1

Industrial Power System ( IPS )

Design – An Overall Approach

1. ( General )

2. ( Safety )

2.1 Simplicity

2.2 Expandability - Flexibility

2.3 Maintainability

2.4 Reliability

2.5 Total Economy

3. ( Planning Activities )

3.1 Load and Supply Planning

3.2 Choice of System Network

3.3 Choice of Voltage

3.4 Short – circuit Study

3.5 Calculations of Voltage Variations

3.6 Choice of System Earthing

3.7 Protective Relaying and Coordination

3.8 P.F Correction

2

Industrial Power System ( IPS )

Design – An Overall Approach

1. General

- ระบบไฟฟาในสถานประกอบการใหญๆ อาจแบงเปน 2 แบบ คอ

1) ระบบไฟฟาในโรงงานอตสาหกรรม

( Industrial Power System )

2) ระบบไฟฟาในอาคารพาณชย

( Commercial Building Power System )

- ระบบไฟฟาในโรงงานอตสาหกรรม

• หมายถงระบบไฟฟาทใชในโรงงานอตสาหกรรมทกประเภท ซงมโรงงานขนาดเลก ,

ปานกลางและขนาดใหญ

• เนองจากโรงงานอตสาหกรรมมมากมายหลายประเภท และกระบวนการผลตกแตกตาง

กนไปตามชนดของผลตภณฑ

ดงนน ระบบไฟฟาจงตองปรบไปตามดวย

ระบบไฟฟาของโรงงานอตสาหกรรมจงซบซอน ตองศกษาใหเขาใจจงสามารถออกแบบ

และปฏบตงานไดอยางถกตอง

- ระบบไฟฟาในอาคารพาณชย

หมายถงระบบไฟฟาทใชกบอาคารพาณชยตางๆ อพารตเมนต , โรงแรม , โรงเรยนและ

มหาวทยาลย, หางสรรพสนคา เปนตน

ระบบไฟฟาของอาคารเหลาน จะคลายกนในอาคารประเภทเดยวกน และตางจากอาคารประเภท

อน

- ในทนจะกลาวเฉพาะระบบไฟฟาของโรงงานอตสาหกรรม ซงเมอศกษาใหเขาใจดแลว อาจ

นาไปใชกบระบบไฟฟาของอาคารพาณชยได

- ระบบไฟฟาของโรงงานอตสาหกรรม

คาใชจายประมาณ 5 – 10% ของการลงทนทงหมด

- นเปนเหตผลหลกทบางครงเปนการยากทวศวกรไฟฟาจะไปชกจงใหฝายบรหารเหนถง

ความสาคญของระบบไฟฟา

3

- กระบวนการผลตเปนเรองสาคญทสดสาหรบฝายบรหารและพลงงานไฟฟาเปนเพยงตวชวย

เทานน แตอยางไรกตามเปนหนาทของวศวกรไฟฟาทจะตองอธบายใหฝายบรหารเหนวา

กระบวนการผลตจะเชอถอไมไดเลย ถาระบบไฟฟาไมด

- การออกแบบขนหลกการ ( Conceptual Design Phase )

• เปนขนตอนทสาคญทสด สาหรบการออกแบบระบบไฟฟาของโรงงานใหม หรอการ

ขยาย

• การศกษาของหลกการตางๆ จะเปนตวกาหนดสาหรบระบบทดทสด

• ยงไมมมาตรฐานสากลสาหรบ IPS Conceptual Design

- รปท 1 แสดง Procedure สาหรบ IPS Design ใชเปนพนฐานสาหรบการดาเนนการออกแบบ ,

การตรวจสอบ และการประเมนแบบของระบบไฟฟา

- จากรปจะเหนไดวา

การดาเนนการออกแบบนน สวนตางๆ ของกระบวนการออกแบบจะตอโยงกนอยางใกลชด

- การทจะเปนผเชยวชาญการออกแบบ IPS นน

• ตองทางานดานนเปนเวลานาน

• อาจจะกลาววาเปนชวชวต ( Life Time Work )

• ตองเขาฝกอบรม สมมนา หลายหลกสตรทเกยวของเปนประจาเพอนาความรและเทค

โนโลยใหมๆ มาใช

4

รปท 1 Conceptual Design of an Industrial Power System

Plant layoutPower company supply

Production capacity

PlanningLoad and supply

SelectingSystem Network

VariationsCalculate voltage

earthingSelect system

protectionSelect surge

and selectivityRelay protection

Specificationand procurement

Short circuitand dynamic analysisVoltages

Selecting

voltagesPower factor

Initial Conditions

SafetySimplicity

Maintainabity

ReliabilityFlexibility

Economy

5

2. Safety

- ในมมมองของผออกแบบระบบไฟฟา เรองความปลอดภย ( Safety ) ประกอบดวย 2 สวนหลก

คอ

1) Safety Codes and Regulation

- ในหลายประเทศมกฎหมายสาหรบ Safety Codes และ Wiring Regulations

- กฎเหลานจะประกนความปลอดภยผานการใชอปกรณทมคณภาพ และการตดตง

ทถกตอง

- IEC และ National Bodies จะมขอแนะนาเพอใหระบบไฟฟาทางานไดโดยม

Safety ระดบหนง

- การทดสอบขนสดทายของความปลอดภยคอ หลงจากระบบไฟฟาไดมการตรวจ

รบ ( Commission ) เรยบรอยแลว ชางไฟฟาและเจาหนาทโรงงานไดเขาไปใช

งานประจาวนของระบบไฟฟา

- ตองมคมอการใชงาน ซงแสดงวาอปกรณตางๆ ทางานอยางไรภายใตการทางาน

ตามปกตและในสภาวะผดปกต

- ตองไมมการเดาสม หรอมขอสงสยในสภาวะฉกเฉน

2) Risk Analysis

- การวเคราะหความเสยงตองการขอมลมาก ขณะนขอมลยงหายาก

- ตองรอเวลาอกระยะหนงกอนท Risk Analysis จะใชกนอยางจรงจง

6

2.1 Simplicity

- ระบบไฟฟาทออกแบบไมซบซอนมากเกนไปจะชวยเรองความเขาใจ และลดการ

ทางานผดพลาดได

- ผออกแบบระบบ IPS จะตองเขาใจอยางดกบการปฏบตงานทางไฟฟา และการ

บารงรกษา

2.2 Expandability – Flexibility

- การขยายและตอเตมระบบไฟฟาในอนาคตจะตองรวมเขาในการวางแผนดวย

2.3 Maintainability

- เพอใหระบบไฟฟางายตอการบารงรกษา จาเปนตองคดเรอง Maintenance

Program ระหวางการวางแผนดวย

2.4 Reliability - Availability

- เรองความเชอถอได ( Reliability ) ของระบบไฟฟาใชกนมากใน Power System

ขนาดใหญ แตใน IPS ยงไมม

- IEEE มเรอง Reliability for Industrial Plants แตใชเฉพาะในสหรฐอเมรกา

- สาหรบ International Applications คงจะตองศกษาหาขอมลตอไป

2.5 Total Economy

- เปนเรอง Total Life Cycle Cost ของระบบไฟฟาในโรงงานอตสาหกรรม ซงตอง

พจารณาถง

• ราคาอปกรณ ( Equipment Cost )

• คาดาเนนการ ( Operating Cost )

7

• คาไฟดบ ( Outage Cost )

• คาการซอมแซม ( Repair Cost )

- คาเหลาน ตองนาไปวเคราะหทางเศรษฐศาสตรเพอหาความคมทน

3. Planning Activities

- รปท 1 แสดงถงวาการออกแบบขนหลกการ ( Conceptual Design ) สามารถดาเนนไปได

อยางไร

- ในตอนแรกกจกรรมทง 4 อยางคอ

1) Load and Supply Planning

2) Selecting System Network

3) Selecting Voltage

4) Short Circuit and Dynamic Analysis จะดาเนนไปพรอมๆ กน และเปนแบบ Iterative

Process

- รปท 1 ไมจาเปนตองเจาะจงมากนก แตแสดงใหเหนวาแตละกจกรรมมความเกยวของกน

ดงนนตองม Feedback Loops เพอปรบการออกแบบใหไดตามตองการ

- งานการวางแผนนขนอยกบวา Initial Conditions เปลยนไปมากนอยแคไหน และบอยแคไหน (

ในบาง Project มการเปลยนแปลง Initial Conditions มากและบอยครง ซงทาความลาบากให

วศวกรไฟฟาอยางมาก )

- ในรปท 1 แสดงวาจาเปนตองม Central IPS Engineering Body เพอรบผดชอบงานทงหมด

3.1 Load and Supply Planning

- คาถามพนฐานซงจะเปนตวกาหนดวงจรของระบบไฟฟาคอเรองเกยวกบโหลด ซงม

ดงตอไปน

• กาลงไฟฟา kW / kVA ตองการเทาใด

• โหลดขนาดใหญอยทตาแหนงใด

• ประเภทของโหลด ( Motors , Furnaces )

8

• ความตองการกาลงไฟฟารวมทงหมด

คาตอบของคาถามทกลาวมาแลว อาจไมสามารถหาไดทงหมดในชวงแรกๆ แตวศวกร

ไฟฟา จะตองพยายามคอยๆ หามาใหได

- ถามชดเครองกาเนดไฟฟาของโรงงาน หรอมระบบ Cogeneration System จะตอง

พจารณาดงตอไปน

• การคดคาไฟฟาเปนอยางไร

• ความถของการดบไฟ , คณภาพไฟฟา ทบรษทผลตไฟฟาสามารถใหได

• คากระบวนการผลตเสยหายเมอไฟดบ

• สวนของกระบวนการผลตทจาเปนตองมไฟไปเลยงเมอไฟดบ

• ม Primary Energy ราคาถกๆ หรอไม

• แผนการอนาคตของบรษทผลตไฟฟา

- ในการตดตอประสานงานกบบรษทผลตไฟฟาจะตองพจารณาเรองตอไปน

1) แรงดนทใชในปจจบนและอนาคต

2) ระดบกระแสลดวงจร

ทง 2 ขอนจะเปนตวกาหนด

Voltage Disturbance

Harmonics Due to Starting Motors

etc

3) รเลยและอปกรณปองกนกระแสเกน จะตองทางานทกระแสลดวงจรสงสดและ

ตาสด ( Maximum and Minimum Fault Current )

3.2 Choice of System Network

Single Line Diagram

- ขอกาหนดหลก ( Main Criteria ) อยางหนงของการออกแบบระบบไฟฟาคอ

“Simplicity” ซงคอ “ อยาทาใหวงจรไฟฟาซบซอนเกนความจาเปน ”

- มคาถามเกยวกบวงจรไฟฟาคอ

• การขยายตวในอนาคต จะเปนอยางไร

• วงจรแบบไหนทวศวกรผปฏบตงานชอบ

• Load Center แตละชดสามารถใหทางานเกนโหลดไดเทาใด

เมอตอบคาถามเหลานได กสามารถดาเนนการออกแบบ Network ตอไปได

9

- เพอใหการพจารณาทาไดงาย จะขอให Block Diagram คอ

รปท 2 Functional Blocks

รปท 3 Radial Distribution

รปท 4 Loop Distribution

10

รปท 2 Functional Blocks and Description of IPS Components

RecievingSwitchgear

Outdoor switchgear36-145 kV. withsingle busbar

transformerMain 1-3 transformer per

receiving station

7.2-36 kV.Indoor switchgear,Main distribution

switchgear

switchgearSubdistribution Indoor switchgear,

7.2-36 kV.

Redially fedsubstation

high voltage switchgearSubstation without

500-2500 kVAtransformer

substationLoop fed

500-2500 kVAtransformer

circuit-breakerLoad disconnectors or

11

รปท 3 Radial Distribution

รปท 4 Loop Distribution

SwitchgearRecieving

transformerMain

switchgearMain distribution

switchgearSub distribution

High-voltageload

substationRedially fedHigh-voltage

load

Low voltage

Sub distributionswitchgear

Main distributionswitchgear

transformer

RecievingSwitchgear

Main

Low voltage

Load fedsubstation

Low voltage

substationLoad fed

Low voltage

Load fedsubstation

Load fed

Low voltage

substation

12

IPS Design

Main or Primary Substation

- อาจม Main Stations 1 แหง หรอมากกวาได ขนอยกบขนาดของโหลด

- ตามรปท 2 Main Substation จะประกอบดวย 3 สวนมอ

1) Incoming Switchgear

2) Main Transformer

3) Main Distribution Switchgear

Receiving or Incoming Switchgear

- ทระดบแรงดน 66-145 kV , Switchgear ทใชจะเปนแบบนอกอาคาร ( Outdoor Switchgear )

- ถามพนทนอย หรอมปญหาเรอง Pollution อาจใชแบบ GIS SF6 Metal - Enclosedgear

- โดยทวไปจะม 1 หรอ 2 Incoming Lines จากบรษทผลตไฟฟา

- ในรปท 2 ซงเปนแบบ Single Busbar ซงจะให Reliability ดพอสมควร

Main Transformer

- ขนาดของหมอแปลงแปรไปตามโหลด

- ขนาดสงสดถง 40 – 50 MVA

- ขนาดของหมอแปลงจะเปนตวกาหนดระดบกระแสลดวงจรทางดานแรงตาและมผลตอราคา

และการปองกนของ Distribution Switchgear

- ดวยการใชพดลมในการระบายความรอน หมอแปลง สามารถจายโหลดเพมได 30 – 40 %

30/40 MVA

ONAN / ONAF

ONAN = Oil Natural Air Natural

ONAF = Oil Natural Air Forced

Main Distribution Switchgear

- แรงดนของ Main Distribution Switchgear อยระหวาง 6-36 kV

- Switchgear โดยทวไปเปนแบบใชภายในอาคาร ( Indoor Type ) ซงอาจตดตงในอาคารแยก

ตางหาก หรอในหองไฟฟาบรเวณโรงงาน

- โรงงานอตสาหกรรมขนาดใหญ อาจม 1 หรอ 2 Switchgear Assemblies ตอ Substation ซงอย

ในบรเวณเดยวกน หรอไกลจากกนกได

13

- อาจใช Double Bus Switchgear แบบ Duplex Type

Secondary or Sub-distribution Switchgear

- Switchgear Assemblies แบบน จะคลายกบ Main Distribution Switchgear และใชกบแรงดน

เทากน

- สวนมากเปนแบบ Single Bus แตอาจม Sectionalising เพอแยกโหลด เปน 2 สวน

- อาจใชเปน MV Motor Control Centre ได

Radially Fed Secondary Substation

- สถานไฟฟายอยแบบนประกอบหมอแปลงแบบนามน หรอแบบแหง พกด 0.5 – 2.5 MVA โดย

ม LV Switchgear ดวย

- เมอใช Dry Transformer , Substation กสามารถตดตงภายในอาคารได

- เนองจากปญหาเรองการตดไฟ , หมอแปลงนามนจะตองตดตงนอกอาคาร

- นอกจาก Substation จายไฟเปนแบบ Radial อาจไมม HV Equipment เลย

- ในบางกรณใชหมอแปลง 2 ลก ซงจะให Back – up ซงกนและกนผาน Tie Switchgear

- อาจใช Automatic Changeover เพอใหไดการทางานทตอเนองโดยม Short Break ถา Incoming

Feeder ชดหนง หรอ หมอแปลงตวหนงเกดปญหา

- รปท 3 เปน Radial System

Loop – Fed Secondary Substations

- Substations แบบนม HV Switchgear ซงประกอบดวย Switch Disconnectors + Current

Limiting Fuse หรอ CB สาหรบการปองกนหมอแปลง

- Substation อาจมหมอแปลง 1 – 4 ลก ซง LV Switchgear แยกจากกน

- HV Switchgear บางครงเรยกวา Ring Main Unit ( RMU )

- ตามรปท 4

- Radial และ Loop System บอยครงจะใชรวมกน เพอใหไดระบบการจายไฟทด

- Network Layout ของระบบไฟฟาจะตองตามความตองการเพอใหม Limited Power Supply ใน

กรณทบรษทผลตไฟฟาไมสามารถจายไฟได

การทางานของโรงงานอตสาหกรรมอาจแบงออกเปน 3 ลกษณะคอ

1) การทางานปกต ( Normal Operation )

2) การทางานลดขนาดลงหรอเฉพาะสวนทสาคญ ( Reduced or Vital Operation )

14

3) การทางานฉกเฉน ( Emergency Operation )

- Reduced or Vital Operation ทาไดโดยใชชดเครองกาเนดสารอง หรอรบไฟจากบรษทผลต

ไฟฟารายอน เมอระบบไฟฟาของบรษทผลตไฟฟาเกดขดของ ตองมการตดโหลดบางสวนออก

ตามทไดกาหนดไวกอนแลวโดยอตโนมต เหลอโหลดเฉพาะทสาคญจรงๆ

- สาหรบ Emergency Operation จะจายไฟใหเฉพาะอปกรณสาหรบความปลอดภยแกบคคล หรอ

อปกรณกระบวนการผลตทสาคญอยางมาก

- Single Line Diagrams สาหรบระบบไฟฟา กรณนกลาวมาแลวตามรปท 5 และ รปท 6

- รปท 5 แสดง Simple System ทมชดเครองกาเนดไฟฟา ถาไฟจากบรษทผลตไฟฟาขาดไปทง 2

สาย ไฟฟาจะดบหมด ซงกอาจยอมรบไดถากระบวนการผลตไมจาเปนตองมการ Shut Down

เปนขนๆ

- รปท 6 มชดเครองกาเนดไฟฟา 2 ระดบ

ชดแรก เปนเครองกาเนดไฟฟาขนาดใหญ สาหรบ Reduced Operation

ชด 2 เปนเครองกาเนดไฟฟา ขนาดเลก สาหรบ Emergency Operation

15

รปท 5 System Without Internal Generation

16

รปท 6 System With Three Levels of Local Generation

3.3 Choices of Voltages

- ขนาดของกระบวนการผลตบงถงความตองการดานกาลงไฟฟา ซงหมายความตอไปวา

ตองการแรงดนหนงระดบ หรอหลายระดบ

- ระบบไฟฟาโรงงานอตสาหกรรมขนาดเลก อาจตองการแรงดน LV อยางเดยว

- ระบบไฟฟาโรงงานอตสาหกรรมขนาดใหญ อาจตองการแรงดน 3 – 4 ระดบได

- Main Voltage ม

Low Voltage ( LV )

• 400 – 1000 V

• Standard 400 / 230 V 3ph 4w

• Higher Voltage 400/690V

Special Motor Voltage

• 3 – 11 kV

17

• การเลอกแรงดนทเหมาะสมกบมอเตอร ตองดเรองราคา Motor , Cable ,

Switchgear

Distribution Voltage

• 6 – 36 kV

• ขนอยกบความตองการดานกาลงไฟฟา

• ระดบกระแสลดวงจร

3.4 Short - Circuit Study

- การคานวณกระแสลดวงจร ( Short – Circuit Current Calculation ) เปนเรองทสาคญ

ทสดอยางหนง

- กระแสลดวงจรทคานวณไดจะใชในการเลอกพกดของ

Switchgear

Cables

Relays

และใชในการทา Coordination Study

- การคานวณกระแสลดวงจรทาได

• ใชเครองคานวณ ( Calculator )

• ใช Computer Programs

3.5 Calculation of Voltage Variations Load Flow Study

- ใช Computer Programs ในการทา Load Flow

- Radial System ทาดวยเครองคดเลขได

3.6 Choice of System Earthing

- จดประสงคหลกของการตอ Neutral ( N ) ลงดนโดยตรงหรอผาน Impedance คอ

a) ใหมกระแสและแรงดนระหวางเกด Earth Fault เพยงพอสาหรบ Selective

Tripping หรอ Alarm Signal

b) จากด Earth Fault Current เพอใหเกดความปลอดภยกบคนและไมทาลายวสด

อปกรณ

c) จากด Overvoltage ระหวางเกด Earth Fault

18

- การเลอก System Earthing จะเกยวของกบการเลอก Protective Relaying และ Voltage

Surge Protection

- เครองกาเนดไฟฟา มการตอลงดนพเศษ

LV 400V โดยทวไป Solidly Earthed

690V Unearthed , High Impedance

MV , HV High Impedance แตละประเทศม Practice ตางกน

3.7 Protective Relaying and Coordination Study

- การเลอกใช Protective Relays ซงมมากมายหลายชนดเชน

Overcurrent Relays

Overload Relays

Differential Relays

Overvoltage and Undervoltage Relays

Earth Fault Relays

ขนอยเหตผลหลายประการเชน

System Network

System Earthing

S/C and Stability

- Instrument Transformers จะตองทามาพจารณาดวย

- ตองทา Protection Coordination Study ภายในระบบไฟฟาของโรงงาน

- ตองทา Coordination กบ Power Company ‘s Protective Relays เพอใหระบบไฟฟา 2

สวน กลาวคอ ระบบไฟฟาของโรงงานอตสาหกรรม และระบบไฟฟาของบรษทผลต

ไฟฟาทางานรวมกนไดระหวางเกด Heavy Disturbances

3.8 Power Factor Correction

- P.F Correction ทาไดโดยการตดตง Capacitor Banks

- การทา P.F Correction ตองพจารณา 2 ขอคอ

1) คาปรบใหกบบรษทผลตไฟฟา ในกรณคา P.F ตากวามาตรฐาน

2) การประหยดในเรองของ

สายไฟฟา

หมอแปลง

การลดกาลงสญเสย

19