แผงสวิตช์ ตู้ไฟฟ้า มีอายุการใช้งานเท่าไหร่ ทำอย่างไรจึงใช้ได้นาน

ผู้ช่วยศาสตราจารย์ ดร.นภดล วิวัชรโกเศศ

หากมีคนตั้งคำถามว่า “บริภัณฑ์ทางไฟฟ้าโดยเฉพาะแผงสวิตช์ที่ติดตั้งอยู่ในระบบจำหน่ายไฟฟ้าแรงต่ำจะสามารถใช้งานได้นานแค่ไหน?” เราคงไม่อาจหาคำตอบที่เป็นจำนวนแน่ชัดได้ เนื่องจากมีปัจจัยแวดล้อมมากมายที่ส่งผลต่อเรื่องอายุการใช้งาน ซึ่งในบทความนี้ KJL จะอธิบายว่าปัจจัยเหล่านั้นคืออะไรบ้าง และโดยปกติแล้วแผงสวิตช์ควรมีอายุการใช้งานเท่าใด

ปัจจัยที่มีผลต่ออายุการใช้งานของแผงสวิตช์หรือตู้ไฟฟ้า

1. สภาพแวดล้อมบริเวณสถานที่ติดตั้ง

สภาพแวดล้อมย่อมมีผลต่ออายุการใช้งานของอุปกรณ์ ตัวอย่างเช่น หากแผงสวิตช์หรือตู้ไฟฟ้าถูกติดตั้งอยู่ในอาคารสำนักงานที่สวยงามและทันสมัย สภาพแวดล้อมของแผงสวิตช์นั้น ๆ ก็จะอยู่ในเกณฑ์ดีถึงดีมาก สะอาดกว่าค่าเฉลี่ยโดยทั่วไป รวมทั้งมีอุณหภูมิแวดล้อมและอุณหภูมิใช้งานอยู่ในระดับปานกลาง แต่หากบริภัณฑ์ทางไฟฟ้าแบบเดียวกันนี้ถูกติดตั้งอยู่ภายในโรงงานกระดาษ หรือสภาพแวดล้อมที่เต็มไปด้วยฝุ่น อุณหภูมิแวดล้อมและอุณหภูมิใช้งานก็น่าจะสูงกว่า บริภัณฑ์ไฟฟ้าในโรงงานกระดาษจึงน่าจะมีอายุการใช้งานต่ำกว่านั่นเอง

2. การบำรุงรักษาเชิงป้องกันของอุปกรณ์

แผงสวิตช์ที่ได้รับการบำรุงรักษาเชิงป้องกันที่ดีและได้รับการตรวจสอบเป็นประจำ เพื่อให้ระบบจำหน่ายไฟฟ้าแรงต่ำทำงานเป็นปกติ คือปัจจัยหนึ่งที่ทำให้อายุการใช้งานของแผงสวิตช์ยาวนานขึ้น เช่นเดียวกับการบำรุงรักษารถยนต์

3. อุณหภูมิใช้งาน

อีกปัจจัยหนึ่งที่มีส่งผลต่ออายุการใช้งานของแผงสวิตช์ก็คืออุณหภูมิใช้งาน อ้างถึงมาตรฐาน ANSI/IEEE สำหรับสวิตช์เกียร์ที่หุ้มด้วยโลหะ ซึ่งจะจำกัดอุณหภูมิโดยรวมส่วนใหญ่สำหรับตัวนำบัสบาร์ที่ติดตั้งภายในไว้ไม่มากกว่า 105 °C (สภาพแวดล้อมการออกแบบใช้งานสูงสุดที่ 40 °C บวกกับอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นที่อนุญาตไว้ที่ 65 °C) ดังนั้น อุณหภูมิต่อเนื่องสูงสุดที่วัสดุฉนวนส่วนใหญ่จะสัมผัสได้คือ 105 °C การเสื่อมสภาพวัสดุที่เป็นฉนวนที่ติดตั้งจึงเป็นตัวแปรสำคัญที่ส่งผลโดยตรงต่ออายุการใช้งานของแผงสวิตช์

สมการของ Arrhenius

สมการของ Arrhenius* มักถูกใช้เพื่ออ้างอิงการประมาณอายุของฉนวนไฟฟ้า หรือก็คือ ค่าไดอิเล็กตริกของวัสดุ (Dielectric Material) โดยให้ข้อสรุปว่า “อายุการใช้งานของฉนวนไฟฟ้าจะลดลงครึ่งหนึ่งสำหรับการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิเฉลี่ย 10 °C” (Rule of thumb) ซึ่งข้อสรุปนี้สามารถยืนยันได้เช่นกันจากการทดสอบแบบเร่งรัด (Accelerated life testing)

ตัวอย่างเช่น หากเราเลือกวัสดุที่มีอายุการใช้งานประมาณ 20,000 ชั่วโมงที่ 125 °C นำมาใช้ในแผงสวิตช์ที่มีการออกแบบอุณหภูมิรวมสูงสุด 105 °C เมื่อใช้กระแสต่อเนื่อง ก็จะมีค่าประมาณเวลาเฉลี่ยถึงความล้มเหลวของวัสดุ (Mean time to failure, MTTF) อยู่ที่ 9.1 ปี และหากอุณหภูมิใช้งานโดยรวมลดลง 30 °C จะส่งผลให้อายุขัยเฉลี่ยใช้งานของแผงสวิตช์นั้น หรือ MTTF เพิ่มขึ้นจาก 9.1 ปี มาอยู่ที่ 73 ปี เป็นต้น 

ตัวอย่างข้างต้นนี้แสดงให้เห็นถึงความสำคัญของอุณหภูมิ ซึ่งเป็นตัวกำหนดอายุของอุปกรณ์ฉนวนภายในแผงสวิตช์ และอธิบายได้ว่า ทำไมอุปกรณ์ไฟฟ้าที่ใช้งานและดูแลรักษาเป็นอย่างดีจึงยังคงสามารถใช้งานได้เต็มประสิทธิภาพ ทั้ง ๆ ที่ถูกติดตั้งและใช้งานมาแล้วเป็นระยะเวลานาน บางกรณีใช้งานมาแล้วกว่า 40 ปี ทั้งนี้ การออกแบบอุปกรณ์สวิตช์เกียร์จะกำหนดเป้าหมายของการออกแบบให้อุปกรณ์มีอายุฉนวนมากกว่า 30 ปี เมื่อใช้งานที่เงื่อนไขปกติตามที่กำหนดไว้ในมาตรฐาน ANSI/IEEE

อย่างไรก็ตาม วิศวกรไฟฟ้า ช่างไฟฟ้า และผู้ใช้งานดูแลแผงสวิตช์หรือตู้ไฟฟ้าสามารถจะทำให้อายุขัยการใช้งานของแผงสวิตช์ให้ยาวนานขึ้นได้ โดยตรวจสอบการใช้งาน (Loading) อย่างสม่ำเสมอ รวมทั้งการควบคุมคุณภาพของระดับการบำรุงรักษาเชิงป้องกัน อุณหภูมิ และสภาพแวดล้อมการติดตั้งให้อยู่ในเกณฑ์ที่ดีถึงดีมาก

ตารางประมาณการอายุขัยเฉลี่ยการใช้งานตามสมการของ Arrhenius 

(อ้างอิงจากวัสดุฉนวนชนิดหนึ่งที่มีอายุการใช้งานประมาณ 20,000 ชั่วโมงที่ 125 °C)