วิธีการเลือกหม้อแปลงที่มีความแม่นยำสูงสำหรับการวัด

การเข้าใจระดับความแม่นยำของแทรนส์ฟอร์เมอร์และมาตรฐานที่เกี่ยวข้อง

การตีความระดับความแม่นยำของ CT: 0.1, 0.2 และ 0.5 ตามมาตรฐาน IEC 61869-2

หม้อแปลงกระแสไฟฟ้า (Current transformers) มาพร้อมกับค่าความแม่นยำมาตรฐานที่กำหนดไว้ในแนวทาง IEC 61869-2 ค่าความแม่นยำเหล่านี้โดยทั่วไปจะระบุเป็นตัวเลข เช่น 0.1, 0.2 และ 0.5 ซึ่งบ่งชี้ถึงขอบเขตของความคลาดเคลื่อนที่ยอมรับได้ในการวัดกระแสไฟฟ้าภายใต้ภาระโหลดที่แตกต่างกัน ตัวอย่างเช่น หม้อแปลงกระแสไฟฟ้าที่ระบุเป็น Class 0.1 จะมีความคลาดเคลื่อนไม่เกินประมาณ ±0.1% ในขณะที่รุ่น Class 0.5 อาจมีความคลาดเคลื่อนสูงสุดถึง ±0.5% กล่าวโดยทั่วไปแล้ว ตัวเลขยิ่งต่ำยิ่งแสดงถึงความแม่นยำยิ่งสูง หน่วยแบบ Class 0.1 มักใช้ในงานที่มีผลต่อการเรียกเก็บเงินโดยตรง เนื่องจากความคลาดเคลื่อนเล็กน้อยก็ส่งผลกระทบต่อการคำนวณค่าบริการได้โดยตรง ส่วน Class 0.2 ให้ความแม่นยำเพียงพอสำหรับระบบป้องกันที่สำคัญ โดยไม่ทำให้ต้นทุนสูงเกินไป ขณะที่ Class 0.5 เหมาะสมสำหรับงานตรวจสอบและเฝ้าสังเกตทั่วไปตามปกติ ตามมาตรฐานผู้ผลิตจำเป็นต้องทดสอบอุปกรณ์เหล่านี้ในช่วงโหลดตั้งแต่ร้อยละ 5 ถึงร้อยละ 120 ของกำลังขับที่ระบุไว้ เพื่อให้มั่นใจว่าอุปกรณ์สามารถทำงานได้อย่างเหมาะสมภายใต้สภาวะการใช้งานจริง นอกจากนี้ ยังต้องประเมินไม่เพียงแต่ความแม่นยำของการวัดเท่านั้น แต่ยังรวมถึงปัจจัยอื่นๆ ด้วย เช่น ความสามารถในการจัดการมุมเฟส (phase angles) และการตอบสนองต่อการเปลี่ยนแปลงของสภาวะโหลด

ความแม่นยำระดับคลาสกำหนดข้อผิดพลาดสูงสุดที่ยอมรับได้ภายใต้สภาวะที่ระบุ

คลาสความแม่นยำโดยพื้นฐานแล้วบ่งบอกถึงค่าความผิดพลาดสูงสุดที่เป็นไปได้ (ทั้งความผิดพลาดของอัตราส่วนและความผิดพลาดของเฟส รวมกัน) เมื่อทุกอย่างอยู่ในสภาวะสมบูรณ์แบบในการทดลองในห้องปฏิบัติการ เราหมายถึงการวัดที่ดำเนินการที่ความถี่ตามค่าที่ระบุ อุณหภูมิมาตรฐานประมาณ 20 องศาเซลเซียส และเมื่อโหลดด้านรอง (secondary burden) สอดคล้องพอดีกับค่าที่กำหนดไว้เป๊ะๆ ยกตัวอย่างเช่น เครื่องแปลงกระแสไฟฟ้า (CT) คลาส 0.2 อุปกรณ์นี้จะรักษาความผิดพลาดไว้ภายในขอบเขต 0.2 เปอร์เซ็นต์ได้ก็ต่อเมื่อมันทำงานที่กระแสเต็มตามค่าที่ระบุ และยังคงอยู่ภายในช่วง ±25 เปอร์เซ็นต์ของระดับโหลดที่ระบุไว้เท่านั้น อย่างไรก็ตาม เมื่อปัจจัยจากโลกแห่งความเป็นจริงเข้ามาเกี่ยวข้อง ความแม่นยำจะเริ่มลดลงอย่างรวดเร็วมาก หากมีการเปลี่ยนแปลงของโหลด การตั้งค่าโหลด หรืออุณหภูมิแวดล้อม แม้แต่ความแตกต่างเล็กน้อยจากสภาวะอุดมคติก็อาจทำให้อุปกรณ์ทำงานผิดเพี้ยนไปจากข้อกำหนดของคลาสที่ระบุไว้ หากโหลดเกินขอบเขตความคลาดเคลื่อนที่ยอมรับได้ การจัดหมวดหมู่ทั้งหมดจะไม่สามารถใช้งานได้ และเราอาจพบว่าความผิดพลาดในการวัดเพิ่มสูงขึ้นเกิน 0.5 เปอร์เซ็นต์ระหว่างการปฏิบัติงานจริงในสนาม

พารามิเตอร์ไฟฟ้าหลักที่กำหนดความแม่นยำของหม้อแปลงในสถานการณ์จริง

การจับคู่โหลดและการต้านทานเชิงซ้อนด้านรอง: การป้องกันไม่ให้ความแม่นยำลดลง

การกำหนดภาระที่เหมาะสมมีความสำคัญอย่างยิ่งเมื่อพูดถึงหม้อแปลงไฟฟ้า ภาระที่ขดลวดรองรับโดยทั่วไปคือสาเหตุหลักของปัญหาความแม่นยำที่พบได้บ่อยในทางปฏิบัติ หากภาระจริงเกินค่าที่ระบุไว้เป็น VA แล้ว ระบบจะเริ่มทำงานผิดพลาดอย่างรวดเร็ว เนื่องจากแกนเหล็กของหม้อแปลงจะเกิดภาวะอิ่มตัว (saturation) ซึ่งส่งผลให้ทั้งอัตราส่วนและมุมเฟสในการวัดคลาดเคลื่อนไปอย่างมีนัยสำคัญ ยกตัวอย่างเช่น หม้อแปลงกระแสไฟฟ้าระดับ Class 0.5 หากใช้งานเกินภาระที่กำหนดไว้ถึง 40% มันจะเริ่มแสดงสมรรถนะเทียบเท่ากับหม้อแปลงระดับ Class 0.8 แทน นอกจากนี้ อย่าลืมพิจารณาค่าอิมพีแดนซ์ของขดลวดรองด้วย เพราะอิมพีแดนซ์ที่สูงขึ้นจะทำให้เกิดแรงดันตก (voltage drop) มากขึ้นตามสายเคเบิลที่เชื่อมต่อและภายในขดลวดรีเลย์ ส่งผลให้คุณภาพของสัญญาณเสียหาย เราเคยพบกรณีที่ความไม่ตรงกันของอิมพีแดนซ์เพียง 20% ก็เพิ่มความคลาดเคลื่อนในการวัดของมิเตอร์สำหรับการเรียกเก็บค่าไฟฟ้าถึงประมาณ 0.4% เท่านั้น ความคลาดเคลื่อนในระดับนี้เพียงพอที่จะทำให้ไม่สามารถปฏิบัติตามมาตรฐาน Class 0.2 ได้โดยสิ้นเชิง ดังนั้น สำหรับผู้ที่ต้องการความแม่นยำสูงอย่างแท้จริง การจับคู่ภาระให้ตรงกับค่าที่ออกแบบไว้อย่างแม่นยำจึงไม่ใช่เพียงแนวทางปฏิบัติที่ดีอีกต่อไป แต่เป็นสิ่งจำเป็นอย่างยิ่งหากต้องการให้อุปกรณ์ยังคงสอดคล้องกับข้อกำหนดตามมาตรฐาน IEC 61869-2 ภายใต้สภาวะการใช้งานปกติ

ช่วงกระแสไฟฟ้าที่ระบุไว้เทียบกับกระแสไฟฟ้าจริง: ความเป็นเชิงเส้นและความผิดพลาดในการวัดที่โหลดต่ำในหม้อแปลงวัดค่า

หม้อแปลงมักจะแสดงลักษณะแบบไม่เป็นเชิงเส้นเมื่อทำงานนอกช่วงกระแสที่เหมาะสม (sweet spot current range) ของมัน ที่กระแสต่ำกว่าประมาณ 5% ของค่ากระแสที่ระบุไว้ จะไม่มีการเหนี่ยวนำในแกนเหล็กเพียงพอ ส่งผลให้เกิดความคลาดเคลื่อนอย่างมีนัยสำคัญ แม้แต่หม้อแปลงประเภท Class 0.5 ที่มีความแม่นยำสูงก็อาจมีความคลาดเคลื่อนเกิน 1% ได้เมื่อทำงานภายใต้โหลดเบา ในทางกลับกัน ที่ปลายสูงของช่วงกระแส ปัญหาก็รุนแรงขึ้นเช่นกัน เมื่อเราเพิ่มกระแสเกิน 120% ของกำลังที่ระบุไว้ จะเกิดปรากฏการณ์การอิ่มตัวของสนามแม่เหล็ก (magnetic saturation) ซึ่งทำลายความเป็นเชิงเส้นโดยสิ้นเชิง โดยทั่วไปแล้วความคลาดเคลื่อนจะพุ่งสูงกว่า 2% ยกตัวอย่างหม้อแปลงกระแส (CT) ทั่วไปที่ระบุค่ากระแส 100 แอมแปร์ มันจะทำงานได้ดีมากในช่วงกระแสประมาณ 10 ถึง 120 แอมแปร์ แต่หากลดลงเหลือเพียง 5 แอมแปร์ ความคลาดเคลื่อนจะเพิ่มขึ้นทันทีจนเกิน 2% เพื่อรักษาความแม่นยำ วิศวกรจึงจำเป็นต้องเลือกหม้อแปลงที่กระแสการทำงานจริงในโลกแห่งความเป็นจริงอยู่ในบริเวณกึ่งกลางของช่วงกระแสที่ระบุไว้ แทนที่จะอยู่แค่ภายในขอบเขตระหว่างค่าต่ำสุดและสูงสุดเท่านั้น แนวทางนี้ช่วยหลีกเลี่ยงความไม่แม่นยำที่เกิดจากโหลดเบา และป้องกันไม่ให้ปัญหาการอิ่มตัวของสนามแม่เหล็กทำลายความสมบูรณ์ของสัญญาณ

ปัจจัยด้านสิ่งแวดล้อมและระดับระบบซึ่งส่งผลต่อประสิทธิภาพของหม้อแปลงไฟฟ้า

อุณหภูมิ ความถี่ และฮาร์โมนิก: การวัดค่าความเบี่ยงเบนจากความแม่นยำในอุดมคติ

หม้อแปลงไฟฟ้ามักสูญเสียความแม่นยำเมื่อถูกสัมผัสกับแรงกดดันจากสิ่งแวดล้อมและระบบซึ่งรุนแรงกว่าข้อกำหนดที่ระบุไว้ในการทดสอบในห้องปฏิบัติการอย่างมาก เมื่ออุณหภูมิเปลี่ยนแปลง จะส่งผลต่อทั้งค่าความเหนี่ยวนำของแกนเหล็ก (core permeability) และความต้านทานของขดลวด (winding resistance) ตัวอย่างเช่น หากอุณหภูมิเพิ่มสูงขึ้นเพียง 8 องศาเซลเซียสเหนือช่วงอุณหภูมิการใช้งานปกติ จะเร่งกระบวนการเสื่อมสภาพของฉนวนและก่อให้เกิดการเปลี่ยนแปลงที่สังเกตได้ชัดเจนในอัตราส่วนการวัด ตามมาตรฐาน IEC 60076-7 ปี ค.ศ. 2023 ปัญหาอีกประการหนึ่งเกิดจากความไม่เสถียรของความถี่ระบบไฟฟ้า ซึ่งพบได้บ่อยในระบบกริดที่มีกำลังอ่อนหรือระบบแยกเดี่ยว ปัญหานี้นำไปสู่ข้อผิดพลาดจากการอิ่มตัวของแกนเหล็ก (core saturation errors) โดยเฉพาะเมื่อความถี่ลดต่ำกว่าระดับปกติ ความผิดเพี้ยนแบบฮาร์โมนิก (harmonic distortions) ก่อให้เกิดปัญหาที่ซับซ้อนยิ่งขึ้นอีกประการหนึ่ง ฮาร์โมนิกอันดับที่สามและห้าที่มีค่ารวมของความผิดเพี้ยนฮาร์โมนิก (total harmonic distortion) เกิน 10% จะทำให้รูปร่างคลื่น (waveform shape) เบี่ยงเบนไปในลักษณะที่การให้ค่าความแม่นยำแบบมาตรฐานไม่สามารถครอบคลุมได้ กระแสที่มีองค์ประกอบค่าคงที่ (DC offset currents) ยิ่งทำให้สถานการณ์เลวร้ายลงด้วยการสร้างสนามแม่เหล็กตกค้าง (residual magnetism) ในแกนเหล็ก ซึ่งส่งผลให้ความสามารถในการตรวจจับจุดที่คลื่นผ่านศูนย์ (zero-crossing points) ลดลง ผลการทดสอบในสภาพแวดล้อมจริงยังแสดงให้เห็นสิ่งที่น่าสนใจอีกด้วย หม้อแปลงไฟฟ้าที่ผ่านเกณฑ์ความแม่นยำระดับ Class 0.5 ภายใต้สภาวะห้องปฏิบัติการที่ควบคุมได้ มักจะบรรลุความแม่นยำเพียงประมาณระดับ 1.0 เท่านั้นเมื่อต้องเผชิญกับแรงกดดันทั้งหมดร่วมกัน ได้แก่ ความร้อน ฮาร์โมนิก และความแปรผันของความถี่ เพื่อรับมือกับปัญหาเหล่านี้ วิศวกรจำเป็นต้องวางแผนล่วงหน้าโดยลดความสามารถในการรับโหลดลงประมาณ 15 ถึง 20 เปอร์เซ็นต์ในสถานที่ติดตั้งที่มีอุณหภูมิสูง และติดตั้งตัวกรองฮาร์โมนิก (harmonic filters) ทุกครั้งที่ค่าความผิดเพี้ยนฮาร์โมนิกรวม (total harmonic distortion) เกิน 8 เปอร์เซ็นต์

การตรวจสอบและระบุข้อกำหนดสำหรับหม้อแปลงไฟฟ้าความแม่นยำสูงสำหรับการใช้งานที่มีความสำคัญยิ่ง

กรณีศึกษา: เหตุใดหม้อแปลงกระแสไฟฟ้าระดับคลาส 0.2 จึงให้ค่าความแม่นยำในระดับ 0.5 ในการวัดพลังงานที่สถานีไฟฟ้าย่อย

โครงการวัดค่าพลังงานที่สถานีไฟฟ้าย่อยประสบปัญหาความแม่นยำอย่างรุนแรง เมื่อหม้อแปลงกระแสไฟฟ้า (CT) ระดับ Class 0.2 กลับให้ผลการวัดเพียงระดับความแม่นยำ 0.5 เท่านั้น หลังจากตรวจสอบอย่างละเอียด เราพบว่ามีปัญหาจริงในสนามถึงสามประการ ซึ่งไม่ได้รับการพิจารณาในการสอบเทียบในโรงงานแต่อย่างใด ประการแรก ระดับการบิดเบือนฮาร์โมนิก (harmonic distortion) สูงเกินกว่า 15% THD อย่างมาก เนื่องจากโหลดแบบไม่เป็นเชิงเส้น (non-linear loads) จำนวนมากที่อยู่บริเวณใกล้เคียง ซึ่งก่อให้เกิดข้อผิดพลาดของมุมเฟส (phase angle errors) ที่การทดสอบความผิดพลาดของอัตราส่วน (ratio error tests) แบบทั่วไปไม่สามารถตรวจจับได้เลย ประการที่สอง ยังมีปัญหาเรื่องอุณหภูมิอีกด้วย อุปกรณ์ต้องทำงานภายใต้ช่วงอุณหภูมิที่เปลี่ยนแปลงอย่างกว้างขวาง ตั้งแต่ -10 องศาเซลเซียส ไปจนถึงสูงสุด 50 องศาเซลเซียส ซึ่งทำให้ค่าความสามารถในการเหนี่ยวนำแม่เหล็กของแกน (core permeability) เปลี่ยนแปลง ส่งผลให้เกิดความผิดพลาดของอัตราส่วนเพิ่มเติมอีก 0.1% นอกเหนือจากค่าที่ระบุไว้เดิม ประการสุดท้าย ภาระด้านรอง (secondary burden) ที่วัดได้จริงมีค่า 4.5 VA ซึ่งสูงกว่าค่าที่ระบุไว้บนแผ่นป้ายของ CT ซึ่งมีค่า 3.2 VA ถึง 40% ความคลาดเคลื่อนนี้ทำให้มุมเลื่อนเฟส (phase displacement) เพิ่มขึ้น 0.3 องศา และส่งผลกระทบอย่างรุนแรงต่อความแม่นยำโดยรวม ทั้งสามปัจจัยนี้รวมกันทำให้ความผิดพลาดรวมเกินขีดจำกัด 0.2% ที่กำหนดไว้ สิ่งที่กรณีนี้สอนเรานั้นมีความสำคัญยิ่ง: การที่อุปกรณ์ผ่านการทดสอบในห้องปฏิบัติการไม่ได้หมายความว่าจะทำงานได้อย่างสมบูรณ์แบบในสภาพแวดล้อมจริง ดังนั้น ในการวัดค่ากำลังไฟฟ้าที่มีความสำคัญสูง ข้อกำหนดทางเทคนิคจำเป็นต้องคำนึงถึงลักษณะสเปกตรัมฮาร์โมนิกที่แท้จริง ช่วงอุณหภูมิที่ใช้งานได้จริง และค่าภาระที่วัดได้จริง แทนที่จะอาศัยเพียงข้อมูลที่พิมพ์ไว้บนป้ายของอุปกรณ์เท่านั้น

คำถามที่พบบ่อย

คลาสความแม่นยำของ CT คืออะไร?
คลาสความแม่นยำของ CT เช่น 0.1, 0.2 และ 0.5 หมายถึงความคลาดเคลื่อนสูงสุดที่ยอมรับได้ของเครื่องแปลงกระแส (Current Transformers) ตามมาตรฐาน IEC 61869-2 โดยตัวเลขยิ่งต่ำ ความแม่นยำในการวัดยิ่งสูง

เหตุใดการจับคู่โหลด (Burden Matching) จึงมีความสำคัญต่อหม้อแปลง?
การจับคู่โหลดช่วยให้โหลดที่เชื่อมต่อกับขดลวดรองของหม้อแปลงสอดคล้องกับกำลังที่กำหนดไว้ ซึ่งจะป้องกันไม่ให้แกนเหล็กอิ่มตัว (core saturation) และรักษาความแม่นยำของการวัดไว้

ปัจจัยด้านสิ่งแวดล้อมมีผลต่อความแม่นยำของหม้อแปลงอย่างไร?
ปัจจัยต่าง ๆ เช่น การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ ความไม่เสถียรของความถี่ และการบิดเบือนฮาร์โมนิก (harmonic distortions) อาจทำให้ความแม่นยำของหม้อแปลงลดลง เนื่องจากส่งผลต่อความสามารถในการเหนี่ยวนำของแกนเหล็ก (core permeability) และความต้านทานของขดลวด (winding resistance)