การกำหนดขนาดตัวนำไฟฟ้า

Concept (แนวคิด)

การกำหนดขนาดตัวนำไฟฟ้า (สายไฟหรือสายเคเบิล) เป็นเรื่องเกี่ยวกับการจัดการความร้อนเป็นหลัก เมื่อกระแสไฟฟ้าไหลผ่านตัวนำ จะเกิดความร้อนเนื่องจากความต้านทานภายในของตัวนำ (ความสูญเสีย $I^2R$) หากตัวนำมีขนาดเล็กเกินไปสำหรับกระแสไฟฟ้านั้น ตัวนำจะร้อนเกินไป ส่งผลให้ฉนวนละลายและทำให้เกิดไฟไหม้หรือไฟฟ้าลัดวงจรได้ "พิกัดกระแสทนได้" (Ampacity) ของตัวนำคือกระแสไฟฟ้าสูงสุดที่ตัวนำสามารถนำพาได้อย่างต่อเนื่องโดยที่อุณหภูมิไม่เกินพิกัด มาตรฐานการออกแบบพื้นฐาน เช่น NEC (National Electrical Code) กำหนดว่าขนาดของตัวนำต้องสามารถรองรับกระแสไฟฟ้าได้อย่างปลอดภัยที่ 100% ของโหลดแบบไม่ต่อเนื่อง บวกกับ 125% ของโหลดแบบต่อเนื่อง

Formula & Method (สูตรและวิธีการ)

"โหลดแบบต่อเนื่อง" (Continuous load) หมายถึงโหลดที่คาดว่าจะมีกระแสไฟฟ้าสูงสุดไหลต่อเนื่องเป็นเวลา 3 ชั่วโมงขึ้นไป

พิกัดกระแสทนได้ขั้นต่ำที่ต้องการของตัวนำ ($I_{req}$) คำนวณได้ดังนี้:

$I_{req} = I_{noncontinuous} + 1.25 \times I_{continuous}$

เมื่อคำนวณ $I_{req}$ ได้แล้ว วิศวกรจะอ้างอิงตารางพิกัดกระแสทนได้มาตรฐาน (พิจารณาจากวัสดุตัวนำ เช่น ทองแดงหรืออะลูมิเนียม และพิกัดอุณหภูมิของฉนวน เช่น $75^\circ\text{C}$ หรือ $90^\circ\text{C}$) เพื่อเลือกขนาดสายไฟมาตรฐาน (AWG หรือ $\text{mm}^2$) ที่มีพิกัดกระแสทนได้ ($I_{rated}$) มากกว่าหรือเท่ากับ $I_{req}$

นอกจากนี้ อุปกรณ์ป้องกันกระแสเกินที่เลือกใช้ (เบรกเกอร์หรือฟิวส์) จะต้องมีพิกัด ($I_{breaker}$) ที่สามารถป้องกันสายเคเบิลได้ โดยทั่วไปจะปฏิบัติตามกฎ:

$I_{req} \le I_{breaker} \le I_{rated}$

Variables & Units (ตัวแปรและหน่วย)

• $I_{req}$ = พิกัดกระแสทนได้ขั้นต่ำที่ต้องการของตัวนำ มีหน่วยเป็น แอมแปร์ (A)
• $I_{noncontinuous}$ = กระแสไฟฟ้าจากโหลดที่ทำงานน้อยกว่า 3 ชั่วโมง มีหน่วยเป็น แอมแปร์ (A)
• $I_{continuous}$ = กระแสไฟฟ้าจากโหลดที่ทำงานตั้งแต่ 3 ชั่วโมงขึ้นไป มีหน่วยเป็น แอมแปร์ (A)
• $I_{rated}$ = พิกัดกระแสทนได้ของสายไฟที่เลือกจากตารางมาตรฐาน มีหน่วยเป็น แอมแปร์ (A)
• $I_{breaker}$ = พิกัดของอุปกรณ์ป้องกันกระแสเกิน มีหน่วยเป็น แอมแปร์ (A)

Worked Example (ตัวอย่างการคำนวณ)

เนื้อหาตัวอย่างการคำนวณการกำหนดขนาดตัวนำไฟฟ้าแบบละเอียดพร้อมระบบ Interactive สามารถดูได้ที่ ตัวอย่างการคำนวณ: การกำหนดขนาดตัวนำไฟฟ้า

Engineering Meaning (ความหมายทางวิศวกรรม)

ตัวคูณ 125% สำหรับโหลดแบบต่อเนื่องเป็นปัจจัยเผื่อความปลอดภัยทางวิศวกรรมที่ถูกกำหนดไว้ในมาตรฐานไฟฟ้า เพื่อชดเชยการสะสมความร้อนอย่างค่อยเป็นค่อยไปในตัวนำและขั้วต่อของเบรกเกอร์เมื่อใช้งานเป็นเวลานาน ขั้วต่อมักจะเป็นจุดที่อ่อนแอที่สุดในแง่ของความร้อน การบังคับให้ใช้สายไฟที่ใหญ่ขึ้น (และเบรกเกอร์ที่ใหญ่ขึ้น) สำหรับโหลดต่อเนื่อง จะทำให้ระบบทำงานในอุณหภูมิที่เย็นลง ซึ่งช่วยป้องกันการเสื่อมสภาพจากความร้อนของฉนวนตลอดอายุการใช้งานของอาคาร

Engineering Check (การตรวจสอบทางวิศวกรรม)

ตรวจสอบเงื่อนไขการใช้ตารางพิกัดกระแสทนได้มาตรฐานเสมอ ตารางมาตรฐานจะตั้งสมมติฐานว่าอุณหภูมิแวดล้อม (มักจะเป็น $30^\circ\text{C}$) และจำนวนตัวนำที่มีกระแสไฟฟ้าไหลผ่านสูงสุดในท่อร้อยสายเดียวกัน (มักจะไม่เกิน 3 เส้น) หากอุณหภูมิแวดล้อมสูงขึ้น หรือหากมีการมัดรวมสายไฟเข้าด้วยกันมากขึ้น พิกัดกระแสของสายไฟจะต้องถูกปรับลดลงทางคณิตศาสตร์โดยใช้ตัวคูณปรับแก้ (correction factors)

Explicit Exclusions (ข้อยกเว้นที่ระบุชัดเจน)

บทความพื้นฐานนี้ไม่ครอบคลุมถึงการคำนวณการปรับลดพิกัดกระแสขั้นสูงสำหรับการแก้ไขอุณหภูมิแวดล้อมและการมีสายไฟหลายเส้นในท่อร้อยสาย นอกจากนี้ยังไม่รวมถึงการคำนวณแรงดันตก (voltage drop) ในระยะทางไกล การพิจารณากระแสฮาร์มอนิก และการหาขนาดทนกระแสลัดวงจร