มากกว่านี้ ตัวอย่างเช่น ช่างเทคนิคที่ต้องถอดเบรกเกอร์น้ำหนัก 200 ปอนด์ออกจากตู้แนวตั้ง (vertical cubicle) จะต้องมีระยะอย่างน้อย 4.5 ฟุต เพื่อให้สามารถจัดวางและเคลื่อนย้ายไปยังรถยกได้อย่างปลอดภัย

เส้นทางการอพยพเฉพาะกิจ (dedicated egress paths) มีความสำคัญไม่แพ้กัน อุปกรณ์ควบคุมไฟฟ้าที่จัดวางในรูปตัว U พร้อมทางเข้าเพียงทางเดียว จะทำให้บุคลากรติดอยู่ภายในหากเกิดเหตุการณ์อาร์กแฟลช (arc flash) ที่อุปกรณ์ควบคุมไฟฟ้าซึ่งอยู่ใกล้ประตูทางเข้ามากที่สุด ดังนั้น ควรมีทางออกฉุกเฉินสองทางที่สอดคล้องกับข้อกำหนดเรื่องระยะทางในการเดินทาง (travel distance) ตามมาตรฐาน NFPA 70E เป็นเงื่อนไขที่ไม่อาจต่อรองได้

การจัดการความร้อนในพื้นที่จำกัด

อุปกรณ์สวิตช์เกียร์สร้างความร้อนในสัดส่วนกับกำลังสองของกระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านบัสบาร์และเบรกเกอร์ บัสหลักขนาด 4,000 แอมป์ที่ทำงานที่โหลดร้อยละ 80 จะสูญเสียพลังงานความร้อนอย่างต่อเนื่องประมาณ 3,000 ถึง 5,000 วัตต์ หากไม่มีระบบระบายอากาศที่เพียงพอ อุณหภูมิภายในจะสูงกว่าอุณหภูมิแวดล้อมที่กำหนดไว้ซึ่งโดยทั่วไปคือ 40°C ส่งผลให้ฉนวนมีอายุการใช้งานลดลงเร็วกว่าปกติ และทำให้หน่วยควบคุมการตัดวงจรคลาดเคลื่อน

การจัดวางอุปกรณ์สวิตช์เกียร์ในแนวตั้งฉากกับทิศทางการไหลของอากาศจะก่อให้เกิดบริเวณที่อากาศไม่ไหล (dead zones) ซึ่งทำให้ความร้อนสะสมอยู่ ดังนั้นการออกแบบควรจัดวางส่วนต่างๆ ให้ขนานกับทิศทางการไหลของอากาศจากช่องรับลมเข้าไปยังพัดลมระบายอากาศ โดยเว้นระยะว่างด้านหลังอย่างน้อย 24 นิ้ว สำหรับอาคารไฟฟ้าในเขตภูมิอากาศร้อน ควรติดตั้งระบบระบายอากาศแบบใช้พัดลมบังคับที่ออกแบบมาให้มีอัตราการเปลี่ยนถ่ายอากาศ 10 ครั้งต่อชั่วโมง ตามปริมาณความร้อนที่เกิดขึ้นจากอุปกรณ์สวิตช์เกียร์

หลักการจัดวางเชิงหน้าที่

การจัดกลุ่มสายจ่ายไฟและการจัดการสายเคเบิล

การจัดกลุ่มอุปกรณ์ควบคุมและสวิตช์เกียร์ตามตำแหน่งของโหลดจะช่วยลดความยาวของสายเคเบิล แรงดันตกคร่อม และความหนาแน่นของสายเคเบิลในรางเดินสาย สำหรับอาคารไฟฟ้าของโรงงานเคมี ควรจัดวางเฟดเดอร์ที่จ่ายไฟให้กับพื้นที่กระบวนการให้อยู่ใกล้กับทางออกสายเคเบิลฝั่งกระบวนการ และจัดวางเฟดเดอร์ที่จ่ายไฟจากแหล่งพลังงานสาธารณูปโภคให้อยู่ใกล้กับทางออกสายเคเบิลฝั่งสาธารณูปโภค การจัดกลุ่มแบบนี้จะช่วยลดความยาวเฉลี่ยของสายเคเบิลเฟดเดอร์ได้ 20 ถึง 30 เปอร์เซ็นต์ เมื่อเปรียบเทียบกับการจัดลำดับแบบเรียงลำดับโดยไม่คำนึงถึงตำแหน่งจริง

การออกแบบช่องเข้าและออกของสายเคเบิลต้องดำเนินการตั้งแต่ขั้นตอนเริ่มต้น อุปกรณ์ควบคุมและสวิตช์เกียร์ที่มีช่องเข้าสายเคเบิลจากด้านบนไม่สามารถรองรับสายเคเบิลที่ป้อนจากด้านล่างได้โดยไม่ต้องปรับเปลี่ยนบัส การติดตั้งอุปกรณ์ควบคุมและสวิตช์เกียร์ที่มีช่องเข้าสายเคเบิลจากด้านล่างบนแท่นรองรับที่วางอยู่เหนือร่องเดินสายเคเบิล จำเป็นต้องมีการประสานงานอย่างแม่นยำระหว่างขนาดพื้นฐานของผู้ผลิตกับแบบแปลนงานโยธา ซึ่งหากมีความคลาดเคลื่อนเพียง 100 มิลลิเมตร ก็จะทำให้ต้องดำเนินการปรับปรุงในสนาม ซึ่งส่งผลให้คุณสมบัติทนต่อการระเบิดของอาร์กเสียไป

มาตรการรองรับการขยายระบบในอนาคต

การจัดวางควรเว้นพื้นที่ไว้สำหรับติดตั้งเบรกเกอร์สำหรับสายจ่ายเพิ่มเติมอย่างน้อย 20 เปอร์เซ็นต์ บริเวณข้างชุดแผงสวิตช์เกียร์ที่มีอยู่ การเชื่อมต่อของบัสดัก (bus duct) ไปยังส่วนที่จะติดตั้งในอนาคต ควรระบุไว้ตั้งแต่ขั้นตอนการสั่งซื้อครั้งแรก — การต่อขยายบัสโดยไม่มีจุดเชื่อมต่อที่โรงงานเตรียมไว้ล่วงหน้า จะมีค่าใช้จ่ายสูงกว่ามาก

กรณีศึกษาจริง: การออกแบบใหม่ห้องไฟฟ้าของโรงงานแปรรูปอาหาร

โรงงานแปรรูปอาหารแห่งหนึ่งในเนเธอร์แลนด์ใช้งานสวิตช์เกียร์จากผู้ผลิตสองราย ซึ่งติดตั้งห่างกัน 12 ปี ในการจัดวางเดิม สวิตช์เกียร์รุ่นใหม่ถูกติดตั้งชิดกับผนังด้านหลัง โดยมีระยะว่างเพียง 18 นิ้ว ซึ่งเป็นระยะขั้นต่ำตามข้อกำหนดแต่ไม่เพียงพอสำหรับการบำรุงรักษา เมื่อต้องเปลี่ยนเบรกเกอร์หลักขนาด 1,600 แอมแปร์ จำเป็นต้องตัดกระแสไฟฟ้าทั้งหมดในส่วนนั้นเป็นเวลา 14 ชั่วโมง เนื่องจากเครื่องยกไม่สามารถเคลื่อนย้ายเข้าไปทำงานได้

โรงงานได้ปรับปรุงการจัดวางใหม่โดยมีระยะว่างด้านหน้าอย่างเต็มที่ 48 นิ้ว และระยะว่างด้านหลัง 30 นิ้ว บริษัท China Electrical จัดหาชุดอุปกรณ์สวิตช์เกียร์ใหม่ รวมถึงการเชื่อมต่อแบบบัสดักต์เฉพาะสำหรับการขยายกำลังการผลิตในอนาคต การเดินสายเคเบิลได้รับการปรับปรุงใหม่เพื่อแยกสายไฟฟ้าแรงสูงกับสายควบคุมออกจากกัน ซึ่งช่วยขจัดปัญหาสัญญาณรบกวนที่เคยทำให้เกิดการตัดวงจรโดยไม่จำเป็นเป็นครั้งคราว การปรับโครงสร้างใหม่นี้ลดระยะเวลาหยุดดำเนินการเพื่อเปลี่ยนบREAKER หลักจาก 14 ชั่วโมงต่อหน่วย เหลือเพียง 4 ชั่วโมงต่อหน่วย

การตรวจสอบการจัดวางและการส่งมอบระบบ

ก่อนเทคอนกรีตฐานราก ให้ใช้เทปทำเครื่องหมายบนพื้นเพื่อจำลองรูปแบบจริง เพื่อยืนยันว่าสามารถรักษาระยะว่างตามที่กำหนดได้ ทุกส่วนต้องมีการระบุโซนการเข้าถึงด้านหน้าและด้านหลังอย่างชัดเจน และเส้นทางจากประตูเข้าไปยังแต่ละส่วนต้องสามารถใช้รถเข็นสำหรับบำรุงรักษาผ่านได้อย่างสะดวก หลังการติดตั้งแล้ว ให้ใช้กล้องถ่ายภาพความร้อนตรวจวัดอุณหภูมิที่โหลดการออกแบบร้อยละ 25, 50, 75 และ 100 เพื่อกำหนดค่าอุณหภูมิเริ่มต้นในการเพิ่มขึ้น หากพบจุดร้อนที่มีอุณหภูมิสูงกว่าอุณหภูมิแวดล้อมเกิน 30 องศาเซลเซียส แสดงว่ามีข้อบกพร่องในการติดตั้ง

คำถามที่พบบ่อย

ระยะว่างขั้นต่ำที่จำเป็นด้านหน้าของอุปกรณ์สวิตช์เกียร์คือเท่าใด

ข้อกำหนด NEC 110.26 กำหนดระยะห่างอย่างน้อย 3 ฟุตสำหรับอุปกรณ์แรงดัน 480 โวลต์ และ 4 ฟุตสำหรับอุปกรณ์แรงดัน 4,160 โวลต์ การเข้าถึงเพื่อการบำรุงรักษาโดยทั่วไปต้องการระยะห่าง 4.5 ถึง 5 ฟุต เพื่อการถอดเบรกเกอร์ในส่วนใหญ่ของโครงสร้างการจัดวาง

เหตุใดการจัดวางสวิตช์เกียร์จึงมีผลต่อต้นทุนสายเคเบิล

การจัดกลุ่มสายไฟหลัก (feeder) ช่วยลดความยาวเฉลี่ยของสายเคเบิลลง 20 ถึง 30 เปอร์เซ็นต์ เมื่อเปรียบเทียบกับการจัดวางแบบสุ่ม ซึ่งการประหยัดต้นทุนสายเคเบิลจากการจัดวางที่เหมาะสมมักจะมากกว่าค่าใช้จ่ายในการศึกษาวิศวกรรมภายในจำนวนสายไฟหลัก 10 เส้นแรก

ควรมีพื้นที่สำรองเพื่อการขยายระบบในแผนผังสวิตช์เกียร์มากน้อยเพียงใด

ควรมีตำแหน่งสำรองสำหรับสายไฟหลักเพิ่มเติมอย่างน้อย 20 เปอร์เซ็นต์ ติดตั้งติดกับสวิตช์เกียร์ที่มีอยู่แล้ว ทั้งนี้ควรระบุจุดเชื่อมต่อสำหรับการต่อขยายรางนำกระแส (bus extension) ตั้งแต่ขั้นตอนการสั่งซื้อครั้งแรก เพื่อหลีกเลี่ยงการปรับปรุงในสถานที่ซึ่งมีค่าใช้จ่ายสูง

ทิศทางการติดตั้งสวิตช์เกียร์มีผลต่อประสิทธิภาพการระบายความร้อนหรือไม่

การติดตั้งสวิตช์เกียร์ให้ขนานกับทิศทางการไหลของอากาศจะระบายความร้อนได้มีประสิทธิภาพมากกว่าการติดตั้งแบบตั้งฉาก แนะนำให้มีระยะห่างด้านหลังอย่างน้อย 24 นิ้ว พร้อมระบบระบายอากาศแบบบังคับที่อัตราการเปลี่ยนถ่ายอากาศ 10 ครั้งต่อชั่วโมง ในพื้นที่ที่มีอุณหภูมิสูง

ข้อผิดพลาดในการจัดวางระบบไฟฟ้าที่พบบ่อยที่สุดในอาคารคืออะไร

การไม่จัดให้มีพื้นที่สำหรับการบำรุงรักษาอย่างเพียงพอ แม้จะสอดคล้องกับขั้นต่ำตามมาตรฐานแล้วก็ตาม ตู้แยกวงจรที่ต้องถอดออกเพื่อการซ่อมบำรุงจำเป็นต้องมีพื้นที่มากกว่าพื้นที่ขั้นต่ำตามมาตรฐานอย่างมีนัยสำคัญ บริษัทไชน่า อิเล็กทริคอล ให้คำแนะนำเกี่ยวกับการจัดวางอุปกรณ์สวิตช์เกียร์โดยคำนึงถึงพื้นที่สำหรับการบำรุงรักษาที่มากกว่าขั้นต่ำตามมาตรฐาน

ระดับแรงดันไฟฟ้าที่แตกต่างกันมีผลต่อการจัดวางอุปกรณ์สวิตช์เกียร์อย่างไร

อุปกรณ์สวิตช์เกียร์แรงดันกลางและแรงดันต่ำควรแยกออกจากกันด้วยระยะห่างอย่างน้อย 6 ฟุต หรือใช้อุปสรรคกันไฟ ทั้งนี้การเดินสายเคเบิลระหว่างระดับแรงดันต่าง ๆ ควรหลีกเลี่ยงการเดินแบบขนานกันซึ่งอาจก่อให้เกิดสัญญาณรบกวนในวงจรควบคุม