แรงดันไฟฟ้าทนต่อแรงกระชากฟ้า: คู่มือทางเทคนิคสำหรับอุปกรณ์จ่ายไฟฟ้าแรงสูง

บทนำ

ทุกปี ฟ้าผ่าและแรงดันไฟฟ้าชั่วคราวจากการสลับวงจรทำลายอุปกรณ์เสริมระบบจ่ายไฟแรงดันปานกลางอย่างเงียบๆ — ไม่ใช่เพราะวิศวกรละเลยความเสี่ยง แต่เป็นเพราะ แรงดันไฟฟ้าทนต่อแรงกระตุ้นฟ้าผ่า (LIWV) ข้อกำหนดของส่วนประกอบฉนวนของพวกเขาไม่เคยถูกคำนวณหรือทดสอบอย่างถูกต้อง สำหรับผู้จัดการจัดซื้อที่จัดหาอุปกรณ์เสริมที่ฉนวนด้วยอากาศ และสำหรับวิศวกรไฟฟ้าที่ระบุส่วนประกอบสำหรับแผง MV ช่องว่างระหว่างข้อกำหนดและความเป็นจริงนี้เป็นภัยคุกคามที่สำคัญต่อความน่าเชื่อถือ.

คำตอบโดยตรง: แรงดันไฟฟ้าทนต่อแรงดันชั่วขณะของฟ้าผ่า (Lightning impulse withstand voltage) กำหนดแรงดันไฟฟ้าชั่วขณะสูงสุดที่ระบบฉนวนของอุปกรณ์เสริมสามารถทนได้โดยไม่เกิดการเสียหาย — สำหรับอุปกรณ์เสริมที่หุ้มฉนวนด้วยอากาศที่มีแรงดันไฟฟ้าปานกลาง 12kV ถึง 40.5kV ค่านี้ต้องได้รับการคำนวณอย่างเข้มงวดและตรวจสอบความถูกต้องตามมาตรฐาน IEC 60060 และ IEC 62271 ก่อนที่ชิ้นส่วนใดๆ จะเข้าสู่ระบบจ่ายไฟที่มีกระแสไฟฟ้าไหลผ่าน.

ไม่ว่าคุณจะกำลังว่าจ้างสร้างสถานีย่อยใหม่, ปรับปรุงแผงจ่ายไฟฟ้าอุตสาหกรรม, หรือรับรองอุปกรณ์ฉนวนสำหรับโครงการกริด, การเข้าใจ LIWV เป็นสิ่งที่ไม่สามารถต่อรองได้.

สารบัญ

• แรงดันไฟฟ้าทนต่อแรงกระชากฟ้าในอุปกรณ์ MV คืออะไร?
• LIWV คำนวณอย่างไรและใช้มาตรฐานใดบ้าง?
• วิธีการเลือกอุปกรณ์เสริมที่เหมาะสมตามข้อกำหนดของ LIWV
• ความล้มเหลวในการทดสอบ LIWV ที่พบบ่อยและวิธีหลีกเลี่ยงคืออะไร?

แรงดันไฟฟ้าทนต่อแรงกระชากฟ้าในอุปกรณ์ MV คืออะไร?

แรงดันทนต่อแรงดันกระชากฟ้า (LIWV) คือแรงดันสูงสุดมาตรฐานที่ถูกนำไปใช้เป็น รูปคลื่นพัลส์ 1.2/50 µs¹, ว่าส่วนประกอบฉนวนต้องทนทานโดยไม่เกิดการลุกไหม้หรือการเจาะทะลุ สำหรับอุปกรณ์เสริมที่ฉนวนด้วยอากาศที่ใช้ในระบบจ่ายไฟแรงดันปานกลาง — รวมถึงกระบอกฉนวน ส่วนฉนวนแบบหล่อขึ้นรูป บูชผนัง และส่วนประกอบกล่องสัมผัส — นี่คือหนึ่งในพารามิเตอร์ทางไดอิเล็กทริกที่สำคัญที่สุด.

ภายใต้ IEC 60071-1² (การประสานงานฉนวน), LIWV ถูกกำหนดให้เป็นส่วนหนึ่งของ แรงดันไฟฟ้าทนมาตรฐาน ชุด, เชื่อมต่อโดยตรงกับแรงดันไฟฟ้าสูงสุดของระบบสำหรับอุปกรณ์ (Um). ตัวอย่างเช่น:

• Um = 12 กิโลโวลต์ → LIWV = 75 กิโลโวลต์ (สูงสุด)
• Um = 24 กิโลโวลต์ → LIWV = 125 กิโลโวลต์ (สูงสุด)
• Um = 40.5 กิโลโวลต์ → LIWV = 185 กิโลโวลต์ (สูงสุด)

พารามิเตอร์ทางเทคนิคที่สำคัญซึ่งกำหนดอุปกรณ์เสริมที่มีฉนวนอากาศตามมาตรฐาน ได้แก่:

• ความแข็งแรงไดอิเล็กทริก: ขั้นต่ำ 20 กิโลโวลต์/มิลลิเมตร สำหรับชิ้นส่วนที่ขึ้นรูปด้วยเรซินอีพ็อกซี่
• ระยะห่างระหว่างส่วนนำไฟฟ้า³: ≥ 25 มม./กิโลโวลต์ (ระดับมลภาวะ III ตามมาตรฐาน IEC 60815)
• ระยะปลอดภัย ตามมาตรฐาน IEC 62271-1 อย่างเคร่งครัด สำหรับค่าเฟสต่อกราวด์และค่าเฟสต่อเฟส
• วัสดุ: อีพ็อกซี่เรซิน APG (Automated Pressure Gelation) มาตรฐานการทนไฟ UL94 V-0
• คลาสความร้อน: คลาส B (130°C) หรือคลาส F (155°C) ตามมาตรฐาน IEC 60085
• ระดับการป้องกัน: ขั้นต่ำ IP65 สำหรับอุปกรณ์เสริมสวิตช์เกียร์ภายในอาคาร

พารามิเตอร์เหล่านี้ไม่สามารถใช้แทนกันได้ — แต่ละพารามิเตอร์ต้องได้รับการตรวจสอบแยกกันผ่านการทดสอบประเภทก่อนการใช้งานในแอปพลิเคชันการจ่ายพลังงานใด ๆ.

LIWV คำนวณอย่างไรและใช้มาตรฐานใดบ้าง?

การคำนวณ LIWV ดำเนินการตามกระบวนการทางวิศวกรรมสองขั้นตอน: การประสานงานฉนวน⁴ (IEC 60071) ตามด้วย การตรวจสอบความถูกต้องของการทดสอบประเภท (IEC 60060-1).

ขั้นตอนที่ 1 — การคำนวณการประสานงานฉนวน:
ค่าแรงดันไฟฟ้าเกินตัวแทน (Urp) ถูกกำหนดโดยระดับแรงดันไฟฟ้าเกินจากฟ้าผ่าของระบบ จากนั้นใช้ปัจจัยประสานงาน (Kc = 1.15 สำหรับวิธีการทางสถิติ) และปัจจัยความปลอดภัย (Ks = 1.05–1.15)

LIWV ที่ต้องการ = Urp × Kc × Ks

สำหรับระบบ 12kV ที่มีแรงดันไฟฟ้ากระพือจากฟ้าผ่าที่เป็นตัวแทน 56 kV สูงสุด จะทำให้ได้ LIWV ที่ต้องการประมาณ 75 กิโลโวลต์ — ตรงตามระดับฉนวนมาตรฐาน IEC 60071-1.

ขั้นตอนที่ 2 — การทดสอบประเภทตามมาตรฐาน IEC 60060-1:
รูปคลื่นพัลส์ 1.2/50 µs ถูกนำไปใช้ 15 ครั้งที่ขั้วบวกและ 15 ครั้งที่ขั้วลบ เกณฑ์การผ่าน: ไม่มีการปล่อยประจุที่รบกวนบนฉนวนที่ฟื้นฟูตัวเองได้ หรือ ≤ 2 ครั้งบนฉนวนที่ไม่ฟื้นฟูตัวเองได้.

การเปรียบเทียบ LIWV: เรซินอีพ็อกซี่กับอุปกรณ์เสริมยางซิลิโคน

พารามิเตอร์	อีพ็อกซี่ เรซิน (APG)	ซิลิโคนยาง
ความแข็งแรงไดอิเล็กทริก	18–22 กิโลโวลต์ต่อมิลลิเมตร	15–18 กิโลโวลต์ต่อมิลลิเมตร
ขีดความสามารถของ LIWV	ความแข็งแกร่งสูง, ยอดเยี่ยม	ยืดหยุ่น ปานกลาง
ประสิทธิภาพทางความร้อน	คลาส B/F (130–155°C)	คลาส H (180°C)
การต้านทานมลพิษ	ปานกลาง (ต้องการตัวเรือน IP65)	ยอดเยี่ยม (ไม่ชอบน้ำ)
การใช้งานทั่วไป	สวิตช์เกียร์ MV สำหรับภายในอาคาร	สภาพแวดล้อมภายนอกที่รุนแรง
มาตรฐาน IEC	IEC 62271-1	IEC 60815

เรื่องราวของลูกค้า — ผู้รับเหมาคุณภาพอันดับหนึ่งในเอเชียตะวันออกเฉียงใต้:
ผู้รับเหมา EPC ด้านพลังงานในประเทศมาเลเซียได้ติดต่อเราหลังจากพบปัญหาที่ชุดกระบอกฉนวนอีพ็อกซี่จากผู้ผลิตภายนอกไม่ผ่านการทดสอบ LIWV ที่แรงดันเพียง 60 กิโลโวลต์ ซึ่งต่ำกว่าข้อกำหนดที่ 75 กิโลโวลต์สำหรับโครงการสวิตช์เกียร์ 12 กิโลโวลต์ของพวกเขา สาเหตุหลัก: มาตรฐานต่ำกว่าที่กำหนด เอพีจี (ระบบอัดแรงดันอัตโนมัติ)⁵ เรซินที่มีช่องว่างภายในทำให้เกิดการคายประจุบางส่วนภายใต้แรงกระตุ้น หลังจากเปลี่ยนมาใช้ชิ้นส่วนฉนวนแบบหล่อขึ้นรูปที่ได้รับการรับรองมาตรฐาน IEC จาก Bepto พร้อมรายงานการทดสอบจากโรงงานอย่างครบถ้วน การทดสอบแรงกระตุ้นทั้ง 15 ครั้งผ่านที่ 75 กิโลโวลต์โดยไม่มีการคายประจุเลย โครงการได้รับการส่งมอบตามกำหนดเวลาโดยไม่มีการแก้ไขงานใหม่.

วิธีการเลือกอุปกรณ์เสริมที่เหมาะสมตามข้อกำหนดของ LIWV

การเลือกอุปกรณ์เสริมที่มีค่า LIWV ที่ถูกต้องต้องใช้แนวทางวิศวกรรมที่มีโครงสร้าง. นี่คือขั้นตอนการคัดเลือกที่ใช้โดยทีมเทคนิคของ Bepto:

ขั้นตอนที่ 1: กำหนดความต้องการทางไฟฟ้า

• ยืนยันแรงดันไฟฟ้าของระบบ Um (12 kV / 24 kV / 40.5 kV)
• ระบุ LIWV ที่ต้องการตามตารางระดับฉนวนมาตรฐาน IEC 60071-1
• กำหนดกระแสไฟฟ้าที่กำหนดและความต้องการในการทนต่อกระแสไฟฟ้าลัดวงจร

ขั้นตอนที่ 2: พิจารณาสภาพแวดล้อม

• สถานีย่อยในอาคาร: ระดับมลพิษมาตรฐาน II, อุปกรณ์เสริม IP65 เพียงพอ
• เขตชายฝั่ง / เขตอุตสาหกรรม: ระดับมลพิษ III–IV, เพิ่มระยะห่างการคลานไฟฟ้า 20–30%
• ระดับความสูงสูง (>1000 เมตร): ปรับค่าสัมประสิทธิ์การแก้ไขความสูงตามมาตรฐาน IEC 60071-2 (ลดค่า LIWV ลงประมาณ 1.1% ต่อ 100 เมตร ที่ความสูงเกิน 1,000 เมตร)
• อุณหภูมิสุดขั้ว: เลือกการประเมินความร้อนระดับ F หรือ H สำหรับอุณหภูมิแวดล้อม >40°C

ขั้นตอนที่ 3: การจับคู่มาตรฐานและการรับรอง

• ตรวจสอบใบรับรองการทดสอบประเภท IEC 62271-1 (LIWV + ความทนทานต่อความถี่ไฟฟ้า)
• ยืนยันรายงานการทดสอบแรงกระตุ้นตามมาตรฐาน IEC 60060-1 จากห้องปฏิบัติการที่ได้รับการรับรอง
• ตรวจสอบความสอดคล้องของวัสดุ: UL94 V-0, RoHS, REACH

สถานการณ์การใช้งานย่อย:

• การจ่ายพลังงานอุตสาหกรรม: อุปกรณ์เสริมอีพ็อกซี่ LIWV 12kV/75kV สำหรับศูนย์ควบคุมมอเตอร์และศูนย์ควบคุมมอเตอร์
• สถานีไฟฟ้าย่อยของระบบโครงข่ายไฟฟ้า ส่วนประกอบที่มีค่าเรตติ้ง 24kV/125kV หรือ 40.5kV/185kV สำหรับการจ่ายไฟหลัก
• โรงไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์พร้อมระบบกักเก็บพลังงาน อุปกรณ์เสริมที่ได้รับการรับรองมาตรฐาน IP65 พร้อมความทนทานต่อรังสียูวีที่เพิ่มขึ้น สำหรับแผงเชื่อมต่อ DC/AC
• ทางทะเลและนอกชายฝั่ง: อุปกรณ์เสริมแบบไฮบริดซิลิโคนพร้อมการรับรองการทดสอบหมอกเกลือ (IEC 60068-2-52)

ความล้มเหลวในการทดสอบ LIWV ที่พบบ่อยและวิธีหลีกเลี่ยงคืออะไร?

รายการตรวจสอบการติดตั้งและก่อนการทดสอบ

1. ตรวจสอบเครื่องหมายระบุแรงดันไฟฟ้า ต้องตรงกับใบรับรองการทดสอบประเภทของ IEC ก่อนการติดตั้ง
2. ตรวจสอบรอยแตกร้าวหรือโพรงบนพื้นผิว — แม้แต่รอยตำหนิขนาดเล็กเท่าเส้นผมในอีพ็อกซี่ก็สามารถทำให้เกิดความล้มเหลวของ LIWV ได้
3. ทำความสะอาดผิวสัมผัส — การปนเปื้อนลดระยะห่างที่ปลอดภัยจากการลัดวงจรได้สูงสุดถึง 40%
4. ยืนยันค่าแรงบิด — การขันชิ้นส่วนอีพ็อกซี่แน่นเกินไปจะก่อให้เกิดความเค้นทางกลซึ่งลดความแข็งแรงทางไดอิเล็กทริก
5. ทำการทดสอบความทนทานต่อความถี่ไฟฟ้า ตรวจสอบ ณ สถานที่ก่อนจ่ายไฟฟ้าเพื่อเป็นการตรวจสอบก่อนการเดินเครื่อง

รูปแบบความล้มเหลวทั่วไปของ LIWV และสาเหตุที่แท้จริง

• การปล่อยของเหลวจากภายใน เกิดจากการควบคุมกระบวนการ APG ที่ไม่ดี — ช่องว่างขนาดเล็กเพียง 0.5 มม. สามารถทำให้เกิดการปล่อยประจุบางส่วนภายใต้แรงกระตุ้น 1.2/50µs ซึ่งนำไปสู่การเสื่อมสภาพของฉนวนอย่างต่อเนื่อง
• การลุกไหม้แบบผิวหน้า ระยะห่างระหว่างส่วนนำไฟฟ้าไม่เพียงพอสำหรับระดับมลภาวะจริง — ควรระบุอุปกรณ์เสริมที่มีระดับมลภาวะสูงกว่าค่ามาตรฐานของสถานที่ใช้งานอย่างน้อยหนึ่งระดับสำหรับงานที่มีความสำคัญ
• การเสื่อมสภาพทางความร้อน: การใช้ตัวช่วยในการทำงานที่มีอุณหภูมิสูงกว่าค่าที่กำหนดในคลาสความร้อนที่รองรับจะทำให้เรซินเปราะขึ้น ซึ่งลด LIWV ลง 15–25% ภายในระยะเวลา 5 ปี
• การติดตั้งในทิศทางที่ไม่ถูกต้อง: อุปกรณ์เสริมบางชนิดที่ขึ้นรูปมีรูปทรงฉนวนที่มีทิศทางเฉพาะ — การติดตั้งกลับด้านจะทำให้ระยะห่างระหว่างเฟสกับพื้นดินลดลง

เรื่องราวของลูกค้า — ผู้จัดการฝ่ายจัดซื้อจัดจ้าง โครงการกริดไฟฟ้าตะวันออกกลาง:
ผู้จัดการฝ่ายจัดซื้อจัดจ้างที่กำลังจัดหาอุปกรณ์เสริมสำหรับการขยายสถานีย่อย AIS 40.5kV ได้ขอรายงานการทดสอบ LIWV จากบุคคลที่สามก่อนทำการสั่งซื้อ เราได้จัดหาเอกสารรายงานการทดสอบประเภท IEC 60060-1 แบบเต็มรูปแบบจาก CESI (อิตาลี) ซึ่งแสดงผลการทดสอบ LIWV ที่ 185kV ผ่านเกณฑ์ เขาบอกเราว่า: “นี่คือผู้จัดหาคนแรกที่ให้บันทึกคลื่นทดสอบจริงแก่ฉัน ไม่ใช่แค่หมายเลขใบรับรอง” ความโปร่งใสนั้นทำให้ความเสี่ยงด้านคุณสมบัติของเขาหมดไปโดยสิ้นเชิง.

สรุป

สำหรับอุปกรณ์เสริมที่หุ้มฉนวนด้วยอากาศซึ่งทำงานในระบบจ่ายไฟฟ้าแรงดันปานกลาง ความทนทานต่อแรงดันกระชากฟ้า (LIWV) ไม่ใช่เพียงข้อกำหนดที่ต้องติ๊กเครื่องหมายถูกเท่านั้น แต่เป็นรากฐานทางวิศวกรรมของความน่าเชื่อถือของระบบ การคำนวณ LIWV อย่างถูกต้องตามมาตรฐาน IEC 60071 การเลือกใช้อุปกรณ์เสริมที่มีผลการทดสอบประเภทตามมาตรฐาน IEC 60060-1 ที่ได้รับการรับรอง และการปฏิบัติตามแนวทางการติดตั้งที่เป็นระบบ จะช่วยวิศวกรและทีมจัดซื้อลดสาเหตุที่พบบ่อยที่สุดของการล้มเหลวของฉนวนในระบบสวิตช์เกียร์แรงดันกลางได้อย่างมีประสิทธิภาพที่ Bepto Electric, ทุกอุปกรณ์เสริมจัดส่งพร้อมเอกสารการทดสอบไดอิเล็กทริกอย่างครบถ้วน — เพราะในระบบการจ่ายไฟแรงสูง, ความน่าเชื่อถือไม่ใช่สิ่งที่คุณสามารถเลือกได้.

คำถามที่พบบ่อยเกี่ยวกับแรงดันไฟฟ้าทนต่อแรงกระชากสายฟ้าในอุปกรณ์ไฟฟ้าแรงสูงระดับ MV

1. คำจำกัดความทางเทคนิคและลักษณะของรูปคลื่นแรงดันฟ้าผ่ามาตรฐานที่ใช้ในการทดสอบแรงดันสูง. ↩

2. มาตรฐานสากลที่กำหนดหลักการสำหรับการประสานงานฉนวนในระบบไฟฟ้าแรงสูง. ↩

3. หลักการทางวิศวกรรมสำหรับการกำหนดเส้นทางที่สั้นที่สุดบนผิวหน้าของฉนวนเพื่อป้องกันการเกิดการติดตาม. ↩

4. การเลือกค่าความแข็งแรงของไดอิเล็กทริกสำหรับอุปกรณ์โดยพิจารณาจากความต่างศักย์ที่อาจเกิดขึ้นในระบบ. ↩

5. กระบวนการผลิตเฉพาะทางที่ใช้ในการผลิตชิ้นส่วนฉนวนเรซินอีพ็อกซี่ที่มีความหนาแน่นสูงและปราศจากช่องว่าง. ↩