เกณฑ์การเลือกอุปกรณ์สวิตช์เกียร์สำหรับโครงการพลังงานหมุนเวียนคืออะไร

ข้อกำหนดด้านแรงดันไฟฟ้า ภาระงาน และประสิทธิภาพในการรองรับกระแสลัดวงจรสำหรับอุปกรณ์สวิตช์เกียร์พลังงานหมุนเวียน

การจัดระดับแรงดันไฟฟ้าแรงกลาง (MV) และแรงดันไฟฟ้าแรงสูง (HV) ให้สอดคล้องกับจุดเชื่อมต่อกับโครงข่ายไฟฟ้าและขนาดของโครงการ

การเลือกระหว่างแรงดันไฟฟ้าระดับกลาง (MV: ประมาณ 1 กิโลโวลต์ ถึง 52 กิโลโวลต์) กับแรงดันไฟฟ้าระดับสูง (HV: ทุกค่าที่สูงกว่า 52 กิโลโวลต์) ขึ้นอยู่กับความต้องการของระบบจำหน่ายไฟฟ้าและขนาดของโครงการเป็นหลัก โครงการพลังงานแสงอาทิตย์ขนาดใหญ่โดยทั่วไปจะเชื่อมต่อกับระบบจำหน่ายที่ระดับแรงดันประมาณ 34.5 กิโลโวลต์ แต่โครงการพลังงานลมขนาดเล็กในชุมชนมักใช้งานได้ดีด้วยแรงดันไฟฟ้าระหว่าง 12 ถึง 15 กิโลโวลต์ การเลือกระดับแรงดันผิดอาจก่อให้เกิดปัญหาต่าง ๆ เช่น ฉนวนล้มเหลว หรือกำลังของอุปกรณ์ไม่ถูกใช้ประโยชน์อย่างเต็มที่ ตัวอย่างเช่น ฟาร์มพลังงานแสงอาทิตย์ขนาดใหญ่ 100 เมกะวัตต์ ที่เชื่อมต่อกับสายส่งหลัก จะต้องใช้อุปกรณ์สวิตช์เกียร์ระดับแรงดันสูงที่มีค่าแรงดันกำหนดไม่น้อยกว่า 36 กิโลโวลต์ ในทางกลับกัน แผงเซลล์แสงอาทิตย์บนหลังคาบ้านขนาดเล็กสามารถทำงานได้ดีมากด้วยอุปกรณ์ระดับแรงดันกลางสูงสุดถึง 15 กิโลโวลต์ วิศวกรส่วนใหญ่มักอ้างอิงมาตรฐาน IEEE C37.20.2 ในการประเมินปัญหาความเข้ากันได้เหล่านี้ในระบบที่ใช้พลังงานหมุนเวียนประเภทต่าง ๆ

การคำนวณค่ากระแสไฟฟ้าที่กำหนด (Current Ratings) และความสามารถในการทนต่อภาวะผิดปกติ (Fault Withstand Capacity) สำหรับแหล่งผลิตไฟฟ้าแบบไม่ต่อเนื่องและไม่สมดุล

การผลิตพลังงานหมุนเวียนทำให้เกิดรูปแบบโหลดที่แปรผันและกระแสลัดวงจรแบบไม่สมมาตร ซึ่งต้องการการลดกำลังลงอย่างเข้มงวด (derating) และความสามารถในการทนต่อข้อบกพร่องได้อย่างแข็งแกร่ง แผงสวิตช์เกียร์ต้องสามารถรองรับได้:

• กระแสต่อเนื่อง : 125% ของกำลังขาออกสูงสุดของอินเวอร์เตอร์สำหรับระบบพลังงานแสงอาทิตย์; 130% ของกำลังขาออกสูงสุดของกังหันลมสำหรับระบบพลังงานลม
• ทนต่อกระแสลัดวงจร : อย่างน้อย 40 kA เป็นเวลา 3 วินาที เพื่อจัดการเหตุการณ์พุ่งสูง (surge events) ระหว่างความผิดปกติของระบบไฟฟ้า

รหัสข้อกำหนดของระบบส่งจ่ายไฟฟ้า (Grid codes) สนับสนุนข้อกำหนดเหล่านี้อย่างเข้มงวด: มาตรฐาน IEEE 1547 กำหนดให้ระบบรับพลังงานแสงอาทิตย์ (PV systems) ต้องสามารถรองรับภาระเกินชั่วคราวได้ถึง 150% ในขณะที่การใช้งานกับกังหันลมต้องสามารถทนต่อภาระแบบเป็นรอบ (cyclic load) ได้ถึง 200% เพื่อรองรับความเฉื่อยของกังหันและแรงบิดที่เปลี่ยนแปลงตามกระแสลมกระโชก

ประเภทของอุปกรณ์สวิตช์เกียร์ที่ออกแบบให้เหมาะสมกับการใช้งานเฉพาะด้าน สำหรับการผสานรวมระบบพลังงานแสงอาทิตย์ กังหันลม และระบบเก็บพลังงาน

อุปกรณ์สวิตช์เกียร์ระดับแรงดันกลาง (MV Switchgear) แบบโลหะหุ้ม (Metal-Clad), แบบสถานีไฟฟ้าแบบรวม (GIS) และแบบไม่ใช้ก๊าซ SF6 สำหรับฟาร์มพลังงานแสงอาทิตย์ (PV Farms) และสถานีย่อยกังหันลม (Wind Substations)

โครงการพลังงานหมุนเวียนขนาดใหญ่ต้องการอุปกรณ์สวิตช์เกียร์แรงดันกลางที่สามารถบำรุงรักษาได้ง่าย ใช้พื้นที่น้อยลง และยังคงความปลอดภัยได้ในสภาพแวดล้อมที่หลากหลาย ส่วนใหญ่แล้วฟาร์มพลังงานแสงอาทิตย์จะเลือกใช้การออกแบบแบบโลหะหุ้ม (metal clad) เนื่องจากมีลักษณะเป็นโมดูลาร์ โดยเซอร์กิตเบรกเกอร์ที่ถอดออกได้ช่วยให้ช่างเทคนิคสามารถซ่อมแซมระบบได้โดยไม่จำเป็นต้องปิดสถานีไฟฟ้าย่อยทั้งหมด ซึ่งช่วยประหยัดเวลาและต้นทุน สำหรับการติดตั้งกังหันลมนอกชายฝั่ง หรือสถานที่ที่มีพื้นที่จำกัดมาก อุปกรณ์สวิตช์เกียร์แบบฉนวนก๊าซ (GIS) จึงกลายเป็นทางเลือกที่นิยมมากที่สุด ระบบที่ใช้เทคโนโลยีนี้สามารถลดความต้องการพื้นที่ทางกายภาพลงได้ประมาณสองในสามเมื่อเทียบกับตัวเลือกแบบดั้งเดิม ทั้งยังมีคุณสมบัติต้านทานการกัดกร่อนจากน้ำเค็มได้ตามธรรมชาติ อีกทั้งเมื่อกฎระเบียบเกี่ยวกับการปล่อยก๊าซเรือนกระจกเข้มงวดขึ้นทั่วโลก เราจึงเห็นการนำทางเลือกที่ไม่ใช้ก๊าซ SF6 เพิ่มมากขึ้นในปัจจุบัน บริษัทต่างๆ หันไปใช้เทคโนโลยีการตัดกระแสแบบสุญญากาศ (vacuum interruption) ร่วมกับวัสดุฉนวนแบบแข็ง (solid dielectric insulation) แทนก๊าซ SF6 แบบเดิม อุปกรณ์รุ่นใหม่นี้ให้ประสิทธิภาพเทียบเท่ากับรุ่นก่อนหน้าอย่างสมบูรณ์ แต่สามารถกำจัดข้อกังวลทั้งหมดเกี่ยวกับก๊าซเรือนกระจกที่เคยสร้างปัญหาให้กับอุตสาหกรรมมาโดยตลอด

อุปกรณ์สวิตช์เกียร์แบบกระแสตรง (DC) และแบบไฮบริดกระแสสลับ/กระแสตรง (AC/DC) สำหรับการจัดเก็บพลังงานด้วยแบตเตอรี่และการใช้งานในไมโครกริด

ระบบจัดเก็บพลังงานแบตเตอรี่ หรือที่เรียกกันสั้น ๆ ว่า BESS จำเป็นต้องใช้อุปกรณ์สวิตช์เกียร์กระแสตรง (DC) ที่ออกแบบมาเป็นพิเศษ เนื่องจากต้องเผชิญกับปัญหาบางประการที่ค่อนข้างเฉพาะตัว ต่างจากระบบกระแสสลับ (AC) ซึ่งมีจุดธรรมชาติที่กระแสลดลงเป็นศูนย์อยู่เสมอ ในขณะที่ระบบกระแสตรงไม่มีจุดดังกล่าว และยังมีปรากฏการณ์การปล่อยพลังงานอย่างรวดเร็ว (fast discharge spikes) ซึ่งอาจทำให้อุปกรณ์เสียหาย ด้วยเหตุนี้ อุปกรณ์สวิตช์เกียร์รุ่นใหม่จึงประกอบด้วยองค์ประกอบต่าง ๆ เช่น คอยล์เป่าอาร์กแบบแม่เหล็ก (magnetic blowout coils) และช่องดับอาร์กที่แข็งแรงยิ่งขึ้น ซึ่งสามารถตัดข้อบกพร่องของกระแสตรงได้เกือบในทันที โดยปกติแล้วจะใช้เวลาเพียงไม่กี่มิลลิวินาที เมื่อพิจารณาโซลูชันอุปกรณ์สวิตช์เกียร์แบบผสมระหว่าง AC/DC สิ่งที่ทำให้โซลูชันเหล่านี้โดดเด่นคือความสามารถในการปกป้องชิ้นส่วนทั้งหมด ขณะเดียวกันก็สามารถเปลี่ยนแหล่งจ่ายไฟฟ้าต่าง ๆ ได้อย่างราบรื่นภายในโครงสร้างไมโครกริด ลองนึกภาพระบบที่ผสานแผงเซลล์แสงอาทิตย์ แบตเตอรี่ และเครื่องกำเนิดไฟฟ้าสำรองแบบดั้งเดิม — อุปกรณ์ประเภทนี้สามารถจัดการทุกส่วนได้อย่างมีประสิทธิภาพ การเชื่อมต่อแบบ DC โดยตรง (native DC coupling) นั้นแท้จริงแล้วช่วยลดการสูญเสียพลังงานระหว่างกระบวนการแปลงพลังงาน และยังทำให้ระบบสามารถดำเนินการได้อย่างอิสระเมื่อกริดหลักหยุดทำงาน ความสามารถนี้ไม่ใช่เพียงแนวทางปฏิบัติที่ดีเท่านั้น แต่กำลังกลายเป็นสิ่งจำเป็นอย่างยิ่งในการปฏิบัติตามข้อกำหนดทางกฎหมาย เช่น มาตรฐาน UL 1741 SA และ IEEE 1547-2018 ซึ่งมีความสำคัญเพิ่มขึ้นเรื่อย ๆ ตามที่สถานที่ต่าง ๆ จำนวนมากขึ้นเรื่อย ๆ มุ่งมั่นสู่ความเป็นอิสระด้านพลังงาน

ความทนทานต่อสิ่งแวดล้อมและการออกแบบที่พร้อมใช้งานจากระยะไกลสำหรับสถานที่พลังงานหมุนเวียน

ความต้านทานการกัดกร่อน ตู้ครอบระดับ IP65+ และระบบจัดการอุณหภูมิแบบปรับตัวได้ในสภาพอากาศที่รุนแรง

อุปกรณ์สวิตช์เกียร์ที่ติดตั้งในสถานีพลังงานหมุนเวียนต้องเผชิญกับความท้าทายอย่างรุนแรงจากสภาวะแวดล้อมที่เลวร้าย ฟาร์มลมตามแนวชายฝั่งประสบปัญหาการกัดกร่อนจากละอองเกลือ ในขณะที่ระบบติดตั้งแผงโซลาร์เซลล์ในทะเลทรายต้องต่อสู้กับการขัดสีจากทรายและระดับความชื้นที่อาจสูงถึงมากกว่า 90% ตามผลการวิจัยของ AMPP ปี 2023 ประมาณหนึ่งในสี่ของความล้มเหลวทางไฟฟ้าทั้งหมดเกิดขึ้นเนื่องจากการกัดกร่อนในสภาพแวดล้อมที่รุนแรงเหล่านี้ เพื่อรับมือกับปัญหานี้ ตู้ครอบแบบปิดผนึกสามชั้นที่มีมาตรฐาน IP66 สามารถป้องกันไม่ให้ฝุ่นและน้ำแทรกซึมเข้าไปภายในระหว่างเหตุการณ์สภาพอากาศรุนแรง เช่น ฤดูมรสุมหรือพายุทราย สำหรับสถานการณ์ที่รุนแรงยิ่งกว่านั้น ผู้ผลิตจะใช้วัสดุเช่น สแตนเลสเกรด 316L หรือโลหะผสมนิกเกิล ซึ่งได้รับการรับรองตามมาตรฐาน ISO 12944 C5-M สำหรับสถานที่ที่มีสารเคมีรุนแรงหรือสัมผัสกับสภาพแวดล้อมทางทะเลโดยตรง ระบบจัดการความร้อนยังมีบทบาทสำคัญอย่างยิ่งในบริบทนี้ โดยระบบดังกล่าวใช้ฮีตเตอร์แบบ PTC และพัดลมปรับความเร็วได้เพื่อรักษาประสิทธิภาพการทำงานของอุปกรณ์ให้คงที่แม้ในช่วงอุณหภูมิสุดขั้ว ตั้งแต่ลบ 40 องศาเซลเซียส ไปจนถึงบวก 55 องศาเซลเซียส ระบบเหล่านี้ช่วยป้องกันไม่ให้เกิดปรากฏการณ์แฟลชโอเวอร์ (flashover) ที่เป็นอันตรายซึ่งเกิดจากหยดน้ำควบแน่นเมื่ออุณหภูมิเปลี่ยนแปลงอย่างรุนแรงในช่วงกลางคืน — ปรากฏการณ์ดังกล่าวได้รับการทดสอบและบันทึกไว้อย่างละเอียดในมาตรฐาน IEC TR 63397:2022

ความพร้อมด้านดิจิทัล: อุปกรณ์สวิตช์เกียร์อัจฉริยะสำหรับการตรวจสอบ การควบคุมอัตโนมัติ และการปฏิบัติตามข้อกำหนดของระบบไฟฟ้า

การรวมเข้ากับมาตรฐาน IEC 61850, โปรโตคอล SCADA (Modbus/DNP3) และการวินิจฉัยขั้นขอบ (Edge-Based Diagnostics)

อุปกรณ์สวิตช์เกียร์มีบทบาทสำคัญอย่างยิ่งในระบบพลังงานหมุนเวียนสมัยใหม่ โดยทำหน้าที่มากกว่าเพียงจุดตัดการเชื่อมต่อแบบธรรมดาเท่านั้น เมื่ออุปกรณ์รองรับมาตรฐาน IEC 61850 แบบเนทีฟ จะทำให้รีเลย์ป้องกัน ตัวตรวจวัด และตัวควบคุมจากผู้ผลิตต่างยี่ห้อสามารถทำงานร่วมกันได้อย่างไร้รอยต่อ ส่งผลให้การติดตั้งง่ายขึ้นและเร่งกระบวนการตรวจสอบความสอดคล้องกับข้อกำหนดของระบบไฟฟ้า (grid codes) ปัจจุบัน ระบบส่วนใหญ่ยังเชื่อมต่อกับแพลตฟอร์ม SCADA ผ่านโปรโตคอลต่าง ๆ เช่น Modbus TCP และ DNP3 การเชื่อมต่อเหล่านี้ช่วยให้ผู้ปฏิบัติงานสามารถตรวจสอบและควบคุมทุกสิ่งทุกอย่างจากระยะไกล พร้อมรักษาความปลอดภัยของข้อมูลทั่วทั้งเครือข่ายไว้อย่างมั่นคง โปรเซสเซอร์อัจฉริยะที่ฝังอยู่ภายในอุปกรณ์เหล่านี้สามารถตรวจสอบระดับกระแสไฟฟ้า ค่าแรงดันไฟฟ้า การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ รวมทั้งตรวจจับการปล่อยประจุบางส่วน (partial discharges) ได้ในระดับท้องถิ่น โดยสามารถตรวจจับปัญหาได้ภายในเวลาไม่ถึง 20 มิลลิวินาที ซึ่งมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการตอบสนองอย่างรวดเร็วต่อเหตุการณ์ islanding เครื่องมือบำรุงรักษาเชิงพยากรณ์ขั้นสูงวิเคราะห์ประสิทธิภาพการทำงานของชิ้นส่วนต่าง ๆ ตลอดระยะเวลาที่ผ่านมา เพื่อทำนายว่าเมื่อใดที่ชิ้นส่วนอาจเสียหาย ตามรายงาน Energy Grid Insights ปี 2023 แนวทางนี้ช่วยลดเวลาหยุดทำงานโดยไม่คาดคิดลงเกือบครึ่งหนึ่ง นอกจากนี้ยังมีคุณสมบัติอื่นอีก คือ ตรรกะการป้องกันแบบปรับตัว (adaptive protection logic) ซึ่งรักษาความมั่นคงของระบบโดยการปรับค่าตั้งค่าอัตโนมัติเมื่อแหล่งพลังงานหมุนเวียนมีการเปลี่ยนแปลง ซึ่งช่วยให้รักษาระดับความสอดคล้องกับข้อกำหนดด้าน Low Voltage Ride Through (LVRT) และขีดจำกัดการบิดเบือนฮาร์โมนิก (harmonic distortion limits) ได้โดยไม่จำเป็นต้องปรับแต่งด้วยมือ

คำถามที่พบบ่อย

ระดับแรงดันไฟฟ้าใดที่มักใช้กับอุปกรณ์สวิตช์เกียร์สำหรับพลังงานหมุนเวียน?

แรงดันไฟฟ้าระดับกลาง (MV) มักอยู่ในช่วง 1 กิโลโวลต์ ถึง 52 กิโลโวลต์ และมักใช้กับระบบที่มีขนาดเล็กกว่า ในขณะที่แรงดันไฟฟ้าระดับสูง (HV) คือแรงดันที่สูงกว่า 52 กิโลโวลต์ ซึ่งมักจำเป็นสำหรับการติดตั้งในระบบขนาดใหญ่

อุปกรณ์สวิตช์เกียร์สนับสนุนระบบจัดเก็บพลังงานแบตเตอรี่อย่างไร?

อุปกรณ์สวิตช์เกียร์แบบกระแสตรง (DC) ที่ใช้ในระบบจัดเก็บพลังงานแบตเตอรี่สามารถจัดการกับความท้าทายเฉพาะ เช่น คลื่นการปล่อยประจุอย่างรวดเร็ว โดยการรวมคุณสมบัติพิเศษ เช่น ขดลวดเป่าอาร์กแม่เหล็ก (magnetic blowout coils) และรางดับอาร์ก (arc chutes) เพื่อจัดการกับข้อผิดพลาดได้อย่างรวดเร็ว

ทางเลือกอื่นที่ไม่ใช้ก๊าซ SF6 สำหรับอุปกรณ์สวิตช์เกียร์มีอะไรบ้าง?

แนวโน้มล่าสุดกำลังเปลี่ยนไปใช้เทคโนโลยีการตัดวงจรด้วยสุญญากาศ (vacuum interruption technology) ร่วมกับวัสดุฉนวนแข็ง (solid dielectric insulation materials) ซึ่งช่วยขจัดความจำเป็นในการใช้ก๊าซ SF6 ซึ่งเป็นก๊าซเรือนกระจก แต่ยังคงรักษาประสิทธิภาพไว้ใกล้เคียงกับระบบเดิม

สภาพแวดล้อมมีผลต่ออุปกรณ์สวิตช์เกียร์ที่ติดตั้งในสถานที่ผลิตพลังงานหมุนเวียนอย่างไร?

อุปกรณ์สวิตช์เกียร์ที่ติดตั้งในสถานีพลังงานหมุนเวียนอาจประสบปัญหาจากการกัดกร่อนจากละอองเกลือ การขัดสึกหรอจากทราย และอุณหภูมิสุดขั้ว แนวทางแก้ไขรวมถึงการใช้ตู้ครอบที่แข็งแรงทนทานและระบบจัดการความร้อนแบบปรับตัว เพื่อให้มั่นใจในความทนทาน