Circuit Breaker อ่าน 44,217

คำจำกัดความ

circuit breaker หมายถึง อุปกรณ์ที่ทำงาน เปิดและปิดวงจรไฟฟ้า แบบไม่อัตโนมัติ แต่สามารถเปิดวงจรได้อัตโนมัติ ถ้ามีกระแสไหลผ่าน เกินกว่าค่าที่กำหนด โดยไม่มีความเสียหายเกิดขึ้น

Circuit Breaker แรงดันต่ำ

หมายถึง breaker ที่ใช้กับแรงดันน้อยกว่า 1000 volt แบ่งออกได้หลายชนิด ได้แก่

Mold case circuit breaker

หมายถึง breaker ที่ถูกห่อหุ้มมิดชิดโดย mold 2 ส่วน มักทำด้วย phenolic ซึ่งเป็นฉนวนไฟฟ้าสามารถทนแรงดันใช้งานได้ breaker แบบนี้ มีหน้าที่หลัก 2 ประการคือทำหน้าที่เป็นสวิทซ์เปิด-ปิดด้วยมือ และเปิดวงจรโดยอัตโนมัติ เมื่อมีกระแสไหลเกิน หรือเกิดลัดวงจร โดย breaker จะอยู่ในภาวะ trip ซึ่งอยู่กึ่งกลางระหว่างตำแหน่ง ON และ OFF เราสามารถ reset ใหม่ได้โดย กดคันโยกให้อยู่ ในตำแหน่ง OFF เสียก่อน แล้วค่อยโยกไปตำแหน่ง ON การทำงานแบบนี้เรียกว่า quick make , quick break ลักษณะของ breaker แบบนี้ที่พบเห็นโดยทั่วไปคือ

molded case circuit breaker ที่พบบ่อยในท้องตลาดมี 2 ประเภทคือ Thermal magnetic CB. และ Solid state trip CB.

Thermal magnetic molded case circuit breaker

breaker แบบนี้มีส่วนประกอบสำคัญ 2 ส่วนคือ

molded case circuit breaker ที่พบบ่อยในท้องตลาดมี 2 ประเภทคือ Thermal magnetic CB. และ Solid state trip CB.

Thermal magnetic molded case circuit breaker

breaker แบบนี้มีส่วนประกอบสำคัญ 2 ส่วนคือ

• Thermal unit ใช้สำหรับปลดวงจรเมื่อมีกระแสไหลเกินอันเนื่องมาจากการใช้โหลดมากเกินไป ลักษณะการทำงานดูได้จากรูป

เมื่อมีกระแสเกินไหลผ่านโลหะ bimetal (เป็นโลหะ 2 ชนิด ที่มีสัมประสิทธิ์ ทางความร้อน ไม่เท่ากัน) จะทำให้ bimetal โก่งตัว ไปปลดอุปกรณ์ทางกล และทำให้ CB. ตัดวงจร เรียกว่าเกิดการ trip การปลดวงจรแบบนี้ ต้องอาศัย เวลาพอสมควร ขึ้นอยู่กับ กระแสขณะนั้น และความร้อน ที่เกิดขึ้นจนทำให้ bimetal โก่งตัว

• Magnetic unit ใช้สำหรับปลดวงจรเมื่อเกิดกระแสลัดวงจรหรือมีกระแสค่าสูงๆ ประมาณ 8-10 เท่าขึ้นไป ไหลผ่าน กระแสจำนวนมากจะทำให้เกิดสนามแม่เหล็กความเข้มสูง ดึงให้อุปกรณ์การปลดวงจรทำงานได้ การตัดวงจรแบบนี้เร็วกว่าแบบแรกมาก โอกาสที่ breaker จะชำรุดจากการตัดวงจรจึงมีน้อยกว่า

• Solid state trip or Electronic trip molded case circuit breaker เป็น breaker ชนิดหนึ่งที่มีอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ทำหน้าที่วิเคราะห์กระแสเพื่อสั่งปลดวงจร

จาก diagram จะเห็นว่ามี CT อยู่ภายในตัว breaker ทำหน้าที่ แปลงกระแส ให้ต่ำลง ตามอัตราส่วนของ CT และมี microprocessor คอยวิเคราะห์กระแส หากมีค่าเกินกว่าที่กำหนด จะสั่งให้ tripping coil ซึ่งหมายถึง soliniod coil ดึงอุปกรณ์ทางกลให้ CB. ปลดวงจร

ที่ด้านหน้าของ breaker ชนิดนี้จะมีปุ่มปรับค่ากระแสปลดวงจร , เวลาปลดวงจร และอื่นๆ นอกจากนี้ยังสามารถติดตั้ง อุปกรณ์เสริมที่เรียกว่า amp meter & fault indicator ซึ่งสามารถแสดงสาเหตุการ fault ของวงจรและค่ากระแสได้ ทำให้ทราบสาเหตุของการปลดวงจรได้

โครงสร้างและส่วนประกอบของเบรคเกอร์

• name plate ปรากฏที่ด้านหน้าหรือด้านข้างของเบรคเกอร์ โดยมักกำหนดรายละเอียดเกี่ยวกับเบรคเกอร์นั้นๆ เช่น จำนวนขั้ว, แรงดัน, กระแส ในส่วนของกระแสจะระบุ 3 จำนวน ประกอบด้วย ampere trip , ampere frame และ interrupting capacity
• arcing chamber บางครั้งเรียกว่า arc chute มีลักษณะเป็นแผ่นโลหะวางซ้อนกันเป็นชั้นๆ อยู่เหนือหน้าสัมผัส (contact) ของเบรคเกอร์ ทำหน้าที่ช่วยดับอาร์ก
• หน้าสัมผัส (contact) นิยมทำด้วยทองแดงเคลือบผิวหน้าด้วยเงินเพื่อให้ทนต่อเปลวอาร์กได้ดี ประกอบด้วย fixed contact และ movable contact
• กลไกตัดวงจร สำหรับเบรคเกอร์ขนาดเล็กทั่วไป แบ่งเป็นอาศัยความร้อนและอาศัยอำนาจแม่เหล็ก แบบอาศัยความร้อน ใช้หลักการโก่งตัวของโลหะ bimetal เพื่อปลดกลไก ส่วนแบบอาศัยอำนาจแม่เหล็ก ใช้แรงดึงดูดของแม่เหล็กไฟฟ้าของขดลวด ที่กระทำต่อแผ่นโลหะ เพื่อปลดกลไก

การวิเคราะห์กระแสของ Electronic trip CB. มี 2 วิธีคือ

• Peak sensing เป็นการบันทึกค่ากระแสสูงสุด ( Ipk) ที่ไหลผ่านเบรคเกอร์แล้วนำมาคำนวณหากระแส RMS แต่วิธีนี้จะวัดได้ถูกต้อง เมื่อสัญญาณคลื่นกระแสเป็น sinusoidal เท่านั้น
• True RMS sensing วิธีนี้ใช้การ sampling สัญญาณของกระแสที่ไหลผ่านเบรคเกอร์เป็นช่วงๆ เพื่อหาค่า RMS ในแต่ละช่วงแล้วนำมาหาค่าเฉลี่ย เป็นกระแส RMS ดังรูป ซึ่งสามารถนำไปใช้กับรูปคลื่นกระแสที่ไม่เป็น sinusoidal เช่นอุปกรณ์ที่ให้กำเนิด harmonic จำพวกเครื่องเชื่อมไฟฟ้า , มอเตอร์ , converter เป็นต้น

   ตัวอย่างเปรียบเทียบการทำงานของเบรคเกอร์ที่วิเคราะห์กระแสแบบ True RMS sensing กับ Peak sensing

ถ้ารูปคลื่นมีลักษณะดังรูป และหากใช้ CB. ชนิด Peak sensing   จะอ่านค่าได้มากกว่า ความเป็นจริง ทำให้ CB. ตัดวงจรเร็วเกินไป		ถ้ารูปคลื่นมีลักษณะดังรูป และหากใช้ CB. ชนิด Peak sensing    จะมองเห็นกระแสต่ำกว่า ความเป็นจริง ทำให้เบรคเกอร์ตัดวงจรช้า หรือไม่ตัดวงจร

 !!!-------------------------------------------!!!

Air circuit breaker

เป็นเบรคเกอร์ที่ใช้กับแรงดัน <1000 volt มีขนาดใหญ่ใช้เป็น main CB. โดยทั่วไปมีพิกัดกระแสตั้งแต่ 225-6300 A. และมี interrupting capacity สูงตั้งแต่ 35-150 KA. โครงสร้างทั่วไปทำด้วยเหล็กมีช่องดับอาร์ก (Arcing chamber) ที่ใหญ่โตแข็งแรงเพื่อให้สามารถรับกระแสลัดวงจรจำนวนมากได้ Air CB. ที่มีขายในท้องตลาด  มักใช้อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ตรวจจับ และวิเคราะห์กระแสเพื่อสั่งปลดวงจร  สำหรับ LV Air CB. ยี่ห้อ MERLIN GERIN ได้แบ่งออกเป็น 3 กลุ่ม ให้เหมาะสมกับงานแต่ละประเภทคือ N1          : standard H1 , H2 : high performance  L1           : current limiting แต่ละประเภทจะมีค่า breaking capacity ที่แตกต่างกันเช่น Breaking Capacity ( KA rms , Ics = Icu, 220/415 V according to IEC 947-2 ) current rating (A) 800-1600 2000/2500 3200 4000 5000 6300 Type N1 40 55 - - - - H1 65 75 75 75 100 100 H2 100 100 100 100 125 125 L1 130 130 - - - - Degree of pollution (IEC947-2) IV IV IV IV IV IV Air CB. มี 2 ชนิดคือ Fixed type และ Draw out type

 Air CB. แบบ Fixed type

เป็นเบรคเกอร์ชนิดยึดติดกับที่ ซึ่งที่จริงแล้วก็คือส่วนที่เคลื่อนที่ ของเบรคเกอร์แบบ drawout โดยเพิ่มปีกโลหะ (fixing bracket) ประกบด้านข้างทั้ง 2 ด้าน มีลักษณะดังรูป

ส่วนประกอบของ Air CB

ส่วนประกอบที่สำคัญของ Air CB. ได้แก่

•   Arc chute cover เป็นฝาครอบ arc chute
•   Auxiliary terminal shield
•   Auxiliaries connection block
•   Fixed integral enclosure
•   Safety shutters ม่านกั้น contact ซึ่งเป็นส่วนที่ติดอยู่กับฐานของเบรคเกอร์ (fixed portion) แบบ draw out จะปิดอัตโนมัติ เมื่อ contact ถูกแยกออกจากกัน
•   Arc chute เป็นช่องดับอาร์ก ติดตั้งไว้บริเวณหน้าสัมผัสของเบรคเกอร์
•   Remote control voltage release ทำหน้าที่ควบคุมการปลด-สับ เบรคเกอร์ โดยจะสั่งปลดหน้าสัมผัส ถ้าแรงดันที่ release ได้รับจากแหล่งจ่ายมีค่าต่ำกว่า rated voltage ระหว่าง 35% - 70% ถ้า voltage release ไม่ได้รับแรงดันที่ถูกต้อง จะไม่สามารถสั่งสับเบรคเกอร์ได้ จนกว่าแรงดันที่ได้รับจะมีค่าตั้งแต่ 85% ของ rated voltage ขึ้นไป  และเพื่อป้องกันเบรคเกอร์ trip จากภาวะ transients ที่อาจทำให้แรงดันตกชั่วขณะ ก็จะมีการติดตั้ง time delay ไว้ภายใน (built-in time delay)
•   Motor for electrical charging of stored energy mechanism ติดตั้งเพิ่มเพื่อให้สามารถ charge สปริงแบบ manual ได้ด้วย ในชุดนี้ประกอบด้วย
  • gear motor
  • closing release
  • shunt release หรือ undervoltage release
  • "springs charged" limit switch changeover contact
• Control unit ทำหน้าที่ควบคุมการทำงานของเบรคเกอร์ รวมทั้งสามารถปรับตั้งค่าต่างๆ ได้เช่น
  • short time protection
  • long time protection
  • earth fault protection เป็นต้น นอกจากนี้ยังใช้แสดงผลปริมาณทางไฟฟ้าเช่น กระแส, แรงดัน, เพาเวอร์แฟคเตอร์, กำลังไฟฟ้า หรือวัดกระแส fault ได้ด้วย
• Front cover เป็นฝาครอบด้านหน้าของ Air circuit breaker

ภาพแสดงส่วนประกอบของ Air CB. (click to enlarge)

Draw out Air CB.	Control unit	Safety shutters	Auxiliaries connection block
Voltage release	Voltage release accessible from the front	Fixed integral enclosure	Motor for electrical charging of stored energy mechanism

 !!!-------------------------------------------!!!

พิกัดกระแสและผลกระทบ มีหลายกรณีประกอบด้วย

ผลกระทบจากความถี่

พิจารณาได้เป็น 2 กรณีคือ

 กรณี Thermal Unit

ความถี่ไม่เกิน 50/60 Hz. ไม่จำเป็นต้องพิจารณา เนื่องจากมีผลต่อการเปลี่ยนแปลงค่ากระแสน้อยมาก
ความถี่เกินกว่า 50/60 Hz. จำเป็นต้องคิด โดยเฉพาะการใช้งานที่ความถี่สูงๆ หลายร้อย Hz. ซึ่งความถี่สูง จะมีผลให้ความสามารถ ในการนำกระแสลดลง

 กรณีของ Magnetic Unit

เมื่อความถี่สูงเกินกว่า 50/60 Hz. กระแสที่ทำให้ magnetic unit ทำงานจะมีค่าสูงกว่าปกติ

ทั้งสองกรณี สามารถศึกษาเพิ่มเติมได้จาก คู่มือหรือ catalog ของบริษัทนั้นๆ

 

ผลกระทบจากอุณหภูมิ

พิจารณาได้เป็น 2 กรณีคือ

 กรณี Thermal-Magnetic Trip Molded case circuit breaker

• อุณหภูมิระหว่าง -10 - 24 องศาเซลเซียส เบรคเกอร์จะรับกระแสได้มากกว่าค่าที่ระบุบน name plate ทำให้การ trip ผิดพลาด นั่นคือเมื่อมีโหลดเกินพิกัด เบรคเกอร์จะไม่ปลดวงจร การนำเบรคเกอร์ไปใช้งานในที่ ที่มีอุณหภูมิต่ำต้องพิจารณาให้รอบคอบ
• อุณหภูมิระหว่าง 25 - 40 องศาเซลเซียส กระแสพิกัดจะเป็นไปตามค่าที่ระบุบน name plate ของเบรคเกอร์
• อุณหภูมิระหว่าง 41 - 60 องศาเซลเซียส เบรคเกอร์ที่ทำงานอยู่ในช่วงอุณหภูมิดังกล่าวจะทำให้กระแสพิกัดลดลงจากค่าที่ระบุ บน name plate ซึ่งทำให้เบรคเกอร์ปลดวงจรก่อนกำหนด

 กรณีของ Magnetic Trip Molded case circuit breaker

โดยทั่วไปแล้วบรคเกอร์แบบนี้สามารถทำงานได้ระหว่าง -10 - 60 องศาเซลเซียส ถ้าอุณหภูมิต่างไปจากนี้ อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ ก็อาจเสียหาย และทำให้เบรคเกอร์ตัดวงจรผิดพลาดได้

ทั้งสองกรณีสามารถศึกษาเพิ่มเติมได้จากคู่มือหรือ catalog ของบริษัทนั้นๆ

 

ผลกระทบจากความสูงของพื้นที่

เมื่อนำเอาเบรคเกอร์แบบ Thermal-Magnetic Trip MCCB. ไปใช้ในพื้นที่ ที่มีความสูงจากระดับน้ำทะเลมากๆ จะต้องทำการปรับตั้งค่า กระแสและแรงดันพิกัดใหม่ เนื่องจากพื้นที่ที่มีความสูงมากๆ ทำให้การระบายความร้อนยากขึ้น เพราะเบรคเกอร์แบบนี้ อาศัยอากาศเป็นตัวกลางช่วยดับอาร์ก เมื่อค่าไดอิเล็กตริกของอากาศลดลงตามความสูงที่เพิ่มขึ้น จึงทำให้กระแสและแรงดันพิกัดลดต่ำลงซึ่งสามารถดูได้จากตาราง

Altitude Multiplier
Altitude	current	voltage
0 - 6600 ft.	1	1
6600 - 8500 ft	.99	.95
8500 - 13000 ft	.96	.80
13000 - 30000+ ft.	.75	.40

ค่าเหล่านี้อาจแตกต่างกัน ขึ้นอยู่กับข้อมูลของแต่ละบริษัท

 

ผลกระทบจากการใช้กับไฟฟ้ากระแสตรง

 กรณี Thermal Unit
     ไม่มีผลกระทบแต่อย่างใด

  กรณีของ Magnetic Unit
     จะมีผลกระทบเนื่องจาก characteristic curve ของส่วน magnetic ใช้ค่า RMS ของไฟฟ้ากระแสสลับ การนำมาใช้กับไฟฟ้ากระแสตรง ต้องใช้ตัวคูณเพื่อแก้ค่าให้ถูกต้อง โดยปกติแล้วจะมีค่าสูงขึ้น

 !!!-------------------------------------------!!!

พิกัดกระแสของ circuit breaker ที่ควรรู้จักมี 3 ตัวคือ

• Ampere Trip (AT) เป็นพิกัดกระแส handle rating ซึ่งบอกให้รู้ว่าสามารถทนกระแสใช้งานในภาวะปกติได้สูงสุดเท่าใด มักแสดงค่าไว้ที่ name plate หรือด้ามโยกของเบรคเกอร์ ซึ่งมาตรฐานของ NEC 1990 paragraph240-6 กำหนดดังนี้ 15 , 60 , 70 , 80 , 90 , 100 , 110 , 125 , 150 , 175 , 200 , 225 , 250 , 300 , 350 , 400 , 450 , 600 , 700 , 800 , 1000 , 1200 , 1600 , 2000 , 2500 , 3000 , 4000 , 5000 , 6000 A.

  ในกรณีที่ขนาดอุปกรณ์ของผู้ผลิตบางรายไม่มีค่าตรงกับค่าที่กำหนด ก็สามารถเลือกใช้ค่าที่สูงขึ้นไปแทนได้ สิ่งควรรู้เพิ่มเติมก็คือ พิกัดการทนกระแส ของเบรคเกอร์ถูกแบ่งออกเป็น 2 กลุ่มคือ

  • standard circuit breaker ในที่นี้หมายถึงชนิด thermal magnetic ซึ่งถ้านำเอาเบรคเกอร์ชนิดนี้ไปใช้กับโหลดต่อเนื่อง จะปลดวงจรที่ 80 % ของพิกัดกระแสเบรคเกอร์
  • 100% rated circuit breaker แบบนี้ถ้านำไปใช้กับโหลดต่อเนื่อง จะตัดวงจรที่พิกัดกระแสของเบรคเกอร์ แต่จะมีเฉพาะสินค้าของอเมริกาเท่านั้น

• Ampere Frame (AF) พิกัดกระแสโครง ซึ่งหมายถึงพิกัดการทนกระแสสูงสุดของเบรคเกอร์ในรุ่นนั้นๆ Ampere Frame มีประโยชน์คือ สามารถเปลี่ยนพิกัด Ampere Trip ได้โดยที่ขนาด (มิติ) ของเบรคเกอร์ยังคงเท่าเดิม ค่า AF ตามมาตรฐาน NEMA มีดังนี้ 50 , 100 , 225 , 250 , 400 , 600 , 800 , 1000 , 1200 , 1600 , 2000 , 2500 , 4000 , 5000 AF

• Interrupting Capacity (IC) เป็นพิกัดการทนกระแสลัดวงจรสูงสุดโดยปลอดภัยของเบรคเกอร์นั้นๆ โดยปกติกำหนดค่าการทนกระแสเป็น KA. ค่า IC จะบอกให้รู้ว่าเบรคเกอร์ที่ใช้นั้นมีความปลอดภัยมากน้อยเพียงใด การเลือกค่ากระแส IC จะต้องรู้ค่ากระแสลัดวงจร ณ. จุดนั้นๆ เสียก่อน ตามมาตรฐาน IEC947-2 แล้วสามารถแบ่งเป็น 4 ประเภทคือ
  • Icu
  • Icm
  • Icw
  • Ics

Accessories

คืออุปกรณ์เสริมที่ใช้ติดตั้งร่วมกับเบรคเกอร์ เพื่อให้มีขีดความสามารถ ในการทำงานเพิ่มขึ้น ที่นิยมใช้ทั่วไปประกอบด้วย

    1. Shunt Trip ใช้ติดตั้งร่วมกับเบรคเกอร์เพื่อควบคุมการปลดเบรคเกอร์จากระยะไกล เป็นการควบคุมแบบ remote โดยไม่ต้องเดินมาปลดวงจรที่ตัวเบรคเกอร์ ซึ่งจะทำงานเมื่อ coil shunt trip ได้รับแรงดันกระตุ้นจากระบบอื่น

    2. Undervoltage Release (Undervoltage Trip) ใช้ติดตั้งร่วมกับเบรคเกอร์เพื่อตรวจจับแรงดัน ที่จ่ายเข้ามายังเบรคเกอร์ ถ้าต่ำกว่าที่กำหนดก็จะสั่งปลดเบรคเกอร์ทันที ส่วนใหญ่จะใช้ร่วมกับ under/over voltage relay ( อาจใช้ร่วมกับ phase protector relay ก็ได้ )

    3. Auxiliary Contact ใช้เพื่อแสดงสถานะของเบรคเกอร์ขณะนั้นว่า ON หรือ OFF / TRIP

    4. Alarm Switch เป็นอุปกรณ์หน้าสัมผัสช่วย ซึ่งจะเปลี่ยนสถานะเมื่อเบรคเกอร์ปลดวงจร (Trip)
    5. Ground Fault Shunt Trip เป็นอุปกรณ์ที่ใช้สั่งปลดวงจรเมื่อมีกระแสรั่วไหลออกจากระบบ เกินค่าที่ตั้งไว้
    6. Handle Padlock ใช้ล็อคเบรคเกอร์ให้อยู่ในตำแหน่ง ON หรือ OFF
    7. Cylinder Lock เป็นกุญแจสำหรับล็อคเบรคเกอร์ไว้ในตำแหน่ง OFF เท่านั้น เพื่อป้องกันไม่ให้ผู้ไม่มีกุญแจมา ON เบรคเกอร์