ข้อได้เปรียบหลักของระบบ GIS ในการใช้งานกับระบบไฟฟ้าแรงสูงคืออะไร

ข้อได้เปรียบหลักของระบบ GIS ในการใช้งานกับระบบไฟฟ้าแรงสูงคืออะไร

สถานีไฟฟ้าย่อยแบบอากาศอินซูเลตเต็ด (AIS) แรง 220 กิโลโวลต์ มีพื้นที่ใช้สอยโดยประมาณ 5,000 ถึง 8,000 ตารางเมตร ขณะที่สถานีไฟฟ้าย่อยแบบก๊าซอินซูเลตเต็ดสวิตช์เกียร์ (GIS) ที่แรงเท่ากันสามารถติดตั้งได้ในพื้นที่เพียง 500 ถึง 1,200 ตารางเมตร หรือลดพื้นที่ใช้สอยลงมากกว่าร้อยละ 85 ตัวเลขนี้เองคือปัจจัยสำคัญที่ผลักดันการนำก๊าซอินซูเลตเต็ดสวิตช์เกียร์ไปใช้งานในเขตเมือง แท่นขุดเจาะนอกชายฝั่ง ถ้ำโรงไฟฟ้าพลังน้ำ และสถานที่ใดๆ ที่ต้นทุนที่ดินสูงหรือมีข้อจำกัดด้านพื้นที่จนทำให้สถานีไฟฟ้าย่อยแบบอากาศอินซูเลตเต็ดไม่สามารถใช้งานได้ อย่างไรก็ตาม การลดพื้นที่ใช้สอยนั้นเป็นเพียงข้อได้เปรียบที่มองเห็นได้ชัดเจนที่สุดเท่านั้น

ตัวกลางฉนวน: เหตุใดก๊าซซัลเฟอร์เฮกซาฟลูออไรด์จึงเปลี่ยนทุกสิ่ง

อากาศที่ความดันบรรยากาศมีค่าความต้านทานฉนวนประมาณ 3 กิโลโวลต์ต่อมิลลิเมตร ซัลเฟอร์เฮกซาฟลูออไรด์ (SF₆) ที่ความดันเกจ 4–6 บาร์ มีค่าความต้านทานฉนวน 25–30 กิโลโวลต์ต่อมิลลิเมตร หรือสูงกว่าประมาณ 8–10 เท่า นี่คือเหตุผลที่เบรกเกอร์วงจร GIS ระดับ 145 กิโลโวลต์สามารถติดตั้งอยู่ภายในเปลือกที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางเท่ากับเครื่องทำน้ำอุ่นสำหรับใช้ในครัวเรือน ในขณะที่เบรกเกอร์ AIS แบบเดียวกันจำเป็นต้องมีระยะห่างระหว่างเฟสถึงเฟส 1.5 เมตร และระยะห่างระหว่างเฟสถึงพื้นดิน 1.3 เมตร

โมเลกุล SF₆ มีความเฉื่อยทางเคมี ไม่มีพิษ และมีเสถียรภาพทางความร้อนได้สูงสุดถึง 500 องศาเซลเซียส ความสามารถในการดับอาร์กของมันสูงกว่าอากาศประมาณ 100 เท่า เนื่องจาก SF₆ จะแยกตัวที่อุณหภูมิอาร์กเหนือ 2,000 เคลวิน กลายเป็นสารที่มีปฏิกิริยาซึ่งดูดซับอิเล็กตรอนและรวมตัวใหม่อย่างรวดเร็วหลังจากกระแสไฟฟ้าลดลงถึงศูนย์ ทำให้สามารถตัดกระแสขัดข้องที่มีค่าเกิน 63 กิโลแอมแปร์ได้ภายใน 2–3 รอบคลื่น แก๊สชนิดนี้สามารถฟื้นตัวเองได้หลังการตัดแต่ละครั้ง—ต่างจากน้ำมัน ซึ่งจะเกิดคาร์บอนสะสมและจำเป็นต้องเปลี่ยนหลังจากการตัดกระแสขัดข้องจำนวนจำกัด

ข้อกังวลด้านสิ่งแวดล้อมที่มีต่อ SF₆ คือศักยภาพในการทำให้เกิดภาวะโลกร้อน ซึ่งสูงกว่า CO₂ ประมาณ 23,500 เท่า ภายในระยะเวลา 100 ปี การออกแบบอุปกรณ์ไฟฟ้าแบบปิด (GIS) รุ่นใหม่จัดการปัญหานี้ด้วยช่องบรรจุก๊าซที่ปิดผนึกถาวร โดยอัตราการรั่วไหลต่ำกว่า 0.1% ต่อปีต่อช่องบรรจุ — ต่ำกว่าค่าสูงสุดที่กำหนดไว้ที่ 0.5% ตามมาตรฐาน IEC 62271-203 ระบบตรวจสอบความหนาแน่นแบบบูรณาการรายงานความดันก๊าซแบบเรียลไทม์ผ่านอินเทอร์เฟซ SCADA และแจ้งเตือนผู้ปฏิบัติงานเมื่อมีแนวโน้มการรั่วไหลก่อนที่ค่าจะเข้าใกล้เกณฑ์เตือน

ช่วงเวลาการบำรุงรักษาและต้นทุนตลอดอายุการใช้งาน

ระบบอุปกรณ์ติดตั้งแบบเปิด (AIS) จำเป็นต้องทำความสะอาดพื้นผิวของฉนวนอย่างสม่ำเสมอ โดยเฉพาะในพื้นที่ชายฝั่ง บริเวณอุตสาหกรรม หรือเขตทะเลทราย ซึ่งการสะสมของเกลือ ฝุ่นที่นำไฟฟ้า หรือทรายจะทำให้ระยะทางการรั่วไหลตามพื้นผิวสั้นลง และเพิ่มความเสี่ยงของการลัดวงจรแบบอาร์คบนพื้นผิว สำหรับระบบอุปกรณ์ติดตั้งแบบปิด (GIS) แท่งนำกระแสและเครื่องตัดวงจรถูกห่อหุ้มอย่างสมบูรณ์ ดังนั้นสิ่งสกปรกจึงไม่สามารถเข้าไปสัมผัสพื้นผิวฉนวนได้เลย ส่งผลให้อายุการใช้งานก่อนต้องบำรุงรักษาขยายออกไป จากการตรวจสอบ AIS ทุกปี เป็นการตรวจสอบ GIS ทุก 5–10 ปี ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับจำนวนครั้งที่เครื่องตัดวงจรและสวิตช์แยกวงจรทำงานเชิงกล

การเปรียบเทียบต้นทุนตลอดอายุการใช้งานระหว่างระบบ GIS กับ AIS จะเปลี่ยนไปตามระดับแรงดันและสถานที่ติดตั้ง สำหรับแรงดัน 72.5 กิโลโวลต์ ถึง 145 กิโลโวลต์ ในสภาพแวดล้อมเมืองใหญ่ ระบบ GIS จะมีต้นทุนรวมเท่ากับ AIS ภายในระยะเวลา 8–12 ปี เมื่อนับรวมค่าที่ดิน ค่าก่อสร้างโครงสร้างพื้นฐาน และค่าแรงในการบำรุงรักษา สำหรับแรงดัน 245 กิโลโวลต์ขึ้นไป การประหยัดพื้นที่เพียงอย่างเดียวก็มักทำให้ระบบ GIS มีต้นทุนเริ่มต้นต่ำกว่าในงานติดตั้งใจกลางเมือง ซึ่งราคาที่ดินสูงกว่า 500 ดอลลาร์สหรัฐต่อตารางเมตร

การก่อสร้างแบบโมดูลาร์และการทดสอบในโรงงาน

ระบบ GIS จัดส่งมาในรูปแบบบาน (bay) ที่ประกอบและทดสอบแล้วที่โรงงาน บานแบบดับเบิลบัส-ซิงเกิลบรกเกอร์ ความต่างศักย์ 145 กิโลโวลต์ หนึ่งชุดสมบูรณ์ — ซึ่งรวมถึงเบรกเกอร์วงจร ตัวแยกวงจรสองตัว ตัวต่อพื้นดินหนึ่งตัว หม้อแปลงกระแสไฟฟ้า และหม้อแปลงแรงดันไฟฟ้า — จะถูกจัดส่งในรูปของหน่วยขนส่ง 2–3 หน่วย และประกอบเข้าด้วยกันในสถานที่โดยการเชื่อมต่อช่องบรรจุก๊าซ SF₆ แบบมีข้อต่อปลาย (flanged) และขั้วต่อสายควบคุมแบบเสียบได้ (plug-in) งานโยธาที่ดำเนินบนพื้นที่จริง ได้แก่ การเทคอนกรีตให้เรียบเป็นฐานรองรับ และการติดตั้งโครงข่ายต่อพื้นดิน (grounding grid) โดยไม่มีโครงสร้างเหล็กสำหรับรองรับ ไม่มีฉนวนรองรับแนวตั้ง (post insulators) และไม่มีระบบบัสบาร์เหนือพื้นดิน (overhead busbar system)

การทดสอบโรงงานสำหรับช่องติดตั้งแบบครบวงจร ซึ่งรวมถึงการทดสอบความต้านทานแรงดันสูง การวัดการปล่อยประจุบางส่วน (partial discharge) ที่ต่ำกว่า 5 พิโคคูลอมบ์ (pC) ตามมาตรฐาน IEC 62271-203 และการทดสอบความทนทานเชิงกล ช่วยขจัดความเสี่ยงที่เกิดขึ้นระหว่างการเดินระบบหน้างาน ซึ่งเป็นสาเหตุของความล่าช้าในการเดินระบบโครงการ AIS ถึงร้อยละ 30–40 ช่องติดตั้งแบบ GIS ที่ผ่านการทดสอบการปล่อยประจุบางส่วนที่โรงงานด้วยค่าต่ำกว่า 2 pC มักแสดงระดับ PD ที่ตรวจไม่พบหลังการติดตั้งแล้ว โดยเงื่อนไขคือต้องปฏิบัติตามขั้นตอนการจัดการก๊าซหน้างานอย่างถูกต้อง

กรณีศึกษา: สถานีไฟฟ้าย่อยในเมืองตั้งอยู่ใต้อาคารพาณิชย์

หน่วยงานสาธารณูปโภคที่ให้บริการพื้นที่มหานครซึ่งมีความหนาแน่นประชากร 12,000 คนต่อตารางกิโลเมตร จำเป็นต้องสร้างสถานีไฟฟ้าย่อยระดับแรงดัน 220/66 กิโลโวลต์ แห่งใหม่ภายในใจกลางเมือง สถานที่ที่พร้อมใช้งานเพียงแห่งเดียวคือชั้นใต้ดินของอาคารพาณิชย์แบบผสมผสานที่กำลังจะก่อสร้าง ระบบสถานีไฟฟ้าย่อยแบบเปิด (AIS) แบบทั่วไปจะต้องใช้พื้นที่ 6,000 ตารางเมตร ซึ่งมากกว่าพื้นที่ชั้นใต้ดินที่มีอยู่ถึงสามเท่า ขณะที่โซลูชันสถานีไฟฟ้าย่อยแบบปิด (GIS) ระดับแรงดัน 220 กิโลโวลต์ ที่จัดวางแบบบัสคู่ พร้อมเบย์จ่ายไฟ 8 เบย์และเบย์หม้อแปลง 2 เบย์ สามารถติดตั้งได้ในพื้นที่เพียง 800 ตารางเมตร รวมทั้งหม้อแปลงไฟฟ้าหลัก ห้องควบคุม และระบบที่เกี่ยวข้องทั้งหมด อุปกรณ์ GIS ซึ่งจัดหาโดยผู้ผลิตอุปกรณ์ไฟฟ้าแบบบูรณาการ ผ่านการทดสอบในโรงงานเป็นชุดละ 6 เบย์ และติดตั้งเสร็จสิ้นภายในระยะเวลา 14 สัปดาห์ ซึ่งเป็นระยะเวลาที่ไม่สามารถทำได้หากใช้การก่อสร้างแบบ AIS

คำถามที่พบบ่อย

ระบบ GIS เหมาะสำหรับการติดตั้งภายนอกอาคารหรือไม่

ใช่ ตู้ควบคุมของอุปกรณ์ GIS สำหรับติดตั้งภายนอกอาคารมีมาตรฐานกันน้ำและฝุ่นระดับ IP65 และโครงหุ้มทำจากโลหะผสมอลูมิเนียมที่ทนต่อการกัดกร่อน การติดตั้ง GIS ภายนอกอาคารช่วยขจัดความจำเป็นในการสร้างอาคาร จึงลดต้นทุนงานโยธาลงได้มาก และมักใช้กันอย่างแพร่หลายในช่วงแรงดัน 72.5–145 กิโลโวลต์

การจัดการก๊าซ SF₆ ระหว่างการบำรุงรักษาทำอย่างไร

ในการบำรุงรักษาที่ต้องเปิดช่องเก็บก๊าซ จะใช้รถดูดก๊าซเพื่อดูดก๊าซ SF₆ ออกเก็บไว้ในถังเก็บ แล้วกรองเพื่อกำจัดสารตกค้างจากการสลายตัว ก่อนนำกลับไปเติมในช่องเก็บหลังเสร็จสิ้นการบำรุงรักษา ไม่มีการปล่อยก๊าซ SF₆ ออกสู่บรรยากาศเลย หากปฏิบัติตามขั้นตอนการบำรุงรักษาอย่างถูกต้อง

หากเกิดการรั่วของก๊าซ SF₆ จะเกิดอะไรขึ้น

เครื่องวัดความหนาแน่นของเบย์จะส่งสัญญาณแจ้งเตือนเมื่อความดันลดลงถึงเกณฑ์แรก ซึ่งมักกำหนดไว้ที่ร้อยละ 90 ของความหนาแน่นการบรรจุตามค่าที่ระบุไว้ เมื่อความดันลดลงถึงร้อยละ 85 จะมีระบบล็อกเอาต์เพื่อป้องกันไม่ให้ตัวตัดวงจรหรือสวิตช์แยกวงจรทำงาน เนื่องจากอาจส่งผลต่อประสิทธิภาพฉนวน ผู้ปฏิบัติงานจะถูกส่งไปตรวจสอบและซ่อมแซมจุดรั่วทันทีก่อนถึงเกณฑ์ล็อกเอาต์

สามารถขยายระบบ GIS ได้หลังจากการติดตั้งเบื้องต้นหรือไม่

ได้ ระบบแบบโมดูลาร์ที่ออกแบบเป็นช่อง (bay) ช่วยให้สามารถขยายได้โดยการเพิ่มชุดช่องใหม่เข้าข้างๆ บัสบาร์ที่มีอยู่เดิม โดยติดตั้งส่วนบัสบาร์สำหรับการขยายในช่วงที่กำหนดไว้ล่วงหน้าเพื่อหยุดจ่ายไฟชั่วคราว พอร์ตสำหรับการขยายในอนาคตมักจะระบุไว้ตั้งแต่ระยะเริ่มต้นของโครงการ เพื่อให้การขยายในภายหลังทำได้ง่ายขึ้น

ระบบ GIS เปรียบเทียบกับระบบ AIS ด้านประสิทธิภาพต่อแรงสั่นสะเทือนจากแผ่นดินไหวอย่างไร

ระบบ GIS ให้สมรรถนะเหนือกว่าอย่างชัดเจน เนื่องจากจุดศูนย์กลางมวลต่ำ—ทั้งชุดมีความสูงน้อยกว่า 3 เมตร—จึงมีความมั่นคงตามธรรมชาติมากกว่าฉนวนรองรับแบบเสา (post insulators) ของระบบ AIS ซึ่งอาจสูงถึง 5–6 เมตร ระบบ GIS จึงเป็นมาตรฐานสำหรับเขตที่มีความเสี่ยงจากแผ่นดินไหว โดยที่ระบบ AIS จะต้องใช้ระบบกันสะเทือนฐาน (base isolation) ที่มีราคาแพงมาก

สามารถจัดหาสถานีไฟฟ้าย่อยแบบ GIS แบบครบวงจรได้ที่ใด

ผู้ผลิตอุปกรณ์ไฟฟ้าแบบบูรณาการที่จัดจำหน่ายชุดสถานีไฟฟ้าย่อยแบบครบวงจร—รวมถึงหม้อแปลงไฟฟ้า อุปกรณ์ควบคุมและตัดตอนไฟฟ้า ระบบป้องกัน และระบบ SCADA—ให้โซลูชัน GIS แบบพร้อมใช้งานทันที บริษัทต่างๆ เช่น Liaoning Sinotech Group จัดจำหน่ายระบบ GIS สำหรับแรงดัน 72.5 kV ถึง 245 kV เป็นส่วนหนึ่งของผลิตภัณฑ์สถานีไฟฟ้าย่อย