การคำนวณแรงดันตก และการแก้ปัญหาแรงดันไฟตก

แรงดันไฟฟ้าเป็นหัวใจสำคัญของระบบไฟฟ้า หากแรงดันตกลงต่ำกว่าค่ามาตรฐาน จะส่งผลกระทบต่อการทำงานของอุปกรณ์ไฟฟ้าต่าง ๆ อย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ บทความนี้จะพาคุณไปทำความเข้าใจเกี่ยวกับ มาตรฐานแรงดันตกสำหรับระบบแรงต่ำ ผลกระทบ การแก้ปัญหา และการคำนวณแรงดันตกกันอย่างละเอียด

แรงดันตก คืออะไร?

จากมาตรฐานการติดตั้งทางไฟฟ้าสำหรับประเทศไทย พ.ศ. 2564 ได้นิยามว่า แรงดันตก คือ แรงดันไฟฟ้าที่สูญเสียไปในสายไฟฟ้าระหว่างทางที่กระแสไหล การหาค่าแรงดันตกจึงเป็นการหาค่าแรงดันไฟฟ้าที่ปลายทางเทียบกับต้นทาง ซึ่งสาเหตุของแรงดันตกเกิดจากอิมพีแดนซ์ของสายไฟฟ้าเมื่อมีกระแสไฟฟ้าไหลผ่าน ปกติค่าแรงดันตกจะคิดเป็นร้อยละจากแรงดันที่ระบุต้นทาง

ผลกระทบของแรงดันตก

เมื่อค่าแรงดันไฟฟ้าที่ปลายทางต่ำจะเกิดผลเสียต่ออุปกรณ์ไฟฟ้า ทำให้อุปกรณ์ไฟฟ้าทำงานผิดปกติจากการที่มีกระแสไหลไปยังอุปกรณ์ไฟฟ้านั้นมากเกินไป โดยเฉพาะมอเตอร์ไฟฟ้า เมื่อมีการใช้งานที่สภาวะแรงดันไฟฟ้าต่ำกว่าพิกัด ทำให้อุณหภูมิของขดลวดมีค่าสูงขึ้น ส่งผลให้ค่าความเป็นฉนวนของขดลวดลดลง และอายุการใช้งานของมอเตอร์ลดลงในที่สุด 

มาตรฐานแรงดันตกสำหรับระบบแรงต่ำ

มาตรฐานการติดตั้งทางไฟฟ้าสำหรับประเทศไทย พ.ศ. 2564 กำหนดค่าแรงดันตกสำหรับระบบแรงต่ำไว้ ดังนี้

1. กรณีรับไฟแรงต่ำจากการไฟฟ้าฯ 

แรงดันตกคิดจากเครื่องวัดหน่วยไฟฟ้าถึงจุดใช้ไฟจุดสุดท้าย (จุดที่มีค่าแรงดันตกสูงสุด) รวมกันต้องไม่เกิน 5% จากระบบแรงดันที่ระบุ

2. กรณีรับไฟแรงสูงจากการไฟฟ้าฯ 

แรงดันตกคิดจากบริภัณฑ์ประธานแรงต่ำ หรือตู้จ่ายไฟฟ้าหลัก (MDB) จนถึงจุดใช้ไฟจุดสุดท้ายรวมกันต้องไม่เกิน 5% จากระบบแรงดันที่ระบุ

ทั้งนี้ยังมีการกำหนดค่าแรงดันตกสำหรับงานระบบไฟฟ้าของอาคารไว้ในกฎกระทรวงฉบับที่ 33 (พ.ศ. 2535) ออกตามความในพระราชบัญญัติควบคุมอาคารฯ ว่า “เมื่อใช้กระแสไฟฟ้าเต็มที่ตามที่กำหนดในแบบระบบไฟฟ้า แรงดันที่สายวงจรย่อยจะแตกต่างจากแรงดันไฟฟ้าที่แผงสวิตช์ประธานได้ไม่เกินร้อยละ 5” ด้วยเช่นกัน

การแก้ปัญหาแรงดันตก

ปกติค่าแรงดันตกในระบบแรงต่ำ วิศวกรไฟฟ้าจะมีการคำนวณและออกแบบแรงดันตกในระบบไฟฟ้าให้เป็นไปตามข้อกำหนดที่เกี่ยวข้องตามมาตรฐานการประกอบวิชาชีพทางวิศวกรรม โดยขั้นตอนการคำนวณออกแบบขนาดสายไฟฟ้า นอกเหนือจากพิจารณาค่าความสามารถในการนำกระแสของสายให้มากกว่ากระแสของโหลดแล้ว ยังต้องมีการคำนวณค่าแรงดันตกให้เป็นไปตามเกณฑ์ที่กำหนดอีกด้วย หากมีค่าร้อยละของแรงดันตกในสายมากกว่าที่กำหนด วิศวกรไฟฟ้าจะออกแบบโดยการเพิ่มขนาดสายเพื่อให้ค่าอิมพีแดนซ์ของสายลดลง ส่งผลให้ค่าแรงดันตกลดลงเป็นไปตามข้อกำหนดในมาตรฐานที่เกี่ยวข้อง

ปัจจัยที่มีผลต่อค่าแรงดันตกในระบบไฟฟ้าได้แก่ ชนิดของตัวนำ (ทองแดง หรืออะลูมิเนียม) ขนาดของสาย ความยาวสาย และวิธีการวางสายไฟ รวมทั้งค่าตัวประกอบกำลังวงจรของโหลด เป็นต้น

การคำนวณแรงดันตกโดยใช้สมการ

การคำนวณหาค่าแรงดันตกจะเป็นการหาค่าสูงสุด ดังนั้นในการคำนวณค่าแรงดันตกจะใช้ค่าความต้านทานกระแสสลับที่อุณหภูมิพิกัดใช้งานของสายไฟฟ้าคือ อุณหภูมิ 70°C สำหรับสายพีวีซี และอุณหภูมิ 90°C สำหรับสาย XLPE และค่ารีแอกแตนซ์หรือค่า XL ของสายไฟฟ้านั้นจะขึ้นอยู่กับขนาดของสาย และเปลี่ยนแปลงตามวิธีการวางสายไฟฟ้า ดังนั้นการคำนวณค่าแรงดันตกจึงมีความยุ่งยากในขั้นตอนการหาค่าอิมพีแดนซ์ของสายไฟ เช่น สาย PVC กับ XLPE ที่มีขนาดเท่ากัน และวิธีการวางสายเหมือนกัน จะมีค่าแรงดันตกไม่เท่ากัน เนื่องจากค่าต้านทานกระแสสลับของสายที่ไม่เท่ากัน สมการแรงดันตกที่เป็นค่าโดยประมาณจะแสดงได้ดังนี้

1. แรงดันตกวงจร 3 เฟส

วงจร 3 เฟส 4 สาย (สายเส้นไฟ L1, L2, L3 และสายนิวทรัล N) มีสมมติฐานว่าเป็นวงจรสมดุล ไม่มีกระแสไหลกลับที่สายนิวทรัล สมการจะได้ดังนี้

VD = √3 x I(RL cos θ + XL sin θ) x L 

ทำเป็นเปอร์เซ็นต์หารด้วยระบบแรงดัน สำหรับระบบแรงดัน 230/400 V

%VD =  VD400 x 100

2. แรงดันตกวงจร 1 เฟส

วงจร 1 เฟส 2 สาย (สายเส้นไฟ L และสายนิวทับ N) แรงดันตกจะเกิดขึ้นในสายไฟทั้งสองเส้น (L และ N) ในสมการจะได้ดังนี้

VD = 2 x I(RL cos θ + XL sin θ) x L

ทำเป็นเปอร์เซ็นต์หารด้วยระบบแรงดัน สำหรับระบบแรงดัน 230/400 V

%VD = VD230 x 100

เมื่อ RL คือค่าความต้านทานกระแสสลับที่อุณหภูมิพิกัดใช้งานของสายไฟฟ้า และ XL คือค่ารีแอกแตนซ์ของสายไฟฟ้าจะเปลี่ยนแปลงตามวิธีการวางสายไฟฟ้า

การคำนวณแรงดันตกโดยใช้ตาราง

วิธีที่ง่ายและสะดวกในการคำนวณแรงดันตก คือการใช้ตารางที่ระบุไว้ในมาตรฐานการติดตั้งทางไฟฟ้าสำหรับประเทศไทย พ.ศ. 2564, ภาคผนวก ฐ ใช้ประกอบการคำนวณ และเพื่อให้สะดวกในการใช้งานของตารางจึงได้กำหนดไว้เป็นค่าสูงสุด โดยค่าแรงดันตกจะถูกคำนวณตั้งแต่ค่า P.F. = 0.85 (ล้าหลัง) ไปจนถึง P.F. = 1.0 แล้วเลือกค่าแรงดันตกสูงสุดมาใส่ไว้ในตาราง โดยอ้างอิงการคำนวณจากมาตรฐาน BS 7671

การหาค่าแรงดันตกจากตาราง ผู้ใช้งานต้องเริ่มจากประเภทของสายเป็นสาย PVC หรือ สาย XLPE, สายชนิดแกนเดียว หรือหลายแกน, วงจรชนิด 1 เฟส หรือ 3 เฟส รวมทั้งรูปแบบการติดตั้งของสายไฟ ซึ่งผู้ใช้งานจะต้องเลือกใช้ตารางแรงดันตกสำหรับสายไฟฟ้าให้ถูกต้อง โดยขนาดของสายไฟที่ไม่เกิน 16 ตารางมิลลิเมตร จะคำนวณเฉพาะค่าความต้านทานกระแสสลับเท่านั้น โดยจะละเลยค่ารีแอกแตนซ์ที่มีค่าน้อยในการคำนวณ โดยรูปแบบการติดตั้งหรือกลุ่มการเดินสาย มีรายละเอียดดังนี้

• กลุ่มที่ 1 สายแกนเดียวหรือหลายแกนหุ้มฉนวน มี/ไม่มีเปลือกนอก เดิน ช่องเดินสายโลหะหรืออโลหะ ภายในฝ้าเพดานที่เป็นฉนวนความร้อน หรือผนังกันไฟ
• กลุ่มที่ 2 สายแกนเดียวหรือหลายแกนหุ้มฉนวน มี/ไม่มีเปลือกนอก เดินในช่องเดินสายโลหะหรืออโลหะเดินเกาะผนังหรือเพดาน หรือผังในผนังคอนกรีตหรือที่คล้ายกัน
• กลุ่มที่ 3 สายแกนเดียวหรือหลายแกนหุ้มฉนวนมีเปลือกนอก เดินเกาะผนัง หรือเพดาน ที่ไม่มีสิ่งปิดหุ้มที่คล้ายกัน
• กลุ่มที่ 4 สายเคเบิลแกนเดียวหุ้มฉนวน มี/ไม่มีเปลือกนอก วางเรียงกันแบบมีระยะห่าง เดินบนฉนวนลูกถ้วยในอากาศ
• กลุ่มที่ 5 สายแกนเดียวหรือหลายแกนหุ้มฉนวนมีเปลือกนอก เดินในท่อโลหะหรือท่ออโลหะฝังดิน
• กลุ่มที่ 6 สายแกนเดียว หรือหลายแกน หุ้มฉนวน มีเปลือกนอก ฝังดินโดยตรง
• กลุ่มที่ 7 สายเคเบิลแกนเดียวหรือหลายแกนหุ้มฉนวน มีเปลือกนอก วางบนรางเคเบิลแบบด้านล่างทึบ รางเคเบิลแบบระบายอากาศ หรือรางเคเบิลแบบบันได

(ตารางที่ ฐ.1) แรงดันตกสำหรับสายไฟฟ้า ฉนวน PVC แกนเดียว ที่ 70°c

ขนาดสาย(ตร. มม.)	1 เฟส AC (mV/A/m)			3 เฟส AC (mV/A/m)
	รูปแบบการติดตั้ง
	กลุ่มที่ 1,2 และ 5	กลุ่มที่ 3,4,6,7		กลุ่มที่ 1,2 และ 5	กลุ่มที่ 3,4,6,7
		Touching	Spaced		Trefoil	Flat	Spaced
1.0	44	44	44	38	38	38	38
1.5	29	29	29	25	25	25	25
2.5	18	18	18	15	15	15	15
4	11	11	11	9.5	9.5	9.5	9.5
6	7.3	7.3	7.3	6.4	6.4	6.4	6.4
10	4.4	4.4	4.4	3.8	3.8	3.8	3.8
16	2.8	2.8	2.8	2.4	2.4	2.4	2.4
25	1.81	1.75	1.75	1.52	1.50	1.50	1.52
35	1.33	1.25	1.27	1.13	1.11	1.12	1.15
50	1.00	0.94	0.97	0.85	0.81	0.84	0.86
70	0.71	0.66	0.69	0.61	0.57	0.60	0.63
95	0.56	0.50	0.54	0.48	0.44	0.47	0.50
120	0.48	0.41	0.45	0.40	0.35	0.39	0.43
150	0.41	0.35	0.39	0.35	0.30	0.34	0.38
185	0.36	0.29	0.34	0.31	0.26	0.30	0.34
240	0.30	0.25	0.29	0.27	0.21	0.25	0.29
300	0.27	0.22	0.26	0.24	0.18	0.23	0.26
400	0.25	0.19	0.23	0.22	0.16	0.20	0.24
500	0.23	0.17	0.21	0.20	0.15	0.18	0.22

(ตารางที่ ฐ. 2) แรงดันตกสำหรับสายไฟฟ้าฉนวน PVC หลายแกน ที่ 70°c

ขนาดสาย(ตร. มม.)	1 เฟส AC(mV/A/m)	3 เฟส AC(mV/A/m)
	ทุกกลุ่มการติดตั้ง	ทุกกลุ่มการติดตั้ง
1.0	44	38
1.5	29	25
2.5	18	15
4	11	9.5
6	7.3	6.4
10	4.4	3.8
16	2.8	2.4
25	1.75	1.50
35	1.25	1.10
50	0.93	0.80
70	0.65	0.57
95	0.49	0.43
120	0.41	0.36
150	0.34	0.29
185	0.29	0.25
240	0.24	0.21
300	0.21	0.18
400	0.17	0.15

(ตารางที่ ฐ.3) แรงดันตกสำหรับสายไฟฟ้า ฉนวน XLPE แกนเดียว ที่ 90°c

ขนาดสาย(ตร. มม.)	1 เฟส AC (mV/A/m)			3 เฟส AC (mV/A/m)
	รูปแบบการติดตั้ง
	กลุ่มที่ 1,2 และ 5	กลุ่มที่ 3,4,6,7		กลุ่มที่ 1,2 และ 5	กลุ่มที่ 3,4,6,7
		Touching	Spaced		Trefoil	Flat	Spaced
1.0	46	46	46	40	40	40	40
1.5	31	31	31	27	27	27	27
2.5	19	19	19	16	16	16	16
4	12	12	12	10	10	10	10
6	7.9	7.9	7.9	6.8	6.8	6.8	6.8
10	4.7	4.7	4.7	4.0	4.0	4.0	4.0
16	2.9	2.9	2.9	2.5	2.5	2.5	2.5
25	1.85	1.85	1.85	1.60	1.57	1.58	1.60
35	1.37	1.35	1.37	1.17	1.14	1.15	1.17
50	1.04	1.00	1.02	0.91	0.87	0.87	0.90
70	0.75	0.70	0.73	0.65	0.61	0.62	0.64
95	0.58	0.52	0.56	0.50	0.45	0.46	0.50
120	0.49	0.42	0.47	0.42	0.37	0.38	0.42
150	0.42	0.36	0.40	0.37	0.31	0.33	0.37
185	0.37	0.31	0.35	0.32	0.26	0.27	0.31
240	0.32	0.25	0.30	0.27	0.22	0.23	0.27
300	0.28	0.22	0.26	0.24	0.19	0.20	0.24
400	0.25	0.19	0.23	0.22	0.17	0.18	0.22
500	0.23	0.17	0.21	0.20	0.15	0.16	0.20

(ตารางที่ ฐ.4) แรงดันตกสำหรับสายไฟฟ้า ฉนวน XLPE หลายแกน ที่ 90°c

ขนาดสาย(ตร. มม.)	1 เฟส AC(mV/A/m)	3 เฟส AC(mV/A/m)
	ทุกกลุ่มการติดตั้ง	ทุกกลุ่มการติดตั้ง
1.0	46	40
1.5	31	27
2.5	19	16
4	12	10
6	7.9	6.8
10	4.7	4.0
16	2.9	2.5
25	1.85	1.60
35	1.35	1.15
50	0.99	0.86
70	0.68	0.60
95	0.52	0.44
120	0.42	0.36
150	0.35	0.31
185	0.30	0.25
240	0.24	0.22
300	0.21	0.18
400	0.19	0.16

การเข้าใจเรื่องแรงดันตกเป็นสิ่งสำคัญในการออกแบบและติดตั้งงานระบบไฟฟ้า อีกทั้งการเลือกใช้อุปกรณ์ติดตั้งอย่างตู้คอนโทรลและรางครอบสายไฟ ที่ผลิตด้วยวัสดุคุณภาพ ผลิตจากเครื่องจักรที่ทันสมัย ผ่านการรับรองมาตรฐาน จะช่วยลดความเสี่ยงจากอุบัติเหตุและความผิดพลาดจาการติดตั้งงานระบบไฟฟ้า ทำให้ระบบไฟฟ้าทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพ มีเสถียรภาพ และเกิดความปลอดภัยมากยิ่งขึ้นในขณะใช้งาน