ประเด็นด้านพลังงานเป็นที่จับตาของทุกประเทศทั่วโลก ในสถานการณ์ที่ความต้องการด้านการใช้พลังงานมีแนวโน้มเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว แต่แหล่งพลังงานยังไม่มีแนวโน้มเพิ่มขึ้นตามไปด้วยเพื่อให้เพียงพอกับความต้องการใช้งาน โดยเฉพาะการเจริญเติบโตทางเศรษฐกิจอย่างรวดเร็วของประเทศที่กำลังพัฒนา ซึ่งมีความต้องการการใช้งานมากกว่าครึ่งของความต้องการทั้งโลก โดยเฉพาะอย่างยิ่งในเอเชีย
          ปัจจุบันประเทศไทยซึ่งเป็นหนึ่งในประเทศที่กำลังพัฒนา มีการตื่นตัวกันมากในเรื่องของการประหยัดพลังงาน ซึ่งทางรัฐบาลเองก็มีโครงการต่างๆมากมายเพื่อรณรงค์ให้ประชาชนตื่นตัวและช่วยกันประหยัดพลังงานเพื่อประโยชน์ที่จะเกิดขึ้นกับตัวเองและประเทศชาติ พลังงานไฟฟ้าก็เป็นหนึ่งในกลุ่มของพลังงานที่มีการใช้ในปริมาณที่มากโดยเฉพาะอย่างยิ่งในภาคอุตสาหกรรม ที่ทุกโรงงานจำเป็นอย่างยิ่งที่จะต้องใช้ไฟฟ้าในกระบวนการผลิต หนึ่งในวิธีการที่เราจะประหยัดพลังงานในภาคอุตสาหกรรมได้ก็คือ “การควบคุมคุณภาพและประสิทธิภาพของกำลังไฟฟ้า”
          การควบคุมคุณภาพและประสิทธิภาพของกำลังไฟฟ้า หมายถึง การที่ทำให้ภาระของแหล่งจ่ายกำลังไฟฟ้า (Load) ได้รับกำลังไฟฟ้าใกล้เคียงกับกำลังไฟฟ้าที่จ่ายออกมาจากแหล่งกำเนิดมากที่สุด ซึ่งในทางปฏิบัติถ้าไม่มีการควบคุมประสิทธิภาพของกำลังไฟฟ้าจะทำให้เกิดการสูญเสียในกระบวนการจ่ายกำลังไฟฟ้าในปริมาณที่มากอันจะส่งผลให้โรงงานต้องสิ้นเปลืองค่าไฟฟ้าเป็นจำนวนมาก และหากไม่มีการควบคุมคุณภาพของกำลังไฟฟ้าก็จะส่งผลให้เกิดความเสียหายกับอุปกรณ์หรือเครื่องจักรที่นำมาต่อใช้งานได้ และปัจจัยที่ทำให้เกิดการสูญเสียของกำลังไฟฟ้าและคุณภาพไฟฟ้าที่แย่นั้นได้แก่ ค่า Power Factor, Noise และ Harmonic ถ้าเราสามารถควบคุมและกำจัดค่าดังกล่าวข้างต้นจะทำให้ได้ไฟฟ้ามีคุณภาพและประสิทธิภาพที่ดี สามารถลดค่าใช้จ่ายที่ต้องสูญเสียโดยไม่จำเป็นได้อีกด้วย

คุณภาพกำลังไฟฟ้าคืออะไร
          ปัจจุบันคำว่า คุณภาพกำลังไฟฟ้า ( Power Quality ) เป็นคำที่พูดถึงบ่อยในเรื่องของความมั่นคงการจ่ายไฟฟ้าของระบบจากการไฟฟ้าฯและกรณีเมื่อเกิดปัญหาอุปกรณ์ไฟฟ้ามีการทำงานผิดพลาด  หรือหยุดการทำงานจากผู้ใช้ไฟฟ้า ซึ่งเห็นได้ว่าคำนิยามของคำว่าคุณภาพกำลังไฟฟ้าระหว่างการไฟฟ้าและผู้ใช้ไฟจะพูดถึงในกรณีที่แตกต่างกันไป แต่ในความเป็นจริงแล้วมีความหมายเดียวกันซึ่งนิยามของคุณภาพกำลังไฟฟ้าตามมาตรฐานสากล  IEC และ  IEEE ให้ความหมายของคุณภาพกำลังไฟฟ้า คือ  คุณลักษณะกระแสแรงดัน และความถี่ของแหล่งจ่ายไฟฟ้าในสภาวะปกติไม่ทำให้อุปกรณ์ไฟฟ้ามีการทำงาน ผิดพลาดหรือเกิดการเสียหาย

เหตุผลหลักที่ทำให้มีการพิจารณาถึงคุณภาพกำลังไฟฟ้า
          1)  เนื่องจากในปัจจุบันในกระบวนการผลิตของภาคอุตสาหกรรมมีการใช้อุปกรณ์ไฟฟ้ามีเทคโนโลยีสูงขึ้นซึ่งจะมีความไวในการตอบสนองต่อการเปลี่ยนแปลงคุณภาพของกำลังไฟฟ้ามากกว่าในอดีต โดยเฉพาะอุปกรณ์ประเภทอิเลคทรอนิกส์กำลังดังเช่น  อุปกรณ์ที่ถูกควบคุมด้วยไมโครโปรเซสเซอร์ Programmable Logic Controller ( PLC), Adjustable Speed Drive( ASD)  และรีเลย์บางชนิด ฯ
          2)  การเพิ่มขึ้นของการใช้อุปกรณ์ไฟฟ้าที่มีเทคโนโลยีสูงขึ้นเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพในระบบไฟฟ้าดังเช่น ตัวอย่างของกระบวนการผลิตในโรงงานอุตสาหกรรมหนึ่งมีการใช้อุปกรณ์  ASD เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพในการผลิตซึ่ง ASD เป็นแหล่งจ่ายฮาร์มอนิกส์ก็จะทำให้เกิดปัญหาฮาร์มอนิกส์ผลกระทบต่อระบบไฟฟ้านั้นได้    และถ้ามีคาปาซิเตอร์ติดตั้งอยู่ในระบบเพื่อปรับปรุงกำลังไฟฟ้า ก็ยิ่งทำให้เกิดปัญหาฮาร์มอนิกส์รุนแรงมากยิ่งขึ้น
          3)  ผู้ใช้ไฟทราบถึงปัญหาคุณภาพไฟฟ้ามากขึ้นที่มีผลกระทบต่อกระบวนการผลิตในอุตสาหกรรมของตัวเองมากขึ้น ดังเช่น ปัญหาจากแรงดันตกชั่วระยะสั้น (Voltage Sag) ทำให้การไฟฟ้าหาแนวทางและวิธีการเพื่อปรับปรุงคุณภาพไฟฟ้าให้ดีขึ้น
          4) ระบบไฟฟ้าที่มีการเชื่อมต่อถึงกัน ถ้าส่วนใดของระบบเกิดปัญหาคุณภาพไฟฟ้าก็จะทำส่วนอื่นๆ ของระบบได้รับผลกระทบจากปัญหาคุณภาพกำลังไฟฟ้าตามไปด้วย ดังเช่น โรงงานอุตสาหกรรมหนึ่งมีการใช้โหลดที่เป็นแหล่งจ่ายฮาร์มอนิกส์ และ ฮาร์มอนิกส์นั้นอาจไหลเข้าสู่ระบบไฟฟ้า อาจทำให้โรงงานบริเวณข้างเคียงได้รับผลกระทบจากปัญหาฮาร์มอนิกด้วยเช่นกัน

ปัญหาคุณภาพไฟฟ้าที่เกิดขึ้นโดยทั่วไปเกิดจาก 5 สาเหตุใหญ่ ได้แก่
            1) จากปรากฏการณ์ธรรมชาติเช่น ฟ้าผ่า
            2) จากการเกิดสภาวะความผิดพร่อง (fault) ทางไฟฟ้าในระบบสายส่งและระบบจำหน่ายของการไฟฟ้า
            3) จากการกระทำการสวิตชิ่งอุปกรณ์ในระบบ
            4) จากการใช้งานอุปกรณ์ที่ไม่เป็นเชิงเส้นในระบบอุตสาหกรรม
            5) จากการต่อลงดินที่ไม่ถูกต้อง

1. ภาวะชั่วครู่ (Transient)  คือปรากฏการณ์การเปลี่ยนแปลงของสภาพไฟฟ้า ( แรงดัน กระแส ) ในเวลาทันทีทันใดจากสภาพปกติแบ่งออกเป็น 2 ประเภท คือ Impulsive Transients และ Oscillatory Transients

รูปที่1. กระแสที่เกิดขึ้นจากการเกิดอิมพัลส์ชั่วครู่เกิดโดยฟ้าผ่า      

มาตรฐาน IEEE std 1159 - 1995 มีการกำหนดค่าอิมพัลส์ตามช่วงระยะเวลาที่เกิดกับค่าระยะเวลาที่แรงดันเริ่มสูงขึ้น (rise time) ดังตารางที่ 1

อิมพัลส์ภาวะชั่วครู่	ระยะเวลาที่แรงดันเริ่มสูงขึ้น( rise time)	ช่วงระยะเวลาการเกิด (Duration)
Nanosecond	5 ns	< 50 ns
Microsecond	1 U s	50 ns - 1 ms
Millisecond	0.1 ms	> 1 ms

ตารางที่1 แสดงค่าระยะเวลาที่แรงดันเริ่มสูงขึ้นกับช่วงระยะเวลาการเกิดของอิมพัลส์                      

           1.2 ออสซิเลทชั่วครู่ (Oscillatory Transient) คือ ลักษณะของแรงดันหรือกระแสแรงดันมีค่าสูง เกิดขึ้นในทันทีทันใด ไม่มีความถี่เปลี่ยนแปลงมีการเปลี่ยนแปลงขั้ว(บวก ลบ) ของรูปคลื่นอย่างรวดเร็ว ดังรูปที่ 2, 3 และ4 มีสาเหตุเกิดจากการสวิตชิ่งของอุปกรณ์ในระบบ ผลทำให้อุปกรณ์ไฟฟ้าได้รับความเสียหาย และฉนวนของอุปกรณ์มีการเสื่อมสภาพหรือมีการสูญเสียความเป็นฉนวนเร็วขึ้น มาตรฐาน IEEE std 1159 - 1995 มีการแบ่งการเกิดออสซิเลทในภาวะชั่วครู่ ตามขนาดแรงดันและช่วงระยะเวลาการเกิดตามความถี่ ดังตารางที่ 2

ตารางที่2 แสดงขนาดแรงดันและช่วงเวลาตามความถี่ออสซิเลทชั่วครู่



รูปที่2 กระแสออสซิเลทใชั่วครู่เกิดจากการสวิตชิ่งคาปาซิเตอร์แบบ Back-to-Back



รูปที่3 แรงดันออสซิเลทความถี่ต่ำชั่วครู่เกิดจากการสวิตชิ่งคาปาซิเตอร์แบบเข้าระบบ



รูปที่4 แรงดันออสซิเลทความถี่ต่ำชั่วครู่เกิดจากเฟอโรเรโซแนนซ์ในสภาวะหม้อแปลงไม่มีโหลด

2. การเปลี่ยนแปลงแรงดันช่วงระยะสั้น (Short Duration Voltage Variation) คือ การเปลี่ยนแปลงค่าแรงดัน rms ที่มีระเวลาการเปลี่ยนแปลงค่าไม่เกิน 1 นาทีมีสาเหตุส่วนใหญ่เกิดจากสภาวะความผิดพร่อง (fault) ทางไฟฟ้าทำให้เกิดเหตุการณ์แรงดันตก (Voltage Sag หรือ Voltage Dip ) แรงดันเกิน  (Voltage Swell) และไฟดับ (Interruptions) มาตรฐาน IEEE Std 1159-1995 มีการเรียกชื่อแรงดันดังกล่าวตามระยะเวลาที่เกิด คือ เวลาทันทีทันใด(Instantaneous) ชั่วขณะ ( Momentary) และชั่วครู่(Temporary) ดังตารางที่3

Voltage Sag & Swell

Interruption

ตารางที่3. แสดง ระยะเวลาการเกิดแรงดันตก แรงดันเกิน และไฟดับของการเปลี่ยนแปลงแรงดันช่วงเวลาสั้นๆ

           2.1 แรงดันตกช่วงสั้น (Voltage Sag ) คือ ค่าแรงดัน rms มีขนาดลดลงระหว่าง 0.1-0.9 pu. ในช่วงเวลาระหว่าง 10 ms - 1min มีสาเหตุส่วนใหญ่ เกิดขึ้นกับเฟสที่เกิดความผิดพร่องทางไฟฟ้า ดังรูปที่ 5 ทำให้แรงดันมีค่าลดลงเหลือ 0.2 pu. ของแรงดันปกติ (80% sag) ในช่วงเวลา 3 ไซเคิล และรูปที่6 แรงดันมีค่าลดลงจากผลของการสตาร์ทมอเตอร์ขนาดใหญ่ ซึ่งมอเตอร์อินดัคชั่นขณะสตาร์ทจะมีกระแสสูงสูงถึง 6-10 เท่าของกระแสโหลดปกติ มีผลทำให้อุปกรณ์ที่ไวต่อการเปลี่ยนแปลงคุณลักษณะของแหล่งจ่ายไฟ มีการทำงานผิดพลาดหรือหยุดการทำงาน

รูปที่ 5 Voltage Sag จากสาเหตุการเกิดความผิดพร่องทางไฟฟ้าลงดิน

รูปที่ 6 Voltage Sag จากผลของการสตาร์ทมอเตอร์ขนาดใหญ่

           2.2 แรงดันเกินช่วงสั้น (Voltage Swell) คือ ค่าแรงดัน rms มีขนาดเพิ่มขึ้นระหว่าง 1.1-1.8 pu. ในช่วงเวลาระหว่าง 10 ms - 1min ดังรูปที่7  มีสาเหตุส่วนใหญ่จะเกิดขึ้นกับเฟสที่ไม่ได้เกิดความผิดพร่องทางไฟฟ้าโดยตรง หรืออาจเกิดจากการปลดโหลดขนาดใหญ่ออกจากระบบหรือมีการต่อคาปาซิเตอร์ขนาดใหญ่เข้าระบบมีผลทำให้อุปกรณ์ได้รับความเสียหายหรือทำให้อุปกรณ์ที่ไวต่อการเปลี่ยนแปลงคุณลักษณะของแหล่งจ่ายไฟมีการทำงานผิดพลาดหรือหยุดการทำงาน

รูปที่ 7 Voltage Swell จากสาเหตุการเกิดความผิดพร่องทางไฟฟ้าลงดิน

          2.3 ไฟดับช่วงสั้น (Voltage Interruption) คือ ค่าแรงดัน rms มีค่าลดลงต่ำกว่า 0.1 pu. ในช่วงระหว่าง 10 ms - 1 min มีสาเหตุเกิดจากสภาวะความผิดพร่องทางไฟฟ้าในระบบ ทำให้อุปกรณ์ป้องกันมีการตัดวงจรแหล่งจ่ายไฟออกดังรูปที่ 8 แสดงการเกิดไฟดับช่วงระยะเวลาสั้นๆ ประมาณ 1.8 sec จากการทำงานของรีโคลสเซอร์ตัดวงจรแหล่งจ่ายออกจากระบบก่อนจะมีการต่อวงจรเข้าไปดังเดิมอีกผลทำให้อุปกรณ์ไฟฟ้าหยุดการทำงาน

รูปที่ 8 ไฟฟ้าดับชั่วขณะจากสาเหตุรีโคลสเซอร์มีการทำงานเนื่องจากการเกิดความผิดพร่องทางไฟฟ้า

รูปที่9 ขั้นตอนการทำงานรีโคสเซอร์ในระบบของ กฟภ.

4.แรงดันไม่สมดุล (Voltage Unbalance) คือ แรงดันของระบบ3 เฟสมีขนาดแตกต่างกัน ( 0.5-2% ) หรือมีมุมเปลี่ยนไปจาก 120 องศา เกิดจากความไม่สมดุลขนาดของโหลดแต่ละเฟสสามารถกำหนดได้จากอัตราส่วนขององค์ประกอบลำดับลบ V2 ( Negative Sequence ) หรือองค์ประกอบลำดับศูนย์ V0 (Zero Sequence ) ต่อองค์ประกอบลำดับบวก V1 (Positive Sequence) ดังรูปที่10 ผลทำให้อุปกรณ์เช่นมอเตอร์หม้อแปลงไฟฟ้ามีอายุการใช้งานน้อยลงเนื่องจากผลความร้อนที่เกิดขึ้น

รูปที่10 แรงดันไม่สมดุลที่สายป้อนที่จ่ายไฟให้ที่พักอยู่อาศัย

5.ความผิดเพี้ยนรูปคลื่น(WAVEFORM DISTORTION) การผิดเพี้ยนของรูปคลื่น คือ การเบี่ยงเบนในสภาวะคงตัวของรูปคลื่นไซด์ที่มีความถี่ทางกำลังไฟฟ้า และสามารถอธิบายคุณลักษณะได้โดยแยกองค์ประกอบทางความถี่ออกมา การผิดเพี้ยนของรูปคลื่นแบ่งออกได้ 5 ชนิด ได้แก่

                      - องค์ประกอบไฟตรง (DC offset)
                      - ฮาร์มอนิก (Harmonic)
                      - อินเตอร์ฮาร์มอนิก (Interharmonic)
                      - คลื่นรอยบาก(Notching)
                      - สัญญาณรบกวน(Noise)

          5.1 องค์ประกอบไฟตรง (DC offset) คือ การที่มีกระแสหรือแรงดันไฟตรงปะปนอยู่ในระบบไฟฟ้ากระแสสลับเป็นผลมาจากการใช้อุปกรณ์เรียงกระแสแบบครึ่งคลื่น (Half-wave Rectifier) เป็นผลทำให้เกิดความร้อนและค่ากำลังสูญเสียของหม้อแปลงและอาจจะทำให้เกิดการผุกร่อนของแท่งกราวด์ได้

รูปที่11 องค์ประกอบไฟตรง

          5.2 ฮาร์มอนิก (Harmonic)  คือ ส่วนประกอบในรูปสัญญาณคลื่นไซน์ (Sine wave) ของสัญญาณหรือปริมาณเป็นคาบใดๆ ซึ่งมีความถี่เป็นจำนวนเต็มเท่าของความถี่หลักมูล( Fundamental Frequency ในระบบไฟฟ้าเรามีค่า 50 Hz ) เช่น ฮาร์มอนิกลำดับที่3มีค่าความถี่เป็น150Hzฮาร์มอนิกลำดับที่5มีค่าความถี่เป็น250Hzฯ ผลของฮาร์มอนิกเมื่อรวมกันกับสัญญาณความถี่หลักมูลด้วยทางขนาด (Amplitude) และมุมเฟส ( Phase Angle ) ทำให้สัญญาณที่เกิดขึ้นมีขนาดเปลี่ยนไปและมีรูปสัญญาณเพี้ยน ( Distrotion )ไปจากสัญญาณคลื่นไซน์ เป็นผลเกิดจากการใช้อุปกรณ์ประเภทที่ไม่เป็นเชิงเส้นทำให้อุปกรณ์ในระบบไฟฟ้ามีการทำงาน ผิดพลาดและถ้ามีการขยายของฮาร์มอนิกที่มีขนาดมากพออาจจะทำให้อุปกรณ์เกิดการชำรุดขึ้นได้

รูปที่12 กระแสฮาร์มอนิก

          5.3 อินเตอร์ฮาร์มอนิก (Interharmonic)  คือ ส่วนประกอบในรูปสัญญาณคลื่นไซน์ (Sine wave) ของสัญญาณหรือปริมาณเป็นคาบใดๆ ซึ่งมีความถี่ไม่เป็นจำนวนเต็มเท่าของความถี่หลักมูล(Fundamental Frequency) เช่นมีความถี่ที่104Hz,117Hz,134Hz,147Hzฯ  ลักษณะการเกิดและผลกระทบจะมีลักษณะเช่นเดียวกับฮาร์มอนิกส์

          5.4 คลื่นรอยบาก (Notching) คือ สิ่งรบกวนทางแรงดันไฟฟ้าลักษณะคล้ายกับฮาร์มอนิกและทรานเชี้ยนท์ที่มีลักษณะต่อเนื่อง เป็นผลเกิดจากใช้อุปกรณ์อิเลคทรอนิกกำลัง เมื่อกระแสถูกเปลี่ยนจากเฟสหนึ่งไปยังอีกเฟสหนึ่ง  ผลทำให้อุปกรณ์ประเภทอิเลคทรอนิกส์มีการทำงานผิดพลาด

รูปที่13 คลื่นรอยบากเกิดจากคอนเวอเตอร์ ชนิด 3 เฟส

รูปที่14 สัญญาณรบกวน (Noise)

รูปที่15 แรงดันกระเพื่อม

7.การแปรเปลี่ยนความถี่กำลังไฟฟ้า (Power Frequency Variation) คือ ปรากฏการณ์ที่ความถี่ของระบบไฟฟ้ามีค่าเปลี่ยนไปจากค่าความถี่ปกติ 50 Hz  เป็นผลเกิดจากการทำงานผิดพลาดของ เครื่องกำเนิดไฟฟ้าขนาดใหญ่หรือมีการหลุดออกจากระบบ ทำให้มีกระทบต่อการทำงานของอุปกรณ์ไฟฟ้าที่มีการทำงานสัมพันธ์กับความถี่ระบบไฟฟ้า เช่นเครื่องกลไฟฟ้า

          จากที่กล่าวมาคำว่าคุณภาพกำลังไฟฟ้าคงจะเป็นเรื่องที่เราควรใส่ใจมากขึ้น ซึ่งในการแก้ไขปัญหาคุณภาพกำลังไฟฟ้าที่ได้ผลสูงสุด จะต้องอาศัยความร่วมมือกันระหว่างทุกคนที่มีส่วนร่วม เพื่อให้การแก้ไขเป็นในแนวทางเดียวกัน และสิ่งแรกที่ควรทำคือ ความเข้าใจของคำจำกัดความลักษณะของการเกิด และผลกระทบปัญหาคุณภาพกำลังไฟฟ้าในเบื้องต้น เพื่อให้ได้ไฟฟ้าที่มีคุณภาพ ยืดอายุการใช้งานของเครื่องจักรหรือเครื่องใช้ไฟฟ้า ดังนั้นเราทุกคนควรที่จะหันมาใส่ใจและร่วมมือกันเพื่ออนาคตของลูกหลานเราและประเทศไทย
          

เอกสารอ้างอิง
            1. IEEE std 1159-1995 , IEEE Recommended Practice for Monitoring Electric Power Quality
            2. Electrical Power Systems Quality "Roger C. Dugan , Mark F. McGranaghan ,H. Wayne Beaty"