กระแสไฟฟ้าที่ใช้กันในอาคารบ้านเรือนหรือห้องปฏิบัติการนั้น จะเป็นระบบไฟฟ้ากระแสสลับ (alternative current) ที่มีแรงดัน (หรือแรงเคลื่อน) ไฟฟ้าต่ำ โดยจะแยกออกเป็น 2 ระบบคือ ระบบแรงเคลื่อนไฟฟ้า 100-120 V และระบบแรงเคลื่อนไฟฟ้า 200-240 V
ระบบแรงเคลื่อนไฟฟ้า 100-120 V (คืออาจเป็น 100 V 110 V หรือ 120 V) เท่าที่ทราบก็มีประเทศญี่ปุ่นและสหรัฐอเมริกา การที่ใช้แรงเคลื่อนไฟฟ้าต่ำทำให้เมื่อต้องการพลังงานที่สูง จึงต้องดึงกระแสไฟฟ้าในปริมาณมาก เพราะพลังงาน (P) ที่เครื่องใช้ไฟฟ้าต้องการคือผลคูณระหว่างความต่างศักย์ (V) กับกระแส (I) ตามสมการ P = IV
แต่การสูญเสียเนื่องจากความต้านทานนั้นแปรผันตามผลคูณระหว่างกระแสไฟฟ้ายกกำลังสอง (I2) กับความต้านทาน (R) ตามสมการ P(lost) = I2R พลังงานไฟฟ้าที่สูญเสียไปนี้จะกลายไปเป็นพลังงานความร้อนที่สายไฟฟ้า ดังนั้นถ้าเครื่องใช้ไฟฟ้าดึงกระแสมาก การสูญเสียพลังงานไฟฟ้าไปเป็นพลังงานความร้อนก็จะสูงตามไปด้วย
หนทางหนึ่งที่จะลดการสูญเสียดังกล่าวคือการใช้ความต่างศักย์ไฟฟ้าที่สูงขึ้น
ในบ้านเรานั้นใช้แรงดันไฟฟ้า 220 V (อยู่ในกลุ่ม 200-240 V คือมีประเทศที่ใช้แรงดันไฟฟ้า 200 V 220 V และ 240 V) แรงดันที่กล่าวมานี้เป็นแรงดันที่เรียกว่าแรงดันสาย (วัดเทียบกับสาย neutral หรือวัดเทียบกับสายดิน (คำว่าสายดินหรือต่อลงดินนี้ อเมริกาใช้คำว่าground แต่อังกฤษใช้คำว่า earth))
ไฟฟ้ากระแสสลับที่ส่งออกมาจากเครื่องกำเนิดไฟฟ้านั้นจะเป็นระบบไฟ 3 เฟสที่มีเฟสต่างกัน 120 องศา แรงดันไฟฟ้าที่วัดระหว่างแต่ละเฟสจะเรียกว่าแรงดันเฟส ซึ่งในระบบไฟฟ้า 220 V นั้นถ้าวัดแรงดันเฟสจะได้ 380 V แต่ถ้าเป็นระบบไฟฟ้า 240 V (เช่นที่ประเทศอังกฤษ) จะวัดแรงดันเฟสได้ 418 V
ไหน ๆ เราก็ใช้ไฟฟ้ากันอยู่ทุกวันแล้ว คราวนี้ลองมาทำความรู้จักกับระบบไฟฟ้ากระแสสลับแรงดันต่ำกันบ้าง
ระบบไฟฟ้ากระแสสลับแรงดันต่ำที่เห็นใช้กันอยู่ในห้องปฏิบัติการนั้น พอจะแบ่งออกได้เป็น 5 ประเภทคือ
- 1 เฟส 2 สาย
- 1 เฟส 3 สาย
- 3 เฟส 3 สาย
- 3 เฟส 4 สาย และ
- 3 เฟส 5 สาย
ต่อไปก็ขอไล่ทีละประเภท
1. ระบบ 1 เฟส 2 สาย
ระบบนี้เรียกได้ว่าเป็นระบบพื้นฐานที่สุด เห็นกันทั่วไปมากที่สุด ระบบนี้ใช้ไฟฟ้า 1 เฟส 220 V ประกอบด้วยสาย line (สายที่มีไฟ) กับสาย neutral (สายที่ให้ไฟฟ้าเดินครบวงจร) ส่วนสายใดจะเป็นสาย line หรือ neutral นั้นใช้ไขควงเช็คไฟตรวจสอบจะดีที่สุด อย่าคาดหวังว่าจะดูได้จากสีฉนวนสายไฟ (บ้านเราเอาแน่เอานอนไม่ได้) ปลั๊กไฟที่ใช้กันก็เป็นแบบ 2 ขา อุปกรณืไฟฟ้าที่ใช้กับระบบไฟแบบนี้คือพวกที่ไม่จำเป็นต้องมีการเดินสายดิน เช่นหลอดไฟฟ้า พัดลม วิทยุ โทรทัศน์ หรืออุปกรณ์ไฟฟ้าบางชนิดเช่นสว่านไฟฟ้าที่ระบุว่าเป็นแบบ double insulator เป็นต้น
ปัญหาหนึ่งที่เห็นเกิดขึ้นกับระบบไฟฟ้าแบบนี้คือสวิตช์ปิด-เปิด (ซึ่งกรณีของสวิตช์ขนาดเล็กที่ใข้กันทั่วไปนั้นจะตัดวงจรเพียงแค่สายเดียว) นั้นต้องอยู่ที่สาย line เพราะเมื่อปิดอุปกรณ์ไฟฟ้าแล้วอุปกรณ์ไฟฟ้าก็จะหยุดการทำงานและไม่มีกระแสไฟฟ้าไหลเข้าตัวอุปกรณ์ แต่ถ้าสวิตช์ปิด-เปิดไปอยู่ที่สาย neutral เมื่อใด แม้จะปิดอุปกรณ์ไฟฟ้าไปแล้ว แต่ถ้ามีใครไปจับต้องอุปกรณ์ไฟฟ้านั้นและกระแสไฟฟ้าสามารถไหลลงดินได้ ผู้ที่จับต้องอุปกรณ์ไฟฟ้านั้นก็จะถูกไฟดูดได้ ดังนั้นเมื่อใดที่ต้องทำการซ่อมอุปกรณ์ไฟฟ้า จึงควรต้องถอดปลั๊กออกจากเต้ารับด้วย อย่าคิดพึ่งแต่สวิตช์
ในบางแห่งนั้นอาจพบว่าหลอดฟลูออเรสเซนส์เมื่อปิดไฟแล้วยังมีการเรืองแสงอยู่ นั่นแสดงว่าสวิตช์ที่ใช้เปิด-ปิดหลอดไฟดวงนั้นตัดสาย neutral ไม่ได้ตัดสาย line การแก้ปัญหากระทำโดยการเปลี่ยนสายที่เข้าสวิตช์ปิด-เปิดเสียใหม่ให้กลายเป็นสาย line แทน
รูปที่ 1 (ซ้าย) ตำแหน่งของสวิตช์นั้นต้องอยู่ตัดสาย line (L) ไม่ใช่สาย neutral (N) แต่ถ้าไปตัดสาย neutral ดังรูปขวา ถ้ามีคนไปจับต้องอุปกรณ์ไฟฟ้าเมื่อใด กระแสไฟฟ้าก็จะสามารถไหลผ่านตัวคนลงสู่พื้นดินได้ ทำให้ผู้จับได้รับอันตราย
2. ระบบ 1 เฟส 3 สาย
ระบบนี้ยังคงเป็นระบบไฟฟ้า 220 V และเป็นระบบที่ปลอดภัยกว่าระบบแรก สำหรับบ้านในปัจจุบันนั้นการไฟฟ้ากำหนดให้ต้องมีการเดินสายดิน หรือบ้านที่ต้องเปลี่ยนสายไฟฟ้าใหม่ทั้งหลังก็ควรที่จะเดินสายดินด้วย
ระบบสายดินนั้นเป็นการต่อสายไฟฟ้าจากตัวอุปกรณ์ไฟฟ้าไปยังแท่งเหล็กอาบทองแดงที่ฝังไว้ ณ ตำแหน่งใดตำแหน่งหนึ่งของตัวบ้าน ความลึกและความยาวของแท่งจะเป็นเท่าใดนั้นขึ้นอยู่กับว่าความชื้นในดินมีเท่าใด
รูปที่ 2 (ซ้าย) การต่อสายไฟของระบบ 1 เฟส 3 สาย สายดิน (E) นั้นจะต่อจากตัวถังอุปกรณ์ส่วนที่เป็นโลหะ เช่นตัวตู้เย็น เครื่องซักผ้า เครื่องทำน้ำร้อน ฯลฯ ไปยังสายไฟที่เชื่อมต่อกับแท่งโลหะที่ฝังดินอยู่ ในกรณีที่มีไฟฟ้ารั่วมายังตัวถัง (ขวา) ถ้าความต้านทานลงสู่พื้นดินผ่านทางสายดินนั้นต่ำกว่าการไหลผ่านตัวคนที่ไปจับ ผู้ที่ไปจับต้องอุปกรณ์ก็จะรอดพ้นจากการถูกไฟฟ้าดูด
บ้านบางหลังมีการติดตั้งอุปกรณ์ป้องกันอันตรายจากไฟฟ้าดูด ซึ่งอุปกรณ์ดังกล่าวจะทำงานเมื่อมีกระแสไฟฟ้าไหลเกินกำหนด (ระดับมิลิแอมป์ mA) ตัวอุปกรณ์ไฟฟ้าบางชนิดหรือสายไฟบางเส้นที่เดินอยู่นอกอาคารอาจมีกระแสไฟฟ้ารั่วไหลอยู่ เมื่อมีการต่อสายดิน (หรือฝนตก) ก็จะทำให้มีกระแสไฟฟ้าส่วนหนึ่งไหลลงสู่พื้นดิน ทำให้อุปกรณ์ป้องกันอันตรายจากไฟฟ้าดูดนั้นทำงานโดยการตัดไฟฟ้า การแก้ปัญหาโดยการเพิ่มอัตราการรั่วไหลที่ยอมรับได้หรือากรปิดการทำงานอุปกรณ์ป้องกันอันตรายนั้นเป็นการแก้ปัญหาแบบชั่วคราว ที่ถูกต้องคือต้องหาว่ามีการรั่วไหลที่ใด และทำการแก้ไขที่อุปกรณ์หรือเปลี่ยนสายไฟฟ้าเส้นที่มีปัญหานั้น
อันตรายอย่างหนึ่งที่เกิดกับระบบไฟฟ้าชนิดนี้คือจะเกิดเมื่อตอนที่เปลี่ยนปลั๊กตัวผู้ เหตุการณ์นี้เคยเกิดในแลปเราครั้งหนึ่งโดยนิสิตป.เอกผู้หนึ่ง ทำการเปลี่ยนปลั๊กไฟตู้อบ (vacuum oven) สิ่งที่เกิดขึ้นคือพอเสียบปลั๊กไฟตู้อบแล้ว circuit breaker จะตัดวงจรไฟฟ้าทันที ตอนแรกที่ผมมาเจอนิสิตในแลปบอกว่าเป็นเพราะว่าเสียบกาน้ำร้อนแล้วดึงไฟเยอะ แต่พอตรวจสอบแล้วปรากฏว่าไม่ใช่ เลยไปสอบถามนิสิตป.เอกผู้ที่เปลี่ยนปลั๊กไฟนั้น เขาก็ยืนยันเสียงหนักแน่นว่าเขาเปลี่ยนถูกแน่นอน และไม่ยอมไปตรวจสอบใหม่ด้วย (สาเหตุหนึ่งคงเป็นเพราะเขาไม่ค่อยชอบหน้าผม เพราะเขาต้องการทำแต่งานวิจัยของตัวเองเพื่อให้ตัวเองจบ โดยไม่สนใจที่จะทำงานส่วนกลางของแลปที่แต่ละคนได้รับมอบหมายให้ทำ และอาจารย์ที่ปรึกษาของเขาก็ไม่กล้าลงโทษด้วย จนผมต้องถามอาจารย์ที่ปรึกษาเขาว่าว่าตกลงว่าใครมีอำนาจเหนือใครกันแน่) พอผมไปตรวจสอบก็พบว่าเขาต่อสายไฟผิด โดยเอาสาย live ไปต่อที่ขา ground ของปลั๊กตัวผู้
เหตุการณ์นี้นับว่าโชคดีมากที่ circuit breaker ตัดวงจรไฟฟ้า เพราะถ้ามันไม่ทำงานและมีใครไปจับผนังตู้อบเมื่อใด อาจถูกไฟดูดจนเสียชีวิตได้
3. ระบบ 3 เฟส 3 สาย
สำหรับอุปกรณ์ไฟฟ้าที่มีกำลังสูงนั้น การใช้ไฟฟ้าเฟสเดียวจะต้องการกระแสไฟฟ้าที่สูง สายไฟต้องเส้นใหญ่ตามไปด้วย ทางออกทางหนึ่งคือการใช้ระบบไฟฟ้า 3 เฟส ซึ่งทำให้สายไฟในแต่ละเฟสนั้นลดต่ำลง ดังนั้นแทนที่จะใช้สายไฟสายใหญ่เพียงเส้นเดียว ก็กลายเป็นใช้สายไฟเส้นเล็กเพียง 3 เส้นแทน ความต่างศักย์ไฟฟ้าที่ใช้กับอุปกรณ์ประเภทนี้จะเป็น 380 V (แรงดันเฟส)
อุปกรณ์ที่ใช้ไฟฟ้าระบบนี้ที่เห็นกันทั่วไปได้แก่มอเตอร์ไฟฟ้า โดยเฉพาะพวกที่มีมีขนาดมากกว่า 1 แรงม้า พึงระลึกว่าอุปกรณ์ไฟฟ้าพวกมอเตอร์ไฟฟ้านั้นจะใช้หน่วยเป็น VA คือผลคูณระหว่างความต่างศักย์กับกระแส ไม่ได้ใช้หน่วยเป็นวัตต์ (W) ทั้งนี้เพราะกำลังไฟฟ้าที่ได้นั้นจะขึ้นอยู่กับค่าตัวประกอบกำลัง (power factor หรืออาจเขียนว่า cos(θ)) VA จะเท่ากับ W ก็ต่อเมื่อค่าตัวประกอบกำลังเท่ากับ 1
สวิตช์ไฟฟ้าที่ใช้กับอุปกรณ์ไฟฟ้า 3 เฟสนั้น เวลาตัดกระแสไฟฟ้าก็จะต้องตัดกระแสไฟฟ้าทั้ง 3 เส้น ปัญหาหนึ่งที่ต้องระวังไม่ให้เกิดขึ้นกับอุปกรณ์ไฟฟ้าที่ใช้ไฟฟ้า 3 เฟส (รวมทั้งพวก 4 สายในข้อ 4 และ 5 สายในข้อ 5 ข้างล่างด้วย) คือการที่กระแสไฟฟ้าขาดหายไปเฟสใดเฟสหนึ่ง เช่นระบบจ่ายไฟฟ้าอาจมีปัญหาจนทำให้กระแสไฟฟ้าหายไป 1 เฟส เหลือจ่ายเพียง 2 เฟส เพราะสิ่งที่จะเกิดตามมาคือตัวมอเตอร์จะดึงกระแสไฟฟ้าจาก 2 เฟสที่เหลือเข้ามาชดเชย เพื่อให้กำลังขาออกคงเดิม ปริมาณกระแสไฟฟ้าที่ดึงเข้ามาในเฟสที่เหลือ 2 เฟสนั้นอาจสูงจนสายไฟฟ้าร้อนจัดจนทนไม่ได้
อุปกรณ์อีกชนิดหนึ่งที่เคยเห็นว่าใช้ไฟฟ้าระบบ 3 เฟสคือเตาเผาอุณหภูมิสูงขนาดใหญ่ ซึ่งจะกินกระแสไฟฟ้ามาก การแก้ปัญหาคือใช้ไฟฟ้าระบบ 3 เฟสเพื่อกระจายการดึงกระแสไม่ให้อยู่ที่เฟสใดเฟสหนึ่งเพียงเฟสเดียว
สิ่งหนึ่งที่ต้องระวังคือ อย่าสับสนระหว่างระบบไฟฟ้า 3 เฟส 3 สายกับระบบไฟฟ้า 1 เฟส 3 สาย
อุปกรณ์ชิ้นหนึ่งในห้องปฏิบัติการของเราที่กินกระแสสูงแต่ใช้ไฟเฟสเดียวคือเครื่อง XRD เครื่องนี้ใช้ไฟฟ้า 1 เฟสแต่กินกระแส 30 A
4. ระบบ 3 เฟส 4 สาย
ระบบ 3 เฟส 4 สายนี้แตกต่างจากระบบ 3 เฟส 3 สายตรงที่มีการเพิ่มสาย neutral (N) เข้ามา
อุปกรณ์ไฟฟ้าพวกมอเตอร์ไฟฟ้านั้น เวลาเริ่มเดินเครื่องจะกินกระแสไฟฟ้ามาก (เคยอธิบายเรื่องนี้เอาไว้แล้วใน memoir ฉบับวันพฤหัสบดีที่ ๑๘ กุมภาพันธ์ ๒๕๕๓ เรื่องฝึกงานภาคฤดูร้อน ๒๕๕๓ ตอนที่ ๖ ระบบ piping ของปั๊มหอยโข่ง) และถ้าความต่างศักย์ที่จ่ายเข้าขดลวดของมอเตอร์นั้นสูงด้วยแล้ว ก็อาจทำให้ขดลวดไหม้ได้
การแก้ปัญหาดังกล่าวทำได้โดยการเริ่มต้นเดินเครื่องในขณะที่ต่อวงจรแบบวาย (Y) หรือ star ทำให้ลดปริมาณกระแสที่ไหลผ่านขดลวดในขณะที่ขดลวดเริ่มหมุน และเมื่อมอเตอร์เริ่มหมุนได้รอบแล้วจึงเปลี่ยนวงจรมาเป็นแบบเดลต้า (Δ) ในการต่อวงจรแบบ Y นั้นจำเป็นต้องมีการใช้สาย neutral ซึ่งในขณะที่ต่อวงจรแบบ Y ความต่างศักย์คร่อมขดลวดจะมีค่าเพียง 220 V และเมื่อปรับการต่อวงจรเป็นแบบเดลต้าแล้วความต่างศักย์คร่อมขดลวดจะปรับขึ้นเป็น 380 V
สำหรับอุปกรณ์ที่อยู่ในสภาพสมบูรณ์และมีการดุลเฟสเป็นอย่างดีนั้น กระแสไฟฟ้าที่ไหลทางสาย neutral ควรมีค่าเป็นศูนย์ (เกิดจากการหักล้างระหว่างเฟสทั้ง 3 ได้พอดี) ถ้าพบว่ากระแสที่ไหลในสาย neutral มีค่ามากกว่าศูนย์ก็แสดงว่าขดลวดแต่ละขดมีความไม่สมดุล
รูปที่ 3 การต่อวงจรไฟฟ้า 3 เฟสแบบวาย (ซ้าย) ซึ่งความต่างศักย์คร่อมแต่ละขดลวดจะเป็นเพียง 220 V แต่เมื่อเปลี่ยนมาต่อแบบเดลต้า (ขวา) ความต่างศักย์คร่อมขดลวดจะเพิ่มเป็น 380 V
5. ระบบ 3 เฟส 5 สาย
ระบบนี้เหมือนกับระบบ 3 เฟส 4 สาย แต่มีสายดินเพิ่มเข้ามาอีก 1 สาย การต่อสายดินก็เป็นการต่อเข้ากับตัวถังอุปกรณ์เพื่อป้องกันอันตรายจากไฟฟ้าดูด
อุปกรณ์ไฟฟ้าอื่นในโรงงานอุตสาหกรรม (เช่นมอเตอร์ขนาดใหญ่) นั้นอาจจะใช้ไฟฟ้าที่ความต่างศักย์สูงกว่านี้ ตัวหนึ่งที่เคยเห็นคือมอเตอร์สำหรับเครื่องปั๊มอากาศขนาดใหญ่ ทื่ใช้ไฟแรงดัน 6.6 kV เพื่อลดกระแส แต่ถึงกระนั้นก็ตามตอนที่เริ่มเดินเครื่อง กระแสไฟที่เข้ามอเตอร์ก็กระโดยไปถึงประมาณ 700 A ก่อนที่จะตกกลับลงมาเหลือประมาณ 100 A เศษเมื่อมอเตอร์หมุนได้ความเร็วรอบปรกติ
การที่มอเตอร์กินกระแสไฟฟ้ามากในขณะที่เริ่มเดินเครื่องนั้น ถ้าหากมีการเริ่มเดินเครื่องมอเตอร์หลายตัวพร้อมกันก็อาจทำให้ circuit breaker ของระบบจ่ายไฟฟ้าหลักตัดวงจรไฟฟ้าได้ วิธีที่ดีกว่าคือค่อย ๆ เริ่มเดินเครื่องมอเตอร์ไฟฟ้าทีละตัวจนกว่าจะครบทั้งระบบ
เหตุการณ์นี้เคยเกิดขึ้นกับระบบ glove box ของห้องแลป กล่าวคือไฟฟ้าดับและไม่มีใครเข้าไปปิด vacuum pump ต่าง ๆ ของ glove box โดยที่สวิตช์ของ vacuum pump นั้นยังคงค้างอยู่ที่ตำแหน่งเปิด ที่นี้พอกระแสไฟฟ้ากลับคืนเดิม ตัวอุปกรณ์ไฟฟ้าต่าง ๆ ของ glove box ก็ดึงกระแสเข้าพร้อมกันทันที ปริมาณกระแสที่เข้าไปนั้นสูงขึ้นอย่างรวดเร็วจนฟิวส์ทำงาน (ตัดวงจร) ไม่ทัน ทำให้ระบบ UPS เกิดความเสียหายต้องซ่อมใหญ่ นับจากวันนั้นมาก็เลยต้องมีการจัดเวรยามเฝ้า glove box และเวลาเขียนคู่มือการใช้งานเครื่องมือ ต้องมีการวางแผนรองรับด้วยว่าถ้าไฟฟ้าดับจะต้องรีบทำอย่างไร และก่อนที่จะเริ่มเดินเครื่องใหม่ต้องปรับตั้งระบบให้กลับไปอยู่ที่ภาวะใดก่อน
ไม่มีความคิดเห็น:
แสดงความคิดเห็น