วิศวกรรมไฟฟ้าแรงสูง 9786164881938

วิศวกรรมไฟฟ้าแรงสูง High Voltage Engineering

ราคา 350 บาท

ณัฐพงศ์ ตัณฑนุช

ISBN 978-616-488-193-8

วิศวกรรมไฟฟ้าแรงสูง

High Voltage Engineering


วิศวกรรมไฟฟ้ าแรงสูง High Voltage Engineering


ชื่อหนังสือ ผู้เขียน พิมพ์ครั้งที่ ปีที่พิมพ์ จำ�นวนพิมพ์ จำ�นวนหน้า ผู้จัดพิมพ์ และ จัดจำ�หน่าย

: : : : : : :

วิศวกรรมไฟฟ้าแรงสูง High Voltage Engineering ณัฐพงศ์ ตัณฑนุช 1 มิถุนายน 2564 100 เล่ม 418 หน้า คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยธรรมศาสตร์โครงการตำ�ราและเอกสารประกอบ โทรศัพท์ 0-2564-3001 โทรสาร 0-2564-3010

ราคา

:

350 บาท

ข้อมูลทางบรรณานุกรมของหอสมุดแห่งชาติ National Library of Thailand Cataloging in Publication Data ณัฐพงศ์ ตัณฑนุช วิศวกรรมไฟฟ้าแรงสูง.-- ปทุมธานี : คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยธรรมศาสตร์, 2564. 418 หน้า. 1. วิศวกรรมไฟฟ้า. 2. ไฟฟ้าแรงสูง. I. ชื่อเรื่อง. 1. กฎหมายแพ่งและพาณิชย์--ตัวแทน. 2. กฎหมายแพ่งและพาณิชย์ - นายหน้า. 621.3 ISBN : 978-616-488-193-8

พิมพ์ที่: โรงพิมพ์มหาวิทยาลัยธรรมศาสตร์, พ.ศ. 2564 โทรศัพท์ 0-2564-3104 ถึง 6 โทรสาร 0-2564-3119 http://www.thammasatprintinghouse.com

คํานํา ไฟฟ้าแรงสูง ค�อ ระบบไฟฟ้าที�มีแรงดันไฟฟ้าระหว่างสายไฟฟ้าสูงมากเม��อเทียบกับไฟฟ้า แรงต��าที�ใช้ตามที�อยู่อาศัย �ดย�ะมีขนาดของแรงดันไฟฟ้าเท่ากับเท่าใดนัน� ข�น� อยู่กบั มาตรฐานการ ติดตั�ง ของระบบไฟฟ้า ที� น า� มาใช้ เช่ น แรงดัน ไฟฟ้า เกิ น กว่า �� ส�า หรับมาตรฐาน �� หร�อ แรงดันไฟฟ้าเกินกว่า �� ส�าหรับมาตรฐาน �� เป็ นต้น อีกทัง� ในระบบไฟฟ้าแรงสูงประกอบไป ด้วยอุปกรณ์ท�ีมีความส�าคั�หลายชนิด เช่น หม้อแปลงไฟฟ้า สายเคเบิล สวิตช์ตดั ตอน และลูก�้วย ฉนวน ติ ด ตั�ง ตามแนวสายส่ ง และในส�านี ไ ฟฟ้ า เพ�� อ ให้ร ะบบไฟฟ้ า แรงสูง ท�า งานได้อ ย่ า งมี ประสิทธิภาพและเส�ียรภาพ บุคลากรที�ทา� งานหร�อมีความเกี�ยวข้อง��งควรมีความรูแ้ ละความเข้าใ� พ�น� ฐานทางไฟฟ้าแรงสูง สามาร�น�าความรู ไ้ ปใช้ในการป�ิบตั ิงาน พั�นาระบบไฟฟ้าให้สามาร�ส่ง �่ายพลังงานไฟฟ้าได้มากข�น� สอดคล้องกับการขยายตัวของภาคอุตสาหกรรม ธุรกิ�การค้า และการ ท่องเที�ยวของประเทศไทย ต�า ราเร�� อ ง วิ ศ วกรรมไฟฟ้ า แรงสูง เรี ย บเรี ย งข�น� เพ�� อ ใช้ป ระกอบการเรีย นการสอนวิ ชา วิศวกรรมไฟฟ้าแรงสูง เป็ นการศ�ก�าความรู พ้ �นฐานทางไฟฟ้าแรงสูง การกระ�ายแรงดันไฟฟ้าและ สนามไฟฟ้ า ในระบบฉนวน ความคงทนและการเสี ย สภาพในฉนวนประเภทต่า งๆ ได้แ ก่ แก๊ ส ของเหลว และของแข็ง การสร้างและการวัดทางไฟฟ้าแรงสูง การทดสอบอุปกรณ์ไฟฟ้าแรงสูง รวมไป ��งปราก�การณ์และการป้องกันอันตราย�ากฟ้า�่า เม��อนักศ�ก�าได้เรียนรู ว้ ิชานีแ� ล้ว �ะมีความรู ้ พ�น� ฐานทางด้านไฟฟ้าแรงสูงเพียงพอ สามาร�ศ�ก�าต่อในระดับสูงต่อไป หร�อน�าไปประยุกต์ใช้ใน การท�า งานอย่ า งมี ป ระสิ ท ธิ ภ าพ เช่ น การเล� อ กใช้ และการออกแบบอุป กรณ์ท�ี ติ ด ตั�ง ในระบบ ไฟฟ้าแรงสูง �ดยต�าราเร��อง วิศวกรรมไฟฟ้าแรงสูง ได้�่านการประเมินคุณภาพ�ากคณะ�ูท้ รงคุณวุ�ิใน สาขาวิชาที�เกี�ยวข้องตามขัน� ตอนของคณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยธรรมศาสตร์ ��ง�ูเ้ ขียนได้ ท�า การแก้ไ ขปรับ ปรุ ง ตามค�า แนะน�า ของคณะ�ู้ท รงคุณ วุ�ิ ก่ อ นการ�ัด พิ ม พ์ เพ�� อ ให้เ กิ ด ความ �ิดพลาดน้อยที�สดุ หากมีความบกพร่องประการใดทาง�ูเ้ ขียนต้องขออภัยมา ณ ที�นีด� ว้ ย ณัฐพงศ์ ตัณฑนุช ภาควิชาวิศวกรรมไฟฟ้าและคอมพิวเตอร์ คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยธรรมศาสตร์

สารบัญ หน้า

บทที� 1 บทนํา 1.1 ไฟฟ้าแรงสูงคืออะไร...................................................................................................... - 1 1.2 ไฟฟ้าแรงสูงเกิดข�น� ได้อย่างไร......................................................................................... - 1 1.2.1 ไฟฟ้าแรงสูงที�เกิดข�น� ตาม�รรมชาติ ......................................................................... - 1 1.2.1.1 ปรากฏการณ์ฟา้ ผ่า ...................................................................................... - 1 1.2.1.2 ไฟฟ้าสถิต ................................................................................................... - 2 1.2.2 ไฟฟ้าแรงสูงที�มน��ย์สร้างข�น� ................................................................................... - 3 1.3 การส่งจําหน่ายกําลังไฟฟ้าด้วยระบบไฟฟ้าแรงสูง ............................................................ - 4 1.4 สถานีไฟฟ้า .................................................................................................................. - 7 1.4.1 สถานีไฟฟ้าภายนอกอาคาร .................................................................................... - 7 1.4.2 สถานีไฟฟ้าภายในอาคาร ....................................................................................... - 8 1.5 การใช้แรงดันสูงกระแสตรง .......................................................................................... - 10 1.6 แรงดันเกินทรานเ�ีย� นต์ ............................................................................................... - 12 1.7 การทดสอบแรงดันสูง .................................................................................................. - 12 1.7.1 ประเภทการทดสอบ ............................................................................................. - 13 1.7.1.1 การทดสอบแบบไม่ทาํ ลาย ......................................................................... - 13 1.7.1.2 การทดสอบแบบทําลาย.............................................................................. - 14 1.7.2 มาตร�านและรูปคลื�นแรงดันทดสอบ ..................................................................... - 14 1.7.3 ขนาดแรงดันทดสอบ ............................................................................................ - 15 1.8 อันตรายจากไฟฟ้าแรงสูง............................................................................................. - 19 คําถามท้ายบทที� 1 ............................................................................................................ - 22 -

หน้า

บทที� 2 ความเครียดสนามไฟฟ้ า 2.1 ความรู�้ �น�านเกี�ยวกับสนามไฟฟ้า............................................................................... - 23 2.2 สนามไฟฟ้าในระบบอิเล็กโทรดแบบต่างๆ ..................................................................... - 25 2.2.1 ระนาบคูข่ นาน ..................................................................................................... - 25 2.2.2 ทรงกลมซ้อนศูนย์กลางร่วม .................................................................................. - 26 2.2.3 ทรงกลมเดี�ยวในอากาศหร�อที�วา่ ง .......................................................................... - 27 2.2.4 ทรงกระบอกซ้อนแกนร่วม ..................................................................................... - 28 2.2.5 ทรงกลม – ทรงกลมวางห่างกัน.............................................................................. - 29 2.2.6 ทรงกระบอกยาววางขนานกัน ............................................................................... - 30 2.2.7 สายตัวนําควบ ..................................................................................................... - 31 2.3 แฟกเตอร์สนามไฟฟ้า .................................................................................................. - 33 2.4 รูปแบบของสนามไฟฟ้า ............................................................................................... - 34 2.5 มิตทิ �ี�อเหมาะ............................................................................................................ - 36 2.5.1 ทรงกลมซ้อนศูนย์กลางร่วม .................................................................................. - 36 2.5.2 ทรงกระบอกซ้อนแกนร่วม ..................................................................................... - 37 2.6 อิเล็กโทรดในระบบสถานีไฟฟ้าแบบใช้ฉนวนแก๊ส........................................................... - 38 2.7 ความเครียดสนามไฟฟ้าในวัสด�สารเน�อ� ต่างชนิดกัน ....................................................... - 40 2.7.1 การหักเหของเส้นฟลักซ์ไฟฟ้าที�รอยต่อของฉนวนต่างชนิด ........................................ - 40 2.7.2 ฉนวนต่างชนิดซ้อนกันในสนามไฟฟ้าสมํ�าเสมอ ...................................................... - 42 2.7.3 ความเครียดสนามไฟฟ้าในชัน� ฉนวนที�เป็ นอากาศและของแข็ง.................................. - 44 2.7.3.1 ชัน� อากาศบางๆกับฉนวนแข็ง ...................................................................... - 44 2.7.3.2 ชัน� ฉนวนแข็งบางๆกับอากาศ ...................................................................... - 45 2.7.4 ความเครียดสนามไฟฟ้าในฉนวนสายเคเบิลแรงสูง .................................................. - 45 2.7.5 ความเครียดสนามไฟฟ้าของปลอกฉนวนตัวนําแรงสูง .............................................. - 49 -

หน้า 2.7.5.1 ปลอกฉนวนตัวนําแบบธรรมดา ................................................................... - 49 2.7.5.2 ปลอกฉนวนตัวนําแบบเก็บประจุ ................................................................. - 51 2.7.6 ความเครียดสนามไฟฟ้าในชัน� ฉนวนเหลวกับฉนวนแข็ง ........................................... - 54 2.7.7 ชัน� ฉนวนซ้อนกัน�ายใต้ไฟฟ้ากระแสตรง................................................................ - 55 2.7.8 ผลส�บเน��องจากประจุคา้ งบริเว�รอยต่อ ................................................................. - 57 2.8 การกระจายแรงดันและความเครียดสนามไฟฟ้าบนลูกถ้วยฉนวน .................................... - 58 2.9 การกระจายแรงดันไฟฟ้าบนพวงลูกถ้วยแขวน ............................................................... - 65 คําถามท้ายบทที� 2 ............................................................................................................ - 70 บทที� 3 ดิสชาร์จในแก๊ส 3.1 การนําไฟฟ้าในแก๊ส .................................................................................................... - 74 3.2 ไอออไนเซชัน ............................................................................................................. - 75 3.2.1 ไอออไนเซชันโดยการชน ...................................................................................... - 76 3.2.2 สัมประสิทธิ�การไอออไนเซชัน ................................................................................ - 79 3.2.3 การเกิดอะวาลานซ์ของอิเล็กตรอน......................................................................... - 82 3.2.3.1 โฟโตไอออไนเซชัน ..................................................................................... - 82 3.2.3.2 เทอร์มลั ไอออไนเซชัน ................................................................................. - 84 3.3 การปล่อยอิเล็กตรอนออกจากผิวโลหะ.......................................................................... - 85 3.3.1 การปล่อยอิเล็กตรอนออกจากผิวแคโทดโดยการชนของไอออนบวก .......................... - 86 3.3.2 การปล่อยอิเล็กตรอนออกจากผิวแคโทดโดยพลังงานแสง ........................................ - 87 3.3.3 การปล่อยอิเล็กตรอนออกจากโลหะด้วยความร้อน .................................................. - 88 3.3.4 การปล่อยอิเล็กตรอนออกจากแคโทดโดยสนามไฟฟ้า .............................................. - 90 3.4 ดีไอออไนเซชัน ........................................................................................................... - 92 3.5 ความสัมพันธ์ของกระแสกับแรงดันดิสชาร์จ .................................................................. - 93 -

หน้า 3.5.1 เบรกดาวน์แบบสมบูรณ์........................................................................................ - 95 3.5.1.1 เบรกดาวน์โดยตรง ..................................................................................... - 95 3.5.1.2 เบรกดาวน์แบบโคโรน่า............................................................................... - 96 3.5.2 เบรกดาวน์เพียงบางส่วนหรือดิสชาร์จบางส่วน ........................................................ - 96 3.5.2.1 ดิสชาร์จแบบโคโรน่า .................................................................................. - 96 3.5.2.2 ดิสชาร์จตามผิว ......................................................................................... - 97 3.5.2.3 ดิสชาร์จภายใน.......................................................................................... - 98 3.6 กลไกการเบรกดาวน์ในแก๊ส ......................................................................................... - 98 3.6.1 ทฤษฎีการเกิดเบรกดาวน์ของทาวน์เซนด์.............................................................. - 100 3.6.2 ทฤษฎีการเกิดเบรกดาวน์แบบสตรีมเมอร์ ............................................................. - 104 3.6.3 กฎแห่งความคล้ายคลึง ...................................................................................... - 108 3.7 เบรกดาวน์ในแก๊สไฟฟ้าลบ ........................................................................................ - 109 3.8 ปราก�การณ์ของเพนนิ�ง ........................................................................................... - 111 3.9 เบรกดาวน์จากแรงดันอิมพัลส์.................................................................................... - 112 3.10 ปั จจัยที�มีผลต่อค่าแรงดันเบรกดาวน์......................................................................... - 115 3.10.1 ลักษณะของระบบอิเล็กโตรด ............................................................................ - 115 3.10.2 ขัว� ของแรงดัน .................................................................................................. - 117 3.10.3 ประจุคา้ ง ........................................................................................................ - 118 3.10.4 สภาวะบรรยากาศ............................................................................................ - 120 3.10.5 รูปคลื�นแรงดัน ................................................................................................. - 124 3.10.6 แผ่น�นวนบางกัน� ............................................................................................ - 125 3.11 การคํานวณค่าแรงดันเบรกดาวน์.............................................................................. - 126 3.11.1 แรงดันเบรกดาวน์โดยตรงในสนามไฟฟ้าสมํ�าเสมอ .............................................. - 127 -

หน้า 3.11.2 แรงดันเบรกดาวน์โด�ตรงในสนา�ไฟฟ้าไ��ส�ํ�าเส�อเล�กน้อ� .............................. - 12� 3.11.3 แรงดันโคโรน�าเริ�� เกิดในสนา�ไฟฟ้าไ��ส�ํ�าเส�อสูง ............................................ - 12� 3.11.4 ขัน� ตอนการคํานว�ค�าแรงดันเบรกดาวน์............................................................ - 12� คํา�า�ท้า�บทท�� 3 .......................................................................................................... - 131 บทที� 4 เบรกดาวน์ในฉนวนเหลว 4.1 องค์�ระกอบทางเค��ของนํา� �ันแร� .............................................................................. - 13� 4.2 นํา� �ันฉนวนสังเคราะห์ .............................................................................................. - 13� 4.2.1 คุ�ส�บัตทิ ��าํ เ�� นสําหรับนํา� �ันฉนวนสังเคราะห์ .................................................. - 13� 4.2.2 นํา� �ันฉนวนสังเคราะห์ท�ใช้ใน�ั ��ุบนั .................................................................. - 13� 4.2.2.1 อะลิฟาติกไฮโดรคาร์บอน ......................................................................... - 141 4.2.2.2 นํา� �ัน�ิลโิ คน ........................................................................................... - 141 4.2.2.3 เพอร์ฟลูออโรคาร์บอน .............................................................................. - 142 4.2.2.4 เอสเทอร์สงั เคราะห์ .................................................................................. - 142 4.3 กลไกการเบรกดาวน์ในฉนวนเหลว ............................................................................. - 142 4.3.1 ฉนวนเหลวบริสทุ ธิ� ............................................................................................. - 142 4.3.1.1 การนําไฟฟ้า ............................................................................................ - 143 4.3.1.2 การเบรกดาวน์......................................................................................... - 144 4.3.2 กระบวนการนําไฟฟ้าและเบรกดาวน์ในฉนวนเหลว ............................................... - 144 4.3.2.1 กระบวนการแคโทด.................................................................................. - 145 4.3.2.2 กระบวนการชน ....................................................................................... - 145 4.3.2.3 กระบวนการแอโนด .................................................................................. - 145 4.3.3 การเบรกดาวน์ของฉนวนเหลวเชิงการค้า .............................................................. - 145 4.3.3.1 การเบรกดาวน์เน��อง�ากแก�สเ��อ�น........................................................... - 14� -

หน้า 4.3.3.2 การเบรกดาวน์เน��อง�ากของเหลวเ��อปน.................................................... - 146 4.3.3.3 การเบรกดาวน์เน��อง�ากอนุ�า�ของแข็ง .................................................... - 148 4.3.3.4 การเบรกดาวน์ของฉนวนผสม ................................................................... - 149 4.3.4 การเกิดเบรกดาวน์ในแกปขนาดเล็ก..................................................................... - 150 4.3.4.1 การเกิดสตรีมเมอร์ดิส�าร์�ในน�า� มันฉนวน ................................................. - 150 4.3.4.2 การเกิดโพรงแก๊ส ..................................................................................... - 154 4.3.5 การเกิดเบรกดาวน์ในแกปขนาดใหญ่ ................................................................... - 159 4.3.5.1 การเบรกดาว์โดยตรง................................................................................ - 159 4.3.5.2 การเบรกดาว์เน��อง�ากสตรีมเมอร์แบบต่อเน��อง ........................................... - 163 4.3.6 ปั ��ัยที�มีผลกระทบต่อการเบรกดาวน์ในน�า� มันฉนวน ............................................ - 165 4.3.6.1 สิ�งเ��อปน ................................................................................................ - 166 4.3.6.2 แก๊สเ��อปนและ�วามดันส�ิตของน�า� มันฉนวน ............................................ - 167 4.3.6.3 �วาม��น� ................................................................................................. - 167 4.3.6.4 โลหะที�ละลายในน�า� มันฉนวน .................................................................... - 168 4.3.6.5 อนุ�า�ปนเป� �อนของแข็ง........................................................................... - 168 4.3.6.6 รอยต่อระหว่างฉนวน ............................................................................... - 169 4.3.6.7 การเส��อมส�าพและการสลายตัวของน�า� มันฉนวน ....................................... - 172 ��า�ามท้ายบทที� 4 .......................................................................................................... - 174 บทที� 5 การเบรกดาวน์ของฉนวนแข็งและฉนวนคอมโพสิต 5.1 ฉนวนแข็ง ................................................................................................................ - 176 5.1.1 การเบรกดาวน์บริสทุ ธิ� ........................................................................................ - 177 5.1.1.1 ทฤษฎีการเกิดเบรกดาวน์แบบบริสทุ ธิ� ........................................................ - 177 5.1.1.2 การวัดแรงดันเบรกดาวน์บริสทุ ธิ�ของฉนวนแข็ง ........................................... - 178 -

หน้า 5.1.2 �รงดันเบรกดาวน์เริม� ต้น ..................................................................................... - 180 5.1.3 การเส��อมสภาพ�ล�ความผิดปกติเริม� �รก............................................................. - 181 5.1.3.1 การเบรกดาวน์เน��อง�ากความร้อน............................................................. - 181 5.1.3.2 การเบรกดาวน์เน��อง�ากดิสชาร์� ............................................................... - 183 5.1.3.3 การเส��อมสภาพทางกล ............................................................................. - 184 5.1.3.4 ความเค้นผสม ......................................................................................... - 186 5.1.3.5 การเส��อมสภาพทางเคมี ............................................................................ - 186 5.1.3.6 การเส��อมสภาพ�ากป�ิกิรยิ าไ��้าเคมี....................................................... - 187 5.1.4 การสลายตัวของวัสดุ.......................................................................................... - 187 5.2 ฉนวนพอลิเมอร์ ........................................................................................................ - 188 5.2.1 คุณสมบัตทิ างเคมีกายภาพ................................................................................. - 189 5.2.1.1 ยางธรรมชาติ .......................................................................................... - 189 5.2.1.2 ยางเอทิลีนโพรพิลนี .................................................................................. - 190 5.2.1.3 ยางบิวไทล์ .............................................................................................. - 190 5.2.1.4 ยางซิลโิ คน .............................................................................................. - 191 5.2.1.5 ยางนีโอพรีน ............................................................................................ - 192 5.2.1.6 พีวีซี ....................................................................................................... - 193 5.2.1.7 พอลิเอทิลีน�ล�ครอสลิง� ค์พอลิเอทิลีน ....................................................... - 193 5.2.2 คุณสมบัตกิ ารเป็ นฉนวน ..................................................................................... - 195 5.2.2.1 การเบรกดาวน์......................................................................................... - 195 5.2.2.2 ปั ��ัยที�มีผลต�อฉนวนพอลิเมอร์สงั เครา�ห์.................................................. - 198 5.3 ฉนวนผสมกร�ดา�-น�า� มันฉนวน ................................................................................ - 201 5.3.1 ชัน� ฉนวนผสมกร�ดา�-น�า� มันฉนวน ..................................................................... - 202 5.3.1.1 คุณสมบัตทิ างเคมี-กายภาพของฉนวนผสมกร�ดา�-น�า� มันฉนวน ................ - 205 -

หน้า 5.3.1.2 การปรับปรุงคุณสมบัตขิ องฉนวน�สมกระดาษ-น�า� มันฉนวน ........................ - 214 5.3.2 คุณสมบัตกิ ารเป็ นฉนวนของฉนวนใหม่ ................................................................ - 217 5.3.2.1 ความคงทนฉนวนไฟฟ้าเริม� ต้น .................................................................. - 21� 5.3.2.2 ปั จจั�ท��ม��ลต่อความคงทนทางไฟฟ้า ........................................................ - 219 5.4 ฉนวน�สมแก๊สซัลเฟอร์เฮกซะฟลูออไรด์กบั อิ�็อกซ�� ...................................................... - 222 5.4.1 แก๊สซัลเฟอร์เฮกซะฟลูออไรด์ .............................................................................. - 223 5.4.1.1 สนามไฟฟ้า�ค�รน่าเริม� เกิด ....................................................................... - 223 5.4.1.2 คุณลักษณะแรงดัน-เวลา .......................................................................... - 224 5.4.2 อิ�็อกซ�� ............................................................................................................. - 226 5.4.2.1 แรงดันเบรกดาวน์ .................................................................................... - 229 5.4.2.2 คุณสมบัตแิ รงดัน-เวลา ............................................................................. - 229 5.4.3 ปั จจั�ท��ม��ลต่อการเป็ นฉนวนของฉนวน�สมแก๊สซัลเฟอร์เฮกซะฟลูออไรด์กบั อิ�็อกซ�� ............................................................................................................. - 234 5.4.3.1 ความดันแก๊ส........................................................................................... - 234 5.4.3.2 ��น� �ิวตัวน�า............................................................................................. - 235 5.4.3.3 สิ�งปนเป� �อน ............................................................................................. - 236 5.4.3.4 ความ��น� ................................................................................................. - 23� 5.4.3.5 การสะสมของประจุไฟฟ้า ......................................................................... - 239 ค�า�ามท้า�บทท�� 5 .......................................................................................................... - 24� บทที� 6 การสร้างแรงดันสูง 6.1 การสร้างแรงดันสูงกระแสสลับ ................................................................................... - 242 6.1.1 หม้อแปลงทดสอบ ............................................................................................. - 242 6.1.2 หม้อแปลงต่อแบบขัน� บันได ................................................................................. - 243 -

หน้า 6.1.3 หม้อแปลงเรโซแนนซ์ .......................................................................................... - 246 6.1.3.1 วงจรเรโซแนนซ์ขนาน ............................................................................... - 246 6.1.3.2 วงจรเรโซแนนซ์อนุกรม ............................................................................. - 246 6.2 การสร้างแรงดันสูงความ�ี�สงู ..................................................................................... - 24� 6.3 การสร้างแรงดันสูงกระแสตรง .................................................................................... - 251 6.3.1 วงจรเรียงกระแสแบบคร�ง� คล��นและแบบเต็มคล��น ................................................... - 251 6.3.2 วงจรแรงดันสองเท่า ........................................................................................... - 253 6.3.3 วงจรแรงดันสามเท่า ........................................................................................... - 255 6.3.4 วงจรทวีคณ ู แรงดัน ............................................................................................. - 257 6.3.4.1 แรงดันระลอก .......................................................................................... - 259 6.3.4.2 แรงดันตก................................................................................................ - 260 6.3.5 เคร�อ� งก�าเนิดแรงดัน��้าส�ิต ............................................................................ - 261 6.3.5.1 เคร�อ� งก�าเนิด��้าแวนเดอกรา��์ ............................................................ - 261 6.3.5.2 เคร�อ� งก�าเนิดชนิดตัวเก็บประจุแบบปรับค่า ................................................. - 263 6.4 การสร้างแรงดันอิมพัลส์ ............................................................................................ - 264 6.4.1 วงจรสร้างแรงดันอิมพัลส์ .................................................................................... - 265 6.4.1.1 การวิเคราะห์วงจร .................................................................................... - 267 6.4.1.2 การหาองค์ประกอบของวงจร .................................................................... - 269 6.4.1.3 �ลของความเหนี�ยวน�า�นวงจร .................................................................. - 271 6.4.2 เคร�อ� งก�าเนิดแรงดันอิมพัลส์แบบหลายขัน� ............................................................ - 272 6.4.2.1 การควบคุมเคร�อ� งก�าเนิดแรงดันอิมพัลส์แบบหลายขัน� ................................. - 273 6.5 การสร้างกระแสอิมพัลส์ ............................................................................................ - 274 6.5.1 กระแสอิมพัลส์แบบเอ็กซ์โปเน็นเชียล ................................................................... - 275 6.5.2 กระแสอิมพัลส์แบบสี�เหลี�ยม ............................................................................... - 276 -

หน้า คําถามท้ายบทที� 6 .......................................................................................................... - 279 บทที� 7 การวัดทางไฟฟ้ าแรงสูง 7.1 แกปทรงกลม ............................................................................................................ - 282 7.2 แกปแบบแท่ง ........................................................................................................... - 291 7.3 การวัดแรงดันค่ายอด ................................................................................................ - 292 7.4 โวลต์มิเตอร์แบบไฟฟ้าสถิต ........................................................................................ - 294 7.5 หม้อแปลงวัดแรงดัน ................................................................................................. - 295 7.5.1 หม้อแปลงวัดแรงดันแบบความเหนี�ยวนํา ............................................................. - 295 7.5.2 หม้อแปลงวัดแรงดันแบบตัวเก็บประจุ .................................................................. - 297 7.6 อิมพีแดนซ์ตอ่ อันดับ ................................................................................................. - 299 7.6.1 ความต้านทานต่ออันดับ ..................................................................................... - 300 7.6.2 ตัวเก็บประจุตอ่ อันดับ......................................................................................... - 301 7.7 วงจรแบ่งแรงดันสําหรับแรงดันสูงกระแสตรงและกระแสสลับ ........................................ - 302 7.7.1 วงจรแบ่งแรงดันแบบตัวต้านทาน......................................................................... - 302 7.7.2 วงจรแบ่งแรงดันแบบตัวเก็บประจุ........................................................................ - 305 7.8 วงจรแบ่งแรงดันสําหรับแรงดันอิมพัลส์ ....................................................................... - 306 7.8.1 วงจรแบ่งแรงดันแบบตัวต้านทาน......................................................................... - 308 7.8.2 วงจรแบ่งแรงดันแบบตัวเก็บประจุ........................................................................ - 309 7.8.3 เคเบิลวัดสัญญาณ ............................................................................................. - 310 7.9 การวัดกระแสทรานเซีย� นต์......................................................................................... - 313 7.9.1 ความต้านทานชันท์ ............................................................................................ - 313 7.9.2 โรกอฟสกีค� อยล์ ................................................................................................. - 315 7.9.3 เซ็นเซอร์วดั กระแสแบบฮอลล์ .............................................................................. - 316 -

หน้า 7.10 การวัดสนามไฟฟ้า .................................................................................................. - 316 7.10.1 โพรบวัดสนามไฟฟ้า ......................................................................................... - 317 7.10.2 วงล้อวัดสนามไฟฟ้า ......................................................................................... - 318 7.11 การวัดดิสชาร์จบางส่วน .......................................................................................... - 319 7.11.1 วงจรสมมูลดิสชาร์จบางส่วน ............................................................................. - 319 7.11.2 วงจรวัดดิสชาร์จบางส่วน .................................................................................. - 321 7.11.2.1 อิมพีแดนซ์วดั ดิสชาร์จบางส่วน ............................................................... - 322 7.11.2.2 วงจรขยายสัญญาณ .............................................................................. - 322 7.11.3 การแสดงผลการวัดดิสชาร์จบางส่วน ................................................................. - 322 ค�า�ามท้ายบทที� 7 .......................................................................................................... - 324 บทที� 8 การทดสอบไฟฟ้ าแรงสูง 8.1 การทดสอบความคงทนอยูไ่ ด้ตอ่ แรงดัน ...................................................................... - 327 8.1.1 การทดสอบด้วยแรงดันสูงกระแสตรง ................................................................... - 327 8.1.2 การทดสอบด้วยแรงดันสูงกระแสสลับ .................................................................. - 328 8.1.3 การทดสอบด้วยแรงดันอิมพัลส์ ........................................................................... - 328 8.1.3.1 วิธีการทดสอบ ......................................................................................... - 328 8.1.3.2 แรงดันอิมพัลส์วิกฤต ................................................................................ - 329 8.2 การทดสอบแรงดันไฟฟ้าคล��นวิทย� .............................................................................. - 330 8.3 การทดสอบหม้อแปลงไฟฟ้า ...................................................................................... - 332 8.3.1 การทดสอบการทนต่อแรงดัน�หนี�ยวน�า�กิน........................................................... - 332 8.3.2 การทดสอบดิสชาร์จบางส่วน .............................................................................. - 332 8.3.3 การทดสอบความคงทนอยูไ่ ด้ตอ่ แรงดันอิมพัลส์ .................................................... - 334 8.3.3.1 ขัน� ตอนการทดสอบ .................................................................................. - 33� -

หน้า 8.3.3.2 การวิเคราะห์และระบุตาํ แหน่งของความผิดพร่อง........................................ - 336 8.4 การทดสอบสายเคเบิลแรงสูง ..................................................................................... - 338 8.4.1 การทดสอบความทนทานของฉนวนสายไฟ........................................................... - 338 8.4.2 การวัดแฟกเตอร์กาํ ลังสูญเสีย ............................................................................. - 339 8.4.3 การทดสอบดิสชาร์จบางส่วน .............................................................................. - 340 8.5 การทดสอบลูกถ้วยฉนวน .......................................................................................... - 342 8.5.1 การทดสอบความคงทนแรงดันไฟฟ้าในภาวะเปี ยก ................................................ - 342 8.5.2 การทดสอบแรงดันไฟฟ้าเจาะผ่าน ....................................................................... - 343 8.5.3 การทดสอบภาวะเปรอะเป� �อน.............................................................................. - 343 8.5.3.1 Salt fog method ..................................................................................... - 344 8.5.3.2 Solid layer method ................................................................................ - 344 คําถามท้ายบทที� 8 .......................................................................................................... - 346 บทที� 9 ฟ้ าผ่าและการป้ องกัน 9.1 กลไกการเกิดฟ้าผ่า ................................................................................................... - 348 9.2 กระแสฟ้าผ่า ............................................................................................................ - 352 9.3 อันตรายของฟ้าผ่า .................................................................................................... - 355 9.3.1 ประเภทของการถูกไฟฟ้าดูด ............................................................................... - 355 9.3.2 ปั จจัยที�มีผลต่อความรุนแรงจากการถูกไฟฟ้าดูด ................................................... - 357 9.3.2.1 ระดับแรงดันไฟฟ้า ................................................................................... - 357 9.3.2.2 ปริมาณกระแสไฟฟ้า ................................................................................ - 358 9.3.2.3 ความต้านทานของร่างกาย ....................................................................... - 358 9.3.2.4 ทางผ่านกระแสไฟฟ้า ............................................................................... - 360 9.3.2.5 ระยะเวลาที�ถกู ไฟฟ้าดูด............................................................................ - 360 -

หน้า 9.3.2.6 ความถ��ของกระแส�ฟฟ้า ........................................................................... - 362 9.3.3 ผลของกระแสฟ้าผ่า ........................................................................................... - 362 9.3.4 ลักษณะการถูกฟ้าผ่า ......................................................................................... - 364 9.3.4.1 การถูกฟ้าผ่าโดยตรง ................................................................................ - 364 9.3.4.2 การสัมผัสกับวัตทุ �ถกู ฟ้าผ่า ....................................................................... - 364 9.3.4.3 การเกิดประกายฟ้าผ่าด้านข้าง .................................................................. - 365 9.3.4.4 แรงดันช่วงก้าว ........................................................................................ - 366 9.4 รากสายดิน .............................................................................................................. - 366 9.4.1 แท่งหลักดิน ....................................................................................................... - 367 9.4.2 รากสายดินฝั งแนวนอน....................................................................................... - 369 9.4.3 รากสายดินวงแหวน ........................................................................................... - 370 9.4.4 รากสายดินแบบโครงตาข่าย ............................................................................... - 371 9.4.5 รากสายดินฐานราก............................................................................................ - 372 9.5 สภาพต้านทานของดิน .............................................................................................. - 373 9.5.1 ปั จจัยท��ม�ผลต่อสภาพต้านทานของดิน ................................................................. - 373 9.5.2 การวัดสภาพต้านทานของดิน .............................................................................. - 375 9.5.2.1 การวัดแบบสามจุด .................................................................................. - 375 9.5.2.2 การวัดแบบส��จดุ ....................................................................................... - 376 9.5.3 แบบจําลองสภาพต้านทานของดิน....................................................................... - 377 9.5.3.1 แบบจําลองดินสมํ�าเสมอ .......................................................................... - 377 9.5.3.2 แบบจําลองดิน�ม่สมํ�าเสมอ ...................................................................... - 377 9.6 ความต้านทานดินสําหรับกระแสอิมพัลส์..................................................................... - 378 9.7 ระบบป้องกันฟ้าผ่า ................................................................................................... - 379 9.7.1 ระบบตัวนําล่อฟ้า............................................................................................... - 380 -

หน้า 9.7.1.1 วิธีมมุ ป้องกัน........................................................................................... - 382 9.7.1.2 วิธี�รงกลมกลิง� ........................................................................................ - 382 9.7.1.3 วิธีตาข่าย ................................................................................................ - 384 9.7.2 ระบบตัวนําลงดิน ............................................................................................... - 384 9.7.3 ระบบรากสายดิน ............................................................................................... - 384 9.8 วิธีปอ้ งกันและลดความ�สี�ยงอันตราย�ี��กิดจาก�้า�่าคนและสัตว�.................................. - 386 9.8.1 กรณีอยูก่ ลางแจ้ง ............................................................................................... - 386 9.8.2 กรณีอยูใ่ นอาคาร ............................................................................................... - 386 9.8.3 กรณีขบั รถ ......................................................................................................... - 387 คําถาม�้ายบ��ี� 9 .......................................................................................................... - 388 บรรณานุกรม ............................................................................................................... - 390 ดัชนี ............................................................................................................................. - 395 -

-1-

บทที� 1 บทนํา 1.1 ไฟฟ้ าแรงสูงคืออะไร ตามมาตรฐาน IEC �u�l�No�60060� High voltage test techni�ues [1] หมายถึง ไฟฟ้า�ี� มีระดับแรงดันตัง� แต่ 1000 V ขึน� ไป �ดยแบ่งเป� น แรงดันกระแสสลับ (AC) แรงดันกระแสตรง (�C) และแรงดัน อิ ม �ัลส์ (Im�ulse) �ึ�ง เป� น แรงดัน �รานเ�ีย� นต์��ี ส ร้า งขึน� ในห้อ งป�ิ บัติก ารหร�อห้อง �ดสอบไฟฟ้าแรงสูง ถ้าเป� นแรงดัน�รานเ�ีย� นต์��ีเกิ ดขึน� เองตามปราก�การ�์�รรมชาติเรียกว่า แรงดันเสิรจ์ (surge voltage) ไฟฟ้าแรงสูงแบ่งออกเป� นหลายระดับ �ดยอ้างอิงตามแต่ละมาตรฐาน�ี�นา� ไปใช้งาน เช่น มาตรฐาน IEC (International Electrotechnical Commission) [2] แบ่งระดับแรงดันสูงไว้ สามช่วง ดังนี � - High Voltage (HV) มีขนาดแรงดันไฟฟ้าตัง� แต่ 1 kV ถึง 245 kV - Extra High Voltage (EHV) มีขนาดแรงดันไฟฟ้าตัง� แต่ 245 kV ถึง 765 kV - Ultra High Voltage (UHV) มีขนาดแรงดันไฟฟ้ามากกว่า 765 kV มาตรฐาน ANSI (American National Standard Institute) [3] แบ่งระดับแรงดันสูง ออกเป� นสี�ชว่ ง ดังนี � - �o� Voltage (�V) มีขนาดแรงดันไฟฟ้าตัง� แต่ 120 V ถึง 600 V - Medium Voltage (MV) มีขนาดแรงดันไฟฟ้าตัง� แต่ 2�4 kV ถึง 6� kV - High Voltage (HV) มีขนาดแรงดันไฟฟ้าตัง� แต่ 115 kV ถึง 230 kV - Extra High Voltage (EHV) มีขนาดแรงดันไฟฟ้าตัง� แต่ 345 kV ถึง 765 kV - Ultra High Voltage (UHV) มีขนาดแรงดันไฟฟ้าตัง� แต่ 1�100 kV ขึน� ไป 1.2 ไฟฟ้ าแรงสูงเกิดขึน� ได้อย่างไร ต้นก�าเนิดไฟฟ้าแรงสูงแบ่งออกเป� นสองประเ��หลัก� ค�อ เกิดขึน� ตาม�รรมชาติ และเกิด จากการสร้างของมนุษย์ 1�2�1 ไฟฟ้าแรงสูง�ี�เกิดขึน� ตาม�รรมชาติ ได้แก่ 1�2�1�1 ปราก�การ�์ฟา้ ผ่า เป� นการถ่ายเ�ประจุระหว่างสองบริเว��ี�มีปริมา�หร�อ ขนาดประจุตา่ งกัน ถ้าเกิดระหว่างก้อนเมฆกับก้อนเมฆเรียกว่า ฟ้าแลบ (air discharge) แต่ถา้ เกิดระหว่างก้อนเมฆกับ��น� �ลก เรียกว่า ฟ้าผ่า (ground flash) แรงดันฟ้าผ่าจะมีคา่ แรงดันไฟฟ้าอยูใ่ นช่วง 10 MV ถึง 100 MV

- 2 - บทนำ�

บทนํา - 2 นอกจากน�ฟ� ้าผ่ายังสามารถแบ่งตามลัก�ณะการ�กิดออก�ป� นสองแบบ คือ ฟ้าผ่าลง และฟ้าผ่าข�น� ดัง�นร�ปท�� 1.1

ก) ฟ้าผ่าลง

ข) ฟ้าผ่าข�น�

ร�ปท�� 1.1 ฟ้าผ่า ท��มา �ttp��t�rm�i��ay.c�m�t��er.p�p

1.2.1.2 ไฟฟ้าสถิต �กิดจากการ�ส�ยดส�ของวัสดุท� ม�ค่าคงตัวไดอิ�ล�กตริกi (dielectric c��ta�t) ท��แตกต่างกัน ��่น คนสวมรอง�ท้าพืน� ยาง�ดินไปมาบนพรม และ อากาศ�ดยรอบม�ความ�ืน� ตํ�า (น้อยกว่า ��) ทํา�ห้�กิดประจุไฟฟ้าสะสมบน ร่างกายคน �ดยทั�วไปร่างกายคนจะม�คา่ �ก�บประจุไฟฟ้าประมาณ 1�� p� ถ�ง 2�� p� ประจุไฟฟ้าท��สะสมบนตัวคนสามารถทํา�ห้ร่างกายม�ศกั ย์ไฟฟ้าส�ง 2� �V ถ� ง 2� �V �มื� อคนนั�น�ดินไป�กล้ส�ิงท�� ต่อลงดิน ก� จะ�กิ ดดิส�าร์จหรือ สปาร์ก ข� น� กระแสจากการดิ ส �าร์จ �กิ ด �น�่ ว ง�วลาสั�น � ม� ลัก �ณะ�ป� น กระแสทราน��ย� นต์ แรงดันไฟฟ้าจากการสะสมประจุไฟฟ้าสามารถคํานวณได้จากสมการ U=

�มื�อ

U Q

i

Q C

(1.1)

คือ แรงดันไฟฟ้าสถิต (V) คือ ประจุไฟฟ้า (C)

สภาพยอมทางไฟฟ้าสัมพัทธ์ (relative permittivity) คือ สัดส่วนระหว่างสภาพยอมทางไฟฟ้าของวัสดุกบั สภาพ ยอมทางไฟฟ้าของสุญญากาศ ดังความสัมพันธ์

εr =

ε ε0

บทนำ บทนํ� า -- 33 --

คือ ค่าความจุไฟฟ้า (F) ผลของการเก็ บสะสมประจุไฟฟ้า จะทําให้เกิ ดศักย์ไฟฟ้าหรือแรงดันไฟฟ้า สูงขึน� เมื�อแรงดันไฟฟ้าดังกล่าวสูงขึน� ถึงระดับหนึ�ง จะทําให้เกิดความเคร�ยด สนามไฟฟ้า(electric field stress) สูงถึงค่าวิกฤต เกิดดิสชาร์จ เป็ นดิสชาร์จ ไฟฟ้ า สถิ ต (Electrostatic Discharge, ESD) หรือ ดิส ชาร์จ ฟ้า ผ่า (lightning discharge) C

�� ไฟฟ้าแรงสูงท��มนุ�ย์สร้างขึน� ประกอบด้วย แรงดันสูงกระแสสลับ แรงดันสูงกระแสตรง และแรงดันสูงอิม�ัลส์ เริม� ด้วยการสร้างอุปกร�์เปล��ยน�ลังงานกลเป็ น�ลังงานไฟฟ้า เช่น เครื�องกําเนิดไฟฟ้า เป็ นต้น �ดยแหล่ง�ลังงานกลอาจมาจาก�ลังงานความร้อนจากถ่านหินลิกไนต์ นํา� มัน แก�ส�รรมชาติ �ลังงานนิวเคล�ยร์ �ลังงานนํา� หรือ�ลังงานแสงอาทิตย์ - แรงดันสูงกระแสสลับ จะใช้หม้อแปลงไฟฟ้า แปลงแรงดันไฟฟ้าให้สงู ขึน� ด้วย หลักการเหน��ยวนํา เนื�องจากเครื�องกําเนิดไฟฟ้าม�ขอ้ จํากัดด้าน�นวนและการ ระบายความร้อนทําให้สามารถสร้างแรงดันไฟฟ้าได้สงู สุดไม่เกิน 35 kV - แรงดันสูงกระแสตรง ได้จากการใช้วงจรเร็กติฟายเออร์ (rectifier circuit) แปลง แรงดันไฟฟ้ากระแสสลับให้เป็ นแรงดันไฟฟ้ากระแสตรง หรือได้จากการใช้เครือ� ง กําเนิดไฟฟ้าสถิต (electrostatic generator) - แรงดัน สูง อิม �ัลส์ เป็ น แรงดัน ไฟฟ้า ท�� สร้างขึน� เ�ื�อเล�ย นแบบรู ปคลื�นแรงดัน ฟ้าผ่าหรือแรงดันสวิตชิ�ง �ดยใช้วิ��การอัดประจุไฟฟ้าให้กับตัวเก็บประจุ แล้ว ปล่อยให้ดสิ ชาร์จผ่านองค์ประกอบความต้านทาน และตัวเก็บประจุ ตัวอย่างเครือ� งกําเนิดไฟฟ้าแรงสูงได้แสดงในรูปท��

ก) แรงดันสูงกระแสสลับ รูปท�� เครือ� งกําเนิดไฟฟ้าแรงสูง

- 4 - บทนำ�

บทนํา - 4 -

ข) แรงดันสูงกระแสตรง

ค) แรงดันสูงอิมพัลส์

รูปที� 1.2 เครือ� งกําเนิดไฟฟ้าแรงสูง (ต่อ) ที�มา https://www.hubbell.com/haefel�hipotronics/en/�roducts/ElectricalElectronic/Test-Equipment/High-Voltage/cl/547064 http://www.electricpowerdistribution.com/electricpowerdistribution/powertransformer.html ไฟฟ้าแรงดันสูงที�สร้างขึน� สามาร�นําไปใช้ประ�ยชน์ได้�ลาก�ลาย ไม่วา่ จะใช้ในการส่งจ่าย กํา ลัง ไฟฟ้ า ใช้ใ นการทดสอบอุป กรณ์ไ ฟฟ้า ใช้ใ นการศึก ษาวิ จัย ด้า นการฉนวนไฟฟ้ า ฟิ สิ ก ส์ นิวเคลียร์ ใช้ในกระบวนการ�ลิตทางอุตสา�กรรม �รือแม้กระทั�งในทางการแพทย์ 1.3 การส่งจําหน่ายกําลังไฟฟ้ าด้วยระบบไฟฟ้ าแรงสูง �ดยทั�วไปแ�ล่งพลังงานที�ใช้ในการ�ลิตไฟฟ้ามักจะอยู่�่างไกลจากชุมชน เช่น เ�มือง�่าน �ิน แ�ล่งแก�ส�รรมชาติ �รือแ�ล่งนํา� ขนาดใ�ญ่ ทําใ�้การส่งพลังงานไฟฟ้าปริมาณมาก � �ดยมี ระยะทางไกล � จะเกิ ดกําลังสูญเสียในสายส่ง เนื� องจากความต้านทานของสายส่ง �ึ�งสามาร� คํานวณได้จากสมการ Pc = I 2 R

เมื�อ

Pc

I R

(1.2)

คือ กําลังสูญเสียในสายส่ง (MW) คือ กระแสไฟฟ้าที�ไ�ลในสายส่ง (��) คือ ความต้านทานของสายส่ง (Ω)

การลดกําลังสูญเสียทําได้�ดยการลดกระแสไฟฟ้าที�ไ�ลในสายส่ง ด้วยการเพิ�มแรงดันไฟฟ้าที�ใช้ใน การส่งกําลังไฟฟ้าใ�้สงู ขึน� �ดยยังคงส่งกําลังไฟฟ้าได้เท่าเดิม


รู�ที� 1.3 แหล่งพลังงานในการ�ลิตไฟฟ้า ที�มา https://www.�innomena.com/taspong/ptt-stock-split/ https://th.wikipedia.org/wiki/การทําเหมืองถ่านหิน https://www.thairath.co.th/content/345112 การส่งกําลังไฟฟ้าด้วยแรงดันสูงนอกจากจะลดกําลังสูญเสียในระบบสายส่งแล้ว ยังช่วยให้แรงดัน ตกในสายส่งน้อยลง ทําให้�ระสิทธิ�าพและเสถียร�าพความเชื�อถือต่อระบบสายส่งสูงขึน� การเลือกระดับแรงดันไฟฟ้าของสายส่งให้เหมาะสมนั�น ขึน� อยู่กับ�ริมา�พลังงาน และ ระยะทางที�ตอ้ งการส่ง คุ�ลัก��ะสมรรถนะของสายส่งที�สามารถส่งพลังงานไฟฟ้ากระแสสลับ สําหรับระบบไฟฟ้า 3 เฟส กําหนดด้วยค่ากําลังไฟฟ้าธรรมชาติ (nat�ral power) ซึง� สามารถคํานว� ได้จากสมการ Pn =

เมื�อ

U 2n Zw

(1.3)

Pn

คือ กําลังไฟฟ้าธรรมชาติ (MW)

Un

คือ ขนาดแรงดันระหว่างเฟสของระบบ (kV)

Zw

คือ เสิรจ์ อิมพีแดนซ์ของสายส่ง (Ω) เท่ากับ

L

คือ ความเหนี�ยวนําต่อความยาวของสายส่ง (H/m) เท่ากับ

C

คือ ความจุไฟฟ้าต่อความยาวของสายส่ง (F/m) เท่ากับ

μ

คือ ค่าความซาบซึมได้ (permeability) ของอากาศ (H/m)

L C μ d ln   π r επ d ln   r

- 6 - บทนำ� ε

d r

บทนํา - 6 คือ สภาพยอมทางไฟฟ้า (permitivity) ของอากาศ (F/m) คือ ระยะห่างระหว่างเฟส (m) คือ รัศมีตวั นําของสายส่ง (m)

�ดยทั�วไปเสิรจ์ อิมพีแดน�์ของสายส่งประเภทสายขึงในอากาศจะมีค่าประมาณ 200 Ω ถึง 600 Ω ขึน� กับว่าเป� นสายส่งวงจรเดี�ยวหรือวงจรคู่ สายเดี�ยวหรือสายควบ(b�ndled cond�ctor) �ดยทั�ว ไปวงจรเดี�ย วจะมี ค่า ประมาณ 400 Ω วงจรคู่ประมาณ 200 Ω สํา หรับสายควบค่า เสิร จ์ อิมพีแดน�์จะมีค่าตํ�าลง เพราะสายส่งมีการต่อแบบขนานกันทําให้ความเหนี�ยวนําของสายส่งลดลง และความจ�ไฟฟ้าของสายส่งเพิ�มขึน� ระบบสายส่งกระแสสลับสามเฟสที�มีค่าเสิรจ์ อิมพีแดน�์เท่ากับ 250 Ω ส่งพลังงานไฟฟ้า �ึง� จะมีกาํ ลังไฟฟ้า�รรม�าติดงั ตารางที� 1.1 ตารางที� 1.1 กําลังไฟฟ้า�รรม�าติท�ีระดับแรงดันต่าง � �4� (kV)

120

220

400

500

800

1000

1200

(MW)

58

200

640

1000

2560

4000

5800

Un Pn

ก) วงจรเดี�ยว

ข) วงจรคู่

ค) สายควบ

รูปที� 1.4 สายส่งในระบบส่งจ่ายกําลังไฟฟ้า ที�มา http://siam�ishing.com/m/board/m.view.php�tid�666855�only�serid�31831 http://1.179.134.197/sciencelab/primary/p5/lab93/page1.php https://www.ntbdays.com/32948 การเลือกระบบแรงดันในการส่งกําลังไฟฟ้า แม้ว่าจะเลือกส่งพลังงานให้เท่ากับกําลังไฟฟ้า �รรม�าติแล้วก�ตาม ยังต้องคํานึงถึงระยะทางด้วย เนื�องจากมีแรงดันตกในสายส่งเมื�อมีกระแสไหล ดังตัวอย่างความสัมพัน�์ระหว่างกําลังไฟฟ้าที�สง่ กับระยะทางดังแสดงในรูปที� 1.5


ร�ปที� 1.� ขีดความสามารถในการส่งกําลังไฟฟ้า ของสายส่งกับระยะทาง ประเท�ไทยเร��มส่งกําลังไฟฟ้าด้วยระบบไฟฟ้าแรงส�งกระแสสลับเมื� อ พ.�. �444 ที� ระดับแรงดัน �.� �� และในปั จจุบนั แรงดันส�งสุดที�ประเท�ไทยใ�้ในการส่งกําลังไฟฟ้าอย�่ คือ �� เ�่น สาย ส่งจากโรงไฟฟ้าแม่เมาะมายังกรุงเทพฯ และสายส่งจากปลวกแดงมายังวังน้อย เป็ นต้น 1.4 สถานีไฟฟ้ า สถานี ไ ฟฟ้ า คื อ สถานที� � รื อ บร� เ ว�ที� มี ก ารต� ด ตั�ง อุ ป กร��ท�ี ใ �้ค วบคุ ม การไ�ลของ กําลังไฟฟ้าในระบบส่งจ่ายกําลังไฟฟ้า มี�น้าที��ลักในการเปลี�ยนระดับแรงดันไฟฟ้าใ�้สง� ข�น� �รือ ตํ�าลงเพื�อใ�้เ�มาะสมกับการใ�้งาน อีกทั�งยังมี�น้าที� ควบคุมและป้องกันระบบไฟฟ้าใ�้มีความ มั�นคง ปลอดภัย และมีประส�ท��ภาพ โดยทั�วไปสถานีไฟฟ้าสามารถแบ่งประเภทตามลัก��ะการต�ดตัง� ออกได้เป็ นสองประเภท คื อ สถานี ไ ฟฟ้า ภายนอกอาคาร (outdoor substation) และสถานี ไ ฟฟ้า ภายในอาคาร (indoor substation) 1.4.1 สถานีไฟฟ้าภายนอกอาคาร เป็ นสถานีไฟฟ้าที�มีการต�ดตัง� อุปกร��ไฟฟ้าแรงส�งอย�ภ่ ายนอกอาคาร ใ�้อากา�เป็ น �นวน ทําใ�้มี��ือเรียกอีกแบบ�น��งว่า สถานีไฟฟ้าแรงส�งแบบใ�้�นวนอากา� (�ir �nsu�at�d

- 8 - บทนำ�


��, �� เป� นสถานีไฟฟ้าที�น�ยมใ�้กนั มาก เนื�องจากอ�ปกร��มีราคาถ�ก ��่มี�นาด ให�่ทาํ ให้�อ้ งใ�้�ืน� ที�ในการ��ด�ัง� มาก �ัวอย่าง�องสถานีไฟฟ้าภายนอกอาคาร�สดงในร�ป ที� 1.6

ร�ปที� 1.6 สถานีไฟฟ้าภายนอกอาคาร ที�มา ��.��-��-�� จากร� ปที� 1.6 จะเห�นว่าสถานีไฟฟ้าภายนอกอาคารมีการออก�บบให้อป� กร��หลักประกอบ อย�่บน�ครงสร้างเหล�ก ใ�้อากา�เป� นฉนวนกัน� ระหว่าง�ัวนํา��่ละเฟส�ละระหว่าง�ัวนํากับ ด�น การออก�บบระยะการฉนวน�ึน� อย�่กบั สภา��วดล้อมที�ทาํ การก่อสร้างสถานี เ�่น ความ ดันอากา� อ��หภ�ม� ระดับความเปรอะเปื �อน �ดยคํานึงถึงการป้องกันสถานีไฟฟ้าจากการถ�ก ฟ้า�่า�ดย�รงหรือ�ลสืบเนื�องที�เก�ดจากปราก�การ��ฟา้ �่า 1.4.2 สถานีไฟฟ้าภายในอาคาร เป� นสถานีท�ีมีการ��ด�ัง� อ�ปกร��ไฟฟ้าทัง� หมดภายในอาคาร �ดย��ด�ัง� อย�่ภายในท่อ �ลหะที�มีการอัด�ก�ส�ัลเฟอร�เ�ก�ะฟล�ออไรด� �� , ��6� เ�ื�อใ�้เป� นฉนวน ภายใน จึงทําให้สถานีไฟฟ้าประเภทนีม� ี��ือเรียกว่า สถานี ไฟฟ้า�รงส�ง�บบใ�้ฉนวน�ก� ส �� , �� ัวอย่างสถานีไฟฟ้าภายในอาคาร�สดงในร�ปที� 1.� เนื�องจาก�ก� ส�ัลเฟอร�เ�ก�ะฟล�ออไรด�มีค��สมบั��การเป� นฉนวนที� ดีกว่าอากา� หลายเท่า [5,6] จึง ทํา ให้สามารถลดระยะฉนวนหรือระยะปลอดภัย ทางไฟฟ้าลงได้มาก สถานีไฟฟ้าประเภทนีจ� ึงมี�นาดเล�ก สามารถออก�บบให้��ด�ัง� ภายในอาคารหรือภายใน อ��มงค�ได้ การ��ด�ัง� อ�ปกร��รงส�งในระบบป� ด ส่ง�ลให้สถานีไฟฟ้า�รงส�ง�บบใ�้ฉนวน�ก�ส


��า��น�� า�บํา�� าน�� า��บ�า�� นบ��ท��นท��าํ �� า�าท��น� ��

��ท�� .� ��าน��า�า��น�า�า� ท��า htt�s�//new.siemens.c�m/u�/en/�r�ducts/energ�/high-��ltage/h�switchgear/gas-insulated.html �นบา��าน�า��ท��า��า��าํ ��า��า��า� ��น �น��านท��ท��า ��บ�� บ��ท��า��า��าน��า��น� ��า��ท�น��น ทํา�� า�นํา ��า��บบ��บบ��น�น�า�า�� บน��า��บ� ��ท�� ทํา�� น��าน��า�บบ��า��า�า��น��า�� น��ท�� .�

��ท�� .� ��าน��า�บบ��นท�� ท��า htt�s�//��rdantrans��rmer.c�m/new-m��ile-su�stati�ns/

- 10 - บทนำ�


1.5 การใช้แรงดันสูงกระแสตรง แรงดัน��งกระแ��รง�ร�� การ��้��งกําลังไฟฟ้า�� ค.ศ. 1882 ค�� งกําลังไฟฟ้าขนาด 1 MW ท��แรงดัน 2 kV �� นระยะทาง 57 km และ��การ�ั�นาการ��งกําลังไฟฟ้าท��กดั แรงดัน��งข�น� ดังแ�ดง�น�ารางท�� 1.2 �ารางท�� 1.2 การ�ั�นาแรงดัน��งกระแ��รง �4� ค.ศ. 1882 1906 1954 1961 1963 1969 1975 1986 1990 1991 2000 2002

ระดับ แรงดัน (kV) 2 123 200 100 400 530

ขนาด กําลังไฟฟ้า (MW) 1 20 60 160 720 1920

750

600 1920 1200 1500 1800 300

500 500 500 500 150

��านท�� Miesbach-Munich Moutler-Lyon Elbe-Beslin England-France Wolgagrad - Donbas SambesiMosambique Johannesberg Siberia - Ural USA Gezhouba - Shanghai Rihand-Delhi - India Tian-Guang - China Khlong Ngae - Gurun Thai Malaysia

ระยะทาง (km) 57 150 115 64 475 1450 2500 784 1000 910 960 110

�ง�ร�ลักข�งระบบ�าย��งแรง��งกระแ��รง�ระก�บด้�ย ��าน��ล��ยนแรงดันไฟฟ้ากระแ��ลับ�� น แรงดันไฟฟ้ากระแ��รง และ��ก��าน� �น��ง��ล��ยนแรงดันไฟฟ้ากระแ��รงกลับ�� นแรงดันไฟฟ้า กระแ��ลับ �น��าน� � �ล�� ย นระบบแรงดัน ไฟฟ้ า �ระก�บด้� ย��้� แ�ลงแรงดัน �� กร��แ �ร

บทนำ บทนํ� า -- 11 11 --

กระแสไ��้า (�on�er�er) ��งอา�เ�� น �er��r�-ar� �al�e �ร�อ ��ri��or และร�แอกเ�อร์ทาํ �น้าท�� กรองกระแสฮาร์โมนิคส์ii ดังแสดง�นรู�ท�� 1��

รู�ท�� 1�� ง�รสา�ส่งแรงดันสูงกระแส�รง �าก�ารางท�� 1�� ระเท�ไท�ม�การเช��อมระบบไ��้ากับ�ระเท�มาเลเ��ด้��ไ��้ากระแส�รง�นาด �� 1�� ระ�ะทาง 11� �� ส�าน�แ�รกระแสไ��้า�องไท�อ�ูท่ � �ําบลคลองแงะ อําเ�อสะเดา �ัง��ัดสง�ลา (�� ) ส่�น�องมาเลเ��อ�ูท่ �เม�องกูร�น รั�เกดะ�์ (�� ) แ�น�า��ง�รและแ�นท��การเช��อม�่อสา�ส่งแสดง�นรู�ท�� 1�1�

รู�ท�� 1�1� การเช��อมระบบไ��้าแรงดันสูงกระแส�รงระ��่าง�ระเท�ไท�กับ�ระเท�มาเลเ�� ระโ�ชน์ท�ได้�ากส่ง�่า�กําลังไ��้าด้��แรงดันสูงกระแส�รงม�ด�้ �กัน�ลา��ระการ ได้แก่ - ระบบสา�ส่ง�ระ��ัดก�่า เน��อง�ากกําลังสู�เส�� แรงดัน�ก ม�นอ้ �ก�่าระบบสา�ส่ง แรงดันสูงกระแสสลับ - สามาร��ช้นา�ํ ทะเลเ�� นสา�ดินเ�� นทางกลับ�องไ��้าได้ - ไม่ม�กาํ ลังสู�เส��น�น�น เน��อง�ากการสลับ�ั�� องรู�คล��นแรงดัน ii

กระแสไ��้าท��ม�องค์�ระกอบทางค�าม��เ�� น�ําน�นเ��ม�องค�าม��มลู �าน เกิด�ากอ��กร�์ท�ม�การทํางานแบบ ไม่เชิงเส้น (non-linear load)

- 12 - บทนำ�


- เป็ น ตัว เชื� อ ม�ยงระบบแหล่ง จ่ า ยไฟฟ้ า กระแสสลับ ที� มี ค วามถี� ไ ม่ เ หมื อ นกัน ได้ เช่ น ประเทศมาเลเซีย ความถี� 60 �� กับประเทศไทย ความถี� �0 �� เป็ นต้น อย่างไรก็ตามระบบสายส่งแรงสูงกระแสตรงก็ยงั มีขอ้ เสียอยูด่ ว้ ยเช่นกัน ได้แก่ ไม่สามารถส่ง จ่ายกําลังไฟฟ้าชนิดรีแอคทีฟได้ และต้องมีสถานีแปรกระแสไฟฟ้าจากไฟฟ้ากระแสตรงไปเป็ นไฟฟ้า กระแสสลับ ซึง� มีราคาแพงและเป็ นตัวปั �หาการเกิด�าร์�มนิคส์ในระบบไฟฟ้า 1.6 แรงดันเกินทรานเซีย� นต์ แรงดันทรานเซีย� นต์ ��s�� หมายถึง แรงดันที�มีขนาดเปลี�ยนแปลงเพิ�มขึน� อย่างรวดเร็ว เกิดขึน� ในช่วงเวลาอันสัน� ความเป็ นไปของแรงดันมีความสําคั�อย่างมากต่อเทคนิค แรงดันสูง ผลของแรงดันทรานเซีย� นต์จะทําให้เกิ ดแรงดันเกินในสายส่ง แบ่งได้สองประเภท คือ แรงดันเกินภายนอก และแรงดันเกินภายใน - แรงดันเกินภายนอก เป็ นผลเนื�องมาจากฟ้าผ่า คลื�นมีรูปร่างเป็ นลัก��ะอิมพัลส์ มีช่วง หน้าคลื�นอยู่ในช่วง 1 s ถึง 2 s และช่วงแรงดันหางคลื�นคือช่วงที� แรงดันลดลงมา เหลือครึง� หนึ�งของค่ายอด จะอยูใ่ นช่วงเวลา �0 s ถึง 60 s - แรงดันเกินภายใน เกิดจากการเปิ ด-ปิ ดสวิตช์ตดั ตอนหรือเซอร์กิตเบรกเกอร์ เรียกว่า แรงดั น เสิ ร ์จ สวิ ต ชิ� ง �s�� s�� หรื อ สวิ ต ชิ� ง อิ ม พั ล ส์ �s�� s�� ช่วงหน้าคลื�นอยู่ในช่วง 100 s ถึง 300 s และหางคลื�นอยู่ในช่วงเวลา 2000 s ถึง 3000 s ระบบไฟฟ้าที�มีแรงดันตํ�ากว่า 300 �� แรงดันเสิรจ์ สวิตชิ�งจะไม่มีความหมายต่อการทดสอบ ระดับการ�นวนเนื� องจากผลของฟ้า ผ่ามี ค่าสูง กว่า แต่ท�ี แรงดัน ไฟฟ้า มากกว่า 300 �� แรงดัน อิมพัลส์สวิตชิ�งจะมีความหมายมากขึน� เมื�อเทียบกับแรงดันฟ้าผ่า 1.7 การทดสอบแรงดันสูง ระบบส่งจ่ายกําลังไฟฟ้าที�ดีจะต้องให้ผใู้ ช้ไฟฟ้ามีความมั�นใจได้ว่าจะมีไฟฟ้าใช้ตลอดเวลา และที� ระดับแรงดันคงที� �ะนั�นระบบส่งจ่ายจะต้องมีความเชื� อถื อได้สูง มีเสถี ยรภาพมั�นคง มีการ ป้องกันการผิดพร่องมิให้เกิดผลกระทบกระเทือนต่อระบบ และวัสดุอปุ กร�์ท�ีนาํ มาใช้ในระบบจะต้อง ไม่เ ป็ น ต้น เหตุทาํ ให้เ กิ ดการผิดพร่อง มี ความคงทนต่อแรงดันไฟฟ้าได้ ทนต่อสภาวะอากาศทุก รู ปแบบ มีอายุการใช้งานยาวนาน เพื�อให้ม� นั ใจได้ว่าวัสดุและอุปกร�์ท�ีจะนําไปใช้ในระบบ มีสมบัติ และคุ�ภาพดีตามที�ตอ้ งการ ทําให้ตอ้ งมีการทดสอบตามสภาพการใช้งานหรือเมื�อได้รบั ความเครียด สนามไฟฟ้าจากแรงดันเกินในข�ะใช้งาน รวมทัง� ทดสอบอายุการใช้งานด้วย

บทนำ บทนํ� า -- 13 13 --

1.7.1 ประเภทการทดสอบ �ดยทั�วไปอา�แบ่งการทดสอบทางไฟฟ้าแรงสูงออกเป็ นสองประเภท คือ การทดสอบ แบบไม่ทาํ ลาย (nondestructive test) และการทดสอบแบบทําลาย (destructive test) 1.7.1.1 การทดสอบแบบไม่ทาํ ลาย เป็ นการทดสอบท��ภายหลังทดสอบแล้ววัสดุหรือ อุปกร�์นนั� ยังสามาร�นําไปใช้งานได้ แบ่งออกได้สองแบบ - การทดสอบความทนทาน (endurance test) เป็ นการทดสอบอายุการใช้ งาน�องการ�นวนอุ ป กร�์ ท� ต ้ อ งรั บ ความเคร� ย ดสนามไฟฟ้ า อยู่ ตลอดเวลา ทดสอบด้วยแรงดันกระแสสลับความ��ต�าํ ด้วยแรงดันทดสอบ �นาดเท่ า กับ แรงดัน สูง สุด �องระบบท�� น ํา อุป กร�์ไ ปใช้ง าน ทํา การ ตรว�วัดอุ�หภูมิท�เพิ�ม��น� กําลังไฟฟ้าสู�เส�ย และระดับแรงดัน�ค�รน่า เริ�มเกิด (corona inception voltage) หรือเกิดดิสชาร์�บางส่วน (partial discharge, PD) - การทดสอบความคงทนอยู่ได้ต่อแรงดัน (withstand voltage test) เป็ น การทดสอบเพื�อดูว่าวัสดุ�นวนหรือการ�นวน�องอุปกร�์ สามาร�คงทน ต่อแรงดันเกิ นได้หรือไม่ แบ่งตามแรงดันท�� ใช้ทดสอบออกเป็ นสองแบบ คือ แบบท�� 1 เป็ นการทดสอบความคงทนอยู่ได้ระยะสัน� ความ�� ต� าํ หรือ ความ��กาํ ลัง �ดยป้อนแรงดันกระแสสลับความ�� ท��สงู กว่าแรงดัน ใช้งานปกติเป็ นเวลา 1 นาท� เป็ นการเล�ยนแบบแรงดันเกินท��เกิด�ากการ เปล��ยนแปลงอย่าง�ับพลันในระบบ และแบบท�� เป็ นการทดสอบความ คงทนอยู่ได้ดว้ ยแรงดันอิมพัลส์ เพื�อดูความคงทนต่อแรงดันอิมพัลส์แบบ ฟ้ า ผ่ า (basic impulse insulation level, BIL) หรื อ แรงดัน อิ ม พัล ส์แ บบ สวิตช์ช�ิง (basic switching impulse insulation level, B�L) สําหรับระบบ ท��ม�ระดับแรงดันไฟฟ้ามากกว่า 3��

รูปท�� 1.11 การทดสอบแบบไม่ทาํ ลาย

- 14 - บทนำ�

บทนํา - 14 1��1�� การทดส�บแบบทําลา� เป� นการทดส�บเ��ดูการเส��ส�า��ง�นวนจาก �วามเ�ร��ดสนามไฟฟ้ารวมทั�งการ�ดตัว��งแรงดันท�� เกิด��น� กับ�นวนใน ลักษณะการเกิดวาบไฟตามผิว (flashover) สปาร์ก (spark) และการเจาะผ่าน ทะลุ (puncture) ��งจะทําใ�้ทราบได้ว่าวัสดุ�ร��ุปกรณ์สามาร�ทนแรงดัน สูงสุดได้เท่าใด

รูปท�� 1�1� การทดส�บแบบทําลา� 1�� มาตร�านและรูป�ล��นแรงดันทดส�บ ในทางป�ิบตั ิการทดส�บใด � �วรจะต้�งม�มาตร�าน�้าง�ิง เ��ใ�้การป�ิบตั ิการ ทดส�บ วิ��การทดส�บ การวิเ�ราะ�์ผลการทดส�บ และผลการทดส�บเป� น�้�มูลท��เ�� ได้ และม�เกณ�์การตัดสินท��กู ต้�ง ในแต่ละประเท�จะกํา�นดมาตร�าน��งตัวเ�ง��น� มา เน��งจากเง��นไ�กํา�นดไม่เ�ม��นกัน ดังนัน� ก่�นดําเนินการทดส�บ �วรจะต้�งทํา�วาม เ�้าใจเป� น�้�ตกลงก่�นระ�ว่างผู�้ า� ผู�้ �� และผูท้ าํ การทดส�บ ว่าจะใ�้มาตร�านใดเป� น เกณ�์�า้ ง�ิง ตัว��่างมาตร�านท��ม�การใ�้�า้ ง�ิง ได้แก่ - IEC : International Electrotechnical Commission - ANSI : American National Institute - IEEE : Institute of Electrical and Electronics Engineer - BS : British Standard - CAN/CSA : Canadian Standard - VDE : Verband Deutscher Electrotechniker (German Standard) - JIS : Japanese Industrial Standard - TISI : Thai Industrial Standards Institute ตัว��่างรูป�ล��นแรงดันทดส�บตามมาตร�าน IEC ได้แสดงไว้ในรูปท�� 1�1�

บทนำ บทนํ� า -- 15 15 -U DC AC 50 Hz

SI LI 0

5

10

15

20

25

30

t , ms

U DC AC 50 Hz

SI LI 00 U

500 5

1000 10

1500 15

2000 20

2500 25

3000 30

t , s ms

DC LI SI 00

5 10

10 20

15 30

20 40

25 50

AC 50 Hz 30 60

t , s ms

ร��ท�� 1.13 ร��นแรงดันทดสอบ แบบ��าง � 1.7.3 ขนาดแรงดันทดสอบ �าร�� อ �ขนาดแรงดัน ทดสอบข�น� อ��ับ ร�ดับ �าร�น�น �� อ ข�น� อ��ับร�บบแรงดันท��นาํ �อาอ��ร��ร�อ�ัสด�นนั� � ��งาน แ��ร��ท�อา��ํา�นด �า�ร�านของ�น�อง อ��าง�ร��า�อา��า�ร�านสา�� ง�� นท��อ�รับของนานา

- 16 - บทนำ�


ประเทศ เช่ น IEC Publ. 71, Insulation Coordination Part 1 [2] ได้ก ํา หนดระดับ แรงดัน ทดสอบตามช่วงระบบแรงดันสูงสุด (highest voltage, Um) ออกเป็ นสามช่วง คือ 1 kV < Um< 52 kV, 52 kV < Um < 300 kV และ Um > 300 kV โดยมี ร ายละเอี ย ดของแรงดั น ทดสอบในแต่ละช่วงแรงดันระบบดังแสดงในตารางที� 1.3 ตารางที� 1.3ก มาตร�านการ�นวนระดับ 1 kV < Um < 52 kV Highest voltage for equipment Um (kVrms) 3.6 7.2 12 17.5 24 36

Rated lightning impulse withstand voltage (kVpeak) List 1 List 2 20 40 40 60 60 75 75 95 95 125 145 170

Rated power frequency short duration withstand voltage (kVrms) 10 20 28 38 50 70

การเลือกแรงดันทดสอบ List 1 หรือ List 2 ให้พิจารณาว่าอุปกรณ์มีโอกาสได้รบั แรงดันเกิน เสิรจ์ ฟ้าผ่า มีโอกาสถูกฟ้าผ่า มากน้อยเพียงใด

บทนำ บทนํ� า -- 17 17 --

�า�า�ท�� 1.3� �า��าน�า��น�น��บ 52 kV < Um < 300 kV Highest Voltage for equipment Um (kVrms) 52 72.5 123 145 170 245

Rated Rated power frequency Base for p.u. values lightning impulse short duration withstand voltage withstand voltage 2 Um (kVpeak) (kVpeak) (kVrms) 3

42.5 59 100 118 139 200

250 325 450 550 650 750 850 950 1050

95 140 185 230 275 325 360 395 460

�า��นท��บ�น�า�า�ท�� 1.3� ��า��บ��น� ��บ� ��าน��บบ�� น�� าน�� า��ท��า��า�า�น��น ��น ท��บ��น��าน�� 170 kV �า�า��า��บ 550 kVpeak (lightning) – 460 kVrms (power frequency)  Reduced Insulation test 2 (solidly Grounded) 650 kVpeak (lightning) – 395 kVrms (power frequency)  Reduced Insulation test 1 750 kVpeak (lightning) – 360 kVrms (power frequency)  Full Insulation test (Ungrounded)

- 18 - บทนำ�


�า�า�ท�� 1.3� �า��าน�า��น�น��บ Um ≥ 300 kV Base for p.u. Highest Rated Ratio between Rated Voltage lightning rated lightning 2 switching impulse for impulse and values Um 3 withstand voltage switching impulse withstand equipment Um (kVpeak) withstand voltage voltage (kVpeak) (kVrms) (kVpeak) 300

245

362

296

525

343

765

765

429

625

3.06 3.47 2.86 3.21 2.76

750 850 950

3.06 2.45

1050

2.74

1175

2.08

1300

2.28

1425

2.48

1550

1.13 1.27 1.12 1.24 1.11 1.24 1.12 1.24 1.11 1.36 1.21 1.10 1.32 1.19 1.09 1.38 1.26 1.16 1.26 1.47 1.55

850 950 1050 1175 1300 1425

1550

1800 1950 2100 2400

�า��นท��บ�น�า�า�ท�� 1.3� ��า��บ��น��บ�น�า�า�ท�� 1.3� ��น� �� บ��าน��บบ��น�� าน�� า��ท�� า��า�า�น��น ��า��า�า�ท�� 1.3� ��บ��า�� า�ท��บ��น�� น� �า �น�� า��น �� า �� า��บ ��น ��บบ

บทนำ บทนํ� า -- 19 19 --

กล่าวคือถ้าแรงดันระบบสูงมากข�น� ทําให้คา่ แรงดันทดสอบ SIL มีขนาดสูงข�น� จนใกล้เคียงกับ ค่า BIL (มีความหมายน้อยลง) ทําให้การออกแบบการฉนวนระบบแรงสูง EHV และ UHV จะ ถือเอาค่า SIL เป็ นเกณฑ์ อุปกรณ์หรือวัสดุท�ีใช้ในระบบไฟฟ้าแรงสูงนัน� นอกจากต้อง�่านการทดสอบด้วย แรงดันตามที�มาตร�านระบุ �ูใ้ ช้จะต้องเลือกระดับแรงดันของอุปกรณ์ให้ถูกต้อง เพื�อให้ ระบบสามารถส่งจ่ายกําลังได้อย่างถูกต้องและมีเสถียรภาพ ระดับของแรงดันของอุปกรณ์ใน ระบบไฟฟ้าแรงสูงมีดงั นี � - Insulation level เป็ นระดับแรงดันสูงสุดที�ฉนวนทนได้ - BIL (Basic Impulse Insulation Level) สําหรับระบบไฟฟ้าแรงดันน้อยกว่า 300 kV หรือ SIL สําหรับระบบไฟฟ้าแรงดันมากกว่าเท่ากับ 300 kV - Protective Level ระดับการป้องกัน - System Voltage Level ระดับสูงสุดของแรงดันใช้งาน �ดยลําดับการเลือกใช้ของระดับแรงดันอุปกรณ์จากค่าสูงสุดไปยังค่าตํ�าสุด แสดงดังรู ป ที� 1�1� Insulation Level BIL or SIL Protective Level System Voltage Level

รูปที� 1�1� ระดับของแรงดันของอุปกรณ์ในระบบไฟฟ้าแรงสูง 1.8 อันตรายจากไฟฟ้ าแรงสูง จากที�ได้กล่าวมาข้างต้น ไฟฟ้าแรงสูงเป็ นระดับแรงดันไฟฟ้าที�สงู มาก หากใช้ไม่ถกู ว��ีหรือ ��ดวัตถุประสงค์จะทําให้ส่ง�ลกระทบต่อสภาพแวดล้อม เป็ นอันตรายต่อส��งมีชีว�ต และก่อให้เก�ด ความเสียหายกับทรัพย์สน� ��ง� อันตรายที�เก�ดจากไฟฟ้าแรงสูงแบ่งออกได้เป็ นสองแบบ ดังนี �

- 20 - บทนำ�


- อัน ตรายทางตรง คื อ การสัม ผัส กับ แรงดัน สูง หรื อ สปาร์ก เข้า หาคนหรือ สัต ว์ เกิ ด กระแสไฟฟ้าไหลผ่านร่างกาย ถ้าหากกระแสมีขนาดสูงหรือไหลผ่านเป็ นระยะเวลานาน ก็จะทําให้เกิดอันตรายได้ - อันตรายทางอ้อม คือ การได้รบั ผลสืบเนื�องจากแรงดันและกระแสที�ไหลในตัวนํา เมื�อคน หรือสัตว์ไปสัมผัสตัวนําดังกล่าวจะทําให้กระแสไฟฟ้าไหลผ่านร่างกาย และเป็ นอันตราย ได้เ�่นเดียวกับการสัมผัสแรงดันสูง�ดยตรง นอกจากนีแ� รงดันและกระแสสูงยังก่อให้เกิด สนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็ก ซ��งอาจส่งผลกระทบต่องสิ�งมี�ีวิตในบริเวณใกล้เคียงได้ องค์กร The International Radiation Protection Association (IRCA) ได้กาํ หนดระดับ สูงส�ดของสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็ก ที�คนสามารถสัมผัสได้อย่างปลอดภัย ดังใน ตารางที� 1.� ตารางที� 1.� ค่าจํากัดสูงส�ดของสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็ก 50/�0 �� สถานที�ท�ีมีสนามไฟฟ้าและ สนามแม่เหล็ก สถานประกอบการ - ตลอด�ั�ว�มงการทํางาน - �่วงเวลาสัน� - จํากัดเฉพาะแขนขา สาธารณะ - ตลอด 2� �ั�ว�มง - 2 �ั�ว�มงต่อวัน ถ�ง 3 �ั�ว�มงต่อวัน

ความเข้มสนามไฟฟ้า kV/m

ความหนาแน่นฟลักซ์แม่เหล็ก G (mT)

10 30 -

5 (0.5) 50 (5) 250 (25)

5 10

1 (0.1) 10 (1)

เพื�อเป็ นการลดความเสี�ยงที�จะเกิดอันตรายจากไฟฟ้าแรงสูง จ�งมีขอ้ กําหนดระยะปลอดภัยในการ ติดตัง� รัว� เหล็กให้ห่างจากบริเวณที�มีแรงดันสูง ดังนี � - ในกรณีแรงดันไม่เกิน 1 MV แรงดัน DC และ AC ระยะปลอดภัยเท่ากับ 50 cm ต่อ 100 kV สําหรับแรงดันอิมพัลส์จะเท่ากับ 20 cm ต่อ 100 kV และมีระยะตํ�าส�ดเท่ากับ 50 cm ในท�กรูปคลื�นแรงดัน - ในกรณีแรงดันมากกว่า 1 MV ความสัมพันธ์ระหว่างระยะปลอดภัยกับขนาดแรงดันจะ เป็ นดังรูปที� 1.15

บทนำ บทนํ� า -- 21 21 --

��ท�� 1�1� ��ํา��บ�� น��น�า��า 1 ��

- 22 - บทนำ�


คําถามท้ายบทที� 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 1.10 1.11 1.12 1.13 1.14 1.15

จงอธิบายความหมายของไฟฟ้าแรงสูงและเกณฑ์การแบ่งไฟฟ้าแรงสูงออกเป็ นระดับต่างๆ จงอธิบายพร้อมยกตัวอย่างของต้นกําเนิดไฟฟ้าแรงสูงมาโดยสังเขป เหตุใดการส่งจ่ายกําลังไฟฟ้าเป็ นระยะทางไกลต้องใช้ไฟฟ้าแรงดันสูง ความสัมพันธ์ระหว่างแรงดันไฟฟ้าในสายส่งกับระยะทางและปริมาณพลังงานไฟฟ้าที�ตอ้ งการ ส่งจ่ายเป็ นอย่างไร หน้าที�และความสําคั�ของส�านีไฟฟ้าในระบบไฟฟ้ากําลังคืออะไร ส�านีไฟฟ้าแรงสูงแบ่งออกได้เป็ นกี� ประเ�ท และแต่ละประเ�ทมีขอ้ ดี-ข้อเสียในการใช้งาน อย่างไร จงอธิบายความแตกต่างของการส่งจ่ายกําลังไฟฟ้าระหว่างแรงดันสูงกระแสสลับและแรงดัน กระสูงตรง แรงดัน ทรานเ�ี ย� นต์มี ค วามสํา คั� อย่ า งไรต่ อ การออกแบบและการทํา งานของระบบส่ง กําลังไฟฟ้าด้วยแรงดันสูง จงอธิบายเหตุ�ลและความจําเป็ นที�อปุ กรณ์ท�ีติดตัง� ในระบบสายส่งไฟฟ้าต้อง�่านการทดสอบ ด้วยไฟฟ้าแรงดันสูง การทดสอบทางไฟฟ้าแรงสูงแบ่งออกเป็ นกี�ประเ�ท จงอธิบายโดยสังเขป มาตรฐานการทดสอบมีความสําคั�อย่างไรต่อการออกแบบและ�ลิตอุปกรณ์ไฟฟ้าที�ใช้ใน ระบบส่งและจําหน่ายไฟฟ้า จงอธิบายวิธีการเลือกขนาดแรงดันทดสอบตามมาตรฐาน IEC Publ.71 ระดับการ�นวนคืออะไรและมีความสําคั�อย่างไรต่อการจัดระดับแรงดันของอุปกรณ์ท�ีใช้ใน ระบบไฟฟ้าแรงสูง จงอธิบาย��งอันตรายที�เกิดจากไฟฟ้าแรงสูง จงยกตัวอย่างวิธีลดความเสี�ยงหรือป้องกันอันตรายที�อาจเกิดข�น� จากการใช้ไฟฟ้าแรงสูง

- 23 -

บทที� 2 ความเครียดสนามไฟฟ้ า การออกแบบและเลือก�นวนที�ใ�้ในระบบส่งก�าลังไฟฟ้าแรงสูง ความรู เ้ กี�ยวกับลัก�ณะการ กระจายสนามไฟฟ้าเป็ นสิ�งส�าคั� เนื�องจาก�นวนไฟฟ้าจะเกิดการเสียสภาพเมื�อสนามไฟฟ้าสูงสุด ใน�นวนมีค่ามากกว่าสนามไฟฟ้าค่า�หน��งที�เรียกว่า ความคงทนทางไฟฟ้า ��งเป็ นคุณสมบัติสา� คั� ของ�นวนไฟฟ้าที�ข�นกับปั จจัยหลายประการ รวม��งเข้าใจวิ�ีการแก้ไขและบรรเทาปั �หาที�เกิดจาก สนามไฟฟ้า เพื�อให้อปุ กรณ์ไฟฟ้าสามาร�ท�างานได้อย่างมีประสิท�ิภาพและมีความ�ิดพลาดน้อย ที�สดุ 2.1 ความรู้พนื� ฐานเกี�ยวกับสนามไฟฟ้ า สนามไฟฟ้า คือ ปริมาณ��งใ�้บรรยายการที�ประจุไฟฟ้าท�าให้เกิดแรงกระท�ากับอนุภาคที�มี ประจุภายในบริเวณโดยรอบ [8] หน่วยของสนามไฟฟ้า คือ นิวตันต่อคูลอมบ์ (N/C) หรือโวลต์ต่อ เมตร (V/m)

+

-

รูปที� 2.1 เส้นสนามไฟฟ้า จากก�ของคูลอมบ์ (C��l�m��s l��) แรงที�เกิดระหว่างประจุ Q และ Q ที�มีขนาดเล็กเป็ นจุด และ วางห่างกันเป็ นระยะ r จะเกิดแรงกระท�าต่อกันในแนวเส้นตรงที�เ�ื�อมโยงระหว่างสองประจุเท่ากับ  1 Q Q FQ-Q1 =  rˆ 4πε r 2

เมื�อ

ε

(2.1)

คือ สภาพยอมทางไฟฟ้าของตัวกลาง (F/m)

คือ เวกเตอร์หน��งหน่วยที�เ�ื�อมโยงระหว่างประจุทงั� สอง จากสมการที� 2.1 �้าคิดแรงต่อหน��งหน่วยประจุ Q  ที�เกิ ดจากประจุ Q จะมีค่าเท่ากับความเข้ม สนามไฟฟ้า (electric field intensity) หรือความเครียดสนามไฟฟ้า (electric field strength) เป็ น เวกเตอร์ท�ีมีทิ�ทางเดียวกับแรงคูลอมบ์ ดังสมการ rˆ

- 24 - ความเครียดสนามไฟฟ้า

ความเครียดสนามไฟฟ้า - 24   F E= Q1

(2.2)

จากรู ป ที� 2.� จํา นวนเส้น ฟลัก ซ์ไ ฟฟ้า ต่อ หน�� ง หน่ ว ย�ื น� ที� ท�ี ตั�ง �ากกับ แนวที� คิด จะเท่ า กับ ความ  หนาแน่นของฟลักซ์ไฟฟ้า (electric flux density, D ) มีหน่วยเป็ นคูลอมบ์ต่อตารางเมตร (C/m2) และ�ดยอาศัยก�ของเกาส์ (�auss’s la�) สามารถหาจํานวนฟลักซ์ไฟฟ้าที��งุ่ ออกจากปริมาตรใด� ที�หมุ้ ด้วย�ืน� ที�ปิดได้ดงั นี � 



 D  dA = Q เมื�อ

Qin

in

(2.3)

คือ ฟลักซ์ไฟฟ้าหรือประจุอิสระทัง� หมดที�อยูภ่ ายในปริมาตรหุม้ ด้วย�ืน� ที�ปิด (C)

จากสมการที� 2.2 และ 2.3 �บว่าความหนาแน่นของฟลักซ์ไฟฟ้ามีความสัม�ัน�์กับความเครียด สนามไฟฟ้า �ดยสัดส่วนระหว่างปริมาณทัง� สองมีค่าเท่ากับสภา�ยอมทางไฟฟ้า (permitti�ity) ของ ตัวกลางที��ิจารณา  D  =ε E

(2.4)

�ลังงานหรืองานที�ใ�้ในการเคลื�อนที� ประจุ Q จากตําแหน่ง A ไปยังตําแหน่ง B ภายใต้  สนามไฟฟ้า E หาได้จาก B   W = Q E  ds A

(2.5)

ถ้าคิดงานต่อหน��งหน่วยประจุ ค่าที�ได้เรียกว่าความต่างศักย์ไฟฟ้าระหว่างจุด A กับ B เมื�อกําหนดให้ จุด B เป็ น จุดอ้า งอิง ที� มีศัก ย์ไฟฟ้าเท่ ากับศูนย์ (�round) และอยู่ห่ า งจากจุด A เป็ น ระยะอนันต์ ศักย์ไฟฟ้าที�จดุ A จะเท่ากับ A   VA =   E  ds 

(2.6)

เนื�องจากในบทนีเ� ราจะ�ิจารณาสนามไฟฟ้าสถิต (ไม่มีการเปลี�ยนตามเวลา) สมการที�สองของแมกซ์ เวล สามารถลดรูปเป็ นสมการ  E = 0

(2.7)

ทําให้เวกเตอร์สนามไฟฟ้าสามารถเขียนได้ในรูปของเกรเดีย� นศักย์ไฟฟ้า  E = - V

(2.8)

�ดยอาศัย สมการที� ส�ี ข องแมกซ์เ วลในตัว กลางที� เ ป็ น เนื �อ เดี ย วตลอด (�omo�eneous) และมี คุณสมบัตเิ หมือนกันในทุกทิศทาง (isotropic) จะได้สมการปั วซอง (Poisson’s equation) V 2 =

ρ ε

(2.9)

ความเครี ความเครียยดสนามไฟฟ้ ดสนามไฟฟ้าา -- 25 25 --

เมื�อ ρ คือ ความหนาแน่นของประจุ (C/m3) �้าปร�มา�รหรือระบบ�นวน�ี��า� ล�ง��จาร�าไม่มีประจุ ( ρ � 0) สม�าร�ี� 2.� จะลดรู ปเป� นสม�าร ลาปลาส (Laplace’s equation) (2.10)

V 2 = 0

2.2 สนามไฟฟ้ าในระบบอิเล็กโทรดแบบต่างๆ 2.2.1 ระนาบคูข่ นาน (parallel plane) A + U -

d

รูป�ี� 2.2 ระนาบคูข่ นาน สนามไฟฟ้าระหว่างอ�เล��รด��ง� สองมีขนาดเ�่า��น�ุ�จุด ��ง� ค�านว�ได้จา�ความส�ม��น�� E=

U d

(2.11)

แ�่จา�รู ป�ี� 2.2 จะ�บว่าเส้นสนามไฟฟ้าบร�เว�ขอบของอ�เล��รดมี�าร�ป่ ง�องและมี ความเครียดสนามไฟฟ้าสูง�ว่า�นบร�เว��าย�นอ�เล��รด ด�งน�น� �น�ารน�าไป��้งาน�้องมี �ารออ�แบบ�ห้สนามไฟฟ้า�ี�บร�เว�ขอบมีขนาดน้อย�ว่าสนามไฟฟ้า�นบร�เว��าย�น �ดย รู ป แบบอ� เ ล� � ��รด�ี� มี ล�� ะด�ง �ล่ า วเรี ย �ว่ า อ� เ ล� � ��รดระนาบขอบ�ค้ง �ร�อฟส�ี � (ro�o�s�i pro�ile electrodes) ด�งรูป�ี� 2.3

รูป�ี� 2.3 อ�เล��รดระนาบขอบ�ค้ง�ร�อฟส�ี � �ี�มา �ttps�//indico.�nal.�o�/e�ent/10100/session/1�/ contribution/60/material/slides/


ความเครียดสนามไฟฟ้า - 26 -

2.2.2 ทรงกลมซ้อนศูนย์กลางร่วม (concentric spheres)

รูปที� 2.4 ทรงกลมซ้อนศูนย์กลางร่วม สมมติให้มีจุดประจุ Q วางอยู่ท�ีจุดศูนย์�องทรงกลมซ้อนศูนย์กลางร่วม �ดยอาศัยก��อง เกาส์ จะได้   D   dA =



ρ dV

V0

=Q

เม��อ

A

จากสมการที� 2.4

ค�อ ��น� ที�ท�ีหมุ้ ปริมาตร

V

(2.12)

(m2)

  εE   dA = Q

(2.13)

เม��อความหนา�น่น�องประจุมีคา่ คงที� จะได้ ρV = Q

(2.14)

�ิจาร�า��น� �ิวทรงกลมที�มีระยะห่างจากจุด Q เท่ากับ r �บว่าสนามไฟฟ้าจะตัง� �ากกับ ��น� �ิวทรงกลม�ละมี�นาดเท่ากับ E r คงตัวตลอด��น� �ิวทรงกลม �ละเรียก��น� �ิวทรงกลมนี � ว่า ��น� �ิวศักย์เท่า (e��ipotenti�� s�r��ce) เน��องจาก��น� �ิวทรงกลมรัศมี r เท่ากับ 4πr 2 ดังนัน� Er =

Q 4πεr 2

(2.15)

�ดยใ�้สมการที� 2.� ศักย์ไฟฟ้าที�รศั มี r เท่ากับ Vr =

Q 4πεr

(2.16)


เมื�อก�า�นด��้ความต่า��ักย์ร��ว่า��วทร�ก�มทั�� สอ�เท่ากับ U = Vr1 - Vr2 =

U

คือ

Q 1 1  -  4πε  r1 r2 

(2.17)

�ากสมการที� 2.1� �� 2.1� ��ได้ Er =

U 1 1  r2  -   r1 r2 

(2.18)

�ดยความเครียดสนามไฟฟ้าส��ส�ด��ความเครียดสนามไฟฟ้าเ��ี�ยมีคา่ เท่ากับ E max = E r = r1 =

E mean =

U

(2.19)

 r  r1  1 - 1   r2 

U  r2 - r1

(2.20)



2.2.� ทร�ก�มเดี�ยว�นอากา��รือที�วา่ � (�� )

ร�ปที� 2.� ทร�ก�มเดี�ยว�นอากา� �ากร�ป 2.� ทร�ก�มเดี�ยว��เทียบได้กบั ทร�ก�ม�้อน��นย์ก�า�ร่วมที�มีร�ั มี สนามไฟฟ้าที�ร�ั มี r เท่ากับ Er =

r1U r2

r2

เป็ นอนันต์ (2.21)

ความเครียดสนามไฟฟ้าส��ส�ด��เก�ดที��ว� ทร�ก�ม r1 E max = E r = r1 =

U r1

(2.22)



�ากสมการที� 2.22 สามาร�ค�านว��า�นาด�องทรงก�มที��ะ��้เ�� น�ี�ด� (��ield) �้องกันมิ ��้เกิ ด�ค�รน่าดิส�าร��ที��ายแรงส�ง�องอ��กร��ไฟฟ้าแรงส�ง เน�� องมา�ากความเครียด สนามไฟฟ้าส�งเกินไ� เม��อ�ส่�ี�ด�เ�้าไ��ะท�า��้ความเครียดสนามไฟฟ้า�ดต��า�งกว่าค่า สนามไฟฟ้าวิกฤต E c (  25 kVpeak�c�) ดังนัน� รั�มี�อง�ี�ด�ทรงก�ม U U = Ec 25

r

(2.23)

2.2.4 ทรงกระบอกซ้อนแกนร่วม (coaxial cylinder)

ร��ที� 2.6 ทรงกระบอกซ้อนแกนร่วม เม��ออิเ��ก�ทรดมี�กั ��ะเ�� นทรงกระบอกซ้อนแกนร่วม เส้นฟ�ักซ�ไฟฟ้า�ะอย�่�นแนวรั�มี แ�ะ�� น �ิ ว �องทรงกระบอก ค� อ �� น �ิ ว �ัก ย�ไ ฟฟ้ า เท่ า �ดย��้ส มการที� 2.4 แ�ะ 2.�2 สนามไฟฟ้าที�ร�ั มี r เท่ากับ Er =

Q 2πεlr

(2.24)

ความต่าง�ักย��ร�อแรงดันไฟฟ้าระ�ว่างทรงกระบอกทัง� สอง �าได้�าก U= =



r2

r1

E r dr

r  Q ln  2  2πεl  r1 

(2.25)

�ากสมการที� 2.24 แ�ะ 2.25 Er =

U r  r ln  2   r1 

(2.26)


โดยความเครียดสนามไฟฟ้าส�งสุดและความเครียดสนามไฟฟ้าเ�ลี�ยมีคา่ เท่ากับ E max = E r = r1 =

E mean =

U r  r1 ln  2   r1 

U  r2 - r1



(2.27) (2.28)

2.2.5 ทรงกลม – ทรงกลมวางห่างกัน (sphere – sphere electrodes)

ร��ที� 2.7 ทรงกลม – ทรงกลมวางห่างกัน โดยใช้วิ ธี ก ระจก (method of images) ความเครี ย ดสนามไฟฟ้ า ตามแนวเส้น ผ่ า นจุ ด ��นย�กลาง��งทรงกลมทัง� ส�ง (แนว x ) เท่ากับ 1 1  U 2 + 2  Q  1 1   x (d-x)  E + =   1 1 2 4π ε  x 2 (d-x) 2  + r1 r2 d

(2.29)

เม�� U ค�� ความต่าง�ักย�ไฟฟ้าระหว่างทรงกลมทัง� ส�ง (�) จากร��ที� 2.7 ความเครียดสนามไฟฟ้าส�งสุดจะเกิดที�ผิวทรงกลมรั�มี r2 E max

 1 1  U + 2 2    r2  (d-r2 )  = 1 1 2 + r1 r2 d

(2.30)

ในกร�ีท�ีทรงกลมทัง� ส�งมี�นาดเท่ากัน มีการ�้�นแรงดันไฟฟ้าและระยะระหว่างทรงกลมทัง� ส�งเ�� นดังร��ที� 2.8



ร��ที� 2.� ทรงก�ม � ทรงก�มที�มีขนาดเท�ากันวาง��างกัน ความเครียดสนามไฟฟ้าส�งส�ดที��วทรงก�ม เมื�อ s > R คือ E max =

0.9U  s   1+  s/2  2R 

เมื�อความ��าง�ักย�ไฟฟ้าระ�ว�างทรงก�มทัง� สองเท�ากับ

(2.31) 2U

ถ้า s >> R จะได้ E max =

0.9U R

(2.32)

2.2.6 ทรงกระบอกยาววางขนานกัน (parallel wire electrodes) A'

P

d1

d2

ro

ro

x A

d

ร��ที� 2.� ทรงกระบอกยาววางขนานกัน �ดย��้สมการที� 2.2� �ักย�ไฟฟ้าที�จด� � สามารถ�าได้จาก U p =U p1 + U p2 =

Q d ln 2 2πε d1

(2.33)


ความเครียดสนามไฟฟ้า�นแนวเส้น�ี��าก��าน��ด��นย�ก�า�ขอ��ร�กร�บอก�ั�� สอ� (�นแนว x ) คือ Ex = -

U 2

d 2 - 4ro2 2    d  d   ro + x  d - 2ro  - x  ln +  -1    2ro   2ro    2

(2.34)

เมื�อ U คือ ความต�า��ักย�ไฟฟ้าร��ว�า��ร�กร�บอก�ั�� สอ� (�) ความเครียดสนามไฟฟ้าส��ส�ด�ี��วตัวนํา�ร�กร�บอก ( x  0 ) คือ 2

E max =

U 2

 d  ro  -1   2ro 

 d    -1  2ro  2    d  d   ln +  -1   2ro  2r  o  

(2.35)

2.2.7 สายตัวนําควบ (Bundled Conductors) สายควบ คือ การ��้ตวั นํา��ายเส้น (ตั�� แต� 2 เส้นข�น� ไ�) �นแต��เฟสแ��มัก��้�น การส��ายกํา�ั�ไฟฟ้า�นร�บบ �� แ�� ตัวอย�า�ขอ�สายควบแสด�ดั�ร��ี� 2.10

ก) แบบ 2 เส้น

ข) แบบ 4 เส้น

ร��ี� 2.10 สายตัวนําควบ �ี�มา https://www.electrical4u.com/ad�anta�es-o�-bundled-conductors/ https://www.electrotechnik.net/2011/02/bundled-conductors-intranmission-lines.html �ดย�ั� ว ไ�ร�ย�� า �ร��ว� า �เส้น �นสายควบ��มี ค� า �ร�มา� 10 �� 15 เ�� า ขอ� เส้น��า��นย�ก�า�ขอ�เส้นย�อย �ํา��้ร�ั มีขอ�ตัวนํา�นแต��เฟสเสมือนมีขนาด�ตข�น� ��วย��้ เก�ด�ค�รน�าได้ยากข�น� �ั�� นีเ� �รา�ว�าความเครียดสนามไฟฟ้า�ี��วตัวนํารวมน้อย�� อีก�ั�� ยั� �ํา��้เส�ร�� อ�ม�ีแดน��ขอ�สายควบน้อยกว�าสายไฟแบบเส้นเดี�ยว เ�รา�ค�าเ�นี�ยวนําขอ�



สายควบมีคา่ น้อยลงและค่าความจุไฟฟ้าของสายควบมีมากข�น� จ�งสามาร�ส่งกําลังไฟฟ้าให้ �หลดได้มากข�น� ความเครียดสนามไฟฟ้าของสายควบสามาร�หาได้�ดยใ�้แบบจําลองสายควบที�มีจาํ นวน ตัวนํา n เส้นดังรู�ที� 2.��

รู�ที� 2.�� แบบจําลองสายควบ จากรู�ที� 2.�� ความเครียดสนามไฟฟ้าสูงสุดอยูท่ �ีผิวด้านนอกของตัวนํา (จุด �) และตํ�าสุดที� ผิวด้านในของตัวนํา (จุด B) หาได้จาก E max

E min

เมื�อ

 r  U ph 1+  n -1 1  r2  r1  Q/n   = 1+  n -1  = d 2π ε r1  r2  n r1 ln re

(2.36)

 r  U ph 1-  n -1 1  r2  r1  Q/n   = 1-  n -1  = d 2π ε r1  r2  n r1 ln re

(2.37)

d

คือ แรงดันระหว่างเฟสกับนิวทรัล (kV) คือ ระยะห่างระหว่างเฟส (cm)

re

คือ รัศมีสมมูลของสายไฟควบ เท่ากับ

U ph

n

n r1 r2n-1

(cm)

รู�ที� 2.�2 แสดงเส้นสนามไฟฟ้าและเส้นศักย�ไฟฟ้าเท่าของสายตัวนําไฟฟ้าควบเ�รียบเทียบ กับสายไฟฟ้าเดี�ยว


ก) ��วน�าเดี�ยว

ข) สายควบคู่

ค) สายควบสามเส้น

ง) สายควบสี�เส้น

จ) สายควบห้าเส้น

ฉ) สายควบหกเส้น

รู��ี� 2.�2 สนามไฟฟ้าของของสาย��วน�าควบ 2.3 แฟกเตอร์สนามไฟฟ้ า (field utilization factor) �ฟกเ�อร�สนามไฟฟ้า คือ ค่าหรือด��นี��ี�สดง��ก��การกร�จายสนามไฟฟ้า (��c��c �� ) ในร�บบอ�เ��ก��รด�ี�กา� ��งพ�จาร�าว่ามีการเ��ี�ยน��งหรือความสม��าเสมอมาก น้อยเพียงใด หาได้จาก η* =

เมื�อ

E mean E max

คือ ความเครียดสนามไฟฟ้าเฉ�ี�ย (kV/cm) E max คือ ความเครียดสนามไฟฟ้าสูงสุด (kV/cm) ��วอย่าง�ฟกเ�อร�สนามไฟฟ้าของร�บบอ�เ��ก��รด�บบ�่าง� ได้�สดงใน�าราง�ี� 2.� Emean

(2.38)



ตารางที� ��1 แฟกเตอร์สนามไฟฟ้าของอิเล็กโทรดแบบต่างๆ อิเล็กโทรด

แฟกเตอร์สนามไฟฟ้า

ระนาบคูข่ นาน

1

ทรงกลมซ้อนศูนย์กลางร่วม

r1 r2

ทรงกระบอกซ้อนแกนร่วม

r  r1 ln  1   r2  r2 -r1

2.4 รูปแบบของสนามไฟฟ้ า จากหัวข้อสนามไฟฟ้าในระบบอิเล็กโทรดแบบต่างๆ พบว่าการกระจายของสนามไฟฟ้าจะมี ลักษณะแตกต่างกันตามแต่ละรูปร่าง การจัดวางของอิเล็กโทรด เช่น ระนาบคูข่ นานจะมีสนามไฟฟ้า เท่ า กัน ท�ก จ�ด ในช่ อ งว่า งระหว่า งอิ เ ล็ก โทรด ส่ว นทรงกระบอกซ้อ นแกนร่ว มที� แ ต่ ล ะจ�ด ระหว่ า ง ทรงกระบอกจะมีค่าความเครียดสนามไฟฟ้าแตกต่างกันและมีขนาดลดลงเมื�อห่างจากทรงกระบอก ด้า นในมากขึน� เป็ น ต้น เพื� อ ให้ส ามาร�อ�ิ บ าย�ึ ง ลัก ษณะการของสนามไฟฟ้ า ที� เ กิ ด ในระบบ อิเล็กโทรดแบบต่างๆ ได้ จึงมีการแบ่งรู ปแบบของสนามไฟฟ้าออกเป็ นสองแบบ คือ สนามไฟฟ้า สม��าเสมอ �� และสนามไฟฟ้าไม่สม��าเสมอ ��-�� โดยแบบสนามไฟฟ้าไม่ สม��า เสมอยัง สามาร�แบ่ง ย่อยออกได้อีก สองแบบ คือ แบบไม่สม��า เสมอเล็ก น้อย �� และแบบไม่สม��าเสมอสูง �� -�� ลักษณะอิเล็กโทรดและการกระจายสนามไฟฟ้าทัง� สามแบบตามที�ได้กล่าวมาในข้างต้น ได้ แสดงในรูปที� ��13 และ ��14 ตามล�าดับ

ก� แบบสม��าเสมอ

ข� แบบไม่สม��าเสมอเล็กน้อย

ค� แบบไม่สม��าเสมอสูง

รูปที� ��13 อิเล็กโทรดที�มีการกระจายสนามไฟฟ้าแบบต่างๆ


รูปที� 2.1� การกระจายสนามไฟฟ้า�องอิเล็กโทรดแ��่าง� จากรูป 2.13 ถ้าระยะห่างระหว่างอิเล็กโทรด d1 d2 และ d3 เท่าก�น เม��อป้อนแรงด�น�ห้ก�� อิเล็กโทรด ท�ง� สามแ�� นวนที�อยู่ระหว่างอิเล็กโทรดจะเสียส�า�หร�อเ�รกดาวน�ไม่�ร้อมก�น อิเล็กโทรดแ�� ไม่สม��าเสมอสูงจะเกิดโคโรน่าก่อนเกิดเ�รกดาวน� ถ้าแรงด�นย�งคงเ�ิ�ม��น� จะเกิดเ�รกดาวน�ทน� ทีท�ี อิเล็กโทรดแ��ไม่สม��าเสมอเล็กน้อย และอิเล็กโทรดแ��สม��าเสมอ�ามล�าด�� ด�ง�นรูปที� 2.15

U Ub_I Ub_II Ub_III Ui_III t Pre discharge

iIII

iII

iI

i รูปที� 2.15 การเกิดเ�รกดาวน��องอิเล็กโทรดท�ง� สามรูปแ�� I แ��สม��าเสมอ II แ��ไม่สม��าเสมอเล็กน้อย และ III แ��ไม่สม��าเสมอสูง



ค่าความเครียดสนามไฟฟ้าที�ทาํ ให้เกิดเบรกดาวน์หรือค่าความคงทนทางไฟฟ้าของฉนวน (��e�ectr�c strength) หาได้จาก Eb =

เมื�อ

Ub d η*

(2.39)

Eb

คือ ความคงทนทางไฟฟ้าของฉนวน (kV/cm)

Ub

คือ แรงดันเบรกดาวน์ (kV)

d

คือ ระยะห่างระหว่างอิเล็กโทรดที�เกิดเบรกดาวน์ (cm)

ในกรณีของสนามไฟฟ้าแบบไม่สมํ�าเสมอสูง แรงดันโคโรน่าเริ�มเกิด (แรงดันเบรกดาวน์ไม่สามาร� คํานวณได้ เ�ราะ�ระจ�จากโคโรน่าทําให้การกระจายสนามไฟฟ้าเ�ลี�ยนไ�) เท่ากับ Ei =

เมื�อ

Ui d η*

(2.40)

Ei

คือ ความเครียดสนามไฟฟ้าโคโรน่าเริม� เกิด (kV/cm)

Ui

คือ แรงดันโคโรน่าเริม� เกิด (kV)

�ี อเหมาะ (optimum dimension) 2.5 มิตทิ พ มิ ติ ท�ี � อเหมาะ คื อ มิ ติท�ี เ ล็ก ที� ส�ด โดยยัง สามาร�ทนต่อ แรงดัน ไฟฟ้า สูง ส�ด ที� ใ ช้ง านได้ ยกตัวอย่างเช่น ในกรณีอิเล็กโทรดทรงกลมซ้อนศูนย์กลางร่วมและอิเล็กโทรดทรงกระบอกซ้อนแกน ร่วม เมื�อกําหนดให้อิเล็กโทรดนอกมีรศั มีคงที�ค่าหน��ง อิเล็กโทรดในจะต้องมีขนาดเท่าใดจ�งสามาร� ทนแรงดันได้สงู ที�สด� ในกรณีท�ีอิเล็กโทรดในมีรศั มีใกล้เคียงกับอิเล็กโทรดนอกก็จะเกิดเบรกดาวน์ได้ ง่ายเนื�องจากระยะห่างระหว่างอิเล็กโทรดน้อย แต่�า้ อิเล็กโทรดในมีรศั มีเล็กเกินไ�ก็จะเกิดโคโรน่าได้ ง่ายที��ิวอิเล็กโทรดเ�ราะความเครียดสนามไฟฟ้ามีค่าสูง (มากกว่าค่าความคงทนทางไฟฟ้าของ ฉนวน) กล่าวคือช่องว่างระหว่างอิเล็กโทรดจะต้องมีขนาดที�เหมาะสม เ�ื�อทําให้ระบบอิเล็กโทรดมี แรงดันเบรกดาวน์สงู ส�ด โดยที�ยงั ไม่มีการเกิดโคโรน่า 2.�.1 ทรงกลมซ้อนศูนย์กลางร่วม โดยใช้สมการที� 2.19 แรงดันเบรกดาวน์ เท่ากับ  r  U b = E b r1  1- 1   r2 

(2.41)

กําหนดให้รศั มีของอิเล็กโทรดนอก r2 คงที� มิตทิ �ี�อเหมาะของอิเล็กโทรดใน หาได้จาก dU b dr1

=0 r2 = const

(2.42)


มิ�ทิ �ีพอเหมาะของอิเล็กโทรดทรงกลมซ้อนศูนย์กลางร่วมเท่ากับ r1 1  r2 2

(2.43)

เม�� อ แทนค่ า มิ �ิ ท�ี พ อเหมาะในสมการที� 2.4� �ะได้ค วามเครี ย ดสนามไฟฟ้ า �ํ�า สุด ที� �ิ ว อิเล็กโทรดใน และแรงดันเบรกดาวน์สงู สุด เท่ากับ

ความสัมพันธ์ของ

E r1_min

E r1 _min =

2U r1

(2.44)

U b_max =

r1 E b 2

(2.45)

และ

U b_max ในเทอมของ

r1 r2

ของทรงกลมซ้อนศูนย์กลางร่วม

แสดงในรู�ที� 2.�6 3

Ub_max 2.5 2 Ub

1.5

E_r1 1

Er1_min 0.5 0

0

0.1

0.2

รู�ที� 2.�6 E r _min และ 1

0.3

0.4

0.5 0.5

0.6


r1 r2

0.7

0.8

0.9

r11/r2

ของทรงกลมซ้อนศูนย์กลางร่วม

เม��อ r2 คงที� 2.5.2 ทรงกระบอกซ้อนแกนร่วม โดยใ�้สมการที� 2.27 แรงดันเบรกดาวน์ เท่ากับ r  U b = E b r1 ln  1   r2 

(2.46)

กําหนดให้รศั มีของอิเล็กโทรดนอก r2 คงที� มิ�ทิ �ีพอเหมาะของอิเล็กโทรดใน หาได้�าก dU b dr1

=0 r2 = const

(2.47)



มิตทิ �ีพอเหมาะของอิเล็กโทรดทรงกระบอกซ้อนแกนร่วมเท่ากับ r1 1   0.368 r2 e

(2.48)

เมื� อ แทนค่ า มิ ติ ท�ี พ อเหมาะในสมการที� 2.4� �ะได้ค วามเครี ย ดสนามไฟฟ้ า ตํ�า สุด ที� �ิ ว อิเล็กโทรดใน และแรงดันเบรกดาวน์สงู สุด เท่ากับ E r1 _min =

U r1

(2.49) (2.50)

U b_max = r1 E b

ความสัม พัน ธ์ของ

E r1_min

และ

U b_max

ในเทอมของ

r1 r2

ของทรงกระบอกซ้อนแกนร่ว ม

แสดงในรูปที� 2.�� 4.5

4

Ub_max 3.5

3 2.5

Ub

2

E_r1

1.5 1

Er1_min 0.5 0

0

0.1

0.2

0.3

รูปที� 2.�� E r _min และ 1

0.368 0.4

0.5

0.6


0.7

r1 r2

0.8

0.9

1

ของทรงกระบอกซ้อนแกนร่วม

เมื�อ r2 คงที� 2.6 อิเล็กโทรดในระบบสถานีไฟฟ้ าแบบใช้ฉนวนแก๊ส (Gas Insulated Substation, GIS) ตัวนําแรงสูงหรือบัสบาร์ในระบบ GIS มีลกั ษณะเป็ นแบบทรงกระบอกซ้อนแกนร่วม การหัก เลีย� วของอิเล็กโทรด�ะทําให้เกิดความเครียดสนามไฟฟ้าสูงตรงและเกิดดิส�าร์�ตรงตําแหน่งมีการ หักมุม เพื�อเป็ นการป้องกันไม่ให้เกิดการดิส�าร์��ะใ�้อิเล็กโทรดแบบทรงกลมซ้อน�ูนย์กลางร่วมมา ใ�้เป็ น�ุดต่อ โดยออกแบบให้ความเครียดสนามไฟฟ้าสูงสุดที��ิวอิเล็กโทรดในมีขนาดเท่ากันทัง� สอง ระบบอิเล็กโทรด โดยลักษณะการต่อของอิเล็กโทรดแสดงในรูปที� 2.�8


R2

R1

r1

r2

รู�ที� 2.18 การ�่อบัสบาร์บริเว��าแหน่งหักม�มในระบบ �� ากรู�ที� 2.18 ก�าหนดให้ความเครียดสนามไฟฟ้าสูงส�ดมีขนาดเท่ากัน E max_R1 = E max_r1

(2.51)

�ากสมการที� 2.19 และ 2.2� �ะได้  R  r  R 1  1- 1  = r1 ln  2   R2   r1 

(2.52)

ให้มิ�ขิ องระบบอิเล็กโทรดทัง� สองแบบเท่ากับมิ�ทิ �ี�อเหมาะ R 1 = 2 r1

(2.53)

และแรงดันเบรกดาวน์ของทัง� สองระบบอิเล็กโทรดซ�ง� มีขนาดเท่ากัน หาได้�าก U b = 0.5 R 1 E b = r1 E b

เมื�อ

Eb

(2.54)

คือ ความคงทนทางไฟฟ้าของฉนวนแก๊ส (kV/cm)

�ิ�าร�าแฟกเ�อร์สนามไฟฟ้าของทัง� สองแบบอิเล็กโทรดที�มิ�ิท�ี�อเหมาะ อิเล็กโทรดทรงกระบอก ซ้อนแกนร่วมเท่ากับ 0.582 และอิเล็กโทรดทรงกลมซ้อนศูนย์กลางร่วมเท่ากับ 0.5 แสดงให้เห็นว่า อิเล็กโทรดทรงกลมซ้อนศูนย์กลางมีการกระ�ายสนามไฟฟ้าสม��าเสมอกว่า เนื�อง�ากอิเล็กโทรดในมี ขนาดโ�กว่าของทรงกระบอกซ้อนแกนร่วม��งสองเท่าดังในสมการที� 2.53



2.7 ความเครียดสนามไฟฟ้ าในวัสดุสารเนือ� ต่างชนิดกัน �นวนไฟฟ้าที�อย�ใ่ นอุปกรณ์หรือระบบไฟฟ้าแรงส�ง นอกจากทําหน้าที�เป็ น�นวน ยังทําหน้าที� เป็ นตัวยึดหรือรองรับแรงทางกล เช่น รับนําหนักของตัวอุปกรณ์ รับแรงดึงระหว่างสายตัวนํากับเสา ไฟฟ้า และแรงแกว่งที�เกิดจากลมกระ�ชก เป็ นต้น ดังนัน� การใช้�นวนที�เป็ นแก�สหรือของเหลว จึง จําเป็ นต้องใช้รว่ มกับ�นวนที�เป็ นของแข็ง เนื�องจาก�นวนแต่ละชนิดมีส�า�ยอมทางไฟฟ้าและความ ต้า นทานจํา เ�าะ (��e�i�i� re�i�ti�it�) ต่า งกัน การใช้ง านระบบ�นวนที� ประกอบไปด้ว ย�นวน มากกว่าหนึ�งชนิดย่อมทําให้เกิดเป็ นชัน� หรือรอยต่อของ�นวนขึน� เป็ นผลให้ความเครียดสนามไฟฟ้า และเส้นฟลัก�์ไฟฟ้าเกิดการเปลี�ยนแปลงหรือหักเห ณ บริเวณรอยต่อ�นวน นอกจากนีใ� นกรณีระบบ �นวนที� ใ ช้ใ นไฟฟ้ า กระแสตรง การกระจายของสนามไฟฟ้ า จะกํา หนดด้ว ยความนํา ไฟฟ้ า (�on��ti�it�) ของ�นวนและประจุคา้ ง (��a�e ��arge) ที�รอยต่อ�นวน �� การหักเหของเส้นฟลัก�์ไฟฟ้าที�รอยต่อของ�นวนต่างชนิด ความเครียดสนามไฟฟ้าใน�นวนต่างชนิดกันมีขนาดไม่เท่ากัน เมื�อทิ�ทางของเส้น สนามไฟฟ้าหรือเส้นฟลัก�์ไฟฟ้าไม่ตงั� �ากกับรอยต่อระหว่าง�นวน เส้นฟลัก�์ไฟฟ้าจะเกิด การหักเห ดังร�ปที� ��

ร�ปที� �� การหักเหของเส้นฟลัก�์ไฟฟ้าบริเวณรอยต่อ�นวน ในกรณีเป็ นสนามไฟฟ้าเกิดจากการป้อนแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับจะไม่เกิดประจุคา้ งตรง บริเวณรอยต่อ�นวน ทําให้เกิดความต่อเนื�องของเส้นฟลัก�์ไฟฟ้าในแนวตัง� �ากกับรอยต่อ (normal) และความเครียดสนามไฟฟ้าในแนวสัมผัส (tangential)

ความเครี ความเครียยดสนามไฟฟ้ ดสนามไฟฟ้าา -- 41 41 -D1n = D 2n

(2.55)

E t = E2

(2.56)

t 1

จากรู ปที� 2.1� กําหนดให้มมุ α1 และ α2 เป็ นมุมตกกระทบและมุมหักเหของเส้นฟลักซ์ไฟฟ้า ในฉนวนที�วดั เทียบกับเส้นตรงที�ตงั� ฉากกับรอยต่อระหว่างฉนวนทัง� สอง �ดยใ�้สมการที� 2.4 จะได้ tan  α1  E n2 D t1 ε1 ε r1 = = = = tan  α 2  E n1 Dt2 ε 2 ε r2

(2.57)

จากสมการที� 2.57 เส้นฟลักซ์ไฟฟ้าและสนามไฟฟ้าจะหักเหออกจากรอยต่อมากข�น� เม��อ ส�า�ยอมทางไฟฟ้าหร�อค่าคงตัวไดอ�เล็กตร�กของฉนวนมีคา่ ตํ�า ส่วนเส้น�ักย์ไฟฟ้าเท่าหร�อ เส้นสม�ักย์ (�� ) จะหักเหเข้าหารอยต่อเม��อค่าคงตัวไดอ�เล็กตร�กของฉนวน มีคา่ สูง เส้นฟลักซ์ไฟฟ้าระหว่างอ�เล็ก�ทรดระนาบคู่ขนานที�มีลกั ��ะรอยต่อของฉนวนต่างกันสอง แบบ ค�อ รอยต่อตัง� ฉากกับระนาบของอ�เล็ก�ทรด และรอยต่อทํามุมเอี ยงกับระนาบของ อ�เล็ก�ทรด ได้แสดงในรูปที� 2.2�

ก) รอยต่อฉนวนตัง� ฉาก

ข) รอยต่อฉนวนทํามุมเอียง

รูปที� 2.2� การหักเหของสนามไฟฟ้าตรงรอยต่อของฉนวน จากรู ปที� 2.2� เส้นสม�ักย์สว่ นให�่จะหนาแน่นบร�เว�รอยต่อปากฉลาม (เป็ นมุมแหลมกับ ��วอ�เล็ก�ทรด)ในฉนวนที�มีค่าคงตัวไดอ�เล็กตร�กน้อย ( εr = 2) ทําให้ความเครียดสนามไฟฟ้า มีค่าสูง ซ��ง�้าสนามไฟฟ้ามีค่ามากกว่าความคงทนทางไฟฟ้าของฉนวนก็ จะเก�ดด�ส�าร์จ บางส่วนในบร�เว�นี �



2.�.2 ฉนวนต่าง�น�ดซ้อนกันในสนามไฟฟ้าสมํ�าเสมอ เพื� อไม่ให้เก� ดการหักเห�องเส้นฟลักซ์ไฟฟ้า รอยต่อ�อง�ั�นฉนวนต้องตัง� ฉากกับ เส้น ฟลัก ซ์ไ ฟฟ้ า หรือ อยู่บ นเส้น สมศัก ย์ กล่ า วคื อ ความเครี ย ดสนามไฟฟ้ า จะมี เ ฉพาะ องค์ประกอบในแนวตัง� ฉากเท่านั�น �ดยสนามไฟฟ้าใน�ั�นฉนวนแต่ละ�ั�นมี ค่าคงตัว หรือ เท่ากันตลอด เมื�อวางอยูใ่ นสนามไฟฟ้าสมํ�าเสมอ ดังรูปที� 2.2� U

d

1

d1 ,

1,

U1 , E1

2

d2 ,

2,

U2 , E2

รูปที� 2.2� ฉนวนต่าง�น�ดซ้อนกันในสนามไฟฟ้าสมํ�าเสมอ ความเครี ย ดสนามไฟฟ้ า และแรงดัน ไฟฟ้ า ใน�ั�น ฉนวนทั�ง สองระหว่ า งอ� เ ล็ ก �ทรดที� มี สนามไฟฟ้าแบบสมํ�าเสมอ สามาร�หาได้จากสมการที� 2.�� และความหนาแน่น�องฟลักซ์ ไฟฟ้า จากสมการที� 2.4 ตามลํา ดับ นอกจากนี ก� ารวางฉนวนซ้อ นกัน ดัง รู ป ที� 2.2� จะมี ลักษณะเหมือนการนําตัวเก็บประจุสองตัวต่ออันดับกัน ทําให้ประจุในตัวเก็บประจุแต่ละตัวมี ค่าเท่ากัน (2.58)

Q = C1U1 = C 2 U 2

เมื�อ

Q

คือ ประจุไฟฟ้าในตัวเก็บประจุ (C)

C1

คือ ความจุไฟฟ้า�องฉนวน�ัน� ที� � (��2) เท่ากับ

C2

คือ ความจุไฟฟ้า�องฉนวน�ัน� ที� 2 (��2) เท่ากับ

d1

คือ ความหนา�องฉนวน�ัน� ที� � (�) คือ ความหนา�องฉนวน�ัน� ที� 2 (�)

d2

ε1 d1 ε2 d2

อัตราส่วนแรงดันระหว่าง�ัน� ฉนวนเท่ากับ U1  ε 2   d1  =    U 2  ε1   d 2 

(2.59)


เม��ร�ด�นไฟฟ้า�ี� �้�น��้��ร��เ��รด ค�� คร��ม�นวน��น� เ��า�� U1 =

U = U1 + U 2

��ได้�ร�ด�นไฟฟ้า �ี�

U   ε1   d 2 1+      ε 2   d1

(2.60)

  

 ε1   d 2     U ε d U2 =  2   1    ε1   d 2   1+        ε 2   d1  

(2.61)

��ความเครียดสนามไฟฟ้า�น�นวน�� ส��น� �าได้�า�   U U 1 E1 = 1 = d1 d1   ε1   d 2 1+      ε 2   d1

      

(2.62)

   ε2      ε1  U1 U    E1 = = d1 d   d1   ε 2       -1 +1    d   ε1     ε1   U U   ε2 E2 = 2 = d2 d 1   ε1   1+   ε 2

   d2 d1

      

(2.63)

    U U 1  E2 = 2 =  d2 d  d1  ε 2     -1  +1   d  ε1   E1 ε ε = 2 = r2 E2 ε1 ε r1

(2.64)

�า�สม�าร�ี� 2.64 ความเครียดสนามไฟฟ้าร��ว�า��นวน�� ส��น� ��ร��น (�� ) ��ราส�ว นร��ว�า �ค�า ค��ว ได��เ �� ร�� นวน�� ส��น �ดย��ว �ย�า � ความเครียดสนามไฟฟ้า�น�นวน��น� เ�ีย��ค�าเ��ี�ย (

U d

) �สด�ร��ี� 2.22



ε2 = 4 ε1

E1 E av

E 2 E av

d1 d ร�ป�ี� 2.22 ความเครียดสนามไฟฟ้าในฉนวนแต่ละชัน� เ�ียบกับค่าเฉลี�ย 2.�.� ความเครียดสนามไฟฟ้าในชัน� ฉนวน�ี�เป็ นอากาศและของแข็ง �ดย�ั�วไปอ�ปกร�์ไฟฟ้าแรงส�งจะติดตัง� ใน�ืน� �ี�เปิ ด�ล่ง ระบบฉนวนจ�งประกอบไป ด้วยอากาศและฉนวนแข็งเป็ นหลัก การเกิดดิสชาร์จบางส่วนหรือเบรกดาวน์จะเกิดในอากาศ �ี�มีค่าความคง�นต่อแรงดันไฟฟ้าตํ�ากว่า การ�ราบ��งการกระจายของสนามไฟฟ้าในชัน� ฉนวน�ัง� สองจ�งมีจาํ เป็ นต่อเ�คนิคการฉนวนไฟฟ้าแรงส�ง กําหนดให้

ค่าคงตัวไดอิเล็กตริกของอากาศ ค่าคงตัวไดอิเล็กตริกของฉนวนแข็ง

=1 εr ≥ 2 εr

2.�.�.1 ชัน� อากาศบาง�กับฉนวนแข็ง จากร� ป�ี� 2.21 เมื�อความหนาของชัน� อากาศ d1 เข้าใกล้ศน� ย์ แรงดันไฟฟ้า�ี� ป้อนให้กบั ระบบอิเล็ก��รดส่วนให�่จะตกคร่อมชัน� ฉนวนแข็ง U1 ε d = 2 1 0 U2 ε1 d 2

(2.65)

เมื�อ�ิจาร�าการกระจายสนามไฟฟ้าในฉนวนแต่ละชัน� �บว่าความเครียดสนามไฟฟ้า ในชัน� อากาศมีค่าส�งกว่าในชัน� ฉนวนแข็ง ตามอัตราส่วนระหว่างค่าคงตัวไดอิเล็กตริก ของฉนวนแข็งและค่าคงตัวไดอิเล็กตริกของอากาศ E1 

ε2 ε E 2  r2 E 2 ε1 ε r1

(2.66)

ดังนัน� ในกร�ีระบบฉนวน�ี�ประกอบด้วยชัน� อากาศบาง�กับฉนวนแข็ง จ�งไม่สามาร� ใช้ฉนวนแข็ง�ี�มีความคง�นต่อแรงดันไฟฟ้าส�งมากได้ เนื�องจากจะ�ําให้ชนั� อากาศ


ได้รบั ความเครียดสนามไฟฟ้าสูงมากจนทําให้เกิดการดิสชาร์จได้ ทําให้ในการผลิต หร�อเล�อกใช้ฉนวนแข็งต้องหลีกเลี�ยงไม่ให้มีช่องว่างหร�อเกิดฟองแก�สในเน�อ� ฉนวน 2.7.�.2 ชัน� ฉนวนแข็งบาง�กับอากาศ เม��อความหนาของชั�นฉนวนแข็ง d2 เข้าใกล้ศูนย์ แรงดันไฟฟ้าที� �้อนให้กับ ระบบอิเล็ก�ทรดส่วนให�่จะตกคร่อมชัน� อากาศ U1 ε d = 2 1  U2 ε1 d 2

(2.67)

ความเครียดสนามไฟฟ้าในชัน� ฉนวนแข็งจะมีคา่ ตํ�า ตามอัตราส่วนระหว่างค่าคงตัวไดอิ เล็กตริกของอากาศและค่าคงตัวไดอิเล็กตริกของฉนวนแข็ง E2 

ε1 ε E1  r1 E 2 ε2 ε r2

(2.68)

จากสมการที� 2.68 ในกร�ีระบบฉนวนที��ระกอบด้วยชัน� ฉนวนแข็งบาง�กับอากาศ ความคงทนต่อแรงดันไฟฟ้าของระบบฉนวนจะ�ูกกําหนดด้วยชัน� ฉนวนที�เ�็ นอากาศ 2.7.4 ความเครียดสนามไฟฟ้าในฉนวนสายเคเบิลแรงสูง จากหัวข้อที�ผา่ นมา ฉนวนแข็งที�มีคา่ คงตัวไดอิเล็กตริกต่างกัน ไม่เหมาะที�นาํ มาใช้ใน สนามไฟฟ้าที�มีการกระจายสมํ�าเสมอ เ�ราะความเครียดสนามไฟฟ้าในฉนวนแต่ละชัน� มี ขนาดไม่เ ท่ากัน อย่า งไรก็ ตามการใช้ฉนวนแข็งที� มีค่าคงตัวไดอิเล็กตริกต่างกันเหมาะที� นํามาใช้ในระบบอิเล็ก�ทรดที�สนามไฟฟ้าไม่สมํ�าเสอ เช่น สายเคเบิลแรงสูง ที�มีการฉนวน เ�็ นแบบทรงกระบอก�้อนแกนร่วม เม�� อ�ิจา�าให้ฉนวนแต่ละชั�นเ�็ นตัวเก็ บ�ระจ�ท�ีต่อ อันดับกัน ดังรู�ที� 2.2�

รู�ที� 2.2� การวางฉนวนของสายเคเบิลแรงสูง



โดยใ�้สมการ 2.2� สามารถคํานวณค่าความจุไฟฟ้าต่อหน่วยความยาว (��) ของ�นวน�ัน� ที� 1 �ละ�นวน�ัน� ที� 2 ได้ดงั นี � C1 =

C2 =

2πε1 r  ln  2   r1 

(2.69)

2πε 2 r  ln  3   r2 

(2.70)

ความจุไฟฟ้ารวมต่อหน่วยความยาวเท่ากับ Ctotal = Ctotal =

C1 C2 C1 + C2

(2.71)

2πε1ε 2 r  r  ε1ln  3  + ε 2 ln  2   r2   r1 

เมื�อ�รงดันไฟฟ้าระหว่างตัวนําในกับเปลือกโลหะเท่ากับ สายเคเบิล หาได้จาก Q = Ctotal U =

U

2πε1ε 2 U r  r  ε1ln  3  + ε 2 ln  2   r2   r1 

ประจุไฟฟ้าต่อความยาวของ

(2.72)

เนื�องจาก�นวนต่ออันดับกัน ดังนัน� ประจุไฟฟ้าต่อความยาวของ�นวน�ต่ละ�ัน� จะเท่ากัน Q1 = Q2 = Q = Ctotal U

(2.73)

�รงดันไฟฟ้าใน�ัน� �นวนที�ร�ั มีใด� ( Urx ) ระหว่างตัวนําในกับเปลือกโลหะ สามารถคํานวณ ได้จาก U rx = U rx =

Ctotal U Crx 2πε1ε 2 U  r   r  Crx  ε1ln  3  +ε 2 ln  2    r2   r1   

เมื�อ Cr คือ ความจุไฟฟ้าที�ร�ั มี�นวน rx ความเครียดสนามไฟฟ้าที�ร�ั มี�นวน rx เท่ากับ x

(2.74)

ความเครี ความเครียยดสนามไฟฟ้ ดสนามไฟฟ้าา -- 47 47 -E rx =

ε 1ε 2 U

 r  r rx ε x  ε1ln  3  +ε 2 ln  2  r2   r1 

=

  

ε r1ε r2 U

 r  r rx ε rx  ε r1ln  3  +ε r2 ln  2  r2   r1 

  

(2.75)

เม�� ε rx ค�� ค�าค��วได��เล�ก�ร�ก��นวน�ี�ร�� มี rx ��ราส�วนความเครียดสนามไฟฟ้า�ี�ร�� มี rx และ rx +1 หาได้จาก E rx

E rx+1

=

ε rx+1 rx+1 ε rx rx

(2.76)

ด��น�น� ความเครียดสนามไฟฟ้าส��ส�ด�น�นวนแ��ละ��น� จะเก�ด��น� �ี�ร�� มี�น��นวน��น� น�น� จากร��ี� 2.2� ความเครียดสนามไฟฟ้าส��ส�ด�นวน��น� �ี� � และ�นวน��น� �ี� 2 เ��าก�� ε r2 U

E1_max

r1 = ε r1

E 2_max

r2 = ε r2

 r  r r1  ε r1ln  3  +ε r2 ln  2  r2   r1 

  

(2.77)

ε r1U  r  r r2  ε r1ln  3  +ε r2 ln  2  r2   r1 

  

(2.78)

E1_max E 2_max

=

ε r2 r2 ε r1 r1

(2.79)

จากสมการ�ี� 2.79 เ��ห้ความเครียดสนามไฟฟ้าส��ส�ด�น�นวน�� ส��น� มี�นาดเ��าก�น ��น �นวน�ี� �ย��ดา้ น�น�้��มี ค�าค��วได��เ ล�ก �ร�กส��กว�า ��น�นวน�ี� �ย��ดา้ นน�ก ค�� เ�� น จ�า นวนเ�� า �าม�� ราส�ว นระหว� า �ร�� มี � น��นวน��น น�ก�� ร�� มี � น��นวน��น �น �นกร�ี��ีสายเคเ��ล�ระก��น� �นวนจ�านวน n ��น� เ��ห้ความเครียดสนามไฟฟ้าส��ส�ด ��นวน��ก��น� เ��าก�น สามาร��าได้�ดย (2.80) ε r1r1 = ε r2 r2 = ε r3 r3 ....... = ε rn rn การกระจายแร�ด�นไฟฟ้าและสนามไฟฟ้า�นสายเคเ��ล�ี�มี�นวนหลาย��น� �ี�ได้จากการ��้ ความส�ม��น��นสมการ�ี� 2.80 แสด��นร��ี� 2.24



ร��ที� 2.24 แรงดันไฟฟ้าและสนามไฟฟ้า�นสายเคเบ�ลที�มี�นวน�ลาย�ัน� น�ก�ากสายเคเบ�ลแรงส�งแล้ว�นระบบส่ง�่ายก�าลังไฟฟ้ายังมีการ��้ระบบ�นวนที�มีลกั ��ะ ทรงกระบ�ก�้�นแกนร่วม�ีกแบบ�น��ง ค�� การเด�นสายไฟฟ้าแรงส�ง�นท่�สาย ดัง�นร� �ที� 2.25 �นวนที��ย�่ระ�ว่างเ�ล��กสาย�ัวน�ากับท่��ล�ะที��่�ลงด�น ค�� ากา� มีส�า�ย�ม ทางไฟฟ้า เท่ า กับ 8.854 x 10-12 �� ง มี ค่า ��า เม�� เที ย บกับ�นวนแ�� ง ที� เ �� น เ�ล��กสาย เน��ง�ากความเครียดสนามไฟฟ้าส�งส�ดเก�ดที��ว�น��ง�นวนแ�่ละ�ัน� เ��้�งกันไม่��้เก�ด ด�ส�าร��ที��ากา� (บร�เว�เ�ล��กสายด้านน�ก) ความ�นา��ง�นวนแ��ง�ะ�้�งมี�นาดที� เ�มาะสม และท�า��้เก�ดความเครียดสนามไฟฟ้า��าส�ดที��ว�น��ง�นวน�ากา�

r1

r3 r2

ร��ที� 2.25 การเด�นสายไฟฟ้า�นท่��ล�ะ เม��ก�า�นด��้สาย�ัวน�าและท่��ล�ะมี�นาดคงที� ( r1 และ r3 คงที�) ความเครียดสนามไฟฟ้า ที��ว�น��ง�นวน�ากา��ะมีคา่ ��าส�ด เม��ค่า��งส่วน�นสมการที� 2.�8 มีคา่ มากที�สด� นั�นค�� d dr2

   r3   r2     r2  ε r1ln   + ln     = 0  r2   r1     

(2.81)


2.7.5 ความเครียดสนามไฟฟ้าของปลอกฉนวนตัวนําแรงสูง ปลอกฉนวนตัวนําแรงสูง (high voltage bushing) เป็ นอุปกร�์ท�ีทาํ หน้าที�นาํ ตัวนํา แรงสูง�่าน�นังหรือสิ�งกัน� ที�ต่อลงดิน เช่น ตัวถังหม้อแปลงไฟฟ้า หรือตัวถังตัวเก็บประจุแรง สูง เป็ นต้น เป็ นฉนวนกัน� ระหว่างส่วนที�มีไฟฟ้ากับส่วนที�ต่อลงดิน ดังนัน� ปลอกฉนวนตัวนํา แรงสูงต้องสามารถทนต่อแรงดันไฟฟ้าใช้งานและแรงดันเกินที�เกิดในระบบไฟฟ้า ปลอก ฉนวนตัวนําแรงสูงสามารถแบ่งออกได้เป็ นสองประเภท คือ ปลอกฉนวนตัวนําแบบธรรมดา (bulk or solid-type bushing) และปลอกฉนวนตัว นํา แบบเก็ บ ประจุ (condenser-type bushing) ดังรูปที� 2.2�

ข) แบบเก็บประจุ ก) แบบธรรมดา รูปที� 2.2� ปลอกฉนวนตัวนําแรงสูง ที�มา http://��.lucky�oesclothing.com/com/cmec-henan/sell/itemid-504.html http://docplayer.ru/52972751-Vysokovoltnoe-oborudovanie.html 2.7.5.1 ปลอกฉนวนตัวนําแบบธรรมดา โครงสร้างของปลอกฉนวนตัวนําแบบธรรมดา ทําจากฉนวนแข็งเนือ� เดียว เช่น พอร์ซ เลน แก้ว พอลิ เ มอร์ เป็ น ต้น ทํา ให้ไ ม่เ หมาะกับ แรงดัน ใช้ง านสูง ๆ เพราะ ความเครียดสนามไฟฟ้าบริเว�ส่วนที�ยด� กับสิ�งกัน� ต่อลงดินมีค่าสูง ทําให้เกิดดิสชาร์จ ตาม�ิวฉนวน ปลอกฉนวนตัวนําแบบธรรมดาจ�งเหมาะกับระบบที�มีแรงดันไฟฟ้าไม่เกิน 30 kV โดยการกระจายแรงดันไฟฟ้าของปลอกฉนวนตัวนําแบบธรรมดา แสดงในรู ป ที� 2.27


ความเครียดสนามไฟฟ้า - 50 �นังหร�อสิ�งกัน� ต่อลงดิน l

ตัวนําไฟฟ้า

t

เน�อ� ฉนวน % 100

% 100

t

50

50

0

0

ข) ตามแนวยาว

ก) ตามแนวรัศมี

ร�ปที� 2.2� การกระจายแรงดันไฟฟ้าของปลอกฉนวนตัวนําแบบธรรมดา การวิเคราะห์ความเครียดสนามไฟฟ้าของปลอกฉนวนตัวนําแบบธรรมดา สามารถหา ได้�ดยใ�้ร�ปทรง��น� �านของปลอกฉนวนตัวนําดังในร�ปที� 2.28

ร�ปที� 2.28 ปลอกฉนวนตัวนําแบบธรรมดาทีใ�้ในการวิเคราะห์สนามไฟฟ้า เม�� อแรงดัน ไฟฟ้าที� ตัวนําเที ย บกับส่ว นที� ต่อลงดิน ค�อ U และความหนาของฉนวน เท่ากับ t = R - r �ดยใ�้สมการที� 2.28 ความเครียดสนามไฟฟ้าในเน�อ� ฉนวนและ ศักย์ไฟฟ้าที�รศั มี x ใดๆ หาได้จาก Ex =

U R x ln    r 

(2.82)

ความเครี ความเครียยดสนามไฟฟ้ ดสนามไฟฟ้าา -- 51 51 -  R  ln U   x    Ux =  x   R  ln     r  

(2.83)

ความเครียดสนามไฟฟ้าส�งสุดที�ผิวตัวนํา ( x = r ) เท่ากับ E max =

U  r+t  r ln    r 

(2.84)

ทําให้สามาร�คํานวณความหนาของฉนวนที�ความเครียดสนามไฟฟ้าส�งสุด ได้ดงั นี �   U   rE t = r  e max  -1     U U2 t= + + ....... E max 2rE 2max

(2.85)

จากสมการที� 2.85 ความหนาหร�อความให�่ ของปลอกฉนวนตัวนําจะเ�ิ�มข�น� ตาม ขนาดแรงดันไฟฟ้า จ�งทําให้ปลอกฉนวนตัวนําแบบ�รรมดาไม่เหมาะที�จะนําไปใช้กบั ระบบไฟฟ้าที�มีแรงดันมากกว่า 3� �� ดังที�ได้กล่าวมาแล้วในข้างต้น 2.7.5.2 ปลอกฉนวนตัวนําแบบเก็บประจุ โครงสร้างของปลอกฉนวนตัวนําแบบเก็บประจุ ทําจากฉนวนแข็งเช่นเดียวกับ ปลอกฉนวนตัวนําแบบ�รรมดา โดยในเน�อ� ฉนวนมีแผ่นโลหะเปลว�ั งแทรกเป็ นชัน� � ในลักษณะทรงกระบอกซ้อนแกนร่วมกับตัวนํา วางม้วนไปตามผิวศักย์ไฟฟ้าเท่า [9] แผ่นโลหะเปลวในเน�อ� ฉนวนมีลกั ษณะเสม�อนกับอิเล็กโทรดเกิดเป็ นตัวเก็บประจุต่อ อนุกรมกัน ทําหน้าที�เป็ นตัวควบคุมการกระจายแรงดันตามผิวฉนวนให้สมํ�าเสมอ เ��อ ป้องกันไม่ให้เกิดการดิสชาร์จตามผิวของปลอกฉนวนตัวนํา ดังแสดงในร�ปที� 2.29 ส่วนย�ดกับสิ�งกัน� ต่อลงดิน (��) x 2r1

x

t’

ตัวนําไฟฟ้า กระบอกโลหะเปลวมีศกั ย์ไฟฟ้าเท่า

ร�ปที� 2.29 โครงสร้างของปลอกฉนวนตัวนําแบบเก็บประจุ



เ��อให้สนามไฟฟ้ากระจายอย่างสมํ�าเสมอ ความยาวของแผ่น�ลหะเปลวที��ังในเน�อ� ฉนวนแต่ละ�ัน� ต้องมีความยาวที��อเหมาะ อา�ัยหลักการควบคุมสนามไฟฟ้าในฉนวน ทรงกระบอก�้อนแกนร่วม (สนามไฟฟ้าในสายเคเบิลแรงส�ง) ค�อ เ��อให้ความเครียด สนามไฟฟ้าส�งสุดของ�ัน� ฉนวนแต่ละ�ัน� มีค่าใกล้เคียงกัน ความสัม�ันธ�ระหว่างมิติ ของแผ่น�ลหะเปลวกับค่าคงตัวไดอิเล็กตริกของฉนวนต้องเป็ นดังนี � r1l1ε r1 = r2 l 2 ε r2 = r3l3ε r3 = ..... = rn l n ε rn

เม��อ

(2.86)

ค�อ รั�มีของแผ่น�ลหะเปลว�ัน� ที� n ln ค�อ ความยาวของแผ่น�ลหะเปลว�ัน� ที� n ε rn ค�อ ค่าคงตัวไดอิเล็กตริกของฉนวน�ัน� ที� n ถ้า ฉนวนแต่ล ะ�ั�น เป็ น ฉนวน�นิ ด เดี ย วกัน ( εr1 = εr2 = ....  εrn ) สมการที� 2.86 สามารถเขียนใหม่ได้เป็ น rn

r1l1 = r2l2 = r3l3 = ..... = rn ln

(2.87)

เม��อความเครียดสนามไฟฟ้าส�งสุดในแต่ละ�ัน� �ลหะเปลวมีคา่ ใกล้เคียงกัน การกระจาย สนามไฟฟ้าในปลอกฉนวนตัวนําจะมีลัก��ะสมํ�าเสมอเ�ิ�มข�น� ทํา ให้สามารถหา ความหนาของปลอกฉนวนตัวนําแบบเก็บประจุ ได้จาก t=

U E max

(2.88)

เปรียบเทียบสมการที� 2.85 กับสมการที� 2.88 ความหนาของปลอกฉนวนตัวนําแบบ เก็บประจุจะน้อยกว่าความหนาของปลอกฉนวนตัวนําแบบธรรมดามาก ความเครียดสนามไฟฟ้าตามผิวของปลอกฉนวนตัวนําแบบเก็บประจุ หาได้ จากความต่ า ง�ัก ย�ข อง�ั�น แผ่ น �ลหะเปลวที� มี ร ั� มี rx เที ย บกั บ ส่ ว นที� ต่ อ ลงดิ น กําหนดให้แรงดันไฟฟ้าในเน�อ� ฉนวนของปลอกฉนวนตัวนํากระจายสมํ�าเสมอในแนว รั�มี และแรงดันไฟฟ้าที�ตวั นําเทียบกับส่วนที�ตอ่ ลงดินเท่ากับ U �ดยใ�้สมการที� 2.2� และความเครียดสนามไฟฟ้าส�งสุดที�ทกุ �ัน� �ลหะเปลวมี ค่าเท่ากัน ( E(rx ) = E(r1 ) ) แรงดันไฟฟ้าที��นั� �ลหะเปลว Ux หาได้จาก r2

Ux =

r

Ux =

Q (r2 - rx ) 2π ε r1l1

x

E(rx ) dx =

= k (r2 -rx )

r2

r

x

E(r1 ) dx

(2.89)


�ี��ิวตัวนํา ( rx  r1 ) จะได้ U x  U และ�ี�ส่วน�ี�ต่อลงดิน ( rx  r2 ) จะได้ U x  0 จะ ได้ k=

U r2 - r1

(2.90)

ดังนัน� แรงดันไฟฟ้า�ี�ชนั� โลหะเปลวเ�ีย�กั�ดิน เ�่ากั�  r -r  Ux =  2 x  U  r2 - r1 

(2.91)

ความเครียดสนามไฟฟ้าตาม�ิว�นวน�ี�ตาํ แหน่งปลายของกระ�อกโลหะเปลวแต่ละ ชัน� สามารถคํานว�ได้จาก E lx =

dU x dU x drx =  dl x drx dl x

(2.92)

โดย�ช้สมการ�ี� 2.�� และสมการ�ี� 2.91 ดังนัน�   rx2 E lx =  U  r1l1  r2 - r1  

(2.93)

เพื�อหลีกเลี�ยงการดิสชาร์จหรือเ�รกดาวน์ของ�นวน การออกแ��และสร้างปลอก �นวนตัวนําแรงส�ง จะต้องกําหนด�ห้มิติของปลอก�นวนตัวนํา�ห้มีขนาด�ี�เหมาะสม โดยคํานึงถึงความเครียดสนามไฟฟ้าตามแนวรัศมีและตามแนวยาวต้องไม่เกินความ คง�นต่อแรงดันไฟฟ้าของ�นวน�ี��ช้�าํ ปลอก�นวนตัวนําและอากาศ�ี�อย�โ่ ดยรอ� ปลอก�นวนตัวนําแ��เก็�ประจ�นอกจากมีลกั ��ะเป็ นแ�่นโลหะเปลว�ี��ัง �นเนือ� �นวนแข็งแล้ว ยังมีลกั ��ะอื�น�อีก เช่น เป็ นกระ�อก�นวนซ้อนแกนร่วมกั� ตัว นํา โดยกระ�อก�นวนอาจเป็ น กระดา�อัด กระดา�ช��วานิ ช และระหว่า งชั�น กระ�อก�นวนจะ�รรจ�นา�ํ มันหม้อแปลง โดยโครงสร้าง�ัง� หมดอย�่�นกระ�อก�นวน แข็ง เช่น พอร์ซเลน หรือยางซิลโิ คน เป็ นต้น การกระจายของแรงดันไฟฟ้า�นปลอก�นวนตัวนํา�ัง� สองแ�� แสดง�นร� ป�ี� 2.30 ซึ�งจะเห็นว่าปลอก�นวนตัวนําแ��เก็�ประจ�มีแรงดันไฟฟ้ากระจายสมํ�าเสมอ กว่า


ความเครียดสนามไฟฟ้า - 54 100%

ไม่มีแผ่นโลหะเปลวฝังใน

75% 50% มีแผ่นโลหะเปลวฝังใน แบบเก็บประจุ 25%

75% 50% 25% 0%

0%

ร�ป�ี� 2.�0 เปรียบเ�ียบการกระจาย��งแรงดันไฟฟ้าในปล�ก�นวน�ัวน�าแรงส�ง 2.7.� ความเครียดสนามไฟฟ้าใน�ัน� �นวนเหลวกับ�นวนแ�็ง โดย�ั�วไปการใ�้�นวนเหลวร่วมกับ�นวนแ�็งนัน� �นวนเหลว��าหน้า�ี�ระบายความ ร้�นจากการไหลวน�ายใน�ุปกร��ไฟฟ้า ส่วน�นวนแ�็ง��าหน้า�ี�จบั ย�ดและรับแรง�างกล เ�่น หม้�แปลงไฟฟ้าก�าลัง สายเคเบ�ลใ�้ด�นแบบ�นวนกระดา�-น�า� มัน กระดา��ี�ใ�้ในการ �นวนเป็ นกระดา��ัด (press��ar�) เป็ น�นวนแ�็ง�ี�มีความ�รุ นสามาร�ด�ด��ม�นวนเหลว ได้ เม�� นวนเหลวแ�รก��ม (impre�nate�) เ�้า ไปใน�นวนแ�็ง ระบบ�นวน�ี� ได้จ�งเป็ น ระบบ�นวนแบบผสม�ี�ลกั ��ะ�ับ�้�น ดังนัน� เ��ให้ง่าย�่�การค�านว� จ�งสมม��ให้�นวน �ั�ง ส�ง�น� ด ผสมกั น �ย่ า งสม��า เสม�เป็ นเน� �� เดี ย วกั น (��m��ene�us) ความเครี ย ด สนามไฟฟ้า��ง�นวนผสม�ี�คา� นว�ได้เป็ นค่าเ�ลี�ย ��ง� หาได้จากการใ�้ส�า�ย�ม�างไฟฟ้า รวม (resultant permittivity, ε res ) เ�่นเดียวกับการวาง�นวน�้�นกันในร� ป�ี� 2.21 ดังนั�น ความหนาแน่น��งฟลัก��ไฟฟ้าเ�ลี�ย มีคา่ เ�่ากับ (2.94) Dm = ε res Em = ε1E1m = ε 2E2m เม��

ค�� ความเครียดสนามไฟฟ้าเ�ลี�ย��ง�นวนผสม E1m ค�� ความเครียดสนามไฟฟ้าเ�ลี�ย��ง�นวน�ัน � �ี� 1 E 2m ค�� ความเครียดสนามไฟฟ้าเ�ลี�ย��ง�นวน�ัน � �ี� 2 จากสมการ�ี� 2.�2 และสมการ�ี� 2.�� จะได้ Em

   ε2      U  ε1   ε res E m = ε1  d  d1  ε 2     -1 +1  d  ε1  

ความเครี ความเครียยดสนามไฟฟ้ ดสนามไฟฟ้าา -- 55 55 -    U 1  ε res E m =  d   d1   d 2    +    ε1d   ε 2d  

(2.95)

ในสนามไฟฟ้าสมํ�าเสมอความเครียดสนามไฟฟ้าเฉลี�ยของฉนวนผสม Em สภาพยอมทางไฟฟ้ารวมของระบบฉนวนแบบผสม ε res =

=

U d

ดังนัน�

1

(2.96)

 d1   d 2   +   ε1d   ε 2 d 

ให้พน� ที�หน้าตัดของฉนวนแต่ละชัน� เท่ากัน อัตราส่วนความหนาของฉนวนในสมการที� 2.96 สามารถแทนได้ดว้ ยสัดส่วนปริมาตรสัมพัทธ์ 1 และ  2 ทําให้ได้ ε res =

1 1   2   +   ε1   ε 2 

(2.97)

ถ้าระบบฉนวนแบบผสมประกอบด้วยฉนวนจํานวน n ชนิด สภาพยอมทางไฟฟ้ารวมจะหา ได้จากความสัมพันธ์ ε res =

เม��อ

1  1    2    3   n    +   +   + .... +    ε1   ε 2   ε 3   εn  n

ผลรวมของปริมาตรสัมพัทธ์ทงั� หมดเท่ากับหน�ง�  n

(2.98) =1

1

จากสมการที� 2.98 ทําให้สามารถใช้ฉนวนผสมในการปรับสภาพยอมทางไฟฟ้าของฉนวนแต่ ละชัน� เพ��อให้เง��อนไขความเครียดสนามไฟฟ้าส�งส�ดของฉนวนท�กชัน� เท่ากันในสายเคเบิลแรง ส�งได้ โดยเล�อกใช้ฉนวนที�มีความพร� นน้อย (ฉนวนเหลวแทรกซ�มได้นอ้ ย) อย�่ติดกับตัวนํา ไฟฟ้า และใช้ฉนวนที�มีความพร�นมาก(ฉนวนเหลวแทรกซ�มได้มาก)ในฉนวนชัน� นอก 2.7.7 ชัน� ฉนวนซ้อนกันภายใต้ไฟฟ้ากระแสตรง การวิเคราะห์การกระจายสนามไฟฟ้าในหัวข้อที�ผ่านมา เป็ นสนามไฟฟ้าที�เกิดจาก แรงดัน ไฟฟ้า กระแสสลับ ความถี� ก าํ ลัง (50� 60 ��) และสามารถใช้ไ ด้กับ แรงดัน ไฟฟ้ า กระแสตรง เม��อฉนวนที�ใช้เป็ นฉนวนสมบ�ร�์ ค�อ มีความนําไฟฟ้าเป็ น��นย์ อย่างไรก็ ตาม ฉนวนที� ใช้ในระบบไฟฟ้าไม่ได้เป็ นฉนวนสมบ�ร�์ ความต้านทาน จําเพาะไม่เป็ นอนันต์ (infinity) เช่น พอร์ซเลน เท่ากับ 1014 cm ครอสลิงค์โพลีเอททีลีน



(cross linked polyethylene, XLPE) เท่ า กั บ 1018 cm เบกาไลท์ (bakelite) เท่ า กั บ 1010 cm เป็ นต้น การกระจายแรงดันและความเครียดสนามไฟฟ้าภายใต้แรงดันไฟฟ้า กระแสตรงจะกําหนดด้วยกระแสไหลคงตัว (steady flow of current) การว�เคราะห์สนามไฟฟ้า แรงดันตกคร่อมใน�ัน� ฉนวน ในสนามไฟฟ้าแบบสมํ�าเสมอ สามารถทําได้ในลักษณะเดียวกับในกรณีแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับ โดยการแทนค่าสภาพ ยอมทางไฟฟ้าด้วยค่าความนําไฟฟ้า เพราะสนามไฟฟ้าที�เก�ดจากการไหลของกระแสไฟฟ้า เป็ นไปตามความสัมพันธ์ (2.99) J = σE เมื�อ

J σ

คือ ความหนาแน่นของกระแสไฟฟ้าในฉนวน (A/m2) คือ ความนําไฟฟ้าของฉนวน (S/m) U

d

1

d1 ,

1,

U1 , E1

2

d2 ,

2,

U2 , E2

ร�ปที� 2.31 �ัน� ฉนวน�้อนกันในสนามไฟฟ้าสมํ�าเสมอแรงดันกระแสตรง โดยอ้า งอ� ง จากสมการที� 2.59 สมการที� 2.62 และสมการที� 2.63 แรงดัน ตกคร่อ มและ ความเครียดสนามไฟฟ้าของ�ัน� ฉนวน�้อนแรงดันกระแสตรง หาได้จาก U1  σ 2  d1  =    U 2  σ1  d 2 

(2.100)

  σ2 E1 = U    d1σ 2 + d 2σ1 

(2.101)

  σ1 E2 = U    d1σ 2 + d 2σ1 

(2.102)

D1  ε1  σ 2  =    D2  ε 2  σ1 

(2.103)

และจากสมการที� 2.� จะได้


�นกรณีท�ีไม่มีประจุไฟฟ้าหรือประจุคา้ งระหว่าง�ัน� ฉนวน เส้นฟ�ัก�์ไฟฟ้า�น�นวตัง� ฉากกับ รอยต่อจะมีความต่อเนื�องท�า�ห้ ε1 σ = 1 ε2 σ2

(2.104)

�ต่�นกรณีท�ีเกิดประจุไฟฟ้าบริเวณรอยต่อของฉนวน ขนาดของประจุไฟฟ้าหาได้จากการ��้ สมการที� 2.� ��ง�นกรณีของสนามไฟฟ้าสม��าเสมอดังร� ปที� 2.�1 จะเท่ากับ ��ต่างของความ หนา�น่นของฟ�ัก�์ไฟฟ้าของ�ัน� ฉนวนดังสมการ (2.105) Qb = Db A เมื�อ

Qb A

Db

คือ ประจุไฟฟ้าบริเวณรอยต่อ (C) คือ พืน� ที��ิวตรงรอยต่อฉนวน (m2) คือ ��ต่างของความหนา�น่นของฟ�ัก�์ไฟฟ้าระหว่าง�ัน� ฉนวน  ε σ -ε σ  D1 - D2 = U  1 2 2 1   d1σ 2 + d 2 σ1 

เ�่นเดียวกับ�นกรณีสนามไฟฟ้า�บบสม��าเสมอ �ัน� ฉนวน�้อน�บบทรงกระบอก�้อน�กนร่วม ประจุไฟฟ้าตรงรอยต่อฉนวน สามารถหาได้จากความสัมพันธ์ Qbc = Dbc Abc

เมื�อ

Qbc Abc Dbc

(2.106)

คือ ประจุไฟฟ้าที�รอยต่อ�ัน� ฉนวนทรงกระบอก (C) คือ พืน� ที��ิวตรงรอยต่อฉนวนทรงกระบอก (m2) คื อ ��ต่ า งของความหนา�น่ น ของฟ�ั ก �์ ไ ฟฟ้ า ระหว่ า ง�ั� น ฉนวน  ε1σ 2 -ε 2σ1  ทรงกระบอกเท่ากับ U  r   r  r2 σ1ln  3  -σ 2 ln  2    r2   r1   

2.7.� ��สืบเนื�องจากประจุคา้ งบริเวณรอยต่อ เมื�อป้อน�รงดันไฟฟ้ากระ�สตรง�ห้กบั ระบบฉนวน จะเกิดกระ�สไฟฟ้าไห��่านเนือ� ฉนวน�น�่วงเว�าสัน� � หรือกระ�สอัดประจุ (�� ) �ห้กับความจุไฟฟ้า��งมี ขนาดเท่ากับ   ε1ε 2 C = A   d1ε 2 + d 2ε1 

เมื�อ

A

dn

คือ พืน� ที�ของ��่นอิเ��ก�ทรด (m2) คือ ความหนาของฉนวน�ัน� ที� n (m)

(2.107)



ถ้าแร�ดันไฟฟ้า�ี�คร�อมฉนวนมีค�าค��ี� กร�แสอัดปร��ุ��ค�อย � ลดล�อย�า��้า � เพ��ออัด ปร��ุใ ห้แ ก� ร อย��อ ขอ��ั�น ฉนวน��า นเน� อ� ฉนวน ปร��ุ��ี อัด ��อ เพิ� ม เ�ิ ม นี เ� รีย กว� า ปร��ุ เพิ�มเ�ิม แล�กร�แสอัดปร��ุเพิ�มเ�ิมว�า กร�แสเ�ิมปร��ุ เม��อหยุดป้อนแร�ดันกร�แส�ร� แล��าการลัดว��รร�หว�า�แ��นอิเล�ก��รด ��มีกร�แสไหลอยูเ� ป� นเวลานาน เน��อ��ากกร�แส �ากปร��ุเพิ�มเ�ิม�ริเวณรอย��อขอ��ัน� ฉนวน ซ��ไหล��านเน�อ� ฉนวน�ี�มีความน�าไฟฟ้า �� ้อ �ร�วั� อัน �ราย�ากร��ฉนวนหร� อ �ัว เก� � ปร��ุ ��ี ใ �้ใ นร��ไฟฟ้ า กร�แส�ร� เน��อ��ากการลัดว��รหร�อการดิส�าร์�ปร��ุออกใน��ว�เวลาสัน� � ไม�อา��าให้ปร��ุคลาย ออกอย�า�สม�ูรณ์ เพรา�ปร��ุ��ีรอย��อ�้อ�ใ�้ร�ย�เวลาในการเคล��อน�ี�ไปยั�อิเล�ก��รด�ี� ลัดว��ร ซ��อา�นานเป� นนา�ีหร�อ�ั�ว�ม�ข�น� อยู�ก�ั ค�าค��ัว�า�เวลาขอ�ฉนวนแ��ล��นิด �ี� เรี ย กว� า เวลาขอ�การ�� อ นคลาย �rela�ation time) เพ�� อ ความปลอด�ัย ในการ��า �าน �ายหลั�การใ�้�านอุปกรณ์ไฟฟ้าด้วยแร�ดันกร�แส�ร� �้อ��าการคลายปร��ุ�ดย��อส�วน�ี� เป� น�ัวน�าไฟฟ้า�ั�� หมดล�ดิน�ลอดเวลา แล�ค�อย��าการปลดการ��อออกเม��อ�้อ�การใ�้�าน อุปกรณ์ในคราวถัดไป 2.8 การกระจายแรงดันและความเครียดสนามไฟฟ้ าบนลูกถ้วยฉนวน ลูกถ้วยฉนวนไฟฟ้าเป� นอุปกรณ์��ีมีมาก�ี�สดุ ในร��ส��ายก�าลั�ไฟฟ้า ��าหน้า�ี�ย�ด�ัวน�า แร�สู�ให้ม� นั ค�อยู��นเสาส�� เป� นฉนวนกัน� ร�หว�า��ัวน�าแร�สู�กั�ส�วน�ี��อล�ดิน แล�ป้อ�กันไม�ให้ เกิดการลัดว��รล�ดิน ลูกถ้วยฉนวนไฟฟ้าสามารถแ��ามวัสดุ��ีใ�้�า� ลูกถ้วยฉนวนออกเป� น ลูก ถ้วยฉนวนพอร์ซเลน ลูกถ้วยฉนวนพอลิเมอร์ แล�ลูกถ้วยฉนวนแก้วเหนียว ดั�แสด�ในรูป�ี� �.��

ก) ลูกถ้วยฉนวนพอร์ซเลน

ข) ลูกถ้วยฉนวนพอลิเมอร์

ค) ลูกถ้วยฉนวนแก้วเหนียว

รูป�ี� �.�� นิดขอ�ลูกถ้วยฉนวนไฟฟ้า �ี�มา http://www.bi�anerporcelain.com/��-��-�0-�0-�n-disc-insulator.htm http://www.tiantaielectric.com/suspension-insulator/80.html https://www.macleanpower.com/userfiles/file/glass_insulator_brochure.pdf


- ลูก ถ้ว ยฉนวนพอร์ช เลน ทํา จากดิ น ขาว (Kaolin) 50% แร่ป ระกอบหิ น เฟลด์ส ปาร์ (�el�spar) 25% และแร่ควอตซ์ (�uart�) 25% ลูกถ้วยที�ดีจะต้องปรา�จากรู หร�อโพรง และไม่ มี ส�ิ ง แปลกปลอม (impurities) ผสมอยู่ มิ ฉ ะนั�น จะทํา ให้ค่ า ความคงทนต่ อ แรงดันไฟฟ้าของลูกถ้วยลดลง โดยค่าความคงทนทางไฟฟ้าของลูกถ้วยพอร์ซเลนมี ค่าประมาณ 60 kVpeak/cm ถึง 70 kVpeak/cm ส่วนค่าการรับแรงทางกล (mechanical strength) จะอยู่ระหว่าง 40,000 lb/in2 ถึง 65,000 lb/in2 เม��อรับแรงกด (compression) และอยู่ระหว่าง 1,500 lb/in2 ถึง 12,500 lb/in2 เม��อรับแรงดึง (tension) สําหรับประเท� ไทยในปั จจุบนั ใช้ลกู ถ้วยฉนวนนีม� ากกว่า �0% เน��องจากมีอายุการใช้งาน มากกว่า 50 ปี แต่มีขอ้ เสีย ค�อ ตรวจหาจุดบกพร่องยาก และเกิดวาบไฟง่ายที�ส�าวะปนเป� �อน - ลูกถ้วยฉนวนแก้วเหนียว ทําจากแก้วเป็ นหลัก มีค่าความคงทนทางไฟฟ้าสูงถึง 140 kVpeak/cm มีคา่ การรับแรงทางกล และค่าแรงดึงสูงกว่าลูกถ้วยฉนวนพอร์ซเลน การผลิต ลูกถ้วยฉนวนแก้วเหนียวขนาดให�่นนั� ทําได้ยาก เน��องจากค่าความเครียด�ายในและ การระบายความร้อนของเน�อ� สาร จากสาเหตุท�ีกล่าวมานีท� าํ ให้โรงงานไม่สามารถสร้าง ลูกถ้วยฉนวนแก้วเหนียวขนาดให�่ได้ ในปั จจุบนั ลูกถ้วยฉนวนแก้วเหนียวเป็ นที�นิยมใช้ กันอย่างแพร่หลาย เน��องจากลูกถ้วยฉนวนแก้วเหนียวมีขอ้ ได้เปรียบหลายประการเม��อ เทียบกับลูกถ้วยฉนวนพอร์ซเลน ค�อ รูหร�อโพรงที�อยู�่ ายในลูกถ้วยฉนวนแก้วเหนียวหร�อ ส่วนที�ไม่เป็ นเน�อ� เดียวกันในลูกถ้วยฉนวนแก้วเหนียวสามารถมองเห็นได้ดว้ ยตาเปล่า ทําให้ลกู ถ้วยที�ได้รบั ความเสียหายเน��องจากรอยร้าว�ายใน สามารถแยกออกได้ง่ายกว่า แบบพอร์ซเลนที�ไม่สามารถมองเห็นรอยร้าว�ายในได้ ลูกถ้วยฉนวนแก้วเหนียวมีค่า ความร้อนที�เกิดจากแสงอาทิตย์นอ้ ยกว่าลูกถ้วยฉนวนพอร์ซเลนเน��องจากโปร่งใสจึงไม่ ดูดความร้อน ทําให้รอยร้าวที�เกิดจากการขยายตัวของลูกถ้วยฉนวนแก้วเหนียวน้อยกว่า ลูกถ้วยฉนวนพอร์ซเลน อย่างไรก็ตามลูกถ้วยฉนวนแก้วเหนียวก็ยงั เกิดวาบไฟง่ายที� ส�าวะเปรอะเป� �อนเช่นเดียวกับลูกถ้วยพอร์ซเลน - ลูกถ้วยฉนวนพอลิเมอร์ ทําจากวัสดุสงั เคราะห์ เช่น ยางซิลโิ คน (Silicone Rubber, SIR) และ ยางอีพีดีเอ็ม (Ethylene Propylene Diene Monomer, EPDM) ในปั จจุบนั ลูกถ้วย ฉนวนพอลิเมอร์เป็ นที�ยอมรับและถูกนํามาใช้ในการฉนวนของระบบไฟฟ้าแรงสูงและ ระบบจําหน่ายไฟฟ้า ลูกถ้วยฉนวนพอลิเมอร์มีขอ้ ได้เปรียบหลายอย่างเม��อเทียบกับลูก ถ้วยฉนวนพอร์ซเลนและลูกถ้วยฉนวนแก้วเหนียว ค�อ ยางซิลิโคนมีแรงตึงผิวตํ�า (lo� sur�ace tension energy) จึ ง ทํ า ให้ ผิ ว ของลู ก ถ้ ว ยฉนวนมี คุ ณ สมบั ติ ไ ม่ ช อบนํ� า (hy�rophobicity) ซึง� ทําให้ลกู ถ้วยฉนวนยางซิลโิ คนมีสมรรถนะทางไฟฟ้า�ายใต้ส�าวะ เปรอะเป� �อนและส�าวะเปี ยกช�น� ดีกว่าลูกถ้วยฉนวนแบบ�รรมดา ลูกถ้วยยางซิลิโคนมี



อัตราส่วนความคงทนทางแรงกลต่อนํา� หนัก(mechanical strength to weight ratios) สูงกว่าลูกถ้วยฉนวนแบบธรรมดา ทําให้ลดราคาในการก่อสร้างและการบํารุ งรักษาสาย ส่งและระบบไฟฟ้า ถ�งกระนัน� ลูกถ้วยฉนวน�อลิเมอร�ก็ยงั มีขอ้ เสียที�สาํ คั� ได้แก่ ยาง �ิลิ�คนเป็ นสารอินทรียเ� มื�อใ�้งานภายใต้สภาวะแวดล้อมต่าง� เป็ นเวลานานและมี อาร�ก�ากแถบแห้ง (dry band arcing) �ะทําให้เกิดการเปลี�ยนแปลงทางเคมีของผิว ฉนวนและเกิดความเสียหายกับลูกถ้วยฉนวนได้ อีกทั�งประเท�ไทยยังเป็ นประเท�ที� ตัง� อยู่ในแนวเส้น�ูนย�สตู ร��งมีอากา�ร้อนและมีแดดแรงทําให้เกิดข้อสงสัยเกี�ยวกับอายุ การใ�้งานของลูกถ้วยฉนวน�อลิเมอร�ภายใต้รงั สีอลั ตราไว�อเลต ��งปั ��ุบนั ยังอยู่ใน ขัน� ตอนของการวิ�ยั นอก�ากนี � ถ้ า อ้ า งอิ ง ตามมาตร�าน �� ubl� 60��-1� �nsulators for overhead lines with a nominal voltage above 1000 V [10] สามารถแบ่งลูกถ้วยฉนวนไฟฟ้าแรงสูงได้เป็ น สองประเภท คือ - ลูกถ้วยฉนวนไฟฟ้าประเภท � คือ ลูกถ้วยที� มีความหนาของเนือ� ฉนวนตามแนวตรง ระหว่างอิเล็ก�ทรด (ระยะ b) มากกว่าคร�ง� หน��งของระยะอาร�กหรือระยะวาบไฟตามผิว (ระยะ a) ได้แ ก่ ลูก ถ้ว ยแท่ ง (line-post insulator) ลู ก ถ้ว ยแท่ ง ก้า นตรง (pin-post insulator) ลูก ถ้ว ยคอตัน ยาว (long rod insulator) ลูก ถ้ว ยหลัก (post insulator) ดัง แสดงในรูปที� �� - ลูกถ้วยฉนวนไฟฟ้าประเภท � คือ ลูกถ้วยฉนวนที�มีความหนาของเนือ� ฉนวนตามแนว ตรงระหว่างอิเล็ก�ทรด (ระยะ b) มีค่าน้อยกว่าคร�ง� หน��งของระยะอาร�กหรือระยะวาบไฟ ตามผิว (ระยะ a) ได้แก่ ลูกถ้วยแขวน (suspension disc insulator) ลูกถ้วยก้านตรง (pin insulator) และลูกถ้วยก้านตรงแบบฟ็ อก (fog type pin insulator) ดังแสดงในรู ป ที� ��


ข) ลูกถ้วยแท่ง

ค) ลูกถ้วยแท่งก้านตรง

ง) ลูกถ้วยคอตันยาว

จ) ลูกถ้วยหลัก

ก) ลักษณะของลูกถ้วย

รู�ที� 2.33 ลูกถ้วย�นวนไฟฟ้า�ระเ�ท � ที�มา http://www.hnhddc.com/productin�o_en.asp�nb�3�id�25 http://pi-omega-ken.blogspot.com/2013/12/blog-post.html https://img3.exportersindia.com/product_images/bcsmall/dir_127/3809697/long-rod-insulators-2600239.jpg https://www.equipmentimes.com/product/details/132kV-solid-core-postinsulators-station_22995.html



ก) ลักษณะของลูกถ้วย

ข) ลูกถ้วยแขวน

ค) ลูกถ้วยก้านตรง

ง) ลูกถ้วยก้านตรงแบบฟ็ อก

รู��ี� 2.34 ลูกถ้วย�นวนไฟฟ้า�ระเ�� B �ี�มา https://encrypted-tbn0.gstatic.com/images�q�tbn: ANd9GcRK7MqQ2yWyMRGzrrq_pL1JVMo_O90rtqhjcSz6HR5cVJQlfBLM https://image.made-in-china.com/43f34j00ZamRhlHMMykw/ANSI -56-2-High-Voltage-Porcelain-Pin-Type-Insulator.jpg http://www.pxjwdc.com/pic/big/30_0.jpg


รู ปร่างลักษณะของลูกถ้วยฉนวน จะทําปี กหรือครีบ (shed) และผิวลูกถ้วยฉนวนโค้งไปตาม เส้น�ักย�ไฟฟ้าเท่า เ�ื�อให้ความเครียดสนามไฟฟ้าตามผิวลูกถ้วยมีค่าตํ�าที� ส�ด รู ปที� 2�3� แสดง ตัวอย่างการกระจายแรงดันไฟฟ้าและความเครียดสนามไฟฟ้าบนลูกถ้วยฉนวนไฟฟ้าที�ใช้ในระบบ จําหน่ายไฟฟ้าแรงดัน 22 kV

ก) แรงดันไฟฟ้า

ข) ความเครียดสนามไฟฟ้า

รูปที� 2�3� เส้นเค้าโครงแรงดันและสนามไฟฟ้าของลูกถ้วยแขวนชนิด �2-� �� ในรู ปที� 2�3� ผิวส่วนบนของลูกถ้วยที�ติดอยู่กบั สายไฟฟ้า �าครอบ และก้านหม�ดโลหะจะมี ความเครียดสนามไฟฟ้าสูงกว่าบริเวณอื�น ทําให้เกิดโคโรน่าได้ง่าย และนําไปสูก่ ารเกิดวาบไฟตามผิว ของลูก ถ้ว ยฉนวนหรือ�วงลูก ถ้ว ยแขวน (s�spe�sio� i�s�l��or s�ri��) ดัง นั�น แรงดัน ของระบบ ไฟฟ้าที�นาํ ลูกถ้วยไปใช้งานต้องมีคา่ ตํ�ากว่าแรงดันโคโรน่าเริม� เกิด นอกจากนีใ� นการออกแบบลูกถ้วย ฉนวนต้องออกแบบให้มิติของลูกถ้วย เช่น ความกว้างและรู ปร่างของครีบลูกถ้วย (shed profile) จํานวนครีบ ความหนาและชนิดของเนือ� ฉนวน มีความสัม�ัน��กบั ความคงทนต่อแรงดันเจาะทะล� ��ง� มัก เกิ ด กับ ลูก ถ้ว ยฉนวนไฟฟ้า ประเ�ท � ที� มี ค วามหนาของเนื อ� ฉนวนระหว่า งอิ เ ล�ก โทรดน้อ ย กล่าวคือเมื�อมีแรงดันเกินตกคร่อมลูกถ้วยฉนวนสูงกว่าแรงดันป้องกันหรือความคงทนต่อแรงดันอิม �ัลส�แบบฟ้าผ่า จะต้องเกิดวาบไฟตามผิวก่อนการเจาะทะล�ของลูกถ้วยฉนวน เ�ื�อให้ระบบไฟฟ้ายัง สามารถส่งจ่ายกําลังไฟฟ้าได้�ายหลังที�เหต�การณ�แรงดันเกินผ่านไปแล้ว นอกจากนีใ� นกรณีท�ีนาํ ลูก ถ้วยฉนวนไปใช้ในบริเวณที�มีระดับมล�าวะสูงอาจต้องมีการเ�ิ�มจํานวนครีบหรือครีบใต้ผิวลูกถ้วย ฉนวน เ�ื�อเ�ิ�มระยะรั�วและไม่ให้ผิวลูกถ้วยเปี ยกได้ง่ายเมื�ออยู่ในส�า��นตก ทําให้มีคา่ แรงดันวาบ ไฟตามผิวสูงข�น� ลักษณะของครีบลูกถ้วยฉนวนได้แสดงในตารางที� 2�2



ตารางที� 2.2 ลั ก ษณะครี บ ของลู ก ถ้ ว ย�นวนตามมาตร�าน ��C Publ. 6��1�-2� Selection and dimensioning of high-voltage insulators intended for use in polluted conditions – Part 2: Ceramic and glass insulators for a.c. systems [12] ลักษณะครีบ

ลูกถ้วยแขวน

ลูกถ้วยคอตันยาว/ ลูกถ้วยหลัก

Standard shed

Open shed

Anti-fog shed

Alternating shed

ลักษณะทางม�ต�ท�ีเกี�ยวข้องและมีผลต่อลักษณะสมบัต�ทางไฟฟ้าของลูกถ้วยที�ควรทราบความหมาย ดังรูปที� 2.�6 ค�อ - ระยะรั�ว �lea�age distance� ค�อ ระยะที�สนั� ที�สด� ที�วดั ตามผ�วลูกถ้วยระหว่างอ�เล�ก�ทรด �ดยส่วนหน��งของระยะรั�ว�ะเป� นส่วนกัน� ไม่ให้ผ�วเปี ยกได้ง่ายเม��ออยู่ในส�า��นตก ท�า ให้ลกู ถ้วยมีความคงทนต่อแรงดันวาบไฟตามผ�วได้สงู ข�น� เท่ากับผลรวมของ b1 และ b2 - ระยะป้องกัน �protective lea�age distance� ค�อ ระยะที�ไม่เปี ยก�น��ง� ปกต��ะหมายถ�ง ระยะในปี กลูกถ้วย เท่ากับผลรวมของ b2


- ระยะอาร�ก �a�� a�� ค�อ ระยะสัน� �ี�สด� �ี�วดั ได้ระ�ว�างอ�เล�ก��รด��านอากา� �ร�อระยะ�ี�วดั �ามแนว�ี�เก�ดอาร�ก แบ�งออกได้สองแบบ ค�อ ั ใน  ระยะอาร�กแบ�งเ�� นระยะอาร�กแ�้ง �� a�� a�� ค�อ ระยะอาร�ก�ี�วด ส�าวะลูกถ้วยแ�้ง เ�� นระยะ�ี�วดั �าม��วและส�วน�ี�เ�� นอากา� เ��ากับ�ลรวม ของ a1 และ a2 ั ในส�าวะลูกถ้วย  ระยะอาร�ก เ�ี ย ก �� a�� a�� ค�อ ระยะอาร�ก �ี� วด เ�ี ยก�ร�อเ�รอะเ�� อน เ��ากับ�ลรวมของ a2

รู��ี� 2�36 ลัก��ะ�างม��ข� องลูกถ้วย�นวน 2.9 การกระจายแรงดันไฟฟ้ าบนพวงลูกถ้วยแขวน ใน�ัวข้อ�ี��านมาลูกถ้วย�นวน�้องมีรู�ร�าง�ี�เ�มาะสมมี��ว�ค้ง�ามแนวเส้น�ักย�ไฟฟ้าเ��า เ��อใ�้เกรเดียน��ของแรงดันไฟฟ้ามีค�า�ํ�ากว�าความเครียดสนามไฟฟ้า�ค�รน�าเร��มเก�ด อีก�ัง� ยัง�้อง ��จาร�าถ�งความ�นาของเน�อ� �นวน�ี�ไม��าํ ใ�้เก�ดการเจาะ�ะล�ของลูกถ้วย�นวน��งข�น� กับระดับ แรงดันระบบ ค�อ ความ�นา�ร�อขนาดของลูกถ้วย�นวนจะเ��ม�ามขนาดแรงดัน �ัวอย�างลูกถ้วย �นวน�ี�ใช้ในแ��ละระดับแรงดันไฟฟ้าแสดงดังรู��ี� 2�3� การใช้ลูก ถ้ว ยแขวนมี ข ้อ ได้เ �รีย บลูก ถ้ว ย�ลัก �ี� ส ามารถเ�� ม จํา นวนลูก ถ้ว ยใน�วงใ�้ เ�มาะสมกับระดับแรงดันไฟฟ้า�ี�ใช้งานได้ เช�น ระบบแรงดัน 115 kV จะใช้ลกู ถ้วยแขวนจํานวน � ลูก ระบบแรงดัน 230 kV จะใช้ลกู ถ้วยแขวนจํานวน 14 ลูก และระบบแรงดัน 500 kV จะใช้ลกู ถ้วย แขวนจํานวน 2� ลูก นอกจากนีย� งั มีความสะดวกในการเ��มระยะรั�วใ�้กบั �วงลูกถ้วยเ��อใ�้เ�มาะ



กับบร�เวณที�นาํ ลูกถ้วยไปใช้งาน เช่น บร�เวณร�มชาย�ั�งทะเล�ึง� มีระดับของมล�าวะสูง จะเ��มจํานวน ลูกถ้วยแขวนเป็ น 9 ลูก สําหรับระบบแรงดัน 115 kV เป็ นต้น

ก) ลูกถ้วยหลัก

ข) ลูกถ้วยแขวน

รูปที� �� ขนาดของลูกถ้วย�นวนไฟฟ้าที�ระดับแรงดันต่าง� จากรู ปที� �� ข) สายตัวนํายึดอยู่ส่วนล่างของ�วงลูกถ้วยแขวน และส่วนบนของ�วงลูก ถ้วยแขวนยึดอยูก่ บั แขน (cross arm) ของเสาไฟฟ้า ทําให้ลกู ถ้วยแขวนแต่ละลูกมีลกั ษณะเหมือนกับ ตัวเก็บประจุต่ออันดับกัน และมีแรงดันตกคร่อมชุดตัวเก็บประจุเท่ากับแรงดันเฟสของระบบไฟฟ้า (ระหว่างสายตัวนําเทียบกับส่วนที�ตอ่ ลงด�น ได้แก่ เสาไฟฟ้า) ดังวงจรสมมูลในรูปที� ��

รูปที� �� วงจรสมมูลของ�วงลูกถ้วยแขวน


เมื�อ

n

คือ จํานวนลูกถ้วย

k

คือ ลําดับของลูกถ้วยที�นบั จากแขนเสาไฟฟ้า

U

คือ แรงดันเฟสของระบบไฟฟ้า (kV)

Cs

คือ ความจุไฟฟ้าของลูกถ้วยแต่ละลูก (pF)

C g

คือ ความจุไฟฟ้าระหว่างลูกถ้วยกับดิน (pF)

CL

คือ ความจุไฟฟ้าระหว่างลูกถ้วยกับสายตัวนํา (pF)

จากรู�ที� 2.�8 แรงดันตกคร่อมที�ลกู ถ้วยลําดับที� ΔU k =

k

โดยที�

ΔIk < Ik

I k + ΔI k ωCs

เท่ากับ (2.108)

พิจาร�าโหนดที�กระไหลออกจากลูกถ้วยลําดับที� k จะได้

เมื�อ

Uk

-ΔI k = ΔIg - ΔI L

(2.109)

ΔIg = ω Cg U k

(2.110)

ΔI L = ω CL  U - U k 

(2.111)

คือ แรงดันของลูกถ้วยลําดับที� k เทียบกับดิน

แทนค่าสมการที� 2.109 ถึง สมการที� 2.111 ลงในสมการที� 2.108 และหา�ลเ�ลยของสมการ จะได้ แรงดันที�ตกคร่อมลูกถ้วยลําดับที� k จะเ�� นดังนี �   α k    αk   Cg sinh  sinh  α      U  n    n  + C 1   Uk =  L Cg + CL  sinh  α  sinh  α         

เมื�อ

α

คือ ค่าคงที� เท่ากับ

(2.112)

Cg +CL Cs

จากสมการที� 2.112 แรงดันที�กระจายบนพวงลูกถ้วยจะขึน� อยูก่ บั ค่าคงที� α โดยพวงลูกถ้วยแขวนยึด สายขึงในอากาศความจุไฟฟ้าระหว่างลูกถ้วยกับสายตัวนําจะมีค่าน้อยกว่าความจุไฟฟ้าระหว่างลูก ถ้วยกับดิน เนื�องจากสายตัวนํามีพืน� ที�นอ้ ยกว่าพืน� ที�แขนรับพวงลูกถ้วยและเสาไฟฟ้า ทําให้แรงดัน กระจายบนลูกถ้วยไม่สมํ�าเสมอ แรงดันตกคร่อมที�ลูกถ้วยที�อยู่ใกล้สายตัวนําจะมีค่ามากที�สุด ดัง แสดงในรู�ที� 2.�9 และแรงดันของลูกถ้วยแขวนลําดับที� k เทียบกับดิน หาได้จาก


ความเครียดสนามไฟฟ้า - 68  αk  sinh    n  Uk = U sinh  α 

(2.113)

U

สายไฟ

แขนรับ สายไฟ

n

ร��ี� 2.3� แรงดันกระจายบน�วง��ก�้วยแ�วน ( Cg > CL )

จากความสัม�ัน��นร� ��ี� 2.3� การกระจาย��งแรงดันไฟฟ้าบน�วง��ก�้วยจะไม�เ�� นเ��ง เส้น (��-��) มาก��น� �ามจ�านวน��ก�้วย�นวน�น�วง (ความยาว��ง�วง��ก�้วย) ก��าวค�� แรงดันไฟฟ้า�ี��กคร��ม��ก�้วย�นวนแ��ะ��กจะมี�นาดไม�เ��ากัน เม��ได้รบั แรงดันเก�น��ก�้วย�ี��ย�� ดสาย�ัวน�าจะมี��กาสเก�ดวาบไฟ�าม��วก��น��ก��น� เสม��นกับจ�านวน��ก�้วย�น�วง�ด�ง ��ก �้วย�ี�เ��จ�งไม�สามาร��น��แรงดันเก�นแ�ะเก�ดวาบไฟ��ด�วง��ก�้วย �ัว�ย�างแรงดันกระจาย ��ง�วง��ก�้วยแ�วน�ี�มีจา� นวน��ก�้วย�น�วง��าง � กัน แสดง�นร��ี� 2.40 250 200

%U

150 100 50 0

1

2

3

4

5

n

6

7

8

9

10

ร��ี� 2.40 การกระจายแรงดันไฟฟ้าบน�วง��ก�้วยแ�วน�ี�มีจา� นวน��ก�้วย�น�วง��าง � กัน �ดยแรงดัน�กคร��ม��ก�้วยแ��ะ��กเ�� นเ��ร�เ��น��เ�ียบกับค�าแรงดันเ��ี�ย��ก

U n


�รงดัน กระจายบน�วงลูก ถ้ว ย�าจ�รับ ให้ส มํ�า เสม�มากข�น� ได้� ดยทํา ให้ค วามจุไฟฟ้า ระหว่างลูกถ้วยกับดินมีขนาดเท่ากับความจุไฟฟ้าระหว่างลูกถ้วยกับสายตัวนํา ( Cg = CL ) ในทาง ��ิบตั ิทาํ ได้�ดยใส่�หวน�ีลด� (�� ) หร��หวน�รับ�รงดัน (�� ) ย�ดไว้ท�ีใต้�วง ลูกถ้วยติดกับสายตัวนํา ดังรู �ที� �� ละการกระจาย�รงดันไฟฟ้า�ายหลังการติดตัง� �หวน�รับ �รงดัน�สดงในรู�ที� ��

รู�ที� �� วงลูกถ้วย�ขวนที�ตดิ ตัง� �หวน�รับ�รงดัน

U

แขนรับ สายไฟ

สายไฟ

n

รู�ที� �� รงดันกระจายบน�วงลูกถ้วย�ขวนจากการติดตัง� �หวน�รับ�รงดัน



คําถามท้ายบทที� 2 2.1 ความสัมพันธ์ระหว่างประจุไฟฟ้าและสนามไฟฟ้าเป็ นอย่างไร 2.2 จงเปรียบเทียบลักษณะการกระจายและขนาดสนามไฟฟ้าสูงสุดที�เกิดข�น� ในระบบอิเล็ก�ทรด ระนาบคูข่ นาน ทรงกลมซ้อนแกนร่วม และทรงกระบอกซ้อนแกนร่วม 2.3 การ�ป่ งพองของสนามไฟฟ้าที�บริเวณขอบของอิเล็ก�ทรดมีสาเหตุมาจากอะไร และสามารถทํา การแก้ไขได้อย่างไร 2.4 ทรงกระบอกคู่ขนานมีรศั มีเท่ากัน (r = 2 cm) วางห่างกันในแนวศูนย์กลาง d = 10 cm ดัง แสดงในรูปที� �2.1

รูปที� �2.1 ทรงกระบอกคูข่ นาน

2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 2.10 2.11 2.12

ถ้าต้องการความเข้มสนามไฟฟ้าสูงสุดมีคา่ ไม่เกิน 17 kV/cm จงคํานวณหา 2.4.1 แรงดันไฟฟ้ากระแสสลับที�ใช้ได้กบั ทรงกระบอกคูข่ นานนีม� ีคา่ เท่าไร 2.4.2 ถ้าทรงกระบอกเดียวกันนี � หน��งอันวางอยูเ่ หนือพืน� ดินเท่ากับ 12 m ในลักษณะขนานไป กับแนวระนาบ เมื�อป้อนแรงดันไฟฟ้าให้กบั ทรงกระบอก ระบบดังกล่าวสามารถใช้ได้ กับแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับสูงสุดเท่าไร ข้อดีและข้อเสียของการใช้สายตัวนําควบในการส่งจ่ายกําลังไฟฟ้าด้วยแรงดันสูงคืออะไร แฟกเตอร์สนามไฟฟ้าคืออะไรและหาได้อย่างไร เมื�อกําหนดรู ปลักษณะของระบบอิเล็ก�ตรด มาให้ รูปแบบของสนามไฟฟ้าแบ่งออกได้เป็ นกี�แบบ จงอธิบาย�ดยสังเขป การเสียสภาพของฉนวนไฟฟ้ากับลักษณะการกระจายสนามไฟฟ้ามีความสัมพันธ์กนั อย่างไร มิติท�ีเหมาะสมคืออะไร และมีความสําคั�อย่างไรในการออกแบบอุปกรณ์ท�ีใช้งานในระบบ ไฟฟ้าแรงสูง ตัวนําแรงสูงในระบบสถานีไฟฟ้าแบบใช้ฉนวนแก�สมีระบบอิเล็ก�ตรดแบบใดและมีเงื�อนไขใน การต่อตัวนําบริเวณจุดหักมุมเป็ นอย่างไร ปั จ จั ย อะไรที� มี � ลกระทบต่ อ ลัก ษณะการกระจายความเครี ย ดสนามไฟฟ้ า ในวั ส ดุ ท�ี ประกอบด้วยฉนวนมากกว่าหน��งชนิด จงยกตัวอย่างอุปกรณ์ในระบบไฟฟ้าที�ประกอบด้วยฉนวนไฟฟ้าหลายชนิด พร้อมวาดรูปแสดง การกระจายสนามไฟฟ้าที�เกิดในฉนวนแต่ละชนิด


2.13 จงแสดงเส้นสนามไฟฟ้าและเส้นศักย์ไฟฟ้าที�เกิดข�น� ในระบบฉนวนที�แสดงในรู ปที P2.2 �ร้อม ให้เห��ผลว่าที�บริเวณใดจะเกิดการดีสชาร์จข�น� ก่อน เม��อแรงดันป้อนเข้ามีขนาดเ�ิ�มข�น� �าม เวลา

รูปที� P2.2 ระบบฉนวน 2.14 จงอ�ิ บายค�ณสมบั�ิและการจัดวางฉนวนไฟฟ้า แ�่ล ะชั�น ในสายเคเบิลแรงสูง เ�� อทํา ให้ ความเครียดสนามไฟฟ้าที�เกิดในฉนวนไฟฟ้าแ�่ละชัน� มีคา่ ใกล้เคียงกันและ�ํ�าที�สด� 2.15

รูปที� P2.3 สาย�ัวนําห�ม้ ฉนวน จากรูปที� P2.3 สาย�ัวนําขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 30 mm มีเปล�อกฉนวนแข�งที�มีคา่ εr = 4.5 หนา 15 mm ล้อมรอบ และองค์ประกอบดังกล่าวอยูใ่ นภาชนะขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 100 mm ที�บรรจ�ฉนวนที�มีคา่ εr = 2.2 จงคํานวณหา 2.15.1 ร้อยละของสนามไฟฟ้าบนผิว�ัวนําที�ลดลงเน��องจากการมีเปล�อกฉนวนแข�งห�ม้ สาย �ัวนําเปรียบเทียบกับสภาวะที�ไม่มีเปล�อกฉนวนแข�ง เม��อขนาดของสาย�ัวนําและ ภาชนะมีคา่ เท่าเดิม


2.16 2.17 2.18 2.19 2.20 2.21 2.22 2.23


2.15.2 ขนาดแรงดัน�ี�ตกคร่อมฉนวนแต่ละชัน� เมื�อ�ําการป้อนแรงดัน 50 ��rms ให้กบั สายตัว นํา ปลอกฉนวนตัวนําคืออะไร แบ่งออกได้เป็ นกี�ประเภ� และมีเงื�อนไขในการเลือกใช้อย่างไร ความแตกต่างในการวิเคราะห์การกระจายแรงดันไฟฟ้าและสนามไฟฟ้าในชัน� ฉนวนระหว่าง การป้อนแรงดันไฟฟ้ากระแสตรงและแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับคืออะไร ข้อควรระวังในการใช้งานตัวเก็บประจุไฟฟ้าแรงสูงเมื�อใช้งานกับแรงดันไฟฟ้ากระแสตรงคือ อะไร ลูกถ้วยฉนวนไฟฟ้าแบ่งออกเป็ นกี� ประเภ� และมีหน้า�ี�สาํ คั�อย่างไรในระบบการส่งจ่าย กําลังไฟฟ้าด้วยไฟฟ้าแรงดันสูง มิติและรู ปร่างของลูกถ้วยฉนวนมีผลอย่างไรต่อการกระจายสนามไฟฟ้าตามผิวและภายใน เนือ� ฉนวนของลูกถ้วย จงอ�ิบายผลของสายและเสาไฟฟ้า เช่น ตัวเสาและคอนเสา �ี�มีต่อการกระจายแรงดันไฟฟ้า ของพวงลูกถ้วยแขวน จงยกตัวอย่างวิ�ีการแก้ไขปั �หาการกระจายแรงดันไฟฟ้า�ี�มีลกั �ณะไม่เป็ นเชิงเส้นของลูก ถ้วยฉนวน

จากรูป�ี� �2.4 �ี�ปลายของอุปกรณ์ไฟฟ้า �ี� ติ ด ตั� ง ใ น อ า กา � มี คว า ม เ ค รี ย ด สนามไฟฟ้ า สู ง สุ ด เกิ น ค่ า วิ ก ฤต ถ้ า ต้องการลดค่าความเครียดสนามไฟฟ้า ดังกล่าว โดยการใช้อิเล็กโตรดไปติดไว้��ี ปลายของอุปกรณ์ไฟฟ้า เมื�อ กําหนดอิเล็กโตรดให้สองแบบ คือ � กั บ C จงให้ เ หตุ ผ ลว่ า ควรเลื อ กใช้ อิ เ ล็ ก โตรดแบบใดในการลดค่ า ความ รูป�ี� �2.4 การลดค่าความเครียสนามไฟฟ้า เครียสนามไฟฟ้าดังกล่าว 2.24 เหตุใดวิ�วกรผูอ้ อกแบบหรือใช้งานอุปกรณ์ไฟฟ้าแรงสูงต้องมีความรู เ้ กี�ยวกับการกระจาย สนามไฟฟ้า�ี�เกิดข�น� บนอุปกรณ์

- 73 -

บทที� 3 ดิสชาร์จในแก๊ส แก๊ส คือ สสารที�มีแรงยึดเหนี�ยวระหว่างอนุภาคน้อยมาก ท�าให้อนุภาคของแก๊สจะอยูห่ ่างกัน มาก และเคลื� อ นที� ไ ปทุ ก ทิ � ทุ ก ทางอย่ า งไม่ เ ป็ นระเบี ย บ เกิ ด การฟุ้ ง กระจายเต็ ม ภาชนะที� บรรจุ ส่ง�ลให้แก๊สมีปริมาตรและรู ปร่างไม่แน่นอน เปลี�ยนแปลงไปตามลัก�ณะของภาชนะที�บรรจุ โดยทั�วไปปริมาตรของแก๊สจะเปลี�ยนแปลงตามอุณหภูมิและความดันที�สภาวะการท�างาน ในการใช้ งานแก๊สจึงต้องมีการระบุค่าอุณหภูมิและความดันของอุปกรณ์หรือระบบที�จะน�าแก๊สไปใช้งานไว้ เสมอ ในสภาวะปกติอะตอมหรือโมเลกุลของแก๊สจะอยูใ่ นสถานะเป็ นกลางทางไฟฟ้า แต่อาจมีการ เกิดอนุภาคที�มีประจุไฟฟ้า เช่น ไออนบวก ไอออนลบ และอิเล็กตรอน เนื�องจากรังสีในบรรยากา� และ�ลังความร้อน เป็ นต้น แต่จา� นวนของอนุภาคมีประจุท�ีเกิดขึน� มีจา� นวนน้อยมาก และมีช่วงเวลา การคงอยู่สนั� เนื�องมาจากเกิดการรวมตัวกันของอนุภาคที�มีประจุ และเมื�อรวมกับ�ลที�อนุภาคแต่ละ ตัวของแก๊สอยู่ห่างกันมาก ท�าให้แก๊สมีคณ ุ สมบัติการเป็ นฉนวนไฟฟ้าที�ดี มีความต้านทานไฟฟ้าสูง สามารถแทรกซึมเข้าไปในช่องว่างได้ดี แก๊สเป็ นฉนวนชนิดหนึ�งที�มีความส�าคั�ในด้านเทคนิคการฉนวนไฟฟ้าแรงสูง ใช้เป็ นฉนวน หลัก ฉนวนแทรกซึมและระบายความร้อน เป็ นฉนวนภายนอกของระบบสายส่งไฟฟ้าแรงสูง เป็ น ฉนวนภายในที�อดั ความดันอยู่ในภาชนะปิ ดหุม้ ใช้แทนน�า� มันฉนวนในหม้อแปลงไฟฟ้าก�าลัง ใช้เป็ น ฉนวนในระบบสถานีแบบปิ ด (GIS) และใช้ดบั อาร์กในขณะตัดต่อวงจรไฟฟ้าของเซอร์กิตเบรกเกอร์ อย่างไรก็ตามความเป็ นฉนวนไฟฟ้าของแก๊สจะมีคา่ ลดลงได้ เมื�ออุณหภูมิของแก๊สมีคา่ สูงขึน� หรืออยู่ ภายใต้สนามไฟฟ้าที�มีขนาดหรือความถี�สงู การเสียสภา�การเป็ นฉนวนหรือการดิสชาร์จในแก๊สเป็ น ปราก�การณ์การไหลของกระแสไฟฟ้า�่านแก๊ส ที�เกิดจากการเคลื�อนที�ของอนุภาคประจุท�ีเกิดจาก การไอออไนเซชัน (ioni�ation) แบบใดแบบหนึ�ง ซึ�ง มี สนามไฟฟ้า เป็ น ต้น เหตุให้อนุภาคประจุมี �ลังงานและเคลื�อนที�ไปยังอิเล็กโทรดได้ แก๊สนอกจากจะใช้ประโยชน์ในด้านการฉนวนแล้ว ยังสามารถใช้ประโยชน์จากการดิสชาร์จ ได้อีกด้วย เช่น หลอดเรืองแสงหรือหลอดฟลูออเรสเซนต์ (Fluorescent Lamp) หลอดไฟความดัน สูง (High-pressure discharge lamps, HID) หลอดป้ อ งกัน แรงดัน เกิ น (Gas Discharge Tube, GDT) ดิสชาร์จในแก๊สที�แคโทดเ�ื�อดูด�ุ่ นละอองหรือ�่าเชือ� โรค ดิสชาร์จในแก๊สที�กระแสไฟฟ้าสูง หรืออาร์กไฟฟ้าเ�ื�อเรียงกระแสและ�ลาสมาฟิ สิกส์ เป็ นต้น โดยเนือ� หาในบทนีจ� ะกล่าวถึงการฉนวน ด้วยแก๊ส โดยเฉ�าะอย่างยิ�งกระบวนการที�แก๊สเปลี�ยนสภา�ไปสู่สภา�น�าไฟฟ้าหรือการเกิดเบรก ดาวน์ในแก๊ส

- 74 - ดิสชาร์จในแก๊ส

ดิสชาร์จในแก๊ส - 74 -

3.1 การนําไฟฟ้ าในแก๊ส ในแก๊ สผสม เช่น อากา� ��ง�ระกอบด้ว�แก๊ สอะตอม (อาร์กอน) และแก๊ สโมเลกุลที�เ�็ น กลาง (ไนโตรเจน ออก�ิเจน และคาร์บอนไดออกไ�ต์) อนุ�าคที�มี�ระจุ (อิเล็กตรอน และไอออน) เม��ออ��่�า�ใต้สนามไ��้าอนุ�าคที�มี�ระจุไ��้าจะเกิดการเคล��อนที� ทําให้เกิดการนําไ��้าในแก๊ส โด�มีกระแส�องอิเล็กตรอนและกระแส�องไอออนบวก��งไหลในทิ�ทางตรงกัน�้าม การเคล��อนที� �องอิเล็กตรอนเร็วกว่าไอออนบวกมาก ถ้าอิเล็กตรอนและไอออนบวกเกิด��น� เ�็ นจํานวนเท่า�กัน ไอออนบวกจะอ��่ในแก๊สนานกว่าอิเล็กตรอนทําให้มีส�า�เ�็ น�ระจุบวกที�ออกันอ��่ในบริเว�หน��ง� การเกิด�ระจุบวกที�ออกันกันอ��น่ ีจ� ะทําให้สนามไ��้าระหว่างอิเล็กโตรดเ�ลี��นแ�ลงไ�

ร��ที� �� กระบวนการต่าง�ที�เกิด��น� ในแก๊สดิสชาร์จ อิเล็กตรอนที�เคล��อนที�ในแก๊สเน��องจากอิท�ิ�ล�องสนามไ��้าจะชนกับอะตอมและโมเลกุล ที�เ�็ นกลาง ทําให้เกิดกระบวนการที�แตกต่างกันหลา�แบบ เช่น ไอออไนเ�ชัน การชนกันแบบ��ดห�ุน่ (elastic collision) การกระตุน้ (excitation) การเกิดไอออนลบ (electron attachment) การแผ่รงั สี (ra�iation) จาก�าวะกระตุน้ �องแก๊สอะตอมและโมเลกุลเน��องจากการชนกัน�องอนุ�าคไ��้า ไอออนบวกสามารถทําให้เกิดอิเล็กตรอนอิสระได้จากการชนผิวหน้าแคโทด ถ้าไอออนบวก ชนกับอะตอมอาจทําให้อะตอมเคล��อนที�เร็ว��น� บางครัง� อาจทําให้เกิดการกระตุน้ หร�อไอออไนเ�ชันได้ ไอออนบวกอาจรวมกับอิเล็กตรอนอิสระ (recom�ination) เกิดเ�็ นอะตอมที�เ�็ นกลาง �ร้อม�กันกับ

ดิดิสสชาร์ ชาร์จจในแก๊ ในแก๊สส -- 75 75 --

กระบวนการต่าง�จะมีการเกิด�วามร้อน��น� ในแก๊สด้วย ร� ป�ี� 3.1 แสดงกระบวนการต่าง�ในแก๊ส�ี� เป็ นตัวนําไฟฟ้า 3.2 ไอออไนเซชัน อะตอมหรือโมเลกุล�องแก๊สเมื�อได้รบั พลังงานเพียงพอ จะ�ําให้อิเล็กตรอนหลุดออกไปหน��ง อิเล็กตรอน อะตอมหรือโมเลกุลดังกล่าวจะมีประจุเป็ นบวก เรียกว่า การเกิ ดไอออไนเซชัน เป็ น กระบวนการ�ี�แยกอิเล็กตรอนออกจากอะตอมหรือโมเลกุล�องแก๊ส และมีไอออนบวกเพิ�ม��น� หรือ เป็ นการแยกตัว�องอิเล็กตรอนจากอะตอมหรือโมเลกุล โดยพลังงาน�ี��าํ ให้เกิดการไอออไนเซชัน ได้ แสดงในตาราง�ี� 3.1 ตาราง�ี� 3.1 พลังงานไอออไนเซชัน�องแก๊สต่าง� �4� แก๊ส

พลังงานไอออไนเซชัน ( Wi , eV)

H2

15.40

H

13.59

N2

15.60

N

14.54

O2

12.50

O

13.61

Hg

10.40

He

24.50

N2O

11.00

NO

9.50

H2O

12.59

CO2

14.40

SF6

19.30

แก๊สเ�ื�อย

10.24



3.2.1 ไอออไนเซชันโดยการชน (collision ionization) เม��ออนุ�าคมวล m (อิเล็กตรอน� ไอออน �ร�ออะตอมเ�็ นกลาง) เคล��อนที� ดว้ ย ความเร็ ว v และชนกั� อะตอม�ร� อ โมเลกุล ที� มี ม วล M มี ก ารถ่ า ยทอดพลัง งานจลน์ (�in�tic �n��) ถ้าไม่มี�ลใ�้เกิ ดการกระตุน้ เรียกการชนนีว� ่า ชนแ��ย� ด�ยุ่น (�lastic collision) แต่ถา้ อะตอม�ร�อโมเลกุลของแก๊สที�ถ�กชนได้ร�ั พลังงานจากอนุ�าคที�เข้ามาชน เกิ ด ต�� น กระตุน้ �ร�อ ไอออไนเซชัน จะเรีย กการชนดัง กล่า วว่า เ�็ น การชนแ��ไม่ย� ด�ยุ่น (in�lastic collision) �มายความว่าพลังงานจลน์ของอนุ�าคที�เข้าชนได้เ�ลี�ยนเ�็ นพลังงาน �ักย์ใ�้ก�ั อะตอม�ร�อโมเลกุลของแก๊ส ท�าใ�้อิเล็กตรอนมีระดั�พลังงานส�งข�น� และเคล��อนตัว ออก�่างจากนิวเคลียสของอะตอมมากข�น� (รั�มีวงโคจรโตข�น� ) การชนที�ทา� ใ�้เกิดการไอออไนเซชัน�ร�อการกระตุน้ สามารถแ�่งออกได้เ�็ นสอง แ�� 13� ค�อ แ��ที� 1 เ�็ นการชนกันซ��งท�าใ�้เกิดการไอออไนเซชัน�ร�อเกิดการกระตุน้ โดย การถ่ายเทพลังงานจลน์ แต่ถา้ ในการชนมีอนุ�าค�น��งใ�้พลังงาน�ักย์เพียงส่วน�น��งในการ ชนและท�าใ�้เกิดไอออไนเซชันจะเรียกว่าการชนแ��ที� 2 ลัก��ะการชนแ��ต่าง� ได้ แสดงในตารางที� 3.2 ตารางที� 3.2 การชนแ��ต่าง�ที�ทา� ใ�้เกิดการไอออไนเซชัน�ร�อเกิดการกระตุน้ การชน แ��ที� 1

1) A

2) A

+ e

 

A* + e

-

-

+

=

+ e

 

3)

A + B

-

4) -

A + B +

-

 

-

=

+

 

+

+

-

-

ไอออไนเซชัน โดยการชนของ อิเล็กตรอน

-

ไอออไนเซชัน โดยการชนของ อะตอม

A + e + e

-

-

-

การกระตุน้ โดย การชนของ อิเล็กตรอน

+

+

-

A + e + B

=

+

+

+

-

A* + B

=

+

-

+

-

การกระตุน้ โดย การชนของ อะตอม


ตารางที� �� การชนแบบต่าง�ที�ทาํ ให้เกิดการไอออไนเซชันหรือเกิดการกระตุน้ (ต่อ) การชน แบบที� �

5)

A* + e

-

6)

A* + B*

-

7)

กําหนดให้

 

+

A + B

+

=

+

-

+

+

-

-

A + B + e

=

+

 

-

อิเล็กตรอนมี พลังงานเพิ�มข�น� เนื�องจากการชน กับอะตอมที��ก� กระตุน้

A+ e

 

+

-

+

A  + B + e

=

+

+

-

ไอออไนเซชันโดย การชนของ อะตอมที��ก� กระตุน้ กับอะตอม ที��ก� กระตุน้ ไอออไนเซชันโดย การชนของ ไอออนบวก

A, B

เป็ นอะตอม A * , B* เป็ นอะตอมที��ก� กระตุน้ A , B เป็ นไอออนบวก e เป็ นอิเล็กตรอนอิสระ อนุ�า�ที�มีลก� �รกํากับแสดงว่ามีพลังงานจลน์

ไอออไนเซชันจากการชนของอิเล็กตรอนเกิดจากการ�่ายพลังงานให้กบั อนุ�า�ที��ก� ชน โดยพลังงานของอิเล็กตรอนเป็ นพลังงานที�ได้มาจากสนามไฟฟ้า E ในข�ะเ�ลื�อนที�เข้า หาแอโนด พลังงานที�อิเล็กตรอนได้รบั อย�่ในร� ปของพลังงานจลน์ �้าพลังงานที�อิเล็กตรอน ได้รบั มากกว่าพลังงานไอออไนเซชันของโมเลกุลหรืออะตอมของแก๊ส ก็จะเกิดการไอออไน เซชัน สมมติให้อิเล็กตรอนเริม� ต้น (initia� e�e�tr�n) เ�ลื�อนที�ในทิ�ทางของสนามไฟฟ้า E เป็ นระยะทางเท่ากับระยะอิสระiii (mean free path, λ ) จะได้รบั พลังงานจากสนามไฟฟ้า iii

ระยะขจัดเ�ลี�ยที�อิเล็กตรอนเ�ลื�อนที�ได้ระหว่างการชนแต่ละ�รัง�


ดิสชาร์จในแก๊ส - 78 λ

(3.1)

W = e  E dx = eU 0

เมื�อ

U

คือ �ัก�์ไ��้าท��ตกคร่อมระ�ะอิสระ (V)

จะเกิดไอออไนเซชันเมื�อ

W > Wi

เมื�อความเคร��ดสนามไ��้าม� ค่าคงท�� พลังงานของอิเล็กตรอนท�� ทา� ให้เกิ ดไอออไนเซชัน เท่ากับ (3.2)

eEλi  Wi = eUi

เมื�อ

Ui

คือ แรงดันไอออไนเซชัน (V)

ในกร��ท�พลังงานจากสนามไ��้าไม่เพ��งพอท��ทา� ให้เกิดการไอออไนเซชัน แต่ทา� ให้โมเลกุล ท�� ถูก ชนอ�ู่ใ นส�าพถูก กระตุน้ ถ้า การชนท�� เ กิ ด ข�น� เ�็ น แบบไม่�ื ด ห�ุ่น พลัง งานสูง สุดท�� อะตอมหรือโมเลกุลซ��งอ�ู่น�ิงก่อนถูกชนได้รบั สามารถหาได้จากก�การอนุรกั ษ์โมเมนตัม (law of conservation of momentum) และการอนุร ัก ษ์พ ลัง งาน (law of conservation of ener��) ดังน� � mv + MV = mv1 + MV1

เมื�อ

เมื�อมวล

v

คือ ความเร็วของอิเล็กตรอนก่อนเข้าชน (m/s)

V

คือ ความเร็วของอะตอมหรือโมเลกุลของแก๊สก่อนถูกชน (m/s)

v1

คือ ความเร็วของอิเล็กตรอนหลังเข้าชน (m/s)

V1

คือ ความเร็วของอะตอมหรือโมเลกุลของแก๊สหลังถูกชน (m/s)

M

(3.3)

อ�ูน่ �ิง ( V = 0) จะได้วา่ (3.4)

mv = mv1 + MV1

เนื�องจากพลังงานก่อนและหลังการชนของระบบม�คา่ คงเดิม ดังนัน� 1 2 1 2 1 mv = mv1 + MV12 + WP 2 2 2

เมื�อ

WP

คือ พลังงาน�ัก�์ท�มวล

M

(3.5)

ได้รบั

จากสมการท�� 3.4 จะได้ V1 =



m v - v1 M



(3.6)


แทนสมการที� 3.� ลงในสมการที� 3.� จะได้ 1 2 1 2 1m mv = mv1 + v - v1 2 2 2M





2

+ WP

(3.7)

สมมติว่า�ลังงานจลน์ของอิเล็กตรอนที�เข้าชนมีค่าคงที� �ลังงาน�ักย์สง� ส�ดที�มวล M ได้รบั สามาร��าได้จากการดิฟเฟอเรนชิเอทสมการที� 3.7 เทียบกับ v1 แล้วใ�้เท่ากับ��นย์ เม��อ มวลของอิเล็กตรอนน้อยกว่ามวลของอน��าคที��กชน ( m > 1 จะได้

E 

 E   p f1  p  d  f2   e      1 p

    E 1  p f1   d  ln    E  p  f2      p 

(3.39)

ในสนามไฟฟ้าสม��าเสมอ ความเครียดสนามไฟฟ้าที�ทา� ให้เกิดเ�รกดาวน์ ( E b ) หาได้จาก ความสัมพันธ์ Eb =

เมื�อ

Ub

Ub d

คือ แรงดันไฟฟ้าที�เกิดเ�รกดาวน์

(3.40)


�ดยใช้สมการ�� 3.40 ��าให้สามาร�เข�ยนสมการ�� 3.3� ใหม่�ด้เป็ น     1  = ln    Ub    f2     pd  

U  pd f1  b   pd 

(3.41)

จากสมการ�� 3.41 จะเห็นว่าค่าแรงดัน��้า��า� ให้แกปเกิดการเบรกดาวน์ข�นกับผลคูณ ระหว่างความดันแก๊สและระยะแกป หรือในรูปของความสัม�ัน�์ดงั น� � (3.42)

U b = f  pd 

และเร�ยกความสัม�ัน�์ในสมการ�� 3.42 ว่าก�ของ�าสเชน (�� ) ��ด้มาจาก เงื�อน�ขการเกิดเบรกดาวน์ของแก๊สในสนาม��้าสม��าเสมอ ��งม�ความ�ูก�้องเมื�อผลคูณ ระหว่างความดันแก๊สและระยะแกปม�ค่า��า �ัวอย่างผลการ�ดลองความสัม�ัน�์ระหว่าง แรงดัน เบรกดาวน์ข องแก๊ ส บางชนิ ด กับ ผลคูณ ของความดัน แก๊ ส และระยะห่ า งระหว่า ง อิเล็ก��รดระนาบคูข่ นานแสดงในรูป�� 3.1� Ub , V 1600 1200

CO2

800 400

Air H2

0

4

8

12

16

20

24

28

pd , mmHgmm

รูป�� 3.1� เส้น�ค้ง�าสเชนของแก๊สบางชนิด��อณ ุ หภูมิ 20 C �� ค วามดัน แก๊ ส คง�� เมื� อ ระยะแกปม� ค่ า น้อ ย� แรงดัน เบรกดาวน์จ ะม� ค่ า มาก เนื� องจากอิเ ล็ก �รอนจะเกิ ดการชนเ�� ยง�ม่ก� ครัง� ก่ อนเคลื�อน�� งแอ�นด ��า ให้ม�จา� นวน อนุภาค��ม�ประจุ�ม่เ��ยง�อ แ�่��ระยะแกปกว้าง สนาม��้าจะกระจาย�ม่สม��าเสมอเ�ราะ การออหรื อ การจับ กลุ่ม ของอนุ ภ าคประจุ ใ นบางบริ เ วณเป็ น ผลให้แ รงดัน เบรกดาวน์ เปล��ยนแปลง�ป



ในกรณีท�ีระยะแกปคงที� ที�ความดันแก๊สต��า ระยะอิสระของอิเล็กตรอนจะยาว ท�าให้ มีโอกาสเคลื�อนที�ชนอะตอมหรือโมเลกุลของแก๊สน้อย แต่ท�ีความดันแก๊สสูง ระยะอิสระของ อิเล็กตรอนจะสัน� อิเล็กตรอนจะเคลื�อนที� ได้เ�ียงระยะทางสัน� � ท�าให้มี�ลังงานไม่เ�ียง �อที�จะชนและท�าให้เกิดไอออไนเซชันได้ แรงดันเบรกดาวน์จง� มีคา่ สูง นอกจากนีจ� ากรูปที� 3.1� จะเห็นว่ามีคา่ แรงดันเบรกดาวน์นอ้ ยที�สดุ ที�ผลคูณระหว่าง ความดันแก๊สและระยะแกปค่า�หน��ง ซ��งสามาร�น�าไปใช้ประโยชน์ในการผลิตหลอดเรือง แสง หรือหลอดแก๊สดิสชาร์จ โดยแรงดันเบรกดาวน์ต�าสุดของแก๊สบางชนิดแสดงในตาราง ที� 3.7 ตารางที� 3.7 ค่าแรงดันเบรกดาวน์ต�าสุดของแก๊สบางชนิด �15� แก๊ส Air N2 H2 O2 SF6 CO2 He Ne

แรงดันเบรกดาวน์ต�าสุด ( U b_min , V) 352 240 230 450 507 420 155 245

ผลคูณความดันแก๊สและระยะแกป ( pdmin , Torrcm) 0.55 0.65 1.05 0.70 0.26 0.51 4.00 4.00

3.6.2 ทฤษฎีการเกิดเบรกดาวน์แบบสตรีมเมอร์ เมื�อ�ิจารณาการเบรกดาวน์ของแก๊ สที� ความดันบรรยากาศ �บว่าการเกิ ดเบรก ดาวน์ของทาวน์เซนด์ การเ�ิ�มข�น� ของกระแสไ��้าที�ไหลในแกปจะข�น� กับการเกิดไออไนเซชัน เ�ียงอย่างเดียวเท่านัน� ซ��งในความเป็ นจริงขนาดของแรงดันไ��้าที�ทา� ให้เกิดเบรกดาวน์ยงั ข�น� อยู่กับความดันแก๊ สและลักษณะทางเรขาคณิ ตของระบบอิเล็กโตรด เช่น รู ปทรงของ อิเล็กโตรด และระยะห่างระหว่างอิเล็กโตรด เป็ นต้น อีกทัง� ระยะเวลาที�เกิดการเบรกดาวน์ ตามกระบวนของทาวน์เซนด์จะอยูใ่ นช่วง 10 ไมโครวินาที แต่ในทางปฏิบตั กิ ารเบรกดาวน์จะ เกิดข�น� ในช่วงเวลาสัน� มาก� ประมาณ 0.01 ไมโครวินาที นอกจากนีร� ู ปร่างของดิสชาร์จจาก กระบวนของทาวน์เ ซนด์ค วรกระจายหรือ แผ่อ อกทุก ทิ ศ ทาง แต่ใ นขณะเกิ ด เบรกดาวน์ ดิสชาร์จกลับมีลกั ษณะเป็ นเส้นสาย (filamentary) หรือรู ปร่างแบบไม่ปกติ (irregular) จาก


สา��ตุท�ีกล่าวมาข้างต้นท�าใ�้มีการ�สนอท�ษ�ีการ�กิด�บรกดาวน์ใ�ม่ขนึ � มา�พ��อใช้อ�ิบาย ปราก�การ�์ตา่ ง��ล่านี�� ดย Raether และ �ee� กับ ��e� ใน�วลาใกล้�คียงกัน ที��รียกว่า ท�ษ�ีการ�กิด�บรกดาวน์แบบสตรีม�มอร์ �ดยมีรายละ�อียดดังนี � การ�พิ�มขึน� ของอนุภาคที�มีประจุในอะวาลานซ์ท�ี�กิดจากกระบวนการขึน� ต้นภายใต้ สนาม��้าสม��า�สมอที�แสดงใน�ทอมของ eαd �สมการ ��0) ยังสามารถใช้อ�ิบาย�ด้ �ม��อ ผลของประจุ ใ นอะวาลานซ์� ร� อ ประจุ ค ้า ง ��a�e �har�e) ยั ง มี น ้ อ ย�ม�� อ �ที ย บกั บ ความ�ครี ย ดสนาม��้ า ภายนอกที� � ด้จ ากการป้ อ นแรงดัน ��้ า ระ�ว่ า งอิ � ล� ก �ตรด การศึกษาของ Raether พบว่าประจุคา้ งจะมีผลน้อยต่อการขยายตัวของอะวาลานซ์ ถ้า จ�านวนอนุภาคที�มีประจุ �อิ�ล�กตรอน�ร�อ�อออนบวก) ในอะวาลานซ์มีนอ้ ยกว่า 108 อนุภาค แต่�ม��อมีจา� นวนมากกว่า 108 อนุภาค กระแส��้าที� ��ลในแกป �ขนาดอะวาลานซ์) จะ �พิ�มขึน� อย่างรวด�ร�วและ�กิดการ�บรกดาวน์ในที�สดุ การ�พิ�มขึน� ของอนุภาคที�มีประจุทา� ใ�้ การกระจายสนาม��้าภายในแกป�ปลี�ยนแปลง�ปจาก�ดิม �1�� ดังแสดงในร�ปที� ��1�

Eext --

+ + + +-------+ ++++++++++++++++ --------------+ + + +--------

Cathode

Anode

---

Eavalanche Er

Eext

ร�ปที� ��1� สนาม��้าระ�ว่างอิ�ล�ก�ตรดที��ปลี�ยน�ป�น��องผลของประจุคา้ ง จากร� ปที� ��1� ความ�ครียดสนาม��้าที��กิดจากอะวาลานซ์ � Eavalanche ) จะมีทิศ ทางตรงข้ามกับกับสนาม��้าที��ด้จากการป้อนแรงดัน��้าภายนอก � Eext ) �ม��อคิดรวม



�ลของสนามไฟฟ้าทัง� หมดระหว่างอิเล�กโตรด �บว่าการกระจายของสนามไฟฟ้าลั��์ ( Er ) จะบิดเบีย� ว (�i�t�rti�n) ไปจากเดิม โดยความเครียดสนามไฟฟ้าบริเว�ส่วนหน้าของอะวา ลานซ์ (ระหว่ า งกลุ่ม อิ เ ล� ก ตรอนกับ แอโนด) มี ค่ า ส�ง ข� น� จากนั�น จะมี ค่ า ลดลงน้อ ยกว่ า สนามไฟฟ้าเดิมที�บริเว�ระหว่างกลุม่ ประจุคา้ งอิเล�กตรอน-ไอออนบวก และมีคา่ เ�ิ�มข�น� อีกที� ส่วนปลายของของอะวาลานซ์ (ระหว่างกลุม่ ไอออนบวกกับแคโทด) ความเครียดสนามไฟฟ้า ที�มากข�น� จะเร่งให้จา� นวนอนุภาคที�มีประจุหรือการขยายตัวของอะวาลานซ์เ�ิ�มข�น� ซ��งส่วน ให�่ เป� นการเกิ ดไอออเซชันจาก�ลังงานโฟตอน �1��18� ที� มาจากการคาย�ลังงานของ อนุภาคในสภาวะ��กกระตุน้ และการรวมตัวกันระหว่างไอออนบวกและอิเล�กตรอนที�บริเว� ส่วนหน้าของอะวาลานซ์ จนกระทั�งจ�านวนอนุภาคที�มีประจุเท่ากับ 108 อนุภาค ความเครียด สนามไฟฟ้าที�เกิดจากกลุ่มประจุคา้ งจะมีขนาดเท่ากับสนามไฟฟ้าจากภายนอกและเป� น ช่วงเวลาที�อะวาลานซ์เปลี�ยนไปส�่สตรีมเมอร์ เนื�องจากโฟตอนเคลื�อนที�ดว้ ยความเร�วแสง โฟโตไอออไนเซชันจ�งเกิดข�น� อย่างรวดเร�ว ท�าให้การเกิดเบรกดาวน์ในลัก��ะนีห� รือสตรีม เมอร์เบรกดาวน์มีระยะเวลาในการเกิดน้อยมาก ดังนัน� ประจุคา้ งจ�งเป� นตัวการส�าคั�ที�ทา� ให้ เกิดการขยายตัวของอะวาลานซ์ในโคโรน่าหรือสปาร์กดิสชาร์จที�เกิดในระบบอิเล�กโตรดที�มี การกระจายของสนามไฟฟ้าแบบไม่สม��าเสมอ โดยเงื�อนไขทั�วไปในการเปลี�ยนสภาวะจาก อะวาลานซ์ไปส�่สตรีมเมอร์จะเกิดข�น� เมื�อจ�านวนอนุภาคที�มีประจุมีค่าเท่ากับจ�านวนอนุภาค วิกฤติ ( nc ) หรือ (3.43) eαx  108 c

เมื�อ

xc

คือ ระยะวิกฤติ (critical length)

ที� จา� นวนอนุภาควิกฤติ αxc จะมี ค่า ในระหว่าง 18 �� ง �0 จากนั�นสตรีม เมอร์จะขยายตัว เชื�อมต่อระหว่างแอโนดกับแคโทดและเกิดเบรกดาวน์ตามแนวดังกล่าว การขยายตัวของ สตรีมเมอร์สามาร�แบ่งออกได้เป� นสองลัก��ะ คือ สตรีมเมอร์ท�ีขยายตัวไปทางแอโนด (an��e �irecte� �trea�er) และสตรีมเมอร์ท�ีขยายตัวไปทางแคโทด (cath��e �irecte� �trea�er) นอกจากนีอ� ะวาลานซ์ยังสามาร�เกิ ดข�น� �ร้อมกันได้มากกว่าหน��งอะวาลานซ์ ส่ง�ลให้การขยายตัวของสตรีมเมอร์เป� นไปอย่างไปอย่างรวดเร�วข�น� ดังตัวอย่างภา��่ายการ เกิดสตรีมเมอร์จากอะวาลานซ์คใ่� น cl�� cha��er ในร�ปที� 3.�0


ก) อะวาลานซ์ใกล้ กับแอโนด

ข) สตรีมเมอร์เริม� ขยายตัวไปทาง แคโทด

ค) สตรีมเมอร์ขยาย ตัวถึงแคโทด

ง) �ลาสมาเช��อม ต่อระหว่างแอโนด กับแคโทด

ร�ปที� 3.�0 ภา�ถ่ายการเกิดสตรีมเมอร์ท�ีขยายตัวไปทางแคโทดใน �� 1�� ได้เสนอความสัม�ัน�์ท�ีใช้ในการหาจํานวนอน�ภาควิก�ติจากเง��อนไขการ เกิดเบรกดาวน์แบบสตรีมเมอร์ E  αx c = 17.7 + ln  x c  + ln  avalanche  E ext  

(3.44)

โดยสภาวะที�อะวาลานซ์เปลี�ยนไปส�่สตรีมเมอร์ ค�อ ความเครียดสนามไฟฟ้าที�ส่วนหัวของ อะวาลานซ์มีขนาดเท่ากับสนามไฟฟ้าจากภายนอก ( Eavalanche  Eext ) ทําให้เขียนสมการที� 3.44 ใหม่ได้เป็ น (3.45)

αx c = 17.7 + ln  x c 

ดังนัน� แรงดันเบรกดาวน์ต�าํ ส�ดของระบบอิเล็กโตรดที�มีสนามไฟฟ้าแบบสมํ�าเสมอจากกลไก แบบสตรีมเมอร์จะเกิดขึน� เม��ออะวาลานซ์เคล��อนที�ถึงแอโนดหร�อระยะวิก�ติมีขนาดเท่ากับ ระยะห่างระหว่างอิเล็กโตรด ( x c = d ) �� และ �� ได้สมมติว่าส่วนหัวของอะวาลานซ์มีลกั �ณะเป็ นทรงกลมที�มีร�ั มีเท่ากับ ทําให้ความเครียดสนามไฟฟ้าในขณะที�อะวาลานซ์เปลี�ยนไปเป็ นสตรีมเมอร์ สามารถ คํานวณได้จาก r

E avalanche = 5.27×10-7

α eαx x p  

0.5

(3.46)


เมื�อ

x p

ดิสชาร์จในแก๊ส - 108 คือ ความยาวของอะวาลานซ์ท�ีเกิดในแกป คือ ความดันของแก๊ส (Torr)

�ดยใช้สมการที� 3.46 แรงดันเบรกดาวน์ต�าํ ส�ดสามารถหาได้ดว้ ยการกําหนดให้ความยาว อะวาลานซ์เท่ากับระยะแกป และความเครียดสนามไฟฟ้าของอะวาลานซ์เท่ากับสนามไฟฟ้า ที�ปอ้ นจากภายนอก จะได้ α E d αd + ln   = 14.5 + ln   + 0.5ln   p p p

(3.47)

ผลการคํานวณแรงดันเบรกดาวน์ท�ีได้จากเงื�อนไขการเกิดเบรกดาวน์แบบสตรีมเมอร์มีความ สอดคล้องผลการวัดแรงดันเบรกดาวน์ในสภาวะที�ความดันแก๊สและระยะแกปมีคา่ สูง ในระบบสนามไฟฟ้าที�มีกระจายแบบสมํ�าเสมอ การเลือกใช้ทฤษฎีใดในการอธิบาย ปรากฏการณ์เบรกดาวน์ สามารถเลือกได้จากผลคูณระหว่างความดันแก๊ สกับระยะแกป ( pd ) ดังนี � - ถ้า ผลคูณระหว่างความดันแก๊ สกับระยะแกปมี ค่า ตํ�ากว่า 1000 Torr-�m และแก๊ สมี ความดัน อยู่ในช่ว ง 0.01 Torr ถึ ง 300 Torr ปรากฏการณ์เ บรกดาวน์จะอธิ บายด้ว ย ทฤษฎีการเกิดเบรกดาวน์ของทาวน์เซนด์ - ในกรณี ท�ี ผลคูณระหว่างความดันแก๊ สกับระยะแกป และความดันแก๊ สมีค่าสูงกว่าที� กล่าวในข้างต้น การเกิดเบรกดาวน์แบบสตรีมเมอร์จะถูกใช้เป็ นกลไกหลักในการอธิบาย ปรากฏการณ์เบรกดาวน์ 3.6.3 กฎแห่งความคล้ายคลึง (Similarity Law) เป็ นความสัม�ันธ์ระหว่างแรงดันเบรกดาวน์กบั ความดันแก๊สในสนามไฟฟ้าที�มีการ กระจายแบบไม่สมํ�าเสมอซึ�งกล่าวว่าแรงดันเริ�มต้น (i��tio� หรือ �r�a��ow� �olta��) ของแก๊สจะมีค่าคงเดิม ถ้าหากมิติเชิงเส้นของระบบอิเล็ก�ทรดที�กาํ หนดมีขนาดเ�ิ�มขึน� หรือ ลดลงด้ว ยแฟกเตอร์เ ดี ย วกัน กับ การลดลงหรื อ เ�ิ� ม ขึ น� ของความดัน แก๊ ส ในระบบ�ดยที� ลักษณะ�ืน� �านของอิเล็ก�ทรดยังคงเดิม �ดยมีการเปลี�ยนแปลงเ��าะระยะห่างระหว่าง อิเล็ก�ทรดและขนาดอิเล็ก�ทรดเท่านัน� ส่งผลให้แฟกเตอร์สนามไฟฟ้าของระบบอิเล็ก�ทรด ( η* ) ยังมีค่าเท่าเดิม กฏนีม� ีประ�ยชน์มากในการออกแบบอ�ปกรณ์หรือระบบไฟฟ้าแรงสูง เนื�องจากในบางกรณีเราไม่สามารถทําการทดลองด้วยขนาดอิเล็ก�ทรดจริงได้ จึงใช้การย่อ มาตราส่วนแล้วทําการเทียบกลับไปหาขนาดจริงได้ในภายหลัง ตัวอย่างการใช้กฎแห่งความ คล้ายคลึงในระบบอิเล็ก�ตรดแกปทรงกลมและทรงกระบอกซ้อนแกนร่วมแสดงในรูปที� 3.�1 และในสมการที� 3.48 ถึงสมการที� 3.�1 ตามลําดับ


D o2

D1o D1i

ก) แกปทรงกลม

D i2

ข) ทรงกระบอกซ้อนแกนร่วม

รูปที� 3.21 การใช้ก�แห่งความคล้ายคล�งในระบบอิเล็กโตรด - ระบบอิเล็กโตรดแกปทรงกลม d2 = kd1 , D2 = kD1 p2 =

p1 k

(3.48) (3.49)

- ระบบอิเล็กโตรดทรงกระบอกซ้อนแกนร่วม Do2 - Di2 kD1o - kD1i = 2 2 p2 =

p1 k

(3.50) (3.51)

3.7 เบรกดาวน์ในแก๊สไฟฟ้ าลบ (Breakdown in electronegative gas) แก๊ ส ไฟฟ้ า ลบ หมาย�� ง แก๊ ส ชนิ ด ที� อ ะตอมหร� อ โมเลก� ล มี ค� � สมบั ติ ใ นการจั บ อิเล็กตรอนอิสระ (electron attachment) และทําให้เป็ นไอออนลบ ซ��งได้แก่แก๊ สที� มีองค์ประกอบ ฟลูอ อรีน (F) คลอรีน (Cl) โบรมี น (Br) ไอโอดี น (I) ออกซิ เ จน(O) และซัล เฟอร์( S) เช่ น อากาศ คาร์บอนไดออกไซด์ (CO2) ฟลูออลีน (F2) คลอลีน (Cl2) และซัลเฟอร์เฮกซะฟลูออไรด์ (SF6) เป็ นต้น ไอออนลบที�เกิดข�น� จะมีลกั ��ะคล้ายไอออนบวก ค�อ มีขนาดให�่และมีมวลมาก การเกิดไอออไนเซ ชันจากการชนจ�งเป็ นไปได้ยาก นอกจากนีก� ารจับอิเล็กตรอนยังเป็ นการลดจํานวนอิเล็กตรอนอิสระ ทําให้การเกิดไอออไนเซชันลดลง โดยปกติการจับอิเล็กตรอนที�เกิดข�น� ในแก๊ ส แบ่งออกได้เป็ นสองกระบวนการ ค�อ การจับ อิ เ ล็ ก ตรอนโดยตรง (direct attachment) และการเกิ ด ไอออนลบจากการแตกตัว (dissociative attachment) ดังแสดงในรูปที� 3.22 และรูปที� 3.23 ตามลําดับ



+

-

-

+



+

-

h

+

ร�ปที� 3.22 การจับอิเล็กตรอนโดยตรง

-

+ -

+



-

-

+

+

-

ร�ปที� 3.23 การเกิดไอออนลบจากการแตกตัว การจับอิเล็กตรอนของอะตอมหรือโมเลกุลของแก๊สแล้วกลายเป็ นไอออนลบสามารถอธิบาย ด้วยสัมประสิทธิ�การจับอิเล็กตรอน (electron attachment coefficient, η) ��งเป็ นความสัมพันธ์ของ การลดจ�า นวนอิ เ ล็ ก ตรอนต่ อ หน่ ว ยระยะทางที� อิ เ ล็ ก ตรอนเคลื� อ นที� ต ามแนวสนามไฟฟ้ า ความสัมพันธ์ระหว่างสัมประสิทธิ�การจับอิเล็กตรอนกับความเครียดสนามไฟฟ้าและความดันของ แก๊สบางชนิดแสดงในร�ปที� 3.2� เมื�อคิดรวม�ลของการจับอิเล็กตรอนที�เกิดข�น� ในแก๊สไฟฟ้าลบ สมการของกระแสไฟฟ้าที�ไหล ระหว่างอิเล็กโตรดสามารถเขียนใหม่ได้เป็ น  α   α-η d   η   - e   α-η     α-η  I = I0   α   α-η d  -1  1 - γ   e   α-η  





(3.52)

เงื�อนไขการเกิดเบรกดาวน์ของทาวน์เ�นด์ในแก๊สไฟฟ้าลบหาได้จากการก�าหนดให้ตวั ส่วน ในสมการที� 3.52 มีเท่ากับ��นย์   α   α -η d  -1  =1 γ   e   α-η  





(3.53)

ในกร�ีท�ีสมั ประสิทธิ�การไอออไนเ�ชันที�หน��งของทาวน์เ�นด์มากกว่าสัมประสิทธิ�การจับอิเล็กตรอน ( α  η ) แก๊ ส จะสามารถเกิ ด เบรกดาวน์ไ ด้โ ดยไม่ ข� น กับ ค่ า ของสัม ประสิ ท ธ์ใ ด� แต่ ใ นกร�ี ท�ี


สัม ประสิ ท ธิ� ก ารจับ อิ เ ล็ ก ตรอนมากกว่ า สัม ประสิ ท ธิ� ก ารไอออไนเซชัน ที� ห น�� ง ของทาวน์เ ซนด์ ( η  α ) ที�ระยะแกปมาก� สมการที� 3.53 จะลดรูปลงเหล�อ α=

η 1- γ

(3.54)

โดยทั�วไปสัมประสิทธิ�การไอออไนเซชันที�สองของทาวน์เซนด์จะมีคา่ น้อย หร�อ α  η ทําให้สมการที� 3.54 กลายเป็ นส�าวะที�ไม่เกิดการเบรกดาวน์ของแก๊สไฟฟ้าลบ และเรียกความเครียดสนามไฟฟ้า ต่อความดันแก๊ สที� ทาํ ให้เกิ ดส�าวะนี ว� ่าความเครียดสนามไฟฟ้าต่อความดันแก๊ สวิก�ต ซ��งมี ค่า เท่ากับ 117 V/(cm-Torr) และ 121 V/(cm-Torr) สําหรับแก๊สซัลเฟอร์เฮกซะฟลูออไรด์และไดคลอโร ฟลูออโรเอทิลีนที�อณ � ห�ูมิ 2� C ตามลําดับ , 1 p cm-Torr 1.2 

1.0 SF6

0.8 C3F8

0.6 0.4

C 2F 6

0.2

CF4

CCl2F2

0 0

40

80

120

160

รูปที� 3.24 ความสัม�ันธ์ของ

200 η p

240 260

E , V p cm-Torr

กับ E ของแก๊สบางชนิด p

3.8 ปรากฏการณ์ของเพนนิ�ง (Penning effect) ก�ของ�าสเชนไม่สามาร�ใช้กับการเกิดเบรกดาวน์ในแก๊สผสมได้ �2��21� เช่น แก๊ สที�ได้ จากการผสมกันระหว่างแก๊สอาร์กอนและแก๊สนีออน การเติมแก๊สอาร์กอนปริมาณเล็กน้อยลงในแก๊ส นีออนจะทําให้แรงดันเบรกดาวน์ของแก๊สผสมมีค่าตํ�ากว่าแรงดันเบรกดาวน์ของแก๊สนีออนหร�อแก๊ส



อาร์กอนบริสทุ ธิ� �น��องจาก��ังงานท��ทา� ใ��อะตอ�แก๊สน�ออนอ��ในส�าวะถ�กกระตุน� แ�ะส�าวะก��ง �สถ��ร��ค�า�ากกว�า��ังงาน�ออ�น��ชัน�องอะตอ�แก๊สอาร์กอน นอกจากน�ส� �าวะก��ง�สถ��ร�อง อะตอ�แก๊สน�ออน��ช�วง�ว�าการคงอ��นาน ท�าใ��อกาสท��จะชนกับอะตอ�แก๊สอาร์กอนแ�ะท�าใ�� กิด�ออ�น��ชัน�ด��าก��น� ตัวอ��างการ�ด�ง�องแรงดัน�บรกดาวน์ท�ส�วน�ส�ต�าง��องแก๊ส�ส� อาร์กอน-น�ออนแสดงในร��ท�� 2� Breakdown voltage, V 2000 Ar 1750

Ne

1500 1250 1000 750 500 250 00

50 100 150 200 250 300 350 400 450

P0d, Torrcm

ร��ท�� 2� แรงดัน�บรกดาวน์�องแก๊ส�ส�อาร์กอน-น�ออนท��สว� น�ส�ต�าง� 3.9 เบรกดาวน์จากแรงดันอิมพัลส์ แรงดันกระแสตรงแ�ะแรงดันกระแสส�ับ�� นแรงดัน��าท��นาดคงท��ร�อ��ช�วง�ว�าการ ��นแ��ง�องระดับแรงดันนาน ท�าใ��อิ��กตรอนแ�ะอนุ�าคท��ระจุ��สา�ารถ�ค��อนท��ชน �กิด การ�อออ�น��ชัน อะวา�าน�์ แ�ะ�บรกดาวน์ตา�ท��การ�กิด�บรกดาวน์ท��ด�ก��าวใน��างต�น แต� ในกร��องแรงดันอิ��ั�ส์ถ�งแ��ว�า�นาด�องแรงดันจะ��ค�า�ากกว�าแรงดัน�บรกดาวน์ต�าสุด�ร�อ แรงดันสถานะคงตัว (static breakdown voltage, Us � �น��องจากแรงดันอิ��ั�ส์�� นแรงดันท��การ ��นแ��งอ��างรวด�ร�ว ( s� อิ��กตรอน�ริ�� ต�นต�องอ��ในบริ�ว�ท��ควา��คร��ดสนา��า��ค�า ส�ง �� อ ใ�� ริ� � �กิ ด �อออ�น��ชัน �ด� ช� ว ง�ว�าตั�ง แต� แ รงดัน �� ค� า ส�ง กว� า แรงดัน �บรกดาวน์ต� า สุด จนกระทั�ง�บอิ��กตรอน�ริ��ต�น �ร��กว�า �ว�า��าช�าสถิ ติ (statistical ti�e lag, t s � �ด��น� อ��กับ จ�านวน�องอิ��กตรอน�ริ�� ต�นท��ในแก� ร� �ทรง�องอิ��ก�ตรด ระ�ะ��างระ�ว�างอิ��ก�ตรด �ร�อการ ��อ��องแ��งจ�า��ระจุ�า�นอก ควา�น�าจะ�� นในการ�บอิ��กตรอน�ริ��ต�น��กั ��ะ�� นสถิติ��


ช่วงเวลาตัง� แต่�ม่ก�ี�ม��รวินาทีจน��ถึง�ลายร้อย�ม��รวินาที อย่าง�รก�ตามเราสามารถลดเวลา ล่าช้าสถิติลง�ด้ดว้ ยการท�าใ�้มีการ�ล่อยอิเล�กตรอนเริ�มต้นจาก�ิวของอิเล�ก�ตรดด้วยแสงย�วี�ร�อ �้อนแรงดันใ�้สง� กว่าแรงดันสถานะ�งตัวมากขึน� �ลังจากที�พบอิเล�กตรอนเริม� ต้น ระยะเวลาที�ใช้ในการ�อออ�นเ�ชันเพ��อเพิ�มจ�านวนอน��า�ที� มี�ระจ� จนกระทั�งเกิดเบรกดาวน์ เรียกว่า เวลาล่าช้าก่อตัว (�ormati�e time la�) ขึน� อย�่กบั ร� �แบบ การเกิดและลักษณะการขยายตัวของเบรกดาวน์บางส่วน (partial breakdown) ก่อนเกิดเบรกดาวน์ ตลอดระยะแก� การกระจายตัวของเบรกดาวน์บางส่วนเ�� น�ลมาจากระดับ�วามสม��าเสมอของ สนาม��้า ระยะแก� และขนาดของแรงดันที��้อน �ดย�วามเร�วเ�ลี�ยของการขยายตัวของสตรีม เมอร์เท่ากับ 106 m/s ถึง 3 x 106 m/s ดังนัน� ระยะเวลาทัง� �มดตัง� แต่แรงดันอิมพัลส์มีขนาดมากกว่าแรงดันสถานะ�งตัวจนเกิด เบรกดาวน์ เรียกว่า เวลาล่าช้า (time la�) ดังแสดงในร��ที� 3.�6 (3.55)

tl = ts+tf

U Up

tf

Us ts tl wave front

t1

t2

wave tail

t

ร��ที� 3.�6 เวลาล่าช้าของการเกิดเบรกดาวน์ของแรงดันอิมพัลส์ เพ��อใ�้การเบรกดาวน์จากแรงดันอิมพัลส์มีมากขึน� �่ายอดของแรงดันอิมพัลส์ ( U p ) ต้องมี �่าส�งกว่าแรงดันสถานะ�งตัว อัตราส่วนระ�ว่าง�่ายอดแรงดันอิมพัลส์ต่อแรงดันเบรกดาวน์ต�าส�ด เรียกว่า อัตราส่วนอิมพัลส์ (impulse ratio) impulse ratio

=

Up Us

(3.56)



อั�ราส่วนอิมพัลส์จะม�คา่ มากกว่าหน��งเมื�อเกิดเบรกดาวน์�ดย�รง และม�คา่ น้อยกว่าหน��งเมื�อเกิด�ค�ร น่าเบรกดาวน์ ใน�างป�ิบ�ั ิอป� กรณ์��ใช้ในระบบไฟฟ้าแรงส�งจะออกแบบไม่ให้ม�การเกิด�ค�รน่าหรือ ดิสชาร์จบางส่วน ดังนัน� ในการ�ดสอบความคง�น�่อแรงดันอิมพัลส์แบบฟ้าผ่า�องอ�ปกรณ์จะม�คา่ มากกว่าแรงดันส�านะคง�ัวเสมอ แรงดันอิมพัลส์��ม�การเพิ�ม�นาดแรงดัน��งค่ายอดแล้วลดลงใน ช่วงเวลาสัน� � (st��n�ss i��uls�) การคงอย�่�องสนามไฟฟ้าจะอย�่เพ�ยงไม่นาน ��าให้�อกาสเกิด เบรกดาวน์นอ้ ยลง เพื�อ��าให้เกิดเบรกดาวน์จ�ง�้องเพิ�มความเคร�ยดสนามไฟฟ้าหรือแรงดันไฟฟ้าให้ ส�ง��น� ความสัมพันธ์ระหว่างแรงดันเบรกดาวน์อิมพัลส์กบั เวลาเบรกดาวน์ แสดงได้ดว้ ยลักษณะ เส้นแรงดัน-เวลา (�olta�� ti�� c�aract�ristic) ��ง� สามาร�หาได้ดงั ร�ป��

ร�ป�� ลักษณะเส้นแรงดัน-เวลา �้าการเบรกดาวน์เกิด��หน้าคลื�น�องแรงดันอิมพัลส์ แรงดันเบรกดาวน์จะเ�่ากับแรงดัน ณ เวลา��แรงดันอิมพัลส์เกิดการย�บ�ัว แ�่�า้ การเบรกดาวน์เกิด��หางคลื�น�องแรงดันอิมพัลส์ แรงดัน เบรกดาวน์จะเ�่ากับค่ายอด�องแรงดันอิมพัลส์ �ดยจากร� ป�� เวลาน้อย� แรงดันเบรกดาวน์ จะม�ค่าส�งกว่า��เวลามาก� ลักษณะเส้นแรงดัน-เวลาม�ประ�ยชน์ในการออกแบบระบบไฟฟ้า การ ประสานสัมพันธ์ฉนวน (insulation coordination) ใช้เลือกแกปป้องกันแรงดันเสิรจ์ (แรงดันฟ้าผ่า และแรงดันสวิ�ชิ�ง) ให้กับอ�ปกรณ์��ิด�ัง� ในระบบไฟฟ้าแรงส�ง เช่น พวงล�ก�้วยฉนวน หม้อแปลง


ไฟฟ้ากําลัง โดยเลือกระยะแกปให้เกิดเบรกดาวน์ท�ีแกปก่อนเพื�อทําการป้องกันไม่ให้เกิดวาบไฟที�ลกู ถ้วยฉนวนหรือจํากัดแรงดันเสิรจ์ ไม่ให้มากกว่าแรงดันป้องกันของอุปกรณ์ไฟฟ้า 3.10 ปั จจัยทีม� ีผลต่อค่าแรงดันเบรกดาวน์ จากทฤษฎีการเกิดเบรกดาวน์ของทาวน์เซนด์ และทฤษฎีการเกิดเบรกดาวน์แบบสตรีมเมอร์ ที�ได้กล่าวถ�งในข้างต้น การเคลื�อนที�ของอนุ�าคที�มีประจุเป็ นกระบวนการสําคั�ที�ทาํ ให้ความนํา ไฟฟ้าของแก๊สเพิ�มข�น� จนเกิดการเปลี�ยนส�าพจากฉนวนไปเป็ นตัวนําไฟฟ้า โดยปั จจัยที�มี�ลต่อการ เกิดและการเคลื�อนที�ของอนุ�าคที�มีประจุในฉนวนแก๊สแบ่งออกได้ดงั นี � 3.10.1 ลักษณะของระบบอิเล็กโตรด รู ป ร่ า ง การจั ด วาง และลั ก ษณะของอิ เ ล็ ก โตรดเป็ นตัว กํา หนดรู ป แบบของ สนามไฟฟ้า ว่า มี ก ารกระจายของสนามไฟฟ้า เป็ น แบบสมํ�า เสมอ แบบไม่ส มํ�า เสมอเล็ก น้อย หรือแบบไม่สมํ�าเสมอสูง โดยแรงดันเริ�มต้นหรือแรงดันที�เริม� ทําให้เกิดการเปลี�ยนแปลง �ายในแกปจะเท่ า กั บ แรงดัน เบรกดาวน์ ใ นกรณี ส นามไฟฟ้ า สมํ�า เสมอและไม่ ส มํ�า เสมอเล็กน้อย ส่วนในกรณีสนามไฟฟ้าไม่สมํ�าเสมอสูงแรงดันเริ�มต้นจะหมายถ�งแรงดันโคโร น่ า เริ�ม เกิ ด และเกิ ด เบรกดาวน์เ มื� อ เพิ� ม แรงดัน ที� ป้อ นให้กับ อิ เ ล็ก โตรดมากข�น� ตัว อย่า ง ความสัมพันธ์ระหว่างแรงดันเบรกดาวน์กบั ระยะแกปของระบบอิเล็กโตรดสามแบบแสดงใน รูปที� 3.�� จากรู ปที� 3.�� ที�ระยะแกปเท่ากัน แรงดันเบรกดาวน์ของอิเล็กโตรดแบบแท่งกลมระนาบ ซ�ง� มีการกระจายสนามไฟฟ้าแบบไม่สมํ�าเสมอสูงมีคา่ ตํ�าสุด โดยแรงดันเบรกดาวน์จะ มีคา่ สูงข�น� เมื�ออิเล็กโตรดเป็ นแบบแท่งกลม-แท่งกลม และแบบทรงกลม-ทรงกลม ตามลําดับ แสดงให้เห็นว่าการจัดวางอิเล็กโตรดที�มีลกั ษณะสมมาตรจะทําให้แรงดันเบรกดาวน์มีคา่ มาก ข�น� เนื�องจากสนามไฟฟ้ามีการกระจายแบบสมํ�าเสมอ �แฟกเตอร์สนามไฟฟ้ามีค่าเข้าใกล้ หน��ง�



รู�ที� 3.2� แรงดันเบรกดาวน์กระแสสลับที�ระ�ะแก�ต่าง� ในกรณีของแรงดันอิม�ัลส์ การคงอ�ู่ของระดับแรงดันที�มากกว่าแรงดันส�านะคง ตัวจะมีระ�ะเวลาสัน� ท�าใ�้ท�ีระ�ะเวลาน้อ�� แรงดันเบรกดาวน์ของอิเล็กโตรดแบบแท่ง กลม-แท่งกลมมีค่าสูงกว่าแรงดันเบรกดาวน์ของอิเล็กโตรดแบบทรงกลม-ทรงกลม เกิดการ ตัดกันของลักษณะเส้นแรงดัน-เวลาของระบบอิเล็กโตรดทัง� สอง ดังรู�ที� 3.29

Ub

t รู�ที� 3.29 ลักษณะเส้นแรงดัน-เวลาของอิเล็กโตรดแบบแท่งกลม-แท่งกลม และอิเล็กโตรดแบบทรงกลม-ทรงกลม ที� เ วลาน้อ �� อิ เ ล็ ก โตรดแบบทรงกลม-ทรงกลมมี � ริ ม าตรที� มี ค วามเครี � ด สนาม��้าสูง �� งอ�ู่รอบอิเล็กโตรดมากกว่าอิเล็กโตรดแบบแท่งกลมแท่งกลม มีโอกาสที�จะการ�บอิเล็กตรอนเริ�มต้น�ด้ง่า�กว่า เกิดอิเล็กตรอนอะวาลาน�์ และ


น�า��ส�ก� ารเบรกดา�น์�ด�เร็�ก��า แร�ด�นเบรกดา�น์�อ�แก��ร�กล�จ��า� ต��าก��า แต��เ�ลา �าก� ระ�ะเ�ลา��รอ�บอิเล็กตรอนเริ�� ต�นจะ��า�ส�า��น�อ�ล� เน��อ�จากสนา��า�� นาด�ากก��าสนา��า�ิก�ต��อ��นาน ��าใ��อิเล็กโตรด�� า�เ�ร��ดสนา��า ส��ส�ด�ากก��า�ร�อแ�กเตอร์สนา��าต��าก��าจะเกิดเบรกดา�น์ก�อน ��1�� อ�แร�ด�น แร�ด�นในระบบ��าแร�ส��ระกอบ��ด��แร�ด�นกระแสสล�บ��การเ�ล��น�� อ� แร�ด�นตา�เ�ลา แต�แร�ด�นกระแสตร� แร�ด�นอิ��ลส์��า��า และแร�ด�นอิ��ลส์ส�ิตชิ�� เ�็ น แร�ด�น��า�� เด�� (�� บ�ก�ร�อ�� ลบ) ด��ในร�� 1�1� ในสนา��าส��าเส�อและ�� ส��าเส�อเล็กน�อ�แร�ด�นเบรกดา�น์ (เบรกดา�น์โด�ตร�) จากแร�ด�นส�� บ�กและ�� ลบ จะ��าใกล�เ��ก�น แต�ในสนา��า��ส��าเส�อส��แร�ด�นเบรกดา�น์ (เบรกดา�น์แบบ โ�โรน�า) จะ��า� ��เ��าก�น ด��ในร�� Ub, kV 2000 1600

-

1200 800

+

400 0

0

20

40

60

80

100

120

d, cm

ร�� แร�ด�นเบรกดา�น์กระแสตร��ระ�ะแก�ต�า�� า�ด�นแก๊สต��าก��า��า�ด�น�ิก�ตxiii (critical pressure, pc) ในระบบอิเล็กโตรด ��การกระจา�สนา��าแบบ��ส��าเส�อส�� แร�ด�นเริ�� ต�น�ร�อแร�ด�นโ�โรน�าเริ�� เกิด�อ� แร�ด�น�� ลบ��าต��าก��าแร�ด�น�� บ�ก ( Ui - < Ui  ) เน��อ�จากอิเล็กตรอนเริ��ต�นจะเกิด�� บริเ��ลา��อ�อิเล็กโตรด�� ลบ ��เ�็ นบริเ��า�เ�ร��ดสนา��า��าส�� าใ�� โอกาสเ�ล�� อ น�� ชนและเกิ ด การ�อออ�นเ�ช� น �ด� �� า � ส� � นในกร�� แ ร�ด� น �� บ�ก xiii

��า�ด�นแก๊ส��แร�ด�นเบรกดา�น์และแร�ด�นโ�โรน�าเริ�� เกิดเริ�� า� เ��าก�น



อิเล็ก�รอนอิสระเกิดห่างจากอิเล็กโ�รดแ�่ง ��งเป็ นบริเว��ี�มีความเครี�ดสนามไ��้า��า การเคล��อน�ี�ชนเ��อให้เกิดการอะวาลาน�์เป็ นไปได้�าก จ�ง�้องเ�ิ�มแรงดันไ��้าให้สงู ��น� เ��อให้เกิดการไอออไนเ�ชันได้มาก��น� และน�าไปสู่การเบรกดาวน์ แ�่��ีความดันแก๊สสูงกว่า ความดันวิก�� การเกิดเบรกดาวน์ในแกปจะเปลี��นจากเบรกดาวน์แบบโคโรน่าไปเป็ นเบรก ดาวน์โด��รง กล่าวค�อ จะไม่มีโคโรน่าหร�อดิสชาร์จบางส่วนเกิ ด��น� ก่อนเบรกดาวน์ เม��อ จ�านวนอนุ�าค�ี�มีประจุเ�ิ�มจ�านวน��ง�ามเง��อนไ�การเกิดเบรกดาวน์ ก็จะเกิดเบรกดาวน์ �ัน�ี �ัวอ�่างความสัม�ัน�์ระหว่างความดันแก๊สกับแรงดันโคโรน่าเริ�มเกิดและแรงดันเบรก ดาวน์�องอิเล็กโ�รดแบบแ�่งกลม-ระนาบแสดงในรูป�ี� 3.31 Ui/Ub, kV 250

200 Ub150 Ub+ Ui-

100 Ui+

50

0

0

1

pc+ 2

3

pc-

4

pressure, bar

รูป�ี� 3.31 แรงดันโคโรน่าเริม� เกิดและแรงดันเบรกดาวน์�องแก๊ส ��6 �ี�ความดัน�่าง� 3.10.3 ประจุคา้ ง ในสนามไ��้าไม่สม��าเสมอสูง เช่น อิเล็กโ�รดปลา�แหลม-ระนาบ ประจุในอะวา ลาน�์จะ��าให้ลกั ��ะการกระจา�สนามไ��้า�า�ในแกปบิดเบี�� วไปจากสนามไ��้าเดิม (ไม่มีประจุอิสระระหว่างแกป) เป็ นผลให้แรงดันเบรกดาวน์มีค่าสูงกว่าแรงดันแรงดันโคโรน่า


�ริ��กิด แ�� นสา��า� ใ��แร�ด�น�ริ��น�� ากก��า�� ก ��สา�าร��ิ�า��ด� ด��น� � - ��า�แ�� ก �ิ��ก�ร�นส��นใ��กิดจากการ��น��ช�นใน�ริ��ใก�� า�แ��จ��น��า�าแ��นดแ��ร�� นก�า� ��น��ก ��นาดใ��แ��น��ช า� �ร�ส��น�น�า��แ��นด สนา��าจาก��น ��ก��า ใ��ส นา�� า �� า�แ��นด�� า �ด�� แ��จ ��สริ� สนา��า �� ร��า��น��กก��แ��ดใ��นาด�าก��น� ด��ร��

ร�� การ�ิด�� สนา��า��า�แ�� ก�น��จาก�ร�จ��า� � �ร�จ��ก��กิด��น� �น�าแ��นดจ��ส��นก��การ��ิ��ก��รด��น��า��ในแก��าก ��น� ร��แก�ร��า��ิ��ก��รด�ด�� สนา��า�า�ในแก�ส��น� ��าใ��กิด ��รกดา�น์�ด��า��น� �ร��แร�ด�น��รกดา�น์�� ก��า� �ด��น��น�� - ��า�แ�� ิ��ก�ร�นจากการ��น��ช�นจ��น��า�าแ��นด ส��น ��น��ก�� น�� ช�า แ��ใ ก��ก�� แ��ด สนา�� า จาก�ร�จ� � �า � ด��ก��า��าใ��า��ร��ดสนา��า��ิ��ก��รด��า�แ��แ��ร�นา�ส��น� แ��สนา��า�� ริ� ��ดจากแ��ด��า �ด��ส�� นก��า ใ��สนา��า ร��า��ิ��ก�ร�นแ��แ��นด��า�ส��า�ส��าก��น� ��ิ��ก�ร�น��น



มา��งบริเวณน�จ� ะม�ความเร�วลดลงxivและอาจรวมตัวกับอะตอมหรือโมเลกุลของ แก๊สกลายเป� นไอออนลบ ��าให้การเกิดเบรกดาวน์เกิดได้ยากข�น� หรือแรงดันเบรก ดาวน์ขวั� ลบม�คา่ ส�งข�น� โดยการเปล��ยนแปลงของสนามไฟฟ้าเนื�องจากประจุคา้ งขัว� ลบแสดงในร�ป�� 3.33

ร�ป�� 3.33 การบิดเบ�ย� วของสนามไฟฟ้า��ปลายแหลมขัว� ลบเนื�องจากประจุคา้ ง 3.10.4 สภาวะบรรยากาศ แรงดั น เบรกดาวน์ข องอากาศจะข� �น อย�่ กั บ สภาวะบรรยากาศในขณะป้ อ น แรงดัน ไฟฟ้า โดย�ั�ว ไปแรงดัน เบรกดาวน์จะเพิ�ม ข�น� เมื� อความหนาแน่น ของอากาศหรือ ความชืน� ม�ค่าส�งข�น� แต่�า้ ปริมาณความชืน� สัมพั�ธ์ในอากาศม�มากกว่า �0� แรงดันเบรก ดาวน์จะม�ค่าลดลงอย่างรวดเร�ว เนื�องจากน�า� ในอากาศจะกลั�นตัวกลายเป� นหยดน�า� บน�ิว ของฉนวนหรืออุปกรณ์ไฟฟ้า ความสัมพันธ์ระหว่างแรงดันเบรกดาวน์ของอากาศกับสภาวะ บรรยากาศสามาร�เข�ยนได้ดงั น� � Ub = K t U0

เมื�อ xiv

Ub

(3.56)

คือ แรงดันเบรกดาวน์��สภาวะบรรยากาศขณะป้อนแรงดันไฟฟ้า

ความเร�วของอิเล�กตรอนจะข�น� กับความเคร�ยดสนามไฟฟ้าและความหนาแน่นของแก๊สตัวกลางตามความ สัมพันธ์

E  N

ve = f 


คือ แรงดันเบรกดาวน์ท�ีสภาวะตามมาตร�าน �� .�o.60060 �1� ความดัน 760 mmHg อุณหภูมิ 20 � ความชืน� สัมบูรณ์ 11 g�m3 Kt คือ แฟกเตอร์สภาวะบรรยากาศ (atmospheric correction factor) มีคา่ เท่ากับ k1k 2 k1 คือ แฟกเตอร์ความหนาแน่นอากาศ (air density correction factor) k2 คือ แฟกเตอร์ความชืน� (h�midity correction factor) - แฟกเตอร์ความหนาแน่นอากาศ ข�น� อยู่กบั ความหนาแน่นอากาศสัม�ัทธ์ (re�ative air density, δ ) ดังสมการ U0

k1 = δ m

(3.57)

เมื�อ m คือ เลขยกก�าลังที�ขน� กับประเภทของการเกิดดิสชาร์จ และความหนาแน่นอากาศสัม�ัทธ์ท�ีในขณะป้อนแรงดันไฟฟ้า สามาร�หาได้จาก สมการ  p  273+ T0  δ =     p0   273+ T 

เมื�อ

p, T

p0 , T0

(3.58)

คือ ความดันและอุณหภูมิขณะป้อนแรงดันไฟฟ้า คือ ความดันและอุณหภูมิท�ีสภาวะบรรยากาศมาตร�าน

- แฟกเตอร์ความชื น� เนื� องจากน�า� เป็ นโมเลกุลที�มีขั�ว ท�าให้อากาศที�มีความชืน� มี ลัก�ณะเป็ นแก๊สไฟฟ้าลบอ่อน� ในภาวะความชืน� สูงไอออนลบจะมีเส�ียรภา� มากข�น� (ระยะชั�วชีวิตเ�ลี�ยหรือการคงอยู่นานข�น� ) อากาศสามาร�ดูดซับโฟตอน ได้มากข�น� อย่างไรก็ตามความชืน� จะมี�ลต่อสนามไฟฟ้าวิก�ตของอากาศน้อย�้า สัมประสิทธิ�การไอออไนเซชันมีคา่ มากกว่าสัมประสิทธิ�การจับอิเล็กตรอน โดยแฟก เตอร์ความชืน� xvหาได้จาก k2 = kw

เมื�อ

w

(3.59)

คือ เลขยกก�าลังที�ขน� กับประเภทของการเกิดดิสชาร์จ

และ k เป็ นค่าคงที� ซ��งข�น� กับชนิดของแรงดันไฟฟ้าที�ป้อนและอัตราส่วนระหว่าง ความชืน� สัมบูรณ์และความหนาแน่นอากาศสัม�ัทธ์ ดังรูปที� 3.3� xv

ไม่มีการใช้แฟกเตอร์ความชืน� ส�าหรับระบบที�มีแรงดันสูงสุดต��ากว่า 72.5 �� หรือมีระยะแกปน้อยกว่า 0.5 m



- เลขยกกําลัง m และ w เป� นค่าคงที� ��งข�น� กับประเ�ทของการเกิดดิสชาร์จ �ดย พิจารณาได้จากความสัมพันธ์กบั พารามิเตอร์ g ที�ได้จากสมการ g=

เมื�อ

U50 L δ

k

U 50 500Lδk

(3.60)

คือ แรงดันเบรกดาวน์ท�ีความน่าจะเป� น 50� ที�ส�าวะอากาศขณะ ป้อนแรงดันไฟฟ้าxvi (kV) คือ ระยะการเกิดดิสชาร์จที�สนั� ที�สด� (m) คือ ความหนาแน่นอากาศสัมพัทธ์ คือ ค่าคงที� ได้จากร�ปที� 3.3�

k 1.2

AC

1.15 1.1 1.05 1.0

Impulse

0.95

DC

0.9 0.85 0.8

0

5

10

15

20

ร�ปที� 3.3� ความสัมพันธ์ของ ความสัมพันธ์ระหว่างเลขยกกําลัง 3.35 และ 3.36 ตามลําดับ

k

25

กับ

m และ w

30

h/, g/m3

h δ

กับพารามิเตอร์ g แสดงในร� ปที�

- ความชืน� สัมบ�รณ์ คือ อัตราส่วนระหว่างมวลของไอนํา� ในอากาศกับปริมาตรของ อากาศ มีหน่วยวัดคือ g/m3 �ดยทั�วไปเครื�องมือที�สามาร�วัดความชืน� สัมบ�รณ์ได้ �ดยตรงจะมีราคาส�งและมีอย�่ในห้องวิจยั หรือศ�นย์เครื�องมือขนาดให�่ อย่างไรก�

xvi

ในกรณีท�ีไม่ทราบ U50 ส�าวะอากาศขณะป้อนแรงดัน ให้ใช้แรงดันที�มีขนาดเท่ากับ 1.1 เท่าของแรงดันเบรก ดาวน์ท�ีส�าวะมาตรา�าน


�ามค�ามชืน� สัมบูรณ์สามาร�หา�ด�จากค�ามชืน� สัม�ั��์แ��อุณหภูมิของอากาศ ขณ��อนแรงดัน�ด�ใช�สมการ�� 3.61 หรือรู�� 3.3� 17.6T

6.11R e 243+T h= 0.4615  273+ T 

�มื�อ

h R T

(3.61)

คือ ค�ามชืน� สัมบูรณ์ (g��3) คือ ค�ามชืน� สัม�ั��์ (�) คือ อุณหภูมิของอากาศ (C)

m

1.1 1.0 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4 2.6 2.8 3.0

w

1.1 1.0 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0

g

รู�� 3.3� ค�ามสัม�ัน�์ของ m กับ g

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4 2.6 2.8 3.0

รู�� 3.36 ค�ามสัม�ัน�์ของ

w

กับ g

g



รูปที� 3.37 ความสัมพันธ์ความช�น� สัมบูรณ์ของอากาศ กับอุณหภูมิกระเปาะแห้ง–กระเปาะเปี ยก [1] 3.1�.� รูปคล��นแรงดัน การคงอยู่ ข องแรงดัน จะมี ผ ลต่ อ แรงดัน เบรกดาวน์ข องแก๊ ส หร� อ รู ป คล�� น ของ แรงดันไฟฟ้า ตัวอย่างความสัมพันธ์ระหว่างแรงดันเบรกดาวน์ในอากาศของอิเล็กโตรดแท่ง กลม-ระนาบของแรงดันกระแสตรง แรงดันกระแสสลับ แรงดันอิมพัลส์ฟ้าผ่า และแรงดันอิม พัลส์สวิตชิ�ง แสดงในรูปที� 3.3�


ร�ป�ี� �� แรงดันเบรกดาวน์��ง�ิเล�ก��รดแ�่งกลม-ระนาบใน�ากา��ี�ส�าวะมา�ร�าน เม��แรงดันมีร�ปคล��นแบบ�่าง� จากร� ป�ี� �� แรงดัน�ิม�ัลส์สวิ�ชิ�ง�ัว� บวกมีคา่ แรงดันเบรกดาวน์��าส�ด ��ง� สามาร��ิบาย ได้จากผล��ง�ัว� แรงดัน และการคง�ย��่ �งแรงดัน�ิม�ัลส์สวิ�ชิ�งเป� นช่วงเวลา�ี�เหมาะสมใน การก่��ัว��ง�ะวาลาน�์เช��ม�่�ระหว่างแกป��ดี ��าให้�ป� กร�์ไฟฟ้า�ี��ิด�ัง� ในระบบส่ง จ่ายไฟฟ้า�ี�มีระดับแรงดันมากกว่า �� ้�งมีการ�ดส�บ�่�การ�นแรงดันไฟฟ้าด้วย แรงดันเสิรจ์ สวิ�ชิ�ง ��1�� แผ่นฉนวนบางกัน� การใส่แผ่นฉนวนบาง�ี�ไม่มีร��ร� นไว้ระหว่าง�ิเล�ก��รด�ี�มีการกระจายสนามไฟฟ้า แบบไม่สม��าเสม�ส�ง �ดยให้ระนาบ��งแผ่นฉนวน�ัง� ฉากกับแนวสนามไฟฟ้าจะ��าให้แรงดัน เบรกดาวน์� �งระบบ�ิ เ ล�ก ��รดเปลี� ย นแปลงไป เช่ น การใส่แ ผ่น ฉนวนบางกั�น ระหว่า ง �ิเล�ก��รดปลายแหลม-ระนาบ แรงดันเบรกดาวน์��งแกปจะเ�ิ�ม��น� เน��งจากแผ่นฉนวนจะ กัน� การเคล��น�ี��งไ��นบวก�ี�เกิดจากการไ��ไนเ�ชัน�ี�บริเว��ิเล�ก��รดปลายแหลม ไม่ให้เคล��น�ี�ไป��งระนาบ ��าให้ประจ�ไปรวม�ัวและกระจาย�ย�่บนแผ่นฉนวน สนามไฟฟ้า ระหว่างหลังแผ่นฉนวนบางกับ�ิเล�ก��รดระนาบจะเป� นแบบสม��าเสม� ใน��ะเดียวกัน ความเครียดสนามไฟฟ้าระหว่างปลายแหลมกับแผ่นฉนวนบางจะลดลง แรงดันเบรกดาวน์



จะข�น� อยู่กบั แกปในสนามไ��้าสมํ�าเสมอและตําแหน่งการวางกัน� ของ�นวนบาง ซ��งอาจทํา ให้แกปทนแรงดันเบรกดาวน์ได้สงู ข�น� หรือลดลงก็ได้ ดังตัวอย่างท��แสดงในรูปท�� 3.39 Ub/Ub0

2.4 2.2

d = 5 cm

2.0 1.8

d = 10 cm

1.6

d = 15 cm

1.4

d = 10 cm

1.2 1.0 0.6

d = 15 cm

d = 5 cm

0.8 0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

Without insulator sheet

0.8

0.9

1.0

ds/d

รูปท�� 3.39 ผลของแผ่น�นวนบางกัน� ต่อแรงดันเบรกดาวน์แรงดันกระแสตรง 3.11 การคํานวณค่าแรงดันเบรกดาวน์ จากท��การเกิดเบรกดาวน์ทงั� สองท��ท�ได้กล่าวมาในข้างต้น การคํานว�ค่าแรงดัน เบรกดาวน์ในแก๊สจะอา�ัยเงื�อนไขการเกิดเบรกดาวน์ตามท��ของทาวน์เซนด์หรือท��สตร�ม เมอร์ ซ��งกล่าวว่า การเบรกดาวน์จะเกิดข�น� เมื�อจํานวนอิเล็กตรอนหรือไอออนบวกในอะวาลานช์ม� จํานวนมากกว่าหรือเท่ากับ 108 (ตามกระบวนการไอออไนเซชัน) โดยขนาดของอะวาลานช์สามารถ หาได้จาก

 α  E, p  dx = K เมื�อ

(3.62)

α

คือ สัมประสิทธิ� การไอออไนเซชัน ประสิทธิ ผล (effective ionization coefficient) ซ�ง� หาได้จาก α - η

K

คือ ค่าคงท��สตร�มเมอร์ (�t�ea�e� con�tant) ม�ค่าอยู่ในช่วง 10 ถ�ง 20 �22� ข�น� อยู่ กับความดันแก๊สและรูปร่างของระบบอิเล็กโตรด

การเกิดเบรกดาวน์ในแก๊สแบ่งได้เป็ นสองแบบ คือ เบรกดาวน์โดยตรงซ��งเป็ นลัก��ะการเกิดเบรก ดาวน์ในสนามไ��้าสมํ�าเสมอหรือไม่สมํ�าเสมอเล็กน้อย และเบรกดาวน์แบบโคโรน่าเป็ นลัก��ะการ เกิดเบรกดาวน์ในสนามไ��้าไม่สมํ�าเสมอสูง โดยจะม�โคโรน่าเกิดข�น� ก่อนเกิดเบรกดาวน์ ทําให้ไม่


สามาร�ค�า นว�แรงดัน เ�รกดาวน์ไ ด้ แต่จ ะเท่ า กั� แรงดัน โคโรน่ า เริ�ม เกิ ด เ�ราะการกระจาย สนามไ��้าระหว่างอิเล็กโตรดเปล��ยนแปลงไปเนื�องจากผล�องประจ�คา้ งท��เกิดจากโคโรน่า 3.11.1 แรงดันเ�รกดาวน์โดยตรงในสนามไ��้าสม��าเสมอ ในสนามไ��้าสม��าเสมอ สนามไ��้าจะม��นาดเท่ากันตลอดความยาวแกป และ สัมประสิทธิ�การไอออไนเซชันประสิทธิผลม�คา่ คงตัว ท�าให้เ��ยนสมการท�� 3.62 ใหม่ได้เป็ น α  E, p  d = K

เมื�อ

d

(3.63)

คือ ระยะห่างระหว่างอิเล็กโตรด

3.11.2 แรงดันเ�รกดาวน์โดยตรงในสนามไ��้าไม่สม��าเสมอเล็กน้อย ในกร��องสนามไ��้าไม่สม��าเสมอเล็กน้อย แรงดันเ�รกดาวน์สามาร�ค�านว�ได้ จากสมการท�� 3.62 โดยการอินทิเกรตจะท�าตามแนวเส้นสนามไ��้าท��ม�ความเคร�ยดส�งส�ด (แนวท��คาดว่าจะเกิดการเ�รกดาวน์) และเนื�องจากสัมประสิทธิ�การไอออไนเซชันประสิทธิผล ม�ค่า��น� อย�่กั�ความเคร�ยดสนามไ��้า ดังนัน� �อ�เ�ตการอินทิเกรตจะเริ�มจากต�าแหน่งท�� ความเคร�ยดสนามไ��้าท�� ค่าส�งส�ดไปยังต�าแหน่งท�� อะวาลานช์ม�จา� นวนอิเล็กตรอนหรือ ไอออน�วกตามกระ�วนการไอออไนเซชันเท่ากั�จ�านวนอน��าควิกฤติ ท�าให้เ��ยนสมการท�� 3.62 ใหม่ได้เป็ น xc

 α  E, p  dx = K 0

เมื�อ

xc

(3.64)

คือ ระยะวิกฤติ

ตัว อย่ า งการอิ น ทิ เ กรตเ�ื� อ หาค่า แรงดัน เ�รกดาวน์โ ดยตรงในสนามไ��้า ไม่ส ม��า เสมอ เล็กน้อยแสดงในร�ปท�� 3.4� 3.11.3 แรงดันโคโรน่าเริม� เกิดในสนามไ��้าไม่สม��าเสมอส�ง การค�านว�หาแรงดันโคโรน่าเริ�มเกิดในสนามไ��้าไม่สม��าเสมอส�ง จะม�ลกั ��ะ การอินทิเกรตเช่นเด�ยวกั�การหาแรงดันเ�รกดาวน์ในกร�� องสนามไ��้าไม่สม��าเสมอ เล็กน้อย โดยใช้สมการท�� 3.64 ตัวอย่างการการอินทิเกรตเ�ื�อหาค่าแรงดันโคโรน่าเริ�มเกิด แสดงในร�ปท�� 3.41



Critical length



K

Emax Ec

xc_1

xc_2

x

ร�� การ�ิน�ิ�กร��า��าแร�ด�น��รกดา�น์�ด��ร�ในสนา��า ��ส��า�ส��กน��

Critical length



Emax K Ec

xc

x

ร�� 1 การ�ิน�ิ�กร��า��าแร�ด�น��รน�า�ริ�� กิดในสนา��า��ส��า�ส��ส��


3�11�4 ขัน� ตอนการคํานวณค่าแรงดันเบรกดาวน์ หลักการในการหาค่าแรงดันเบรกดาวน์หร�อแรงดันโคโรน่าเริม� เกิด โดยใช้เง��อนไขการ เกิดเบรกดาวน์ สามาร�แบ่งออกเป็ นขัน� ตอนได้ดงั นี � 1) ทํา การหาและประมาณฟั ง ก์ชัน การกระจายของความเครี ย ดสนามไฟฟ้ า ระหว่างอิเล็กโตรด 2) ทําการหาแฟกเตอร์สนามไฟฟ้า 3) กําหนดแรงดันไฟฟ้าเริม� ต้นที�ใช้ในการคํานวณ 4) แทนฟั งก์ ชัน การกระจายสนามไฟฟ้ า และความดั น แก๊ ส ลงในสมการ สัมประสิทธิ�ไอออไนเซชันประสิทธิผล 5) หาระยะวิก�ติหร�อตําแหน่งที�ทาํ ให้สมั ประสิทธิ�ไอออไนเซชันประสิทธิผลมีค่า เท่ากับศูนย์ ( α = 0) 6) ทําการอินทริเกรตสมการที� 3�62 7) เปรียบเทียบผลการอินทริเกรตกับค่าคงที�สตรีมเมอร์ท�ีกาํ หนด 8) �้าผลการอินทริเกรตมีค่าน้อยกว่าค่าคงที�สตรีมเมอร์ให้เ�ิ�มขนาดแรงดันไฟฟ้า แล้วทําการคํานวณตามขัน� ตอนที� 4) ��งขัน� ตอนที� 7) ใหม่ 9) เม��อความแตกต่างระหว่างผลการอินทริเกรตกับค่าคงที�สตรีมเมอร์มีคา่ น้อยกว่า ค่าที�กาํ หนด แรงดันที�ใช้ในการคํานวณจะเท่ากับแรงดันเบรกดาวน์หร�อแรงดัน โคโรน่าเริม� เกิด แผนผังขัน� ตอนการคํานวณแสดงในรูปที� 3�42


ดิสชาร์จในแก๊ส - 130 เริ� มการคํานวณ ประมาณฟั งก์ ชันการกระจายของความเครี ยด สนามไฟฟ้ าระหว่ างอิเล็กโตรด

หาแฟกเตอร์ สนามไฟฟ้ า

กําหนดแรงดันไฟฟ้ าเริ� มต้ น เ�ิ�มขนาด แรงดันไฟฟ้ า

หาสมการสัมประสิทธิ� ไอออไนเซชันประสิทธิผล

หาระยะวิกฤติ

น้ อยกว่ า

เปรี ยบเทียบ ผลการอินทริ เกรตกับ ค่ าคงที�สตรี มเมอร์ เท่ ากับ แรงดันเบรกดาวน์

จบการคํานวณ

ร�� 3�� น� ��นการ��าน��าแร�ด�น��รกดา�น์ ��3�


คําถามท้ายบทที� 3 3.1 คุณสมบัติท� ัวไปของแก๊ สคืออะไร และเหตุใดจ�งถูกนํามาใช้เป็ นฉนวนหลักในระบบส่งจาย กําลังไฟฟ้า 3.2 จงยกตัวอย่างและอธิบายการทํางานของอุปกรณ์ท�ีประยุกต์การเสียส�าพของการเป็ นฉนวน ของแก๊สไปใช้ประโยชน์ในงานอุตสาหกรรมและทางการแพทย์ 3.3 การเคลื�อนที�ของอนุ�าคที�มีประจุในแก๊ส�ายใต้สนามไฟฟ้ามีลกั ษณะเป็ นอย่างไร 3.4 จงอธิบายการชนแบบต่าง�ที�ทาํ ให้เกิดการไอออไนเซชันหรือการกระตุน้ ในแก๊ส 3.5 สัม ประสิ ท ธิ� ก ารชนไอออไนเซชัน ที� ห น�� ง ของทาวน์เ ซนด์คื อ อะไร และมี ค วามสัม พัน ธ์กับ ความเครียดสนามไฟฟ้าและความหนาแน่นของแก๊สอย่างไร 3.6 เหตุใดการเกิดไออไนเซชันเนื�องจากกระบวนการ β จ�งส่งผลน้อยมากต่อการเพิ�มทวีคณ ู ของ อนุ�าคที�มีประจุในแก๊สที�ความดันบรรยากา� 3.7 โฟโตไอออไนเซชันคืออะไรและมีเงื�อนไขในการเกิดเป็ นอย่างไร 3.8 ฟั งก์ชนั งานมีความสัมพันธ์อย่างไรกับการปล่อยอิเล็กตรอนออกจากผิวโลหะ 3.9 การเกิดเบรกดาวน์แบบสมบูรณ์กบั เบรกดาวน์เพียงบางส่วนมีความต่างกันอย่างไร 3.10 จงอธิบายถ�งความสําคัญของกระบวนการขัน� สองที�มีตอ่ การเกิดเบรกดาวน์ในแก๊ส 3.11 ข้อจํากัดของทฤษฎีการเกิดเบรกดาวน์ของทาวน์เซนด์คืออะไร 3.12 จงอธิบายกฏของพาสเชนพร้อมยกตัวอย่างการนําไปประยุกต์ใช้ 3.13 อะวาลานซ์วิกฤตคืออะไร และมีความสําคัญอย่างไรต่อการเกิดเบรกดาวน์แบบสตรีมเมอร์ 3.14 แก๊สไฟฟ้าลบมีผลอย่างไรต่อระบบฉนวนแก๊ส หากมีการเติมแก๊สดังกล่าวเพิ�มเข้าไปในระบบ ฉนวน 3.15 ทําไมแรงดันเบรกดาวน์ของแก๊สผสมจ�งมีคา่ ตํ�ากว่าแรงดันเบรกดาวน์ของแก๊สฉนวนบริสทุ ธิ� 3.16 เหตุใดการเกิดเบรกดาวน์ในแก๊สเนื�องจากแรงดันอิมพัลส์ จ�งมีลกั ษณะข้อมูลของการเกิดเบรก ดาวน์เป็ นสถิติ 3.17 จงอธิบายวิธีการหาเส้นลักษณะแรงดัน-เวลาของอุปกรณ์ไฟฟ้าแรงสูง พร้อมยกตัวอย่างการ นําเส้นลักษณะแรงดัน-เวลาที�หาได้ไปใช้จริงในทางปฏิบตั ิ 3.18 จงอธิบายความแตกต่างของลักษณะเส้นเขตอิมพัลส์ระหว่างแกปของทรงกลมและแกปของ แท่งกลมปลายแหลม ดังที�แสดงในรูป �3.1


3.19 3.20 3.21 3.22 3.23


รูป P3.1 เส้นลักษณะแรงดัน-เวลา เ�ต�ใดในระบบ�นวนแก๊สที�มีการกระจายสนามไฟฟ้าแบบไม่สม��าเสมอสูง แรงดันเบรกดาวน์ ขัว� ลบจะมีคา่ สูงกว่าแรงดันเบรกดาวน์ขวั� บวก ความดันวิกฤตคืออะไร และมีผลอย่างไรต่อการเกิดเบรกดาวน์ในแก๊ส ประจ�คา้ งมีผลต่อค่าแรงดันเบรกดาวน์ของอิเล็กโตรดที�มีการกระจายของสนามไฟฟ้าแบบไม่ สม��าเสมอสูงอย่างไร ปริมาณไอน�า� ที�อยูใ่ นแก๊สมีผลอย่างไรต่อค่าสัมประสิท�ิ�การไอออไนเซชัน จากรู ป P3.2 จงอ�ิ บายว่าแรงดันเบรกดาวน์กระแสตรงขัว� ลบจ�งมีค่าสูงกว่าค่าแรงดันเบรก ดาวน์ก ระแสสลับ ในเมื� อ ระยะเวลาการคงอยู่ข องแรงดัน กระแสตรงมี ม ากกว่ า แรงดัน กระแสสลับ Ub (kV)

- DC

AC

d (m)

รูป P3.2 แรงดันเบรกดาวน์ของอิเล็กโตรดแท่งกลม-ระนาบ


3.24 อิ เ ล็ค โตรดแบบทรงกระบอกซ้อ นแกนร่ว ม มี เ ส้น ผ่า นศูน ย์ก ลางของทรงกระบอกในและ ทรงกระบอกนอกเท่ากับ 20 mm และ �0 mm ตามลําดับ ป้อนแรงดันขัว� บวกขนาด 375 kV ให้กบั อิเล็คโตรดในและอิเล็คโตรดนอกต่อลงดิน กําหนดให้การกระจายสนามไฟฟ้าระหว่างทรงกระบอกและสัมประสิทธ์ไอออไนเซชันยังผล ของแก๊สที�อยูร่ ะหว่างทรงกระบอกเป็ นดังนี � E=

V r  ln  4 

α = 0.01E 2  1

เมื�อ หน่วยของแรงดันไฟฟ้าและระยะทางคือ kV และ mm ตามลําดับ จงคํานวณหา 3.24.1 ระยะวิกฤต 3.24.2 �้าอิเล็คตรอนเริม� ต้นจํานวน 1 ตัว �ูกปล่อยที�ระยะวิกฤต ขนาดของอิเล็คตรอนอะวา ลานซ์ท�ี r = 10 mm มีคา่ เท่าไร 3.24.3 �้าอิเล็คตรอนเริม� ต้นจํานวน 1 ตัว �ูกปล่อยที� r = 30 mm ขนาดของอิเล็คตรอนอะวา ลานซ์ท�ี r = 10 mm มีคา่ เท่าไร 3.24.4 จากผลการคํานวณในข้อ 3.24.2 ระบบอิเล็คโตรดแบบทรงกระบอกซ้อนแกนร่วมนีจ� ะ เกิดการเบรกดาวน์หรือไม่ 3.25 ระบบอิเล็กโตรดแบบแท่งกลม-ระนาบ ดังแสดงในรูป P3.3

เมื�อกําหนดให้

รูป P3.3 อิเล็กโตรดแบบแท่งกลม-ระนาบ

การกระจายของสนามไฟฟ้าในแนวเส้นสนามวิกฤต:

E = 10.5 +

20

 0.8 + x 

2



ส�ม�ระสิ��์ไอออไนเ�ช�น��ง�ลของแก๊ส��อ��ร� ะหว�างอิเล็กโตรด� α = 0.01E 2  4 เม��อ หน�ว�ของแรงด�นไฟฟ้าและระ�ะ�างค�อ �� และ �� ตามลําด�บ จงคํานวณหา 3.25.1 แฟกเตอร์สนามไฟฟ้าของระบบอิเล็กโตรด 3.25.2 จํานวนอิเล็กตรอนอะวาลานช์�ง� หมด��เกิดข�น� ในระบบอิเล็คโตรด 3.25.3 ระบบอิเล็กโตรดจะเกิดเบรกดาวน์หร�อไม� เม��อกําหนดให้ค�าคง��ของการเกิดเบรก ดาวน์ K = 10 3.25.4 ขนาดของแรงด�นไฟฟ้า��อ้ นให้กบ� อิเล็กโตรดแรงส�ง

- 135 -

บทที� 4 เบรกดาวน์ในฉนวนเหลว ��งเหลว คื� สสาร��ม�ระ�ะระหว่าง�นุ�าคน้��กว่าแก�ส แรง��ดเหน��วระหว่าง�นุ�าคม�คา่ ส�ง��น� �ํา�ห้�นุ�าค��ง��งเหลวเคลื��น��ไ�มาได้�นระ�ะ�างสัน� ๆ ม�การเ�ล��นตําแหน่งกันไ�มา ระหว่าง�นุ�าค��่�กล้กนั เกิดการไหลเลื��นไ�บน�นุ�าค�ื�นๆ ดังนัน� ��งเหลวจ�งไหลได้หรื�แพร่ ได้ จากคุณสมบัติการไหล��ง��งเหลว�ํา�ห้��งเหลวม�ร��ร่างไม่แน่น�น เ�ล��นแ�ลงไ�ตาม ลักษณะ��ง�าชนะ��บรรจุ แต่��งเหลวจะม��ริมาตรคง��ไม่เ�ล��นแ�ลงตาม�าชนะ��บรรจุดงั �น กรณ��งแก�ส เนื��งมาจาก�ล��งแรง��ดเหน��วระหว่าง�นุ�าค ��งเหลว��นาํ มา�ช้เ�� น�นวนไฟฟ้าจะต้�งม�ความต้าน�านไฟฟ้าส�งมากพ� สามารถคง ลัก ษณะสมบัติ เช่ น ความถ่ ว งจํา เพาะ (specific gravity) จุด วาบไฟ (flash point) ความหนื ด (viscocity) และแฟกเต�ร�กาํ ลังส��เส�� (loss factor) ได้�นช่วงเวลา��นานพ�สมควร �ด�หลักการ แล้ว��งเหลวสามารถ�ําหน้า��เ�� น�นวนไฟฟ้าได้ด�กว่าแก�ส เนื��งจากม�ความหนาแน่นมากกว่าแก�ส จ�งม�ความคง�นต่�แรงดันไฟฟ้าส�งกว่าแก�ส ��ก�ัง� ��งเหลว�ังม�คณ ุ สมบัติการระบา�ความร้�น�� ด�กว่าแก�ส เกิดการไหลวน��ง�นวนเหลว�า��น�ุ�กรณ�ไฟฟ้า �ํา�ห้การแลกเ�ล��นความร้�นเกิด ได้ด��งิ ��น� �นวนกระดาษ-นํา� มัน (�il ��pregnate� �aper) เ�� นหน��ง�นระบบ�นวนไฟฟ้า��ช้กนั มาก ร�งจาก�นวน�ากา� ได้จ ากการ�สมคุณ สมบัติ� �งนํา� มัน แร่ (�ineral oil) กับ กระดาษ�นวน (press�ora�) เ�้าด้ว�กัน ม�ความเ�� น�นวนไฟฟ้า การ�นความร้�น และการดับ�าร�ก��ด� ถ�ก�ช้�น �ุ�กรณ�ไฟฟ้าแรงส�ง เช่ น หม้�แ�ลงไฟฟ้ากําลัง สวิ ตช�ตัดต�น และเ��ร�กิ ตเบรกเก�ร� �� ระดับ แรงดันไฟฟ้าต่างๆxvii แต่ม�ความเส��ง��จะเกิดไฟไหม้เนื��งจากการล้มเหลว��ง�นวนกระดาษ-นํา� มัน �ํา�ห้ม�การลด�ริมาณการ�ช้�นวนดังกล่าวลงหรื�หา�นวนชนิด�ื�น��ไม่ติดไฟมา�ดแ�นนํา� มันแร่ �ด��น�ั จจุบนั �นวนกระดาษ-นํา� มันจะถ�ก�ช้�น�ุ�กรณ�ไฟฟ้า��ม�พิกดั กําลังส�ง เช่น หม้�แ�ลงไฟฟ้า และตัวเหน��วนํา เนื��งจากกําลังส��เส��ส�ง �ํา�ห้ต�้ งม�การระบา�ความร้�น��ด�กว่า�ุ�กรณ��ืนๆ ��ง� นํา� มันแร่ถื�เ�� น�งค��ระก�บหลัก��งระบบ�นวน�ําหน้า��ระบา�ความร้�น ส่วนกระดาษ�นวนหรื� กระดาษเ�ลล��ลส (cell�lose paper) �ช้�นส่วน�ครงสร้างเพื��ร�งรับนํา� หนัก��ง�ดลวดและแรง�าง กล��เกิดจากการไหล��งกระแสไฟฟ้า

xvii

ระดับแรงดันไฟฟ้าส�งสุด��ช้�น�ั จจุบนั เ�่ากับ 1��

- 136 - เบรกดาวน์ในฉนวนเหลว

เบรกดาวน์ในฉนวนเหลว - 136 -

4.1 องค์ประกอบทางเคมีของนํา� มันแร่ น�า� ม�นแร��กน�ามาใ�้เป็ นฉนวนของอ�ปกร�์ไฟฟ้าก�าล�งมาเป็ นระ�ะเวลานาน เน��องจากมี ล�ก��ะเฉพาะที�ดีหลา�อ��าง เ��น ความหน�ด จ�ดวาบไฟ และจ�ดไหลเทxviii เป็ นต้น ได้มาจากการ กล��นปิ โตรเลี�ม ประกอบไปด้ว�แนฟทาลีน (��i�) 42�� พาราฟิ น (��i�i�) 44�2� และอะโรมาติก (��i�) 12�� ร� ปที� 4�1 แสดงส�วนประกอบและโครงสร้างโมเลก�ลของน�า� ม�น ฉนวน ความ�าว และความซ�บซ้อนของโมเลก�ลจะข�น� ก�บจ�านวนของส�วนประกอบ เป็ น�ลให้มวล โมเลก�ลของน�า� ม�นฉนวนเป็ นเพี�งค�าเฉลี��เท�าน�น� ก�าล�งส��เสี�ของน�า� ม�นแร�จะข�น� ก�บปริมา�ของ ส�วนประกอบอะโรมาติก ซ�ง� มีหน้าที��บ� ��ง� การเกิดแก�สxix (�i��v�� ) เม��ออ�� า�ใต้ความเครี�ด สนามไฟฟ้า

H

C

C

C

H

H

H

C C

C H

HH C

C

H C

H

C

C

C

C

H H

00

H

H

H H H

H

H

H

H

C

C H

H

C

C

H

H

ก) โมเลก�ลน�า� ม�นฉนวน H C

C H

H C

C H

H C

H

C

H

00

H H H H

H

C

C C HH H

H

ข) แนฟทาลีน

H

H

H

H

C

C

C

H

H

H

H

C

H

C

C

C

C C

H

H

ค) พาราฟิ น

ง) อะโรมาติก

ร�ปที� 4�1 โมเลก�ลและส�วนประกอบของน�า� ม�นฉนวน

xviii xix

��i�� i�� ค�อ อ��ห��มิต�าส�ดที�นา� ม�นเริม� แข็งต�วกลา�เป็ นของแข็งหร�อไข (��x)

แก� ส ที� ล ะลา�อ�� ใ นน��า ม� น ฉนวน เ�� น มี เ ทน (CH4) อี เ ทน(C2H6) เอทิ ลี น (C2H4) อะเซทิ ลี น (C2H2) ไฮโดรเจน (H2) คาร์บอนมอนอกไซด์ (CO) และคาร์บอนไดออกไซด์ (CO2)

เบรกดาวน์ เบรกดาวน์ในฉนวนเหลว ในฉนวนเหลว - 137 137 --

น�า� มันฉนวนนอกจากม� ส�า�ต้านทานไฟฟ้า (volume resistivit�) ส�ง ก�า ลัง ส��เส�ย ต��า ยัง ต้องม� ความสามารถในการด�ด�ับแก�ส การเสื�อมส�า�ของกระดา�ฉนวนเนื�องจากความร้อนจะท�าให้เกิด แก�สคาร์บอนมอนอกไ�ด์และคาร์บอนไดออกไ�ด์ แก�สท��ติดไฟได้ เช่น ไ��ดรเจน ท��เกิดจากการแตก ตัวของ�มเลกุลน�า� มันเมื�ออย�่�ายใต้ส�าวะท��ความเคร�ยดสนามไฟฟ้าและอุณห��มิส�ง �ึ�งม�ความ เข้มข้นเ�ิ�มขึน� ตามเวลา และท�าให้เกิดฟองแก�สเมื�อน�า� มันเกิดการอิ�มตัว (saturation) การเสื�อมส�า� ของน�า� มันฉนวนสามารถประเมินได้จากการวัดปริมาณของแก�สท��ละลายอย�่ในน�า� มัน (content of dissolved gas) นอกจากน�ย� งั ม�การเติมสารเติมแต่ง (additives) เช่น di-t-�ut�l-p-cresol (��) เ�ื�อชะลอการเกิดป�ิกิรยิ าออก�ิเดชั�นxx (oxidation reaction) และการเกิดตะกรัน (sludge) หรือการ เติมสารอะ�รมาติกเ�ื�อด�ด�ับและยับยัง� การเกิดแก�สในน�า� มันฉนวน 4.2 นํา� มันฉนวนสังเคราะห์ จากคุณสมบัตทิ �ด�หลายอย่างของน�า� มันแร่ท�ได้กล่าวมาในข้างต้น เช่น ความเป็ นฉนวน ทน ต่อความร้อน ราคาไม่แ�ง และม��ลกระทบต่อสิ�งแวดล้อมเล็กน้อย จึงม�การใช้กนั อย่างแ�ร่หลายใน อุตสาหกรรมไฟฟ้าตัง� แต่ อุปกรณ์ไฟฟ้าขนาดให�่ ได้แก่ หม้อแปลงไฟฟ้า ความเหน�� ยวน�าชั�นท์ (shunt reactor) จนถึ ง อุ ป กรณ์ ไ ฟฟ้ า ขนาดเล็ ก ได้แ ก่ ตั ว เก็ บ ประจุ ช ดเช ย (compensation capacitor) หม้ อ แปลงแรงดั น แบบตั ว เก็ บ ประจุ (coupling capacitor voltage transformer) อย่างไรก็ตามฉนวนกระดา�-น�า� มัน ก็ยงั ม�ขอ้ เส�ยและข้อจ�ากัดเมื�อน�าไปใช้อุปกรณ์ไฟฟ้าแรงส�งท�� ระดับแรงดันมากกว่า �� ม�ความเส��ยงไฟไหม้หลังจากเกิดการ�ิด�ร่องและม�กา� ลังไฟฟ้าส��เส�ย ส�งในน�า� มันฉนวน ท�าให้ม�ความ�ยายามในการวิจยั และ�ั�นาฉนวนเหลวชนิดใหม่ น�า� มันฉนวนท��ม� ความบริสุทธิ�ส�ง น�า� มันฉนวนสังเคราะห์ เช่น น�า� มัน�ิลิ�คน (silicone oil) เ�อร์ฟล�ออ�รคาร์บอน (per-fluorocar�ons� ��s) และเอสเทอร์ (ester) �ึ�งม� คุณสมบัติเท� ยบเท่าหรือด�กว่าน�า� มันแร่ ม� ความเส��ยงต่อการลุกไหม้นอ้ ย ม�ความเข้ากันได้ (compati�ilit�) กับวัสดุฉนวนใหม่� เช่น �อลิเมอร์ ได้ด�กว่า ม�ความคงทนทางไฟฟ้าส�งขึน� และ�ลังงานส��เส�ยต��า ��1 คุณสมบัตทิ �จา� เป็ นส�าหรับน�า� มันฉนวนสังเคราะห์ ฉนวนเหลวท��จะน�ามาใช้ทดแทนน�า� มันแร่ ต้องม�คณ ุ สมบัติท�สา� คั�ดังน� � ม�ความเป็ น ฉนวนท��ด� ม�ส�า�ต้านทานไฟฟ้าส�ง การส��เส�ยท��ความถ��กา� ลังน้อย หาได้ง่าย ราคาประหยัด

xx

ป�ิ กิ ริ ย าท�� มเลกุล หรื อ อะตอมม� ก ารส�� เส� ย อิ เ ล็ก ตรอนจากวง�คจรให้กับ �มเลกุล ท�� ท า� หน้า ท�� เ ป็ น ตัว รับ อิเล็กตรอน



มีความบริสทุ ธิ�สงู ทนต่อการเกิดออกซิเดชันและไฮโดรลิซิสxxi (hydrolysis reaction) จุดวาบ ไฟสูงหรือไม่ตดิ ไฟ จุดไหลเทตํ�า ทนต่อการดิสชาร์จบางส่วน ดูดซับแก๊สไฮโดรเจนได้ดี เ�้ากัน ได้กับวัสดุฉนวนที�ใช้ร่วมกัน ไม่เ�็ นพิ� และส่ง�ลกระทบต่อสิ�งแวดล้อมน้อย ตารางที� 4.1 แสดงคุณสมบัติท�ีจาํ เ�็ นต้องมีสาํ หรับอุ�กรณ์ไฟฟ้ากําลัง�องนํา� มันฉนวนสังเคราะห์และ นํา� มันแร่ ตารางที� 4.1 คุณสมบัต�ิ องนํา� มันฉนวนสังเคราะห์และนํา� มันแร่ �24� คุณสมบัติ ความคงทนต่อแรงดันไฟฟ้า (kV/mm) กระแสสลับ อิมพัลส์ แฟกเตอร์กาํ ลังสูญเสีย 5 C 100 C สภาพต้านทานไฟฟ้า (m) 100 C ค่าคงตัวไดอิเล็กตริก การเกิดแก๊ส (L/min) 50 min, 65 C, 10 kV ความหนาแน่นสูงสุด (g/mL) 15 C แรงต�ง�ิวตํ�าสุด (m�/m) ความหนืด (mm/s2) -40 C 0 C 40 C �ริมาณนํา� สูงสุด (��m) 20 C

xxi

นํา� มันฉนวน สังเคราะห์

นํา� มันแร่ (Voltesso 35)

30 -

35 150

5  10-4 5  10-3

2.85  10-3 5  10-3

2.2 – 2.3

1  1013 2.2

-13.1

ลบ

0.998 40

0.866 45

6000 75 10

2000 50 8

10

45

��ิกิรยิ าที�สารทํากับนํา� แล้วทําให้สารละลายมี � � เ�ลี�ยนแ�ลงไ� ทําให้ได้สารละลายที�มีสมบัติเ�็ น กรด เบส หรือกลาง


ตารางที� 4.1 คุณสมบัตขิ องนํา� มันฉนวนสังเคราะห์�ละนํา� มัน�ร่ (ต่อ) �24� คุณสมบัติ จุดไหลเทสูงสุด (C) จุดวาบไ�ตํ�าสุด (C) ความร้อนจําเพาะ (J/gC) สัมประสิทธิ�การขยายตัว จากความร้อน (1/C) การนําความร้อน (Cal/cmsC) 20 - 100 C ดัชนีการเป็ นกรดสูงสุด (mg KOH/g) ความเป็ นพิษ การย่อยสลายได้ทางชีวภาพ ปริมาณ BCP

นํา� มันฉนวน สังเคราะห์ -50 146 0.025 ไม่เป็ นพิษ สูง ไม่พบ

นํา� มัน�ร่ (Voltesso 35) -51 150 - 160 1.04 7 – 8  10-4 3 - 4  10-4 0.03 ไม่เป็ นพิษ สูง ไม่พบ

4.2.2 นํา� มันฉนวนสังเคราะห์ท�ีใช้ในปั จจุบนั การพั� นานํา� มัน ฉนวนสัง เคราะห์ใ นปั จ จุบัน สามาร��บ่ง ได้เ ป็ น สองกลุ่ม ตาม อุปกรณ์ไ��้าที�นาํ นํา� มันฉนวนไปใช้งาน กลุ่ม�รก ค�อ อุปกรณ์ไ��้ากําลังขนาดให�่ เช่น หม้อ�ปลงไ��้า�ละความเหนี�ยวนําชัน� ท์ การฉนวนของอุปกรณ์จะ�ูกกําหนดด้วยฉนวน เหลว ส่วนกลุ่มที�สอง ได้�ก่ สายเคเบิล�รงสูง �ละตัวเก็บประจุท�ีใช้ต่อชดเชยหร�อใช้ในหม้อ �ปลงวัด�รงดันไ��้า ฉนวนที�ใช้ในอุปกรณ์เหล่านีจ� ะเป็ นฉนวนกระดาษ-นํา� มัน กระดาษ�ิ ล์ม �พลี � พรพิ ลี น หร� อ �ิ ล์ม �พลี � พรพิ ลี น �ดยในบทนี �จ ะกล่ า ว�� ง เฉพาะนํ�า มัน ฉนวน สังเคราะห์ท�ีใช้กบั อุปกรณ์ไ��้าขนาดให�่เท่านัน� �ดยทั� ว ไปนํ�า มั น ฉนวนจะ�ู ก ใช้ใ นสนามไ��้ า ที� มี ค วามเครี ย ดตํ�า ประมาณ 2 �V/mm ��ง 5 �V/mm (สนามไ��้าไม่สมํ�าเสมอในนํา� มันฉนวนปริมาณมาก�) ทําให้การ เล�อกใช้ฉนวนเหลวสังเคราะห์เพ��อมาทด�ทนนํา� มัน�ร่จะให้ความสําคั�กับการลดความ เสี�ยงจากไ�ไหม้ท�ีเกิดจากอาร์ก�ละประกายไ�ภายในตัวอุปกรณ์ ในปี ค.�.1930 ได้มีการ ค้นพบไบ�ิ นิล�พลีคลอไรด์ (BCPs) เป็ นของเหลวที�ไม่ไวต่อป�ิกิริยาเคมี (��e�t ��s�lat��g �l��s) ติดไ�ได้ยาก มีความเป็ นฉนวนสูง สามาร�นํามาใช้�ทนนํา� มัน�ร่ได้ �ต่มี�ลกระทบ ต่อสิ�ง�วดล้อมมาก ทําให้�กู ห้ามใช้ในอุปกรณ์ไ��้าตัง� �ต่ปี ค.�. 1978



จากข้อเสียของไบฟิ นิลโพลีคลอไรด์ทาํ ให้เกิ ดความพยายามในการพัฒนาฉนวน เหลวชนิดใหม่ท�ีติดไฟได้ยาก ต้องมีคณ ุ สมบัติการเป็ นฉนวนเทียบเท่าหรือดีกว่านํา� มันแร่ มี ราคาไม่สูงมากเพราะต้องใช้เป็ นปริมาณมากสําหรับการฉนวนในหม้อแปลงไฟฟ้ากําลัง ขนาดใหญ่ และที�สาํ คัญคือจะต้องไม่ทาํ ให้เกิดผลกระทบต่อสิ�งแวดล้อมเมื�อเกิดการรั�วไหล จากภาชนะที�บรรจุ ฉนวนเหลวหลายชนิดที�ได้รบั การพัฒนามาตัง� แต่ปี ค.�. 1980 แบ่งออก ได้เป็ นสี�กลุม่ ได้แก่ อะลิฟาติกไ�โดรคาร์บอน (�lip��ic ��d�oc��on) นํา� มัน�ิลิโคน เพอร์ ฟลูออโรคาร์บอน และเอสเทอร์สงั เคราะห์ โดยคุณสมบัติท�ีสาํ คัญของฉนวนเหลวแต่ละกลุม่ ได้แสดงไว้ในตารางที� 4.2 ตารางที� 4.2 คุณสมบัตขิ องนํา� มันฉนวนสังเคราะห์ท�ีใช้ในหม้อแปลงไฟฟ้ากําลัง �24� คุณสมบัติ RTEmp POA ความคงทนต่อแรงดันไฟฟ้า 43 43 กระแสสลับ (kV/mm) แฟกเตอร์กาํ ลังสูญเสีย ที� 25 C สภาพต้านทานไฟฟ้า (m) 100 ค่าคงตัวไดอิเล็กตริก 2.2 การเกิดแก๊ส (L/min) บวก บวก 50 min, 65 C, 10 kV ความหนาแน่นสูงสุด (g/mL) 0.87 0.85 – 0.87 แรงตึงผิว (mN/m) ความหนืด (mm/s2) -40 C 0 C 20 – 25 C 100 – 140 33 100 C 13 6 ปริมาณนํา� (ppm) 89 70 - 75 จุดไหลเท (C) -24 -30, -50 จุดเดือด (C) 430 240 จุดวาบไฟ (C) 285 265 - 280 จุดติดไฟ (C) 310 305 - 310 การเผาไหม้ สูง สูง ความร้อนจําเพาะ (J/gC) 1.9 1.51

Silicone -

FC-75 -

Midel -

< 10-4

< 5 10-4

< 10-3

1 1015 2.7 -

1.85 ไม่มี H2

1 1015 4 – 6.3 -

0.96 -

1.76 12

0.975 -

50 15 6.5 2 200 - 250 -55 101 300 - 305 340 - 360 1.04

0.85 -113 ไม่มี ไม่มี -

330 100 50 6 >1000 -30, -50 > 400 250 - 260 310 - 330 สูง 1.8 – 2.1


ตารางที� 4.2 คุณสมบัตขิ องนํา� มันฉนวนสังเคราะห์ท�ีใช้ในหม้อแปลงไฟฟ้ากําลัง (ต่อ) �24� คุณสมบัติ สัมประสิทธิ�การขยายตัว จากความร้อน (1/C) การนําความร้อน (W/mC) การย่อยสลาย ความเป็ นพิษ การย่อยสลายได้ทาง ชีวภาพ

RTEmp POA Silicone -4 -4 7.3  10 7.1  10 0.13 H2, CO, CO2, HC ไม่ สูง

-

0.15

H2, CO, H2, CO, CO2, HC HC, SiO2 ไม่ ไม่ สูง ตํ�ามาก

FC-75 -

Midel 8  10-4

-

0.16

-

H2, CO, CO2, HC ไม่ ดีมาก

-

4.2.2.1 อะลิฟาติกไฮโดรคาร์บอน ในระยะแรกฉนวนในกลุม่ นีไ� ด้จากการปรับปรุ งกระบวนการกลั�นนํา� มันแร่ให้ดี ข�น� เป็ นนํา� มันฉนวนที�มีความบริสทุ ธิ�สงู เช่น RTEmp เป็ นต้น ส่วนฉนวนเหลวชนิดอื�น จะมาจากการทํ า พอลิ เ มอร์ ไ รเซชั น xxii (Polymerization) ของอั ล ฟาโอเลฟิ น (alphaole�ins) ซ��งมีคุณสมบัติความเป็ นฉนวนใกล้เคียงกับนํา� มันแร่ เป็ นโครงสร้าง ไฮโดรคาร์บอนที� มี ลักษณะเป็ นโซ่ก�ิ งมาก ทํา ให้สามารถคงสภาพเป็ นของเหลวได้ ในช่วงอุณหภูมิกว้าง มี การระเหยตํ�า และมี คุณสมบัติทางความร้อนที� ดีข�น แต่ก็มี ข้อเสียหลายประการ คือ มีราคาแพง ความหนืดสูง เกิดแก๊สได้ง่าย และความคงทนต่อ แรงดันไฟฟ้าข�น� กับความชืน� ฉนวนเหลวในกลุม่ นีส� ว่ นให�่จะถูกใช้ในหม้อแปลงไฟฟ้า ของระบบควบคุมล้อรถไฟฟ้า (traction system) 4.2.2.2 นํา� มันซิลโิ คน นํา� มันซิลิโคนอยู่ในกลุ่มสารประกอบจําพวกซิลิโคน ประเภทพอลิไดเมทิลไซ ลอกเซน (Polydimethylsiloxane, PDMS) เป็ นของเหลวใส ไม่มีสี ทนต่อการติดไฟ คง สภาพเป็ นของเหลวได้ทงั� ที�อุณหภูมิต�าํ และสูง มีความเป็ นฉนวนที�ดี จุดเด่นที�สาํ คั� ของนํา� มันซิลิโคน ได้แก่ ความมีเสถียรภาพทางความร้อนและเคมีท�ีดี ความต้านทาน ต่อ การเกิ ด ออกซิเ ดชัน ไม่ ไ วไฟ ใช้ร่ว มกับ วัส ดุฉ นวนอื� น ได้ดี และมี � ลกระทบต่อ สิ�งแวดล้อมน้อย แต่มีราคาสูงกว่านํา� มันแร่ประมาณสิบเท่า ไม่เหมาะใช้เป็ นสารหล่อ xxii

กระบวนการเกิดสารที�มีโมเลกุลขนาดให�่ (polymer) จากสารที�มีโมเลกุลเล็ก (monomer)



ลื� น ความชื น� มี � ลต่อ ความคงทนต่อ แรงดัน ไฟฟ้ า เกิ ด การก่ อ ตัว เป็ น เจลเมื� อ เกิ ด ดิสชาร์จบ่างส่วน และไม่ย่อยสลายตามธรรมชาติ ส่วนให�่นา� มันซิลิโคนถูกใช้เป็ น ฉนวนแทนน�า� มันแร่ในหม้อแปลงไฟฟ้าแรงต��าเนื�องจากมีคา่ แรงดันเบรกดาวน์ต�า 4.2.2.3 เพอร์ฟลูออโรคาร์บอน เพอร์ฟลูออโรคาร์บอนถูกพั�นามาตัง� แต่ปี ค. �. 1950 และใช้ในหม้อแปลง ไฟฟ้าต้นแบบที�ไม่ติดไฟ โดยใช้ช�ือทางการค้าว่า FC-75 เป็ นฉนวนที�มีเสถียรภาพทาง ความร้อนดีมาก ไม่ติดไฟ ความจุความร้อนสูง เป็ น พิ ษ ต��า และไม่มี �ลกระทบต่อ สิ�งแวดล้อม ข้อเสียของฉนวนกลุม่ นี � คือ มีราคาสูงมาก สารที�เกิดหลังจากการ�ิดพร่อง หรือไฟไหม้ ได้แก่ ไฮโดรฟลูออริค (HF) เตตระฟลูออโรเอทิลีน (C2F4) และ คาร์โบนิล ฟลูออไรด์ (F2CO) เป็ นสารพิษ 4.2.2.4 เอสเทอร์สงั เคราะห์ เอสเทอร์สัง เคราะห์เ ป็ น สารประกอบที� ไ ด้จ ากสารเคมี ใ นกลุ่ม เพนตะอี รี ไธรทอล เอสเทอร์ (pentaerythritol esters) หรือ Midel มีเสถี ยรภาพทางความร้อน และเคมีท�ีดี ติดไฟยาก เข้ากันได้กบั น�า� มันแร่และวัสดุฉนวนที�ใช้ท�วั ไป เป็ นสารหล่อลื�น ที�ดี ความคงทนต่อแรงดันไฟฟ้าไม่ข�นกับความชืน� ไม่เป็ นพิษ และไม่มี�ลกระทบกับ สิ�งแวดล้อม แต่มีขอ้ เสียคือสามารถจับตัวกับน�า� ได้ดีทา� ให้ปริมาณความชืน� ในฉนวน เพิ�มข�น� ตามเวลา 4.3 กลไกการเบรกดาวน์ในฉนวนเหลว การเกิดเบรกดาวน์ในฉนวนเหลวสามารถอธิ บายได้โดยใช้กระบวนการไอออไนเซชันและ การกระตุ้น เช่ น เดี ย วกับ ในฉนวนแก๊ ส อย่ า งไรก็ ต ามจากความแตกต่า งกัน ของคุณ สมบัติ ท าง กายภาพและทางเคมีระหว่างฉนวนทัง� สองประเภท เช่น ความหนาแน่น ความแข็งแรงของพันธะเคมี ระยะอิสระหรือพลังงานของอิเล็กตรอนในระหว่างการชนแต่ละครัง� ท�าให้ขนั� ตอนที�ทา� ให้การดิสชาร์จ ในฉนวนแต่ละประเภทมีความแตกต่างกัน 4.3.1 ฉนวนเหลวบริสทุ ธิ� ฉนวนเหลวบริสุทธิ� หมายถ�ง ฉนวนเหลวที�ประกอบด้วยโมเลกุลที� มีโครงสร้างไม่ ซับ ซ้อ น ฉนวนเหลวที� มี ก าร�� ก ษากั น มากที� สุด คื อ พาราฟิ นไฮโดรคาร์บ อน (para�in hydro�ar�on) ซ��งมีลกั ษณะโมเลกุลเป็ นเส้นตรง ได้แก่ เพนเทน (C5H12) เฮปเทน (C7H16) ออกเทน (C8H18) โนเนน (C9H20) เดกเคน (C10H22) และโดยเฉพาะ เฮกเซน (C6H14) มี จุด


เดือด 67 C ความหนืดตํ�า มี�ครงสร้าง�มเลกุลที�ค่อนข้างเสถียร และมีลกั ��ะสมบัติทาง ไฟฟ้าใกล้เคียงกับฉนวนเหลวเ�ิงพา�ิ�ย์ท�ีประกอบด้วยพันธะ CC และ CH ฉนวนเหลวจะถู ก ทํา ให้บ ริ สุ ท ธิ� ไ ด้ด ้ว ยการกํา จัด สิ� ง ปนเปื � อ น (ฝุ่ นและไอออน ปนเปื �อน� และแก�ส (ออก�ิเจนและคาร์บอนไดออกไ�ต์� ที�ละลายอยู่ออกไป ระบบการทํา ของเหลวให้บริสทุ ธิ�แสดงในรูปที� 4.2 ฉนวนเหลวที��า่ นกระบวนการทําให้บริสทุ ธิ�จะมีสภาพ ต้านทานไฟฟ้าสูงถึง 1015 m ถึง 1020 m และมีแรงดันเบรกดาวน์มากถึง 1 MV/cm Cold finger

Vacuum gauge

Vacuum tap Distillation column

To vacuum pump

Filter Vacuum gauge

Test cell With electrodes

Reservoir

To vacuum pump

To vacuum pump

รูปที� 4.2 ระบบการทําฉนวนเหลวบริสทุ ธิ� 4.3.1.1 การนําไฟฟ้า ความสัมพันธ์ระหว่างกระแสไฟฟ้าและความเครียดสนามไฟฟ้าของแกปใน นํา� มันฉนวนแสดงในรู ปที� 4.3 ใน�่วงแรกกระแสไฟฟ้าจะเพิ�มตามขนาดสนามไฟฟ้าที� เพิ�มขึน� เนื�องจากการแตกตัวเป� นไอออนของ�มเลกุลนํา� มันฉนวน จากนัน� กระแสไฟฟ้า จะมีขนาดคงที� ไม่เปลี�ยนแปลงตามความเครียดสนามไฟฟ้า และเพิ�มขึน� แบบทวีค� ู เมื�อความเครียดสนามไฟฟ้ามีค่าสูงกว่า 0.6 MV/cm จากการปล่อยอิเล�กตรอนออก จากแค�ทด�ดยสนามไฟฟ้าและการ�นของไอออนบวก (กระบวนการขัน� สอง�



การเพิ� ม ขึน� อ��า งรวดเร็ว ของกระแสไฟฟ้าจนกระทั�ง เบรกดาวน์ของนํา� มัน ฉนวนดังที�แสดงในรู �ที� 4.3 สามาร�อ�ิบา�ได้ดว้ �กระบวนการไอออไนเซชันโด�การ ชนxxiii อ��างไรก็ตามการเบรกดาวน์ตามกระบวนนี ก� ็�ังไม�สามาร�อ�ิ บา�การเบรก ดาวน์ได้อ��างชัดเจน เน��องจาก�ังมี�ัจจั�อ��น�ที�สง� �ลกระทบต�อแรงดันเบรกดาวน์ของ ฉนวนเหลว

Current

Field-aided

Saturation Ionic 0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2 E , MV/cm

รู�ที� 4.3 ลัก�ณะกระแสไฟฟ้า � แรงดันไฟฟ้าของฉนวนเหลวไ�โดรคาร์บอน 4.3.1.2 การเบรกดาวน์ การเบรกดาวน์เริ�มต้นจากการ�ล�อ�อิเล็กตรอนจํานวนมากจาก�ิวแคโทด อิเล็กตรอนจะได้รบั พลังงานจากสนามไฟฟ้าความเข้มสูงบริเวณแคโทด เกิดความร้อน สูง จนทําให้ฉนวนเหลวในบริเวณนีเ� �ลี��นส�านะจากของเหลวกลา�เ�็ นไอ เกิดเ�็ น ฟองแก๊ส ��i�� ที�มีความคงทนทางไฟฟ้าน้อ�กว�าฉนวนเหลวที�อ�ู�โด�รอบ การเบรกดาวน์ของฉนวนเหลวจึงเกิ ดจากการไอออไนเซชันในแก๊สทําให้ฟองแก๊ สมี จํานวนเพิ�มขึน� และข�า�ตัวจนเช��อมโ�งระหว�างอิเล็กโตรด 4.3.2 กระบวนการนําไฟฟ้าและเบรกดาวน์ในฉนวนเหลว กระบวนการสําคั�ที�เกี��วข้องกับการนําไฟฟ้าและการเกิดเบรกดาวน์ในฉนวนเหลว แบ�งได้เ�็ นสามกระบวนการ ดังนี �

xxiii

ใช้อ�ิบา�การเกิดเบรกดาวน์ในแก�ขนาดเล็ก� เท�านัน�


4.3.2.1 กระบวนการแคโทด การ�ล่อยอิเล�กตรอน�ากแคโทดสามาร�เกิดได้�ากหลายกระบวนการ ดังที� ได้กล่าวมาแล้วในบทที��่านมา กระบวนการที�มีบทบาทส�าคั�ค�อกระบวนการ�าก ความเครียดสนามไ��้าสูงบนพ�น� �ิวแคโทดที�มีลกั ��ะขรุ ขระหร�อไม่เรียบ โดย�ะมี อัต ราการ�ล่ อ ยอิ เ ล� ก ตรอนมากข� น� เม�� อ ไอออนบวกและอนุ� าคขนาดเล� ก �� เคล��อนที�เข้ามาใกล้แคโทด อิเล�กตรอนที��ล่อยออกมา�ะกระตุน้ ให้โมเลกุล ของฉนวนเหลวสั�นสะเท�อนเกิดความร้อนสูงเฉพาะบริเว��นของเหลวระเหยเ�� นไอ เกิดเ�� น�องแก�ส ที�เ�� นต้นเหตุสา� คั�ในการเบรกดาวน์ของฉนวนเหลว 4.3.2.2 กระบวนการชน ในระหว่ า งที� เ คล�� อ นที� ไ �ยั ง อิ เ ล� ก โตรด�ั� งตรงข้า ม อิ เ ล� ก ตรอน�ะ�่ า ย ทอดพลังงานที�ได้รบั �ากสนามไ��้าให้กับโมเลกุลของฉนวนเหลว�่านการชน และ กระตุ้น ให้พัน ธะ CC และ C� ของฉนวนเหลวไ�โดรคาร์บ อนสั�น สะเท� อ นใน ย่านความ�ี�ยา่ นอิน�ราเรดที�มีพลังงาน�ระมา� �.2 �� ง �.4 �� กระบวนการแตกตัว การกระตุน้ และไอออไนเซชัน ต้องการพลังงานในช่วง 3 �� ง 1� �� ซ��งสามาร�สังเกตได้�ากการเร�องแสงในน�า� มันฉนวน นอก�ากนีก� ารอยู่ �ายใต้ความเครียดสนามไ��้าเ�� นเวลานาน�ะท�าให้นา� มันเริ�มกลายเ�� นไข�ากการ แตกตัวและการสลายพันธะทางเคมีของโมเลกุล 4.3.2.3 กระบวนการแอโนด โดยทั�วไ�อิเล�กตรอนและไออนลบ�ะ�ูกท�าให้เ�� นกลางทางไ��้าเม��อเคล��อนที� ��งแอโนด แต่ในข�ะที�อนุ�าค�ระ�ุลบดังกล่าวเข้าใกล้แอโนดและยังไม่�กู ท�าให้เ�� น กลาง �ะเกิดเ�� นกลุม่ �ระ�ุลบที�คล้ายกับอิเล�กโตรดขัดขวางการเคล��อนที�ของ�ระ�ุลบ ที�กา� ลังมา��ง ท�าให้สนามไ��้าในบริเว�นีเ� กิดการบิดเบีย� วและมีคา่ สูงข�น� ซ��งเ�� นการ เพิ�มอัตราการเกิดไอออไนเซชันให้มากข�น� กระบวนแอโนด�ะพบมากในฉนวนเหลวที� เกิดไออนลบที�มีความเส�ียรสูง เช่น ฉนวนเหลวไ�โดรคาร์บอนที�มี�ริมา�ออกซิเ�น ละลายอยูม่ าก 4.3.3 การเบรกดาวน์ของฉนวนเหลวเชิงการค้า น�า� มันฉนวนเหลวบริสุทธิ��ะมีความคงทนต่อแรงดันไ��้ามากกว่า 1 �� เม��อ น�า� มันฉนวน�่านกระบวนการกรอง การก�า�ัด�องแก�สอย่าง�ูกวิธี และท�าการทดสอบ�ายใต้ ระบบอิเล�กโตรดที��รา��าก�ิ ล์มออกไซด์บน�ิว �าก�ลการทดสอบแรงดันเบรกดาวน์ของ น�า� มันหม้อแ�ลงที�มีความบริสทุ ธิ�สงู พบว่า



- ม�ขนาดเพิ�มข�น� �ามระยะแก� - ไม่ขน� �นิดของวัสด�ท�ใ�้ทาํ อิเล�ก��รด - ไม่ข�นกับความดัน ใน�่วง � mm�� ง �� mm�� สําหรับนํา� มันท��่านการ กําจัดฟองแก๊ส - ม�ขนาดเพิ�มข�น� �ามความดัน �้าในนํา� มันม�แก๊สออก�ิเจนหร�อไน��รเจนละลาย อยู่ อย่างไรก��ามฉนวนเหลวทั�วไ�หร�อฉนวนเหลวเ�ิงการค้าท��ใ�้ในอ��กร�์ไฟฟ้าเ�� น ฉนวนเหลวท��ไม่ได้�่านกระบวนการทําให้ม�ความบริส�ทธิ�สูง แรงดันเบรกดาวน์ของฉนวน เหลวเหล่าน�จ� �งข�น� �นิดของสิ�งเจ�อ�นท��สมอยู่ในฉนวนเหลว ��ง� แบ่งออกได้เ�� นสาม�ระเภท �ามลัก��ะของสิ�งเจ�อ�น ได้แก่ แก๊ส ของเหลว และของแข�ง 4.�.�.1 การเบรกดาวน์เน��องจากแก๊สเจ�อ�น เม�� อ นํา� มัน ฉนวนเกิ ด การเ�ล��ย นแ�ลงอ��หภูมิ แ ละความดัน หร�อ เกิ ดการ ไหลวน แก๊ ส ท�� ล ะลายอยู่ ใ นภายในนํ�า มัน จะสามาร�เ�ล�� ย นเ�� นฟองแก๊ ส �ดย ความเคร�ยดสนามไฟฟ้าของฟองแก๊สท��เจ�อ�นในนํา� มันฉนวนท��ม�สภาพยอมทางไฟฟ้า เท่ากับ ε หาได้จากความสัมพันธ์ Eg =

เม��อ

3ε E0 2ε +1

(4.1)

ค� อ ความเคร� ย ดสนามไฟฟ้ า ของนํ�า มั น ฉนวนเม�� อ �รา�จาก ฟองแก๊ส (V/cm) �้าสนามไฟฟ้าในฟองแก๊สม�ขนาดมากกว่าหร�อเท่ากับความเคร�ยดสนามไฟฟ้าท��ทาํ ให้ เกิดไอออไนเ��ัน จะเกิดดิส�าร์จภายในฟองแก๊ส ทําให้�มเลก�ลนํา� มันฉนวนเกิดการ แยก�ัว ��งเ�� นการเพิ�ม�ริมา�แก๊สในนํา� มัน และนําไ�สู่การเบรกดาวน์ของนํา� มัน ฉนวนทัง� หมด ในกร�� ท� อิ เ ล� ก ��รดม� ลั ก ��ะเ�� นจ� ด �ลายแหลม หร� อ ม� �ิ ว ขร� ข ระ สนามไฟฟ้าค่าสูงท��บริเว�น�จ� ะทําให้นา�ํ มันฉนวนระเหยเ�� นไอ กลายเ�� นแหล่งกําเนิด ฟองแก๊ ส เกิ ดดิส�าร์จในฟองแก๊ส ขยายบริเว�ออกไ�จน��งอิเล�ก��รด�ั� ง�รงข้าม และนําไ�สูเ่ กิดการเบรกดาวน์ในท��สด� 4.�.�.� การเบรกดาวน์เน��องจากของเหลวเจ�อ�น ของเหลวหยดทรงกลมท��ม�สภาพยอมทางไฟฟ้า ε2 จมอยู่ในฉนวนเหลวท��ม� สภาพยอมทางไฟฟ้า ε1 เม��ออยูภ่ ายใ�้สนามไฟฟ้าสมํ�าเสมอ E หยดของเหลวจะเกิด E0


การยื ด ตั ว ตามแนวสนามไฟฟ้ า จนมี รู ป ทรงคล้า ยทรงกลมแบนข้า ง (prolate �p�eriod) ขนาดสนามไฟฟ้าวิก�ตที�ทา� ให้เกิดความไม�เส�ียรของหยดของเหลว ใน กร�ีท�ี ε2  ε1 หาได้จาก σ ε1R

E c = 487.7

เมื�อ

σ R

(4.2)

คือ แรงตึงผิวของหยดของเหลว (dyne/cmxxiv) คือ รัศมีของหยดของเหลว (cm)

ฉนวนเหลวจ�เบรกดาวน์เมื�อหยดของเหลวเกิดความไม�เส�ียร ยืดตัวอย�างรวดเร�วจนมี ความยาวปร�มา�สองในสามของร�ย�แกป เริ�มเกิดการเสียส�า�ที�ส�วนปลายของ หยดของเหลว ขยายตัวข้าม��องว�างที�เหลืออยู� แล�น�าไปสูก� ารเกิดเบรกดาวน์ ตัวอย�าง การเกิดเบรกดาวน์ของฉนวนเหลวเนื�องหยดของเหลวเจือปนแสดงในรูปที� 4.4

.

รูปที� 4.� การเกิดเบรกดาวน์ในน�า� มัน�ิล�ิ คนเนื�องจากหยดน�า� เจือปน �2��

xxiv

1 dyne/cm = 0.001 N/m



4.3.3.3 การเบรกดาวน์เนื�องจากอนุภาคของแข็ง สิ�งเจือ�นที�เ�็ นของแข็งในฉนวนเหลว เ�่น เส้นใย ผง�ุ่ นฉนวนหรือโลหะ เมื�อ อยู่ภายใต้สนามไฟฟ้า E จะเกิดแรงกระทําต่ออนุภาคของแข็งเนื�องจากผลต่างของ สภาพยอมทางไฟฟ้าระหว่างฉนวนเหลวกับอนุภาคของแข็งxxv ดังสมการ F=

เมื�อ

1 3 ε 2 - ε1 r E 2 2 2ε1 + ε 2

(4.3)

คือ รัศมีของอนุภาคของแข็ง (cm) ε1 คือ สภาพยอมทางไฟฟ้าของฉนวนเหลว (F/m) ε2 คือ สภาพยอมทางไฟฟ้าของอนุภาคของแข็ง (F/m) อนุภาคของแข็งจะทําให้ความเครียดสนามไฟฟ้าเฉพาะจุดมีค่าสูงข�น� ทําให้เกิดการ เรียงตัวต่อกันของอนุภาคของแข็งเกิดเ�็ นสายโซ่เ�ื�อมโยงระหว่างอิเล็กโตรด และทํา ให้เกิดการเบรกดาวน์ของฉนวนเหลว ดังตัวอย่างที�แสดงในรู�ที� 4.� r

Anode

E

Cathode

ก) ไม่มีสนามไฟฟ้า

ข) มีสนามไฟฟ้า

รู�ที� 4.� การเรียงตัวของอนุภาคของแข็งในฉนวนเหลว เนื�องจากสนามไฟฟ้า

xxv

แรงไดอิเล็กโตรโฟเลซี ส (Dielectrophoretic force) ทิศทางของแรงกําหนดจากผลต่างระหว่างสภาพยอม ทางไฟฟ้าของอนุภาคของแข็งกับฉนวนเหลว �้าผลต่างเ�็ นบวก แรงที�เกิดข�น� จะทําให้อนุภาคของแข็งเคลื�อนที� เข้าหาบริเว�ที�ความเครียดสนามไฟฟ้ามีค่าสูง และเคลื�อนที�เข้าหาบริเว�ที�ความเครียดสนามไฟฟ้ามีค่าตํ�า เมื�อผลต่างที�ได้มีคา่ เ�็ นลบ


4.3.3.4 การเบรกดาวน์ของฉนวนผสม ฉนวนผสมร�หว�างฉนวนเหลว�ล�ฉนวน�ข�ง เ��น ฉนวนกร�ดา�-น�า� ม�น เ�� น ฉนวน��น��มใ��ในหม�อ��ลง��าก�าล�ง�ล�สา�เ�เบ�ล ��าน�า� ม�นฉนวน�ม��ด��รก��ม ในกร�ดา�ฉนวนอ��างสมบ�ร�์ เก�ด��องว�างหร�อ�ก�ส��รกอ��ในเน�อ� กร�ดา�ฉนวน �ล�เ�� น ��า �หน� ง �� เก� ด ด�ส �าร์� บางส�ว น�� วามเ�ร�� ดสนาม��า ��า การลด ��านวน��องว�างในร�บบฉนวน��าให��วามเ�ร��ดสนาม��า��า� ให�เก�ดด�ส�าร์� บางส�วนม��าส�งข�น� ในฉนวนผสมกร�ดา�-น�า� ม�น ขนาดสนาม��าด�งกล�าว��ข�น� อ�� ก�บกร�บวนการ��า� ให�เก�ด�ก�ส �ด��ว��ก�ส��เก�ด�ากการสลา��ว�างเ�ม��าของ�มเลก�ลน�า� ��อ��ใน เน� อ� กร�ดา� �ด�สนาม�� า �� า� ให�เ ก� ด �ก� ส ��เ�� า ก�บ �วามเ�ร� � ดสนาม��า ��รน� า เร��มเก� ด �อง�ก� ส�� เก� ด��เ�ล��อน�� ออก�ากบร�เว�� เก� ดอ��างรวดเร�ว�ล� ล�ลา�ในน�า� ม�นฉนวน�า�ในเวลา�ม�ก�นา�� กร�บวนการ��เก�ดข�น� น�� าให��วาม��น� ของฉนวนกร�ดา�-น�า� ม�นลดลง �ล��าให��วามเ�ร��ดสนาม��า��เร��มเก�ดด�ส�าร์� บางส�วนของร�บบฉนวนส�งข�น� ด�ง�สดงในร� �� 4.� ในกร��กร�ดา��ห�ง�รา��าก �วาม�� น� �ก� ส �� เ ก� ด ข�น� ในร�บบฉนวน��มา�ากการเบรกดาวน์เ ฉ�า��ด �� ของน�า� ม�นฉนวนในบร�เว��วามเ�ร��ดสนาม��าม��า� ส�ง Ei , Vpeak/ m 110 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 1012

Dielectric: rag paper (40  m thick) in oil Minimum detectable discharge: 0.5 pC

1013

1014

1015

 ,  cm

ร�� 4.� �วามส�ม��น�์ร�หว�างสนาม��า��รน�าเร�ม� เก�ดก�บ �วาม��าน�าน��าเ�า� ��ร�มา��วาม��น� ในฉนวน� ของฉนวนกร�ดา�-น�า� ม�น �อง�ก�สในฉนวนกร�ดา�-น�า� ม�น��เก�ดการด�ส�าร์�เม��อสนาม��าม�ขนาด เ��าก�บ�วามเ�ร��ดสนาม��า��รน�าเร��มเก�ด การด�ส�าร์�ใน�อง�ก�ส��าให��มเลก�ล



ของนํา� มันฉนวนสลายตัวกลายเป็ นแก�ส ปริมาณแก�สที�เพิ�มขึน� จะทําให้ฟองแก�สขยาย ขนาดอย่างรวดเร็ว ฟองแก�สดังกล่าวนีจ� ะทําให้ความเครียดสนาม�ฟฟ้า�ค�รน่าเริม� เกิด ของระบบฉนวนมี ค่า ตํ�า ลง แต่ถ้า ฟองแก� สละลาย�ปในนํา� มัน ฉนวน ความเครีย ด สนาม�ฟฟ้า�ค�รน่าเริ�มเกิ ดของฉนวนจะกลับมามีค่าสูงเหม� อนเดิม อย่า ง�รก็ ตาม อนุ� าคหร�อ สิ� ง เจ� อ ปนที� มี ป ระจุท�ี เ กิ ด จากการดิส ชาร์จ จะส่ง �ลให้แ ฟกเตอร์ก าํ ลัง สูญเสียของระบบฉนวนมีค่ามากขึน� จากการ�ึกษาฉนวนกระดาษ-นํา� มันที�ใช้ในตัว เก็บประจุ�ฟฟ้าแรงสูงพบว่า หลังการเกิดดิสชาร์จในช่วงเวลาสัน� � �ประมาณ 15 นาที� แฟกเตอร์กาํ ลังสูญเสียของฉนวนจะมีคา่ สูงขึน� ตามระยะเวลา ดังแสดงในรูปที� 4.7

tan 

0.005

0.004

0.003

0.002

0.001

Discharge applied (last 15 min at Ei)

Time of storage , hr 3000

0 1000 2000 รูปที� 4.7 ความสัมพันธ์ระหว่างแฟกเตอร์กาํ ลังสูญเสียกับเวลา หลังเกิดดิสชาร์จเป็ นเวลา 15 นาที ที�อณ ุ ห�ูมิหอ้ งทดลอง

4.3.4 การเกิดเบรกดาวน์ในแกปขนาดเล็ก �ดยทั�ว�ปการ�ึกษาการเกิดเบรกดาวน์ในฉนวนเหลวจะทําในแกปขนาดเล็กและใช้ ฉนวนเหลวบริสทุ ธิ� เช่น n-hexane, toluene และ �a��ol 70 เน��องจากควบคุมคุณ�าพของ ฉนวนเหลว�ด้ง่าย และสามารถแบ่งออก�ด้ดงั นี � 4.3.4.1 การเกิดสตรีมเมอร์ดิสชาร์จในนํา� มันฉนวน ถึงแม้ว่ากระบวนการอะวาลานซ์ในฉนวนเหลวจะมีลกั ษณะคล้ายกับการเกิด อิเล็กตรอนอะวาลานซ์ในแก�ส แต่ก็ยงั มีส่วนแตกต่างกันในส�าวะเริ�มต้นในการเกิด


ดิสชาร์จ�ี��ม่สามารถอธิบายด้วยเง��อน��ั�ว�ปเหม�อนกับ�ี�ใช้ในแก�ส อย่าง�รก็ตามคํา ว่า “สตรีมเมอร์” ก็ยงั คงถูกใช้ในการอธิบายปรากฏการณ์ดสิ ชาร์จในฉนวนเหลว การดิ ส ช าร์ จ ใน n-hexane, toluene และ Marcol 70 ถู ก ศึ ก ษาด้ ว ยวิ ธี �า�ถ่ายเงา �sha�o��ra�h� �ี��ด้จากการฉาย�า�เงา�องดิสชาร์จลงบนฉาก เ��อ สังเกต�ัน� ตอนการ�ั�นา�องดิสชาร์จ ดังตัวอย่าง�ี�แสดงในรู ป�ี� �� และรู ป�ี� �� ตามลําดับ

รูป�ี� �� สตรีมเมอร์ใน n-hexane จากการป้อนแรงดัน�ัว� ลบ 156 �� ให้กบั อิเล็ก�ตรดแบบปลายแหลม-ระนาบ �ี�ความเร็วในการถ่าย�า� 2 x 106 frames/s [26] จาก�า�ถ่ายเงา�ี��ด้แสดงให้เห็นว่า ดิสชาร์จในฉนวนเหลวมีลกั ษณะการเกิด และการ�ั�นาใกล้เคียงกับสตีมเมอร์ดิสชาร์จในแก� ส การเคล��อน�ี��องดิสชาร์จถูก กําหนดจากกระบวนการ�ออ�นเ�ชันเน��องจากการชน�องอิเล็กตรอน�ี�มีความเร็วอยู่ ในช่วง 103 m/s ถึง 106 m/s มีการแตกตัวหร�อแยกออกเป็ นกิ�งก้านสา�า และมีรูปแบบ �ึน� กับ�ัว� �องแรงดัน��้า�ี�ป้อนให้กับอิเล็ก�ตรดปลายแหลม �ี�แรงดัน�ัว� ลบ สตรีม



เ�อร์�� เก� ด��น� จ��ลกั ��เ�� นกล�่�ก�อนหร�อเ�� น��่� (��s� type) �่วนในกร�� อง �รงดั น �ั�ว บวก ��ร� � เ�อร์�� เ ก� ด จาก�ลายอ� เ ล� ก ��รดจ��ยกออกเ�� นก�� ง ก�า น (filamentary type) อย่างชัดเจน

ร�� ร��เ�อร์ใน n-�exane จากการ��อน�รงดัน�ัว� บวก �6 �� ให�กบั อ�เล�ก��รด�บบ�ลาย�หล�-ร�นาบ ��วา�เร�วในการ�่าย�า� 5 x 106 frames/s [26] การ�ั� นา�อง��ร�� เ�อร์�ั�วบวกเก� ดจากการ�ล่อยอน��า�� ร�จ�จาก น�า� �ันฉนวน��อย�ใ่ นบร�เว��วา�เ�ร�ยด�นา��า��ง�รง�่วน�ลาย�องอ�เล�ก��รด ��เลก�ล �องน��า �ัน ฉนวนจ�เ�� ย ��า� เก� ด เ�� น ช่ อ ง�ัว น�า �ล��ยาย�ัว ออก��ยัง อ�เล�ก��รด�ั�ง�รงกัน��า� ��ง� เ�ร�ยบเ��อนกับการย�ด�ัว�องอ�เล�ก��รด�ัว� บวก (�อ�นด) เ��า ��ในช่ อ ง�ก� เก� ด การ�ล่อ ย�ร�จ�อ ย่ า ง�่ อ เน�� อ ง เ�� อ ให�� ร�� เ�อร์� า�าร� �ยาย�ัวออก��ยังน�า� �ันฉนวน��อย��่ า� งเ��ยง ��ร��เ�อร์��เร�� เก�ดน�จ� ��่ใช่��ร��เ�อร์ �� า ให�เ ก� ด การเบรกดาวน์� ล�เ�ล�� อ น�� ด �ว ย�วา�เร� ว �� า กว่ า �วา�เร� ว เ�� ย ง


�s��s�� e�� ในกร��อ�แร�ดัน�ัว� ลบ อิเล็กตรอน�ะถ�กปล่อยออก�ากปลาย แคโ�ด��ม�ความเคร�ยด�นาม��้า��โดยตร� เป็ นต�าแหน่��เกิดการ�อออ�นเ��ัน�อ� น�า� มันฉนวนและพั�นา�ปเป็ น�ตร�มเมอร์�วั� ลบ ความแตกต่า�ระหว่า��ตร�มเมอร์�วั� บวกและ�ตร�มเมอร์�วั� ลบ �ะอย�่��กล�ก การเกิดอน�ภาค��ม�ประ��้า��เกิด��น� �ด้�่ายในกร��อ�อิเล็กโตรดปลายแหลม�ัว� ลบ �่ว นในกร�� แร�ดัน �ั�ว บวก การเกิ ด�อออ�นเ��ัน �ะ��น� กับ อิเ ล็ก ตรอน�� อ ย�่ใ น บริเว�ปลายอิเล็กโตรด��ปอ้ นแร�ดัน�� นาม��้าม�คา่ �� การเบรกดาวน์�ะเกิด�าก �ตร�มเมอร์ความเร็ว��เกิดบริเว��่วนปลายหร�อ�อบ�อ��ตร�มเมอร์��เกิดใน�่ว�ต้น ดั�แ�ด�ในร� ป�� 4�10 และร� ป�� 4�11 ��ม�ความเร็วในการเคล��อน��มากกว่าความเร็ว เ��ย� �s��ers�� e�� ความเร็วประมา� 104 m/s โดยแร�ดันเบรกดาวน์�วั� ลบ�ะม�คา่ มากกว่าแร�ดันเบรกดาวน์�วั� บวก

ร�ป�� 4�10 �ตร�มเมอร์ความเร็ว��ใน �-�exa�e �ากการป้อนแร�ดัน�ัว� ลบ 204 �� ให้กบั อิเล็กโตรดแบบปลายแหลม-ระนาบ ความเร็วในการถ่ายภาพ 2 x 106 frames/s [26]



ร�ป�� 4.11 ส�ร��เ�อร์�วา�เร็วส�งใน �-�e�a�e จากการป้อนแรงดัน�ัว� บวก �6 �� ให้กบั อิเล็กโ�รดแบบปลายแหล�-ระนาบ ��วา�เร็วในการ�่าย�าพ 2 � 1�6 frames/s [26] 4.3.4.2 การเกิดโพรงแก๊ส โพรงแก๊สเป็ นปั จจัย��สา� �ั�อย่างหน��งในการเบรกดาวน์�องฉนวนเหลว เกิด จากการกลายเป็ นไอ �การระเหย� �องน�า� �ันฉนวนเน��องจากการชน�องอิเล็ก�รอนกับ โ�เลก�ล�องน�า� �ันฉนวน�ายใ�้สนา�ไ��้า��เห�าะส� เกิด��น� ก่อนและระหว่างการ เ�ล��อน��องส�ร��เ�อร์ �ัง� ในกร��องแรงดัน�ัว� บวกและแรงดัน�ัว� ลบ เป็ นบริเว�� ส�ร��เ�อร์เริ�� ก่อ�ัว �ัวอย่างการเกิดโพรงแก๊สในน�า� �ันฉนวนแสดงในร�ป�� 4.12 การเกิ ดดิสชาร์จเป็ นไปอย่างช้าๆ จากการเกิ ดไอออไนเซชันและการเบรก ดาวน์ ��re-�rea�� องแก๊ส��อย�่ในโพรง การเบรกดาวน์�องแกป�นาดเล็กใน น�า� �ันฉนวนแบ่งได้เป็ นสา��ัน� �อน ได้แก่ การเกิดดิสชาร์จ การเ�ล��อน��องส�ร�� เ�อร์ในแกป และการเปล��ยนส�านะจากส�ร��เ�อร์ไปส�ก่ ารเบรกดาวน์


ร�ปที� ��1� การเกิด��รงแก๊สในระหว่างที�สตรีมเมอร์เ��อนที�ในนํา� มันฉนวน �� - การเกิดดิสชาร์จ กลไกที�ทาํ ให้เริ�มเกิดการดิสชาร์จในนํา� มันฉนวนมีอย�่ดว้ ยกันหลาย กลไก เช่น การปล่อยประจุ การอะวาลานซ์ของอิเล็กตรอน และการเกิดฟอง แก๊ส ซ�ง� แต่ละกลไกมีรายละเอียดดังนี �  การปล่ อ ยประจุ เกิ ด จากปรากฏการณ์ก ารทะลุ ผ่ า น (tunneling effect)xxvi ของอิเ ล็ก ตรอนระหว่า ง�ลหะที� ใช้แ��ทดกับฉนวนเหลว ดัง ที� ไ ด้อ ธิ บ ายไว้ใ นหัว ข้อ การปล่อ ยอิ เ ล็ ก ตรอนจากผิ ว �ลหะ�ดย สนามไฟฟ้าตามก�ของ ��le�-��ei� ในบทที� �  การก่ อ ตัว ของอะวาลานซ์ เกิ ด จากอิ เ ล็ก ตรอนเ�ล�� อ นที� ช น�มเลกุล ฉนวนเหลวในลัก ษณะเดี ย วกับ การเกิ ด อะวาลานซ์ใ นแก๊ ส ทํา ให้ สามารถหาสัมประสิทธิ�ไอออไนเซชันประสิทธิผลของฉนวนเหลว  การเกิดฟองแก๊ส การระเหยของฉนวนเหลวในบริเวณที�มี�วามเ�รียด สนามไฟฟ้าส�งทัง� ในกรณีแรงดันขัว� บวกและแรงดันขัว� ลบ �ดยเฉ�าะ ในกรณีของอิเล็ก�ตรดปลายแหลมขัว� ลบซ��งสามารถสังเกตการเกิด ฟองแก๊ สได้จากการวัดกระแสไฟฟ้าที�ไหลผ่านแกป เม��อ�วามดันที� ปลายอิเล็ก�ตรดมี�่าตํ�ากว่า�วามดันวิก�ต ฟองแก๊สที�เกิดข�น� จะเริ�ม

xxvi

ปรากฏการณ์ท�ีอิเล็กตรอนบางส่วนที�มี�ลังงานไม่มาก�อสามารถเ�ล��อนที�ผา่ นกําแ�ง�ักย์ท�ีกีดขวางไปได้



ขยายตัวและเกิดการยุบตัวลงในเวลาต่อมา ��าให้เกิดคลื�นกระแ�ก (��k ��v�) �ี�มีความเร็วในการเคลื�อน�ี�ใกล้กบั ความเร็วเสียงและ ขนาดของกระแสไ��้า �ี� วัด ได้จ ะมี ข นาดลดลงตามเวลาจากการ แลกเปลี�ยนความร้อน�ี�รอยต่อระหว่างแก�สกับของเหลว �้าความดัน สูงกว่าความดันวิก�ต คลื�นกระแ�ก�ี�เกิดขึน� จะสังเกตได้จากพัลส์ ของกระแสไ��้า�ี�วดั ได้ �องแก�ส�ี�เกิดขึน� จะส่งผลกระ�บต่อฉนวน เหลวสองประการ คือ ความเครียดสนามไ��้าสูงขึน� และความดัน �พรงแก� สมีค่าสูงขึน� �ดยสนามไ��้า�ี�เพิ�มขึน� เป็ นผลมาจากความ แตกต่างของส�าพยอม�างไ��้าระหว่างแก� สกับน�า� มันฉนวน เกิด ความเครียดสนามไ��้าสูงเฉพาะจุด เมื�อรวมกับการ�ี�แก�สมีพลังงาน ไอออไนเ�ชันต��า ส่งผลให้การเกิ ดไอออไนเ�ชันใน�พรงแก� สเกิดได้ มากขึน� แต่ความดันแก� ส�ี�สูงขึน� จะ��าให้ไอออไนเ�ชันใน�พรงแก�ส เกิดได้ยากขึน� - การขยายตัวของดิสชาร์จ �ายหลังการเกิดพัลส์กระแสแรก �้ามีส�าวะ�ี�เหมาะสมจะเกิดพัลส์ กระแสตามมาอีกเป็ นจ�านวนมาก แต่ละพัลส์กระแส�ี�เกิดขึน� จะสอดคล้องกับ การเกิด�องแก�สใหม่��ีส่วนหน้าของ�องแก�สเดิมจนเกิดเป็ นสตรีมเมอร์ �ดย รู ปร่างและความเร็วของสตรีมเมอร์จะสอดคล้องกับสตรีมเมอร์แบบพุ่มไม้ (�� ) การขยายตัวของดิสชาร์จในฉนวนเหลวจะขึน� อยู่กับการคงอยู่ ช่องแก�ส ดิสชาร์จจะหยุดลงเมื�อช่องแก�สหายไปหรือแยกตัวออกเป็ น�องแก�ส เล็ก� ดังแสดงในรู ป�ี� ��13 แสดงให้เห็นว่ากลไกการขยายตัวของดิสชาร์จ ขึน� อยูก่ บั ความดันส�ิตย์ xxvii (��i� ��) ของน�า� มันฉนวน

xxvii

ความดันเนื�องจากความลึกในของเหลว สามาร�หาได้จากความสัมพัน�์ P = ρgh

เมื�อ

ρ g

h

คือ ค่าความเร่งเนื�องจากแรง�น้ม�่วงของ�ลก (�� m/�2) คือ ความหนาแน่นของของเหลว (kg/m3) คือ ความลึกจากผิวของของเหลว (m)


สตรีมเมอร์ลบ เม��อป้อนแรงดันขัว� ลบให้กบั อิเล็กโตรดปลายแหลม จะเกิดการปล่อยประจุ จากแคโทด เกิดการอะวาลานซ์และทําให้ความเครียดสนามไฟฟ้าของ ช่องแก๊สที�เกิดจากการระเหยของนํา� มันฉนวนมีขนาดลดลงเช่นเดียวกับที� เกิดกับการดิสชาร์จในแก๊ส ไอออนบวกที�อย�่บริเวณหน้าแคโทดจะทําให้ สนามไฟฟ้าในบริเวณนีม� ีขนาดลดลงและไอออไนเซชันในโ�รงแก๊สเกิดได้ ยากข�น� แต่�ลของประจุคา้ งจะลดลงเม��อไอออนบวกกระจายตัวออกไปยัง นํา� มันฉนวนที�อย�โ่ ดยรอบ ฟองแก๊สใหม่ท�ีเกิดข�น� จะทําให้ช่องแก๊สขยายตัว เข้าไปในนํา� มันฉนวน กระแสไฟฟ้าที� เกิ ดจากกระบวนการข้างต้นจะมี ลัก ษณะเป็ น �ัล ส์ค ล้า ยกับ ที� เ กิ ด ในแก๊ ส ดิ ส ชาร์จ xxviii สตรี ม เมอร์ล บที� เกิดข�น� จะส่ง�ลให้ความเครียดสนามไฟฟ้าของช่องทางการเกิดดิสชาร์จ ลดลง ทําให้สตรีมเมอร์หยุดการขยายตัวและเกิดการแยกตัวของช่องแก๊ส กลายเป็ นฟองแก๊สขนาดเล็ก 

ร�ปที� 4.13 การแตกตัวของช่องแก๊สออกเป็ นฟองแก๊สขนาดเล็ก [28] สตรีมเมอร์บวก เม��อป้อนแรงดันขัว� บวกให้กบั อิเล็กโตรดปลายแหลม อิเล็กตรอน เริ�มต้นจะเกิดจากนํา� มันฉนวนที�อย�่ในบริเวณที�มีความเครียดสนามไฟฟ้า ส�ง เกิดเป็ นอิเล็กตรอนอะวาลานซ์เคล��อนที� เข้าหาแอโนด�ร้อมกับเกิ ด โ�รงแก๊สจากการระเหยของนํา� มันฉนวน 

xxviii

Trichel pulse เป็ นลักษณะของกระแสไฟฟ้าจากการเกิดดิสชาร์จลบในแก๊สไฟฟ้าลบ



อะวาลาน�์ท�ีเกิดข�น� ในเวลาต่อมา�ะเกิดในโ�รงแก�ส และมีส่วน ในการขยายตัวของโ�รงแก�ส การขยายตัวของอะวาลาน�์ขวั� บวกส่ง�ลให้ สนามไฟฟ้าสูงข�น� เกิดอะวาลาน�์�าํ นวนมากในแนวที�เข้าหาแอโนด เมื�อ อิเล็กตรอนเคลื�อนที�ไปยังแอโนด ไอออนบวกที�เคลื�อนที��า้ และค้างอยูต่ าม แนวที� เกิดอะวาลาน�์�ะสะสมอยู่บริเวณด้านอิเล็กโตรดเกิดเป็ นสตรีม เมอร์ เสมื อ นกับ การขยายตัว ของแอโนดเข้า ไปในแกปดัง แสดงในรู ป ที� 4.14

รูปที� 4.14 การขยายตัวของสตรีมเมอร์ในนํา� มันฉนวน [28] กลไกการเคลื�อนที�ของสตรีมเมอร์�ะเกิดข�น� อย่างต่อเนื�องเมื�อมี อะวาลาน�์ปล่อยอิเล็กตรอนในแนวที�สตรีมเมอร์เคลื�อนที�ไป และ�่วยให้ �่ อ งแก� ส คงส�า�ไม่ เ กิ ด การแยกตัว เกิ ด เป็ น โครงสร้า งแบบกิ� ง ก้า น เ�่นเดียวกับสตรีมเมอร์บวกที� เกิ ดในแก� ส �้าสตรีมเมอร์ขยายตัวไปยัง บริเวณที�มีความเครียดสนามไฟฟ้าตํ�า �ะเกิดการสะสมของประ�ุบวกใน บริเวณดังกล่าวและทําให้ความเครียดสนามไฟฟ้าลดลง สตรีมเมอร์หยุด การเคลื�อนที�และ�่องแก�สสลายเป็ นฟองแก�สขนาดเล็ก �ากนัน� สตรีมเมอร์ �ะก่ อ ตัว ใหม่ อี ก ครั�ง เมื� อ ไอออนบวกที� ค ้า งอยู่ก ระ�ายหายไป และมี อิเล็กตรอนอิสระเกิดข�น� ในบริเวณที�ความเครียดสนามไฟฟ้ามีคา่ สูง  สตรีมเมอร์ความเร็วสูง ไอออไนเ��ันที� เ กิ ดในโ�รงแก� ส�ะทําให้ความดันในโ�รงและ อุณห�ูมิของดิส�าร์�สูงข�น� ความดันแก�สที�สงู ข�น� �ะทําให้ดิส�าร์�เกิดได้ ยากข�น� แต่ก็ทาํ ให้โ�รงแก�สขยายตัวและ�่วยให้ดิส�าร์�คงอยู่ได้ในโ�รง


แก� ส จ� ง มี ค วามเป็ น ไปได้��ี ก ารเปลี� ย นแปลงความดัน แก� ส จะมี ค วาม เกี� ย วข้องกับการเสีย ส�าพของรอยต่อระหว่า งแก� สกับฉนวนเหลว ��ง สามารถสังเกตพบในขณะเกิดสตรีมเมอร์ความเร็วสูงก่อนการเบรกดาวน์ ในแกปขนาดเล็ก - การเกิดเบรกดาวน์ เบรกดาวน์จะเกิดข�น� เม��อสตรีมเมอร์เคล��อน�ี�ขา้ มแกป เกิดเป็ นช่อง ตัวนําระหว่างอิเล็กโตรด ในสนามไ��้า�ี�มีการกระจายค่อนข้างสมํ�าเสมอ แกปจะเกิดเบรกดาวน์�นั �ีเม��อสตรีมเมอร์ (�ัง� ขัว� บวกและขัว� ลบ) เริม� เกิดจาก อิเล็กโตรดในแต่ละ�ั� ง โดยปกติสตรีมเมอร์ขวั� ลบเคล��อน�ี�ไปเป็ นระยะไม่เกิน คร�ง� หน��งของระยะแกป�ัง� หมด การเบรกดาวน์จะมาจากการ�ี�สตรีมเมอร์บวก เคล��อน�ี�ขา้ มระยะแกป�ี�เหล�อจนกระ�ั�งไปเช��อมต่อกับสตรีมเมอร์ลบ 4.3.5 การเกิดเบรกดาวน์ในแกปขนาดใหญ่ โดย�ั�วไปการ��กษาความคง�นต่อแรงดันไ��้าของฉนวนเหลว เช่น นํา� มันฉนวน มัก�ําในแกปขนาดเล็ก เน��องจากข้อจํากัดของอ�ปกรณ์และห้องป�ิบตั ิการ�ี�ใช้ในการ�ํา �ดสอบ �ําให้ขอ้ มูลและ�ลการ�ดลองแรงดันเบรกดาวน์ในแกปขนาดใหญ่�ง� มีการกระจาย ของสนามไ��้าแบบไม่สมํ�าเสมอมีจาํ นวนน้อยมาก อย่างไรก็ตามจากการ��กษาการเกิด เบรกดาวน์ของนํา� มันในแกปขนาดใหญ่โดยใช้กล้องถ่าย�าพความเร็วสูง (s�rea� ca�era) �ําให้สามารถแบ่งกลไกการเกิดดิสชาร์จจนกระ�ั�งเบรกดาวน์ในอิเล็กโตรดแบบปลายแหลมระนาบ ออกเป็ นสองลักษณะ ได้แก่ เบรกดาวน์โดยตรงและเบรกดาวน์จากการเกิดสตรีม เมอร์แบบต่อเน��อง (s�rea�er ��rs�) 4.3.5.1 การเบรกดาว์โดยตรง ในนํา� มันฉนวนการเบรกดาวน์โดยตรงของแกปจะเกิดจากการขยายตัวของ ดิ ส ชาร์จ ในบริ เ วณ�ี� มี ค วามเครี ย ดสนามไ��้ า สูง ไปยัง บริ เ วณ�ี� มี ค วามเครี ย ด สนามไ��้าตํ�า เช่น ขยายตัวจากอิเล็กโตรดปลายแหลมไปยังแ�่นอิเล็กโตรดหร�อ�ี� เรียกว่า การเกิดหัวนําร่อง (leader discharge) การขยายตัวของหัวนําร่องมีลกั ษณะ เป็ นช่องเร�องแสงและดับลง เกิดข�น� อย่างต่อเน��องจนกระ�ั�งเคล��อน�ี�ถ�งอิเล็กโตรด�ั� ง ตรงข้ามหร�อข้ามช่องแกป�ัง� หมด รู ป�ี� 4.15 แสดงการขยายตัวและการเร�องแสงของ หัวนําร่องด้วยความเร็วสูง ��ง� สามารถสังเกตการเปลี�ยนแปลงได้ดงั นี � - นอกจากการเร�องแสง�ี�เกิดข�น� ตลอดช่องหัวนําร่องแล้ว ยังพบการเร�อง แสงเพียงบางส่วนของช่องหัวนําร่องอีกด้วย



- ภายหลังการเรืองแสงของช่องหัวนําร่อง อาจมีการขยายตัวของดิสชาร์จ จากส่วนปลายของช่องหัวนําร่อง - สตรีมเมอร์ดิสชาร์จ�ี�เกิดข�น� จะหย�ดการขยายตัวและกลายเป� นส่วนหน��ง ของช่องหัวนําร่องในระหว่างช่วงเวลา�ี�ช่องหัวนําร่องเกิดการเรืองแสง ��ง� สามารถสังเกตพบได้ในขณะเกิดการเรืองแสงช่องหัวนําร่องเพียงบางส่วน

ร�ป�ี� ��1� การเบรกดาวน์�ดยตรงเนื�องจากหัวนําร่องในนํา� มันฉนวน �ี�ระยะ แกป 60 �� แรงดันขัว� บวก ��0 �� - ช่วงเวลาระหว่างการเรืองแสงแต่ละ�รัง� จะเพิ�มข�น� ตามระยะ�าง�ี�หวั นํา ร่องเ�ลื�อน�ี� �ขยายตัว� เข้าไปในช่องแกป - �วามเร�วเฉลี�ยในการเ�ลื�อน�ี�ของหัวนําร่องมี�า่ ประมาณ � �� - ไม่พบ�วามแตกต่าง�ี�สาํ �ั�จากการขยายตัวของดิสชาร์จ�ี�ได้จากการ ป้อนแรงดัน ไฟฟ้ากระแสสลับและแรงดันอิมพัลส์ และระหว่างแรงดัน ขัว� บวกกับแรงดันขัว� ลบ ดังแสดงในร�ป�ี� ��16


ก) แรงดันไฟฟ้ากระแสสลับ

�) แรงดันอ��ัลส์�วั� บวก

�) แรงดันอ��ัลส์�วั� ลบ รูป�� 16 �า��่า�การเบรกดาวน์�ด�ตรงในแกป�นาด 2� �� ได้�าก การป้อนแรงดันรูปแบบต่างๆ [29] �าก�้อ สัง เกต�� ก ล่า ว�าใน�้า งต้น สา�าร�แบ่ง กลไก�� า� ให้เ ก� ด การเบรกดาวน์ �ด�ตรงออกเป� นสา��ัน� ตอน ดังน� �



- การก่อตัวของช่องแก๊ส ฟองแก๊สที�เกิดในระยะแรกจะมาจากการดิสชาร์จที�เกิดใกล้กับอิเล็กโตรดที� ป้อ นแรงดัน ซ��ง เป็ น บริ เ วณที� ส นามไฟฟ้ า มี ค่ า สูง และดับ ลงอย่ า งรวดเร็ว เนื�องจาก�ลของไอออนหรือประจุคา้ งที�เกิดจากดิสชาร์จ ฟองแก๊สขนาดเล็กที� ได้จากการระเหยของนํา� มันฉนวนจะรวมตัวกันเกิดเป็ นช่องแก๊สยื�นออกจาก อิ เ ล็ ก โตรด โดยขนาดของสนามไฟฟ้ า ตามแนวยาวของช่ อ งแก๊ ส ( E m ) สามาร�ประมาณได้จากสมการที� 4.4 Em =

เมื�อ

l

Ul

dUl dl

(4.4)

คือ ความยาวของช่องแก๊ส (cm) คือ แรงดันไฟฟ้าที�ตกคร่อมช่องแก๊ส (�)

- การดิสชาร์จของแก๊สในช่องหัวนําร่อง เมื�อแรงดันไฟฟ้าที�ตกคร่อมช่องแก๊สมีค่าสูงมาก�อ แก๊สที�อยู่�ายใน ช่องแก๊สจะเกิดเบรกดาวน์อย่างสมบูรณ์และเปล่งแสงออกมา เกิดเป็ นช่องหัว นําร่อง โดยกระบวนการที�ตามมาหลังจากการเบรกดาวน์ของแก๊สมีดงั นี �  ช่ อ งหัว นํา ร่อ งที� เ กิ ด ข� น � มี ค วามนํา ไฟฟ้า สูง มาก แรงดัน ไฟฟ้า ที� ตก คร่อม ( Ul ) มีขนาดน้อยกว่าแรงดันไฟฟ้าที�ตกคร่อมช่องแก๊สมาก ทําให้ความเครียดสนามไฟฟ้าที�ส่วนปลายของช่องหัวนําร่องมีขนาด เ�ิ�มข�น� และเกิดการดิสชาร์จใหม่ท�ีบริเวณด้านหน้าของหัวนําร่อง  เ�ื�อให้ดิสชาร์จในช่องหัวนําร่องเกิดอย่างต่อเนื�องจะต้องมีแหล่งจ่าย อิเล็กตรอนให้กับการไอออไนเซชันในแก๊ส แต่เนื�องจากแก๊ ส�ายใน ช่องหัวนําร่องมีปริมาณจํากัด กระบวนการไอออไนเซชันจะหยุดลง เมื�อจํานวนอิเล็กตรอนมีไม่เ�ียง�อ ส่ง�ลให้ดิสชาร์จของแก๊สเกิดได้ ยากข�น� และหยุดลงในที� สุด จากนั�นจะมี ดิสชาร์จและการเรืองแสง เกิดข�น� อีกครัง� เมื�อจํานวนอิเล็กตรอนอิสระเ�ิ�มข�น�  การเรืองแสงของช่องหัวนําร่องในแต่ละครัง� จะทําให้ความดัน�ายใน ช่องแก๊สเ�ิ�มข�น� และยังเป็ นการช่วยให้ช่องแก๊สยังคงส�า�อยู่ได้ไม่ แยกหรือสลายออกเป็ นฟองเล็ก� โดยทั�วไปโ�รงแก๊สที�เกิดในนํา� มัน ฉนวนจะมีช่วงเวลาการคงอยูใ่ นนํา� มันก่อนละลายหายไปในเวลาสัน� � (ไมโครวินาที) - การขยายตัวของช่องแก๊ส


ในช่วงท้ายของการเกิดดิสชาร์จ อุณหภูมิของแก๊สในช่องหัวนําร่องจะ ลดตํ�าลง ทําให้�วามนํา��้าของช่องแก๊สลดลง แรงดัน��้าท��ตก�ร่อมช่อง แก๊สม��า่ มากข�น� ในระหว่างน�จ� ะม�ดสิ ชาร์จ��ง� เกิดจาก�วามเ�ร�ยดสนาม��้า สูงบริเวณส่วน�ลายของหัวนําร่อง ทําให้เกิ ด�องแก๊ ส��งจะย�ดตัวตามแนว สนาม��้ า ส่ ง �ลให้ช่อ งแก๊ ส เดิ ม ขยายตั ว เข้า ��ในแก�มากข� �น �้ า แรงดัน ��้ า ตก�ร่อ มช่ อ งแก๊ ส ท�� ข ยายตัว ม� ข นาดสูง �อ แก๊ ส จะเกิ ด การ ดิสชาร์จและม�การเร�องแสงของหัวนําร่องอ�ก�รัง� �ร้อมกับการขยายตัวของ ช่องแก๊สเข้า��ในแก�ท��มากข�น� การเร�องแสงเ��ยงบางส่วนของช่องหัวนําร่องท��เกิดข�น� สามาร�อ�ิบาย �ด้จ ากการเย� น ตัว ลงอย่ า ง�ม่ ส มํ�า เสมอภายในช่ อ งหัว นํา ร่ อ งหลัง จากท�� ดิสชาร์จหยุดลง แรงดัน��้าของช่องแก๊สม��่า�ม่สูง�อท��จะทําให้เกิดเบรก ดาวน์ตลอดช่องแก๊ส แต่เ��ยง�อท��จะทําให้แก๊สบางส่วนเกิดการดิสชาร์จ�ด้ การเร�องแสงเ��ยงบางส่วนน�จ� ะสอด�ล้องกับการกลายสภา�จากสตร�มเมอร์ ดิสชาร์จ��เ�� นส่วนหน��งของช่องแก๊ส �ดยลัก�ณะการกระจายตัวของสตร�ม เมอร์และการขยายตัวของช่องแก๊ สจะข�น� กับ�วามเ�ร�ยดสนาม��้าท��ส่วน �ลายของหั ว นํา ร่ อ ง ในกรณ� ท� หั ว นํา ร่ อ งแยกออกเ�� นหลายเส้น ทาง สนาม��้าจากหัวนําร่องแต่ละตัวจะส่ง�ล��งกันจนอาจทําให้สนาม��้าท�� ส่วน�ลายของหัวนําร่องม��่าลดลงจนตํ�ากว่า�่าท�� ทาํ ให้สตร�มเมอร์เริ�มเกิด การเ�ล��อนท��และการขยายตัวของช่องหัวนําร่องจ�งหยุดลง ดังแสดงในรู �ท�� 4.1� และ รู�ท�� 4.16 4.3.�.� การเบรกดาว์เน��องจากสตร�มเมอร์แบบต่อเน��อง ในกรณ��้อนแรงดัน��้ากระแสสลับ การเบรกดาวน์ของนํา� มันฉนวนจะเกิด หลังจากดิสชาร์จของสตร�มเมอร์แบบต่อเน��อง ��ง� ม�การหยุดและเกิดใหม่สลับกัน��ของ หัวนําร่องในทุก�ร�ง� �าบของแรงดัน��้ากระแสสลับ จนกระทั�งดิสชาร์จ�รัง� สุดท้ายท�� เกิ ด เช�� อ มต่ อ แก�ทั� ง หมดและทํา ให้เ กิ ด เบรกดาวน์ รู � ท�� 4.17 แสดงตั ว อย่ า ง �วามสัม�ัน�์ระหว่างแรงดัน��้าท��อ้ นกับสั��าณแสงท��วดั ในขณะเกิดสตร�มเมอร์ แบบต่อเน��องจนกระทั�งเกิดเบรกดาวน์ในแก�นํา� มันฉนวน สตร�มเมอร์ท�เกิดในแต่ละ�ร�ง� �าบของสั��าณแรงดัน��้าจะอยู่ในเส้นทาง หร�อแนวการเกิดเดิม ทําให้ดสิ ชาร์จของหัวนําร่องใน�ร�ง� �าบสั��าณต่อ��เกิด�ด้ง่าย



ก� การเก�ด��ร��เ��ร์�� เน��ใน��ว�ห�า�ร�� าบ��า��ร�ด�น��า ��

�� การเก�ด��ร��เ��ร์�� เน��ใน��ว��ร�� าบ��า��ร�ด�น��า �6� ��

�� การเบรกดาวน์�ด��ร�ใน��ว��ร�� าบ��า��ร�ด�น��า �� ร�� 4�1� การเบรกดาวน์��น�า� ��นฉนวน�ากการ��น�ร�ด�น��ากร��ล�บ ��


ข�น� ดังแ�ดงในรู ปท�� 1� กลไกดังกล่าวน�น� อก�าก�ะทําให้�ตร�มเมอร์�ามารถขยายตัว ได้อย่างต่อเน��องxxix แล้วยัง�่ง�ลให้แรงดันเบรกดาวน์กระแ��ลับของนํา� มันฉนวนใน แกปขนาดให�่ม�คา่ ตํ�าลงด้วย ��งหน��งท��งั เกตได้�ากการเบรกดาวน์ท�เก�ด�าก�ตร�มเมอร์แบบต่อเน��องในช่วง คร��ง คาบ�ั� �าณ�ุด ท้า ย ค� อ เบรกดาวน์� ะเก� ด ตามกระบวนการของหัว นํา ร่อ ง เช่นเด�ยวกับในกรณ�ของการเก�ดเบรกดาวน์�ดยตรง แต่ยงั คงต้องม�กลไกบางอย่างท��ทาํ ให้หวั นําร่องเก�ดข�น� อ�กครัง� หลัง�ากท��นามไฟฟ้าม�การเปล��ยนแปลง�าก�ูนย์ไปเป็ นขัว� ตรงข้ามxxx �ดยกลไกท��ทาํ ให้เก�ดการด��ชาร์��นกลายเป็ น�ตร�มเมอร์แบบต่อเน��องอ�ก ครัง� ได้แก่ การเก�ดฟองแก��ขนาดเล็กและประ�ุคา้ งท��เหล�ออยู่�ากการด��ชาร์�ในครัง� ก่อน ในระหว่างท��ะเก�ดการเร�องแ�งอ�กครัง� �พรงแก��ะแตกตัวออกเป็ นฟองแก�� ขนาดเล็ก �ากนัน� ด��ชาร์��ะเร��มเก�ด�ายในฟองแก��และขยายตัวเป็ นช่องหัวนําร่อง นอก�ากน�เ� ม��อ�นามไฟฟ้ากลับท��ทางตามแรงดันไฟฟ้าท��ปอ้ น ด��ชาร์��ะเร�ม� เก�ด�าก ฟองแก��ท��อยู่ใกล้กบั อ�เล็ก�ตรด�ั� งท��ม�ความเคร�ยด�นามไฟฟ้า�ูง และขยายตัวไปยัง ฟองแก� � ท�� อ ยู่ใ กล้เ ค� ย งอย่ า งรวดเร็ว กลายเป็ น �พรงแก� � �ดย�นามไฟฟ้ า ท�� ท าํ ให้ ด��ชาร์�เร��มเก�ด�ะเป็ น�ลมา�ากการเพ��มข�น� ของความเคร�ยด�นามไฟฟ้าเน��อง�าก ฟองแก��ขนาดเล็ก อย่างไรก็ตามกลไกน�ย� งั ม�ขอ้ �ํากัดเน��อง�ากการคงอยู่ของฟองแก�� ท��ม�ระยะเวลาน้อยในระดับไม�ครว�นาท� เม��อฟองแก��ลายตัวหร�อถูกดูด�ับไปในนํา� มันฉนวน ทําให้ไอออนท��เหล�ออยู่ กลายเป็ นประ�ุคา้ ง ��งอา��ะถูก�ลักออกหร�อกลายเป็ นกลางท��อ�เล็ก�ตรด ในขณะท�� แรงดันไฟฟ้ากลับขัว� ในคร�ง� คาบ�ั��าณถัดมา ประ�ุคา้ งบาง�่วนท��เคล��อนท��เข้าใกล้ อ�เล็ก�ตรด�ะกลับท��การเคล��อนท��ในบร�เวณใกล้�กับอ�เล็ก�ตรด ทําให้เก�ดความเคร�ยด �นามไฟฟ้า�ูงเฉพาะ�ุด และเป็ นตําแหน่งท��เร�ม� เก�ดหัวนําร่องใหม่อ�กครัง� ��6 ปั ��ัยท��ม��ลกระทบต่อการเบรกดาวน์ในนํา� มันฉนวน �ากคุณ�มบัต�ท�ด�ของนํา� มันฉนวนในหลาย�ด้าน เช่น การเป็ นฉนวน การระบาย ความร้อน และอายุการใช้งาน เป็ นต้น ทําให้ถูกมาใช้กันอย่างแพร่หลายในอุปกรณ์ไฟฟ้า �ดยเฉพาะอย่างย��งในหม้อแปลงไฟฟ้ากําลังและตัวเหน��ยวนํา อย่างไรก็ตามลัก�ณะ�มบัต� ของนํา� มันฉนวนก็ยงั ข�น� อยูก่ บั ปั ��ัยอ��น�ท��าํ คั�ดังต่อไปน� � xxix xxx

การคงอยูข่ องขนาดแรงดันนานเม��อเท�ยบกับแรงดันรูปคล��นอ�มพัล�์

แรงดันไฟฟ้าม�ขนาดเปล��ยนแปลงตามเวลา



4.�.6.1 สิ�งเจ�อ�น สิ�งเจ�อ�นหร�อสิ�ง�นเ�� อนที�มีพลังงาน�อออ�นเ�ชันและพลังงาน��กกระตุน� ต��า จะส่งผลกระทบต่อกระบวนการเกิดและขยายตัวของดิสชาร์จ โดยเฉพาะในฉนวน เหลวบริสทุ ธิ� อย่าง�รก�ตามค�ากล่าวนีอ� าจ�ม่��กต�องเม��อใช�กับน�า� มันแร่��งเ�� นฉนวน เหลวที��ด�จากการผสมกันของสาร��โดรคาร์บอนและสารเติมแต่งหลายชนิด

ก)

ข)

ค)

ง)

จ) ฉ) ร��ที� 4.18 �าพ�่ายการขยายตัวของดิสชาร์จ เน��องจากการเกิดสตรีมเมอร์ แบบต่อเน��อง ��


��6�� แก�สเจ�อปนและความดันสถิตของนํา� มันฉนวน ปริมาณของแก�สที�ละลา�อ��่ในนํา� มันจะขึน� อ��่กบั �นิดของแก�ส ความดันของ ไหลสถิตxxxi ��i� �� และอุณห��มิของนํา� มันฉนวน ถ้ามีปริมาณน้อ� หร�อตํ�ากว่าระดับการอิ�มตัวxxxii จะไม่มีผลกระทบต่อคุณสมบัติการเป็ นฉนวนไฟฟ้าของ นํา� มันฉนวน แต่เม��อแก�สที�ละลา�ในนํา� มันฉนวนถึงจุดอิ�มตัว แก�สส่วนเกินจะกลา�เป็ น ฟองแก�ส เหตุการณ์ลกั �ณะนีจ� ะเกิดขึน� ในขณะที��หลดหร�อกระแสไฟฟ้าที�ไหลผ่าน อุปกรณ์มีการเปลี��นแปลงอ�่างกะทันหันเน��องจากการเ�ิ�มขึน� ของอุณห��มิเฉ�าะจุด เ�่น ในบริเวณใกล้เคี�งกับขดลวดของหม้อแปลงไฟฟ้า เป็ นต้น จากการที�แก� สมี ส�า��อมทางไฟฟ้าตํ�าส่งผลให้ความเครี�ดสนามไฟฟ้าในฟองแก�สมีคา่ ส�งกว่านํา� มัน ฉนวนที�อ��่�ด�รอบประมาณสองถึงสามเท่า การดิส�าร์จจะเริ�มเกิดและข�า�ตัวใน ฟองแก�ส ส่งผลกระทบต่อประสิท�ิ�า�การเป็ นฉนวนของนํา� มันฉนวน �ด�เฉ�าะเม��อ ฟองแก�สเกิดขึน� ในบริเวณที�ความเครี�ดสนามไฟฟ้ามีคา่ ส�ง จากที�ได้กล่าวมาในข้างต้น การเบรกดาวน์ของนํา� มันฉนวนจะเริม� เกิดจากการ ดิส�าร์จของแก�สที�อ��่�า�ใน ดังนัน� เม��อความดันของไหลสถิตหร�อความดันของนํา� มัน ฉนวนเ�ิ�มส�งขึน� การเกิด��รงแก�สในนํา� มันฉนวนจะเป็ นไปได้�ากขึน� ส่งผลให้ความ คงทนต่อแรงดันไฟฟ้าของนํา� มันฉนวนมีค่ามากขึน� ความดันของไหลสถิตจะเกิดขึน� เสมอในอุปกรณ์ท�ีมีการใ�้ฉนวนเหลว ทําให้ความดันของไหลสถิตเป็ นปั จจั�สําคั�ที� ต้องคํานึงถึงในการออกแบบระบบการฉนวนของอุปกรณ์ไฟฟ้า ��6�� ความ��น� นํา� ที�อ��ใ่ นนํา� มันฉนวนจะทําให้คณ ุ สมบัตกิ ารเป็ นฉนวนไฟฟ้าของนํา� มันฉนวน ลดลง �ด�ร�ปที� ��1� แสดงผลของความ��น� ที�มีตอ่ ความคงทนต่อแรงดันไฟฟ้าในนํา� มัน แร่ ��1� จากร� ปจะเห็นว่าความเป็ นฉนวนไฟฟ้าของนํา� มันแร่จะลดลงประมาณ 1�� เม��อมีปริมาณนํา� ในนํา� มันฉนวนเท่ากับ 1� �� และมีค่าประมาณ 7�� ของนํา� มัน ฉนวนแห้ง �ปรา�จากความ��น� � จากนัน� จะมีคา่ ลดลงอ�่างรวดเร็วอีกครัง� เม��อความ��น� ในนํา� มันฉนวนมีคา่ มากกว่า ��

xxxi

แรงที�เกิดจากนํา� หนักของของไหลที�กดบน��น� ที�ดา้ นล่างของ�า�นะที�บรรจุของไหล

xxxii

ปริมาณของแก�สส�งสุดที�ละลา�ได้ในของเหลว ��



% VDE 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0

0

10

20

30

Moisture Content , ppm

ร��ที� ��1� �ล�องความชืน� ต่อแรงด�นเบรกดาวน์�องนํา� ม�นฉนวนสะอาด (ไม่มีอนุภาคแ�วนลอย) ที�ระยะแก� � �� โดยใช้อิเล็กโตรดร��ทรงเห็ด ��6�� โลหะที�ละลายในนํา� ม�นฉนวน ในสภาวะการทํางาน�กติโลหะที�ใช้ในการทําหม้อแ�ลงไฟฟ้า เช่น ทองแดง สามารถละลายได้ใ นนํา� ม�น หม้อ แ�ลงใน�ริม า�ที� น ้อ ยมาก คื อ ในระด�บ หน�� ง ใน ��นล้านส่วน (part per �illio�� pp�) อย่างไรก็ตาม�ริมา��องโลหะในนํา� ม�นฉนวนจะ มี�ริมา�เ�ิ�ม��น� ตามระยะเวลาการใช้งานหม้อแ�ลงไฟฟ้า ส่ง�ลกระทบต่อแฟกเตอร์ กําล�งส��เสีย�องนํา� ม�นฉนวนมีค่ามาก��น� นอกจากนี�� ริมา��องโลหะที�ละลายอย�่ สามารถแสดงถ�ง�ริมา�การเกิด��ิกิรยิ าออก�ิเดช�น�องนํา� ม�นฉนวน และในบางกร�ี ย�งถ�กใช้เ�็ นต�วระบุตาํ แหน่ง�องความ�ิด�ร่องที�เกิดในหม้อแ�ลงไฟฟ้าได้อีกด้วย ��6�� อนุภาค�นเ�ื �อน�องแ�็ง ความคงทนต่อแรงด�นไฟฟ้า�องนํา� ม�นหม้อแ�ลงจะลดลงอย่างมากเมื� อมี อนุภ าค�องแ�็ ง �นเ�ื � อ นอย�่ภ ายใน โดยเฉ�าะอย่ า งยิ� ง เมื� อ อนุภ าคด�ง กล่า ว คื อ คาร์บอนหรือไฟเบอร์ ภายใต้สนามไฟฟ้าจะเกิดแรงหลายชนิดกระทําต่ออนุภาค เช่น แรงไฟฟ้าสถิต (electrostatic force) แรงอิเล็กโตรโฟรีทิกxxxiii (electrophoretic force)

xxxiii

แรงที�เกิดก�บอนุภาคที�มี�ระจุ เมื�อ�้อนสนามไฟฟ้าอนุภาคที�มี�ระจุจะเคลื�อนที�ไ�ย�ง��ว� ที�ตรง�้ามก�นด้วย อ�ตราเร็วในการเคลื�อนที��ง� ��น� ก�บ�ริมา��ระจุ ร��ร่าง และ�นาด�องอนุภาคน�น�


แรงไดอิเล็กโตรโฟรีทิกxxxiv (dielectrophoretic force) และแรงไฟฟ้าอุทกพลศาสตร์xxxv (electrohydrodynamic force) โดยแรงไฟฟ้ า สถิ ต �ะท�า ให้ อ นุ ภ าคที� มี ป ระ�ุ เ คล�� อ นที� ไ ปยั ง บริ เ ว�ที� ความเครียดสนามไฟฟ้ามีค่าต��า ในข�ะที�แรงอิเล็กโตรโฟรีทิก�ะกระท�าในทิศทางที� สนามไฟฟ้ามีค่าเพิ�มข�น� ส่วนแรงไฟฟ้าอุทกพลศาสตร์�ะท�าให้อนุภาคมีการเคล��อนที� เป็ นวงกลม��งในบางกร�ีอา�มีทิศทางตรงข้ามกับแรงทัง� สองที�ได้กล่าวมาในข้างต้น ในแกปขนาดเล็กแรงที�เกิดข�น� อา�ท�าให้เกิดการสะสมของอนุภาคของแข็งในบริเว�ที�มี ความเครียดสนามไฟฟ้าสูง �นท�าให้เกิดการเช��อมต่อระหว่างอิเล็กโตรดทัง� สอง�ั� งและ เกิดเบรกดาวน์ได้ในที�สดุ ในกร�ี ของแกปขนาดให�่ ท�ีมีการไหลเวียนของน�า� มันฉนวนเป็ นปกติ การ เบรกดาวน์�ะเริ�มเกิด�ากอนุภาคของแข็งในปริมาตรที�มีความเครียดสนามไฟฟ้าสูง (�tre��ed vol�me�) ��ง� มีคา่ สนามไฟฟ้ามากกว่า 9�� ของสนามไฟฟ้าสูงสุดในระบบ อิเล็กโตรด แต่ถา้ หากน�า� มันฉนวนผ่านการกรองอนุภาคของแข็งออก การเบรกดาวน์ ของน�า� มันฉนวน�ะเริ�มก่อตัวที�พ�นผิวของอิเล็กโตรดที�มีค่าสนามไฟฟ้าสูง (�tre��ed area�) โดยตัวอย่างความสัมพัน�์ระหว่างสนามไฟฟ้าที�ทา� ให้เกิดเบรกดาวน์กบั พ�น� ที� ผิวของอิเล็กโตรดและปริมาตรของน�า� มันที�มีความเครียดสนามไฟฟ้าสูง แสดงในรู ปที� 4.�� และรูปที� 4.�1 ตามล�าดับ 4.3.6.6 รอยต่อระหว่างฉนวน ในทางป�ิบตั ิระบบฉนวนที�ใช้ในอุปกร�์ไฟฟ้าแรงสูง�ะเป็ นระบบฉนวนผสม ระหว่างฉนวนเหลวกับฉนวนแข็ง โดยน�า� มันฉนวนท�าหน้าที�เป็ นฉนวนไฟฟ้าหลักและ ฉนวนแข็งถูกใช้เป็ นส่วนโครงสร้างและรับแรงทางกล - ความผิดพร่องในช่วงต้น ดิสชาร์�บางส่วน�ะเริ�มเกิ ดที� บริเว�รอยต่อฉนวน ท�าให้ฉนวนใน บริเว�นีเ� ส��อมสภาพลงอย่างช้า� และท�าให้อนุภาคคาร์บอน�ากการสลายตัว ของโมเลกุลน�า� มันมี�า� นวนเพิ�มข�น� ตามเวลา เม��อรวมเข้ากับการเส��อมสภาพ

xxxiv

xxxv

แรงที�กระท�าต่ออนุภาคฉนวนเม��ออยู่ภายใต้สนามไฟฟ้าที�มีการะ�ายแบบไม่สม��าเสมอ โดยขนาดของแรง�ะ ข�น� อยู่กับขนาดและรู ปร่างของอนุภาค ความถี� ของสนามไฟฟ้า และสภาพยอมทางไฟฟ้าของตัวกลางที� อนุภาคฉนวนแขวนลอยอยู่

แรงที�เกิดกับอนุภาคที�มีประ�ุในของไหลเม��ออยู่ภายใต้สนามไฟฟ้า



ก) แรงดันกระแสสลับ

ข) แรงดันอิมพัลส์ ร�� 0 �ลของพ�น� ��ิวอิเล�ก��รด��อการเกิดเบรกดาวน์ของน�า� มันฉนวน�� นเ�� อนอน��า�ของแข�งในแก�ขนาดให��


ก) แรงดันกระแสสลับ

ข) แรงดันอิมพัลส์ ร�� 4.21 �ลของ�ริมา�ร��ม�สนาม��าส�ง��อการเกิดเบรกดาวน์ของน�า� มัน ฉนวน��นเ�� อนอน��า�ของแข�งในแก�ขนาดให�� 2�



ของกระดาษฉนวนจะเกิ ดเป็ นรอย (tracking) บนผิว ฉนวน เสมื อนกับการ ขยายตัวของอิเล็ก�ตรดที�มีความเครียดสนามไฟฟ้าสูงเข้าไปในนํา� มันฉนวน มากข�น� และเกิดการเบรกดาวน์เมื�อรอยต่อดังกล่าวเชื�อมต่อระหว่างตัวนําที�มี ศักย์ไฟฟ้าต่างกัน - การปลดปล่อยไฟฟ้าสถิตย์ (electrostatic discharge) การถ่ายเทประจุไฟฟ้าเกิดจากการเสียดสีระหว่างกระดาษฉนวนอัด แข็ง (�ress�oard) กับนํา� มันฉนวนที�ไหลเวียนด้วยความเร็วสูง อิเล็กตรอนจะ หลุดออกจาก�มเลกุลของนํา� มันฉนวน และไปเกาะอยู่บนผิวของกระดาษ ฉนวน การสะสมของอิ เ ล็ ก ตรอนบนผิ ว กระดาษทํา ให้เ กิ ด ความเครี ย ด สนามไฟฟ้า สูง เฉพาะจุด เกิ ดเป็ น ดิสชาร์จและนํา ไปสู่ก ารเบรกดาวน์ของ นํา� มันฉนวนในที�สดุ �.�.�.7 การเสื�อมส�าพและการสลายตัวของนํา� มันฉนวน สาเหตุสาํ คั�ที� ท าํ ให้น า�ํ มัน ฉนวนเกิ ดการเปลี�ย นแปลงคุ�สมบัติก ารเป็ น ฉนวนไฟฟ้าตามระยะเวลาหรืออายุการใช้งาน ได้แก่ - ปฏิกิรยิ าออกซิเดชัน เมื�ออยู่�ายใต้อ� ุ ห�ูมิสงู เป็ นระยะเวลานาน จะเกิดสารประกอบที�มี ขัว� (�olar com�o�nd) ทําให้นา�ํ มันฉนวนมีปริมา�ความเป็ นกรดและเปอร์ ออกไซด์xxxviมากข�น� อี กทั�งยังทําให้แรงต�งผิวระหว่างผิวของฉนวนเหลวกับ ฉนวนแข็งลดลง หากไม่มีการเติมสารยับยัง� ปฏิกิรยิ าออกซิเดชันจะเกิดอย่าง ต่อเนื� องจนกระทั�งเกิ ดการอิ�ม ตัว เกิ ดตะกอนเป็ นสารแขวนลอยเจื อปนใน นํ�า มัน ฉนวนและทับ ถมกลายเป็ นคราบดํา ตกตะกอน (sl�dge) �ายใน อุปกร�์ไฟฟ้า ความเป็ นกรดที�เพิ�มข�น� ยังส่งผลให้ฉนวนกระดาษหรือเซลลู�ลส เสื�อมส�าพ และมีอายุการใช้งานลดลง นอกจากนีต� ะกอนที�เกิดข�น� ยังไปอุด ตันช่องทางไหลเวียนของนํา� มันฉนวน การระบายความร้อนแย่ลง จนทําให้ อุ�ห�ูมิ�ายในของอุปกร�์สงู ข�น� �ดยทั�วไปตะกอนจะเกิดข�น� เมื�อปริมา�ความเป็ นกรดในนํา� มันฉนวน มีค่าเท่ากับ 0.2 mg KOH/g การชะลอการเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันสามารถ ทําได้�ดยการเติมสาร 1�2-ได�บรไม-�-คลอ�ร�พรเพน (��) ลงในนํา� มัน ฉนวนใหม่หรือนํา� มันฉนวนที�นาํ กลับมาใช้ใหม่ (ผ่านการกรองแล้ว) xxxvi

ค่าที�ใช้วดั กลิ�นหืน (rancidit�) ซ�ง� แสดงการเสื�อมคุ��าพของนํา� มัน


- การสลาย��ว�อง��เลก�ลน�า� ��นฉนวนเน�� อง�าก��ดร้อน การเกิดดิส�าร์� บางส่วน และการเกิดอาร์ก อ� � ห�� ิ ส� ง ��า ให้น �า �� น ฉนวนเส�� อ �ส�า� ย่ อ ยสลายเ�� นสาร �ลิ � �� ์ ��-�� เ�่ น แก� ส ไ��ดรเ�นและแก� ส �ี เ �นเน�� อ ง�าก ดิส�าร์��นาดเล�ก แก�สอะเ��ิลีนใน��ะเกิดอาร์กในน�า� ��นฉนวน ด�งน�น� ��ง �วรน�า น��า ��น ฉนวนไ��่ า นเ�ร�� อ งกรอง��น �ี ��ี ส ารย�บ ย��ง การเกิ ด ��ิ กิ ริย า ออก�ิเด��นในน�า� ��นฉนวนห�ด เ��อ�้องก�น�วา�เสียหายอย่าง�าวร�ี��ะเกิด ��น� ก�บน�า� ��นฉนวนและอ��กร�์ไ��้า นอก�ากนีใ� นสายเ�เบิลบรร��นา� ��น ��-�� ะ�ีการเ�ิ�สารเ�ิ� แ�่ง��า�วกอะ�ร�า�ิกในน�า� ��นฉนวนเ��อเ�ิ��วา�สา�าร�ในการด�ด��แก�สและย�ง ใ�้�ริ�า�สารอะ�ร�า�ิก�ี�เหล�ออย�่เ�� น��วบ่ง�ี ร� ะด�บ�องแก�ส�ี� ละลายอย�่ในน�า� ��น ฉนวนได้อีกด้วย



คําถามท้ายบทที� 4 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 4.8 4.9 4.10 4.11 4.12 4.13 4.14 4.15 4.16 4.17 4.18 4.19 4.20

เหตุใดจ�งกล่าวว่าของเหลวสามาร�ทําหน้าที�เป็ นฉนวนไฟฟ้าได้ดีกว่าแก�ส จงยกตัวอย่างอุปกรณ์ไฟฟ้าที�มีการใช้ของเหลวเป็ นฉนวนไฟฟ้าหลักในการทํางาน จงอธิบายโครงสร้างและคุณสมบัตทิ �ีสาํ คัญของนํา� มันแร่ในแง่การใช้งานเป็ นฉนวนไฟฟ้า การเกิดแก�สในนํา� มันฉนวนมีสาเหตุมาจากอะไร และมีวิธีการควบคุมปริมาณแก�สที�ละลายอย�่ ในนํา� มันฉนวนได้อย่างไร ข้อจํากัดของการใช้นา�ํ มันแร่ในอุปกรณ์ไฟฟ้าขนาดใหญ่ท�ีมีพิกดั กําลังไฟฟ้าส�งคืออะไร จงเปรียบเทียบคุณสมบัตทิ �ีสาํ คัญระหว่างนํา� มันแร่กบั นํา� มันฉนวนสังเคราะห์ โครงสร้างโมเลกุลที�เป็ นสายโ�่และมีก�ิงมี�ลอย่างไรต่อคุณสมบัติของนํา� มันฉนวนกลุม่ อะลิฟา ติกไฮโดรคาร์บอนหรือพอลิอลั ฟาโอเลฟิ น ฉนวนเหลวบริสทุ ธิ�คืออะไร มีลกั ษณะโครงสร้างโมเลกุลเป็ นอย่างไร สิ�งเจือปนที�พบในฉนวนเหลวมีอะไรบ้าง และมีวิธีการทําให้บริสทุ ธิ�อย่างไร จงอธิ บ ายลัก ษณะการเปลี� ย นแปลงของกระแสไฟฟ้า ในนํา� มัน ฉนวนไฮโดรคาร์บ อนเมื� อ แรงดันไฟฟ้าที�ปอ้ นมีขนาดเพิ�มข�น� ตามเวลา การเกิดฟองแก�สในฉนวนเหลวมีขนั� ตอนอย่างไร ปั จจัยที�มี�ลต่อกระบวนการนําไฟฟ้าในฉนวนเหลวมีอะไรบ้าง จงอธิบาย ฉนวนเหลวเชิงการค้าคืออะไร และมีความแตกต่างกับฉนวนเหลวบริสทุ ธิ�อย่างไร จงอธิบายกลไกการเบรกดาวน์ในฉนวนเหลวเชิงการค้า การเกิดสตรีมเมอร์ของฉนวนเหลวในแกปขนาดเล็กจากการป้อนแรงดันขัว� บวกและแรงดันขัว� ลบแตกต่างกันอย่างไร การเบรกดาวน์ของฉนวนเหลวในแกปขนาดเล็กแบ่งได้เป็ นกี� ขั�นตอน และแต่ละขัน� ตอนมี รายละเอียดอย่างไร หัวนําร่องคืออะไร และมีความสําคัญอย่างไรต่อการเกิดเบรกดาวน์ของฉนวนเหลวในช่องแกป ขนาดใหญ่ ความแตกต่างระหว่างการเกิดเบรกดาวน์โดยตรงและการเกิ ดเบรกดาวน์จากสตรีมเมอร์ แบบต่อเนื�องคืออะไร พลังงานไอออไนเ�ชันและพลังงาน��กกระตุน้ ของสิ�งเจือปนมี�ลอย่างไรต่อการเกิดเบรกดาวน์ ของฉนวนเหลว เหตุใดจ�งกล่าวว่าแก�สที�เจือปนอย�่ในฉนวนจ�งเป็ นสาเหตุสาํ คัญของการเบรกดาวน์ในฉนวน เหลว


4.21 ��บา��าเห��การเ��น� ��ร��า��ลห�ในน�า� ��นฉนวน�า�ร��เวลาการใ��าน�� กร�์��า เ��น ห��ล��าก�าล�� ล��วเหน��วน�า�ร�ด�น�� 4.22 �ร��กร��น��า��นเ�� นในฉนวนเหลว��ก��น�ด ��บา� 4.23 �วา�เ�� นกรด��น�า� ��นฉนวน��เ��น� �า�ร��เวลาการ��า�าน��กร�์��าเห��า�าก ��ร �ล��ลกร��บ��ร��บ��ก� ารเ�� นฉนวน��น�า� ��นฉนวน 4.24 การน�าน�า� ��นฉนวน��เ��า��านเ�ร��กร�� ว��ก�น�วา�เ��หา��เก�ด��น� ก�บ น�า� ��นฉนวน�ล��กร�์��า�ด��า��ร


- 176 -

บทที� 5 การเบรกดาวน์ของฉนวนแข็งและฉนวนคอมโพสิต ของแข็ ง คื อ สสารที� มี แ รงยึด เหนี� ย วระหว่า งอนุภ าคมาก อนุภ าคอยู่ใ กล้กัน มาก ทํา ให้ ของแข็งมีรูปร่างและปริมาตรคงที� การบีบและอัดของแข็งเป็ นไปได้ยากเนื�องจากไม่มีท�ีว่างระหว่าง อนุภาค มีจุดหลอมเหลวและจุดเดือดสูงกว่าแก๊สและของเหลว โดยลักษณะสมบัติของของแข็งจะ ขึน� อยูล่ กั ษณะการจัดเรียงอนุภาค จากคุณสมบัตดิ งั กล่าวทําให้สว่ นใหญ่ของแข็งถูกใช้เป็ นโครงสร้าง หลักของอุปกรณ์ไฟฟ้า เพื�อทําหน้าที�รบั นํา� หนักหรือแรงทางกลที�เกิดขึน� กับอุปกรณ์ไฟฟ้า ฉนวนไฟฟ้าที�เป็ นของแข็งจะต้องมีความต้านทานไฟฟ้าสูง สามารถทนต่อแรงกลที�เกิดจาก การไหลของกระแสไฟฟ้าได้ โดยเฉพาะในขณะเกิดการลัดวงจร และต้องคงลักษณะสมบัติท�ีสาํ คัญ เช่น ความคงทนต่อปฏิกิริยาเคมี ความคงทนต่อแรงดันไฟฟ้า และแฟกเตอร์กาํ ลังสูญเสีย ได้เป็ น เวลานาน แต่อย่างไรก็ตามฉนวนแข็งยังมีขอ้ จํากัดในเรื�องการระบายความร้อน ทําให้โดยปกติเรา ไม่สามารถใช้ฉนวนแข็งเพียงประเภทเดียวได้ ต้องมีการใช้ฉนวนประเภทอื�นร่วมเพื�อปรับปรุ งคุณ สมบติในการระบายความร้อนของอุปกรณ์ไฟฟ้า เช่น ระบบฉนวนผสมระหว่างของเหลวและของแข็ง เป็ นต้น 5.1 ฉนวนแข็ง ความต้องการที�จะให้ระบบการฉนวนสําหรับอุปกรณ์ไฟฟ้าแรงสูงมีขนาดเล็กลง นําไปสูก่ าร พั�นาระบบฉนวนแบบใหม่��ึงได้จากการรวมกันของวัสดุฉนวนหลายชนิด เช่น ฉนวนแข็ง ฉนวน คอมโพสิตxxxvii ฉนวนแข็ง-ของเหลว และฉนวนแข็ง-แก๊ส เป็ นต้น อย่างไรก็ตามของแข็งและวัสดุคอม โพสิตมีคุณสมบัติท�ีสาํ คัญอย่างหนึ�ง คือ ไม่สามารถคืนสภาพการเป็ นฉนวนไฟฟ้าได้หลังจากการ เบรกดาวน์ การศึกษาถึงสาเหตุและกลไกการเกิดเบรกดาวน์ในฉนวนแข็งและฉนวนคอมโพสิตจึงมี ความสําคัญในการออกแบบระบบฉนวนไฟฟ้าแรงสูง โดยทั�วไปการเบรกดาวน์ในฉนวนทัง� สองชนิดนี � สามารถแบ่งออกได้เป็ นสองประเภท คือ การเกิดเบรกดาวน์โดยตรง และการเบรกดาวน์เนื�องจาก ความผิดพร่องที�เกิดในระบบส่งจ่ายไฟฟ้า

xxxvii

วัสดุท�ี ประกอบด้วยการรวมกันของวัสดุมากกว่าสองชนิ ดเข้าด้วยกัน ประกอบด้วยวัสดุท�ี เป็ นเนื อ� หลัก และวัสดุเสริมที�กระจายตัวอยูใ่ นเนือ� หลัก เพื�อใช้ปรับปรุ งคุณสมบัติบางอย่างของวัสดุเนือ� หลักให้ดีขนึ � เช่น คุณสมบัติทางกลหรือคุณสมบัติทางความร้อน เป็ นต้น

การเบรกดาวน์ การเบรกดาวน์ขของฉนวนแข็ องฉนวนแข็งงและฉนวนคอมโพสิ และฉนวนคอมโพสิตต -- 177 177 --

5.1.1 การเบรกดาวน์บริสทุ ธิ� (Intrinsic Breakdown) เบรกดาวน์แ บบบริ สุ ท ธิ� เ ป็ นการเกิ ด เบรกดาวน์ใ นฉนวนที� เ ป็ นสารเนื �อ เดี ย ว (�o�o�eneo�s) และเป็ นฉนวนใหม่ท�ียงั ไม่ผ่านการใช้งาน โดยปกติเบรกดาวน์แบบบริสทุ ธิ� นี จ� ะเกิ ดที� แรงดันไฟฟ้าสูงมากและเกิ ดในช่ว งเวลาสัน� � ค่า แรงดัน เบรกดาวน์ท�ี ได้จะถูก นําไปใช้เป็ นค่าเปรียบเทียบในการเลือกใช้เป็ นวัสดุฉนวนในอุปกรณ์ไฟฟ้าแรงสูง ปั จจัยสําคั�ที� ทาํ ให้เกิ ดเบรกดาวน์แบบบริสุทธิ� คือ การเร่งของอิเล็กตรอนที� อยู่ ภายในวัสดุภายใต้อิทธิพลของสนามไฟฟ้าโดยปราศจากข้อจํากัดทางสนามไฟฟ้าสถิตย์xxxviii จนถึงปั จจุบนั ยังไม่มีทฤษฎีใดที�สามารถอธิบายกระบวนการเบรกดาวน์แบบบริสทุ ธิ�ได้อย่าง ชัดเจน พบแต่เพียงว่าอิเล็กตรอนจะมีความเร่งสูงขึน� ก่อนที�ความนําไฟฟ้าของวัสดุฉนวนจะ เพิ�มขึน� อย่างรวดเร็ว จนในบางครัง� การเกิดเบรกดาวน์แบบบริสทุ ธิ�จะไม่พิจารณาถึงความไม่ มี เสถี ยรภาพทางอุณหภูมิ (t�er�al insta�ilit�) ถ้าการเพิ�มขึน� ของความนําไฟฟ้าเกิ ดขึน� ในช่วงที�แรงดันมีการเปลี�ยนแปลงเพียงเล็กน้อย 5.1.1.1 ทฤษฎีการเกิดเบรกดาวน์แบบบริสทุ ธิ� การเบรกดาวน์แบบบริสุทธิ� จะขึน� กับความมีเสถี ยรภาพของอิเล็กตรอนที� มี ระดับพลังงานสูงเพียงพอ (cond�ction electron) โดยเงื�อนไขที�ทาํ ให้อิเล็กตรอนไม่ สามารถรักษาเสถียรภาพได้แบ่งออกเป็ นสองเงื�อนไข คือ เงื�อนไขพลังงานตํ�า (lowener�� criterion) ที�กล่าวถึงค่าสนามไฟฟ้าที�ทาํ ให้การกระจายตัวของอิเล็กตรอนที�มี ระดับพลังงานสูงไม่มีเสถียรภาพและมีอตั ราการเพิ�มขึน� ของความเร็วในการเคลื�อนที� สูง ขึ น� อย่ า งต่ อ เนื� อ ง และเงื� อ นไขพลัง งานสูง (�i��-ener�� criterion) ที� เ กิ ด จาก อิเล็กตรอนที�มีพลังงานมากกว่าค่าเฉลี�ย ทําให้ถกู เร่งความเร็วได้ง่ายและเมื�อมีจาํ นวน มากพอก็จะทําให้เกิดภาวะไร้เสถียรภาพภายในวัสดุฉนวน รูปที� 5.1 แสดงการเปลี�ยนแปลงพลังงานของอิเล็กตรอนที�ทาํ ให้เกิดเบรกดาวน์ แบบบริสทุ ธิ�ภายใต้เงื�อนไขพลังงานสูง โดยเส้นโค้ง B แสดงอัตราการสู�เสียพลังงาน ของอิ เ ล็ก ตรอนเนื� อ งจากการชน การสั�น ของโครงผลึก (lattice vi�ration) ที� ทุก ค่า พลังงานของอิเล็กตรอน โดย I คือ พลังงานไออไนเซชันของโครงผลึก เส้นโค้ง F แสดง อัต ราการเพิ� ม พลัง งานของอิ เ ล็ ก ตรอนที� ไ ด้จ ากสนามไฟฟ้ า สภาวะความไม่ มี เสถี ย รภาพจะเกิ ด ขึ �น เมื� อ พลั ง งานที� อิ เ ล็ ก ตรอนได้ร ับ จากสนามไฟฟ้ า มี ข นาด

xxxviii

ปราก�การณ์ท�ีเกิดจากแรงระหว่างอนุภาคที�มีประจุไฟฟ้าซึ�งอธิบายได้โดยใช้กฎของคูลอมบ์ (�o�lo��s law)

Rate of energy gain or loss electron to lattice, W/s

- 178 - การเบรกดาวน์ของฉนวนแข็งและฉนวนคอมโพสิ การเบรกดาวน์ตของฉนวนแข็งและฉนวนคอมโพสิต - 178 -

F2 B

F = FC

Electron loss

F1

Electron gain

I Electron energy (w)

รู�ที� 5.1 เง��อนไขการเบรกดาวน์บริสทุ ธิ�ท�ีพลังงานสูง มากกว่าพลังงานที�สู�เสียไ�เน��องจากการชน เช่น �นกร�ีของเส้นโค้ง �2 แต่จะไม่ เกิดขึน� �นกร�ีของเส้นโค้ง �� เน��องจากอิเล็กตรอนจะต้องมีพลังงานมากกว่าพลังงาน ไอออไนเซชันของโครงผลึกซึ�งไม่พบอิเล็กตรอนที�สอดคล้องกับเง��อนไขนี � สนามไ��้า วิก�ตที�ทาํ �ห้เกิดความไม่มีเส�ี ยร�าพ ค�อ ค่าสนามไ��้าที�ทาํ �ห้เกิดเส้นโค้ง �C ที� จุดตัดระหว่างอัตราการสู�เสียพลังงานและอัตราการเพิ�มพลังงานของอิเล็กตรอนมีคา่ เท่ากับพลังงานไอออไนเซชันของโครงผลึก 5.1.1.2 การวัดแรงดันเบรกดาวน์บริสทุ ธิ�ของฉนวนแข็ง วิธีการวัดแรงดันเบรกดาวน์บริสทุ ธิ�ท�ี�ช้โดยทั�วไ�มีอยู่ดว้ ยกันสองวิธี ค�อ การ วั ด โดย�ช้ ชิ � น งานแบบ�ั ง (�ece��e� ��eci�en) และเทคนิ ค ของ McKeown (McKeown technique) - วิธีการทดสอบโดย�ช้ชิน� งานแบบ�ัง รู �ที� 5.2 แสดงการจัดวางตัวอย่างทดสอบ แผ่นฉนวนแข็งจะ�ูกวาง ระหว่างตัวนํา โดยตัวนําด้านบนได้จากการกดแผ่นโลหะ เช่น อลูมิเนียม ด้วย ทรงกลมที�มีร�ั มี�ระมา� 1 c� �ั งลงไ��นแผ่นฉนวนแข็งโดย�ห้ส่วนที�แคบ Vacuum deposited aluminum electrodes Recessed disc

รู�ที� 5.2 ตัวอย่างชิน� งานแบบ�ั ง


ที�สดุ ของแ�่นฉนวน (ส่วนปลายของทรงกลม) มีความหนาประมา� �0 m ถึง 200 m ส่วนแ�่นตัวนําด้านล่างต้องแนบสนิทกับ�ิวของแ�่นฉนวน ซึ�ง อาจทําได้โดยการเคลือบฟิ ล์มอลูมิเนียมด้วยวิธีการระเหย (evaporated film) หรือทําการเคลือบ�ิวฉนวนด้านล่างด้วยกราไฟต์ การเตรียมชิน� งานทดสอบ ด้วยวิธีนีจ� ะทําให้เกิ ดข้อจํากัดที� สาํ คั�ในข�ะทําการทดสอบแรงดันเบรก ดาวน์สองประการ คือ การระบายความร้อนตรงบริเว�ส่วนที�มีความเครียด สนามไฟฟ้าสูงไม่ดีพอ และแรงอัดทางกลไฟฟ้าที�เกิดในข�ะป้อนแรงดันไฟฟ้า ทําให้ฉนวนตรงส่วนยอดของอิเล็กโตรดมีความหนาลดลง ทําให้แรงดันเบรก ดาวน์บริสทุ ธิ�ท�ีวดั ได้มีคา่ ตํ�า - เทคนิคของ McKeown ทําการวัดแรงดันเบรกดาวน์บริสทุ ธิ�โดยใช้อิเล็กโตรดทรงกลมดังแสดง ในรู ปที� �� ที� ติดตัง� อยู่ในช่องทรงกระบอกของพลาสติกแข็ง เช่น อะคริลิค (Acrylic) หรือเพล็กซิกลาส (Plexiglass) เป็ นต้น อิเล็กโตรดด้านล่างถูกยึด ด้วยอีพ็อกซี�-เรซิ�น (epoxy-resin) และเทเรซิ�นเหลวชนิดเดียวกับที�ใช้ในการยึด อิ เ ล็ ก โตรดลงในช่ อ งและให้ค วามร้อ นในส�าวะสุ � �ากา�จนกระทั� ง ปรา�จากฟองแก� สในเนือ� เรซิ�น นําแ�่นฉนวนแข็งที� ใช้ทดสอบใส่ลงในช่อง เทเรซิ�นเหลวลงไปและทําการกําจัดแก�สออกจากเรซิ�นอีกครัง� จากนัน� ทําการ วางอิ เ ล็ ก โตรดทรงกลมด้า นบนลงไปในช่ อ งและทํา การบ่ ม xxxix (curing) จนกระทั�งเรซิ�นเหลวกลายเป็ นของแข็ง Epoxide resin

Specimen

3" diam. steel sphere 8

Perspex disc

รูปที� �� ตัวอย่างชิน� ทดสอบด้วยวิธีของ McKeown

xxxix

การทําให้เกิดป�ิกิรยิ าทางเคมี (cross lin�) ทําให้ได้ชิน� งานเรซิ�นที�มีความแข็งแรงและความทนทาน


แรงดันเบรกดาวน์บริสทุ ธิ�ท�ีได้จากการวัดด้วยวิธีของ �� จะมี ค่า สูง กว่ า แรงดัน เบรกดาวน์ท�ี ไ ด้จ ากการทดสอบด้ว ยชิ น� งานแบบ�ั ง ดัง ตัวอย่างที�แสดงในรู ปที� �� เนื� องจากไม่มี�ลจากการเปลี�ยนรู ปของชิน� งาน จากแรงทางกลไฟฟ้าในขณะทําการทดสอบ 9

Electric strength, MV/cm

8

McKeown specimens

7 6 5 Recessed specimens

4 3 2 20

30

40

50

60

70

80

90

Temperature, C ุ ห�ูมิตา่ ง� รูปที� �� แรงดันเบรกดาวน์บริสทุ ธิ�ของโพลิธีน �� ที�อณ

��1�� แรงดันเบรกดาวน์เริม� ต้น ความคงทนต่อแรงดันไฟฟ้าบริสุทธิ� ของวัสดุจะมีความหมายหรือถูก นําไปใช้ใน วงจํากัดหรืองานบางประเ�ทเท่านัน� เนื�องจากวัสดุฉนวนต้องมีลกั �ณะเป็ นเนือ� เดียวเพื�อ ไม่ให้เกิดเบรกดาวน์บริเวณรอยต่อระหว่างเนือ� ฉนวน มีความแข็งแรงทางกลสามารถทนต่อ แรงที�เกิดจากสนามไฟฟ้าได้ และมีความนําไฟฟ้าตํ�าที�อณ ุ ห�ูมิและความถี�ไฟฟ้าใช้งาน เพื�อ ไม่ให้เกิดการขาดเสถียร�าพทางความร้อนที�สนามไฟฟ้าค่าตํ�ากว่าความเครียดสนามไฟฟ้า บริสทุ ธิ� จากที�กล่าวในข้างต้น แรงดันเบรกดาวน์บริสทุ ธิ�จ�งไม่เหมาะที�จะนํามาใช้กบั ระบบ ฉนวน เนื�องจากข้อจํากัดเรื�องขนาดและกรรมวิธีในการ�ลิต ในทางป�ิบตั ิค่าแรงดันเบรก ดาวน์ท�ีถกู นํามาใช้ในการออกแบบฉนวน คือ แรงดันเบรกดาวน์เริ�มต้น ��


�o�t��e) ที�สามารถทดสอบได้เองในห้องป�ิบตั กิ ารขนาดเล็กโดยใช้ตวั อย่างหรือชิน� ส่วนของ ฉนวนจากอุปกร�์ท�ีใช้ในระบบส่งจ่ายกําลังไฟฟ้า ด้วยการป้อนแรงดันไฟฟ้าให้กบั ตัวอย่าง ฉนวนที�ยังไม่�่านการใช้งานและไม่มีการเสื�อมสภาพจนกระทั�งเกิดเบรกดาวน์ ปั จจัยที�มี �ลกระทบต่อค่าแรงดันเบรกดาวน์เริ�มต้นมีอยู่ดว้ ยกันหลายประการ เช่น ความดันอากา� ข�ะทําการทดสอบ ความหนาของแ�่นฉนวน สภาพพืน� �ิวของอิเล็กโตรดที�ใช้ทาํ ทดสอบ ช่องว่างหรือสิ�งเจือปนในเนือ� ฉนวน และขัน� ตอนการเตรียมตัวอย่างที�ใช้ในการทดสอบ ซ��ง ต้องทําการพิจาร�าให้ตรงกับสภาพแวดล้อมที�นาํ วัสดุฉนวนไปใช้งาน 5.1.� การเสื�อมสภาพและความ�ิดปกติเริม� แรก ภายใต้สภาวะการทํางาน ระบบฉนวนจะมีการดูดซับพลังงาน เช่น พลังงานจาก ระบบไฟฟ้า และความร้อนจากแสงแดดอยูต่ ลอดเวลา ทําให้พนั ธะภายในโมเลกุลของฉนวน ถูกทําลายหรือแตกออก โครงสร้างโมเลกุลเกิดการเปลี�ยนแปลงกลายเป็ นองค์ประกอบใหม่ ภายในฉนวน ส่ง�ลให้ค� ุ สมบัติการเป็ นฉนวนเปลี�ยนไปจนไม่เหมาะกับการนํามาใช้งานใน ระบบการฉนวน ความ�ิ ด ปกติเ ริ�ม แรกมาจากความเสี ย หายเฉพาะจุด จนทํา ให้ฉ นวนเกิ ด ความ เสียหายอย่างถาวร กลายเป็ นตําแหน่งที�เกิดดิสชาร์จและขยายตัวเข้าไปในระบบฉนวนจนทํา ให้เกิดความเสียหายกับระบบฉนวนทัง� หมด โดยทั�วไปความเสียหายของฉนวนจะเริม� เกิดเมื�อ ใช้งานไปได้ช่วงระยะเวลาหน��งหรือที�เรียกว่า ช่วงชีวิตของฉนวน (�i�e o� t�e in�u��tion) ซ��ง ควรมีระยะเวลาที�นานพอเพื�อให้ระบบส่งจ่ายกําลังไฟฟ้าสามารถทํางานได้เป็ นปกติ เช่น ระยะเวลาหลายสิบปี เป็ นต้น 5.1.�.1 การเบรกดาวน์เนื�องจากความร้อน ความร้อนในฉนวนเกิดจากกระแสการนําไฟฟ้า (conduction current) และ กําลังสู�เสียในฉนวน ภายใต้แรงดันไฟฟ้ากระแสตรงความร้อนที�เกิดข�น� ต่อปริมาตร สามารถหาได้จาก P=

เมื�อ

E

ρ

E2 ρ

(5.1)

คื อ ความเครี ย ดสนามไฟฟ้ า เนื� อ งจากแรงดั น ไฟฟ้ า กระแส ตรง (V/cm) คือ สภาพความต้านทานไฟฟ้าของฉนวน (cm)

ในกร�ีแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับ ความร้อนที�เกิดจากกําลังสู�เสีย คํานว�ได้จาก

- 182 - การเบรกดาวน์ของฉนวนแข็งและฉนวนคอมโพสิ การเบรกดาวน์ตของฉนวนแข็งและฉนวนคอมโพสิต - 182 P=

เมื�อ

δ

X

E2 tan  δ  X

คือ มุมสูญเสียของวัสดุฉนวน คือ รีแอคแตนซ์ () ซ�ง� ค�านวณได้�ากค่าความ�ุไ��้า ( C ) ของแกป ซ�ง� มีคา่ เ�่ากับ

f

(5.2)

1 2πfC

คือ ความ�ี�ของแรงดันไ��้ากระแสสลับ (��)

สมการ�ี� 5.2 สามาร�เขียนได้ใหม่เป็ น P=

เมื�อ

εr

E 2f ε r tan  δ  1.8 1012

(5.3)

คือ ค่าคงตัวไดอิเล็กตริกของฉนวน

ก�าลังสูญเสียในสมการ�ี� 5.3 เกิด�ากการเคลื�อน�ี�ของไอออนและการสั�นของ ไดโพลxl (��l�) ภายในเนือ� ฉนวน ในกรณีแรงดันไ��้ากระแสสลับ ก�าลังสูญเสีย�ี� เกิด�ากการเคลื�อน�ี�ของไอออน�ะเพิ�มข�น� อย่างรวดเร็ว ส่ง�ลให้อณ ุ หภูมิของฉนวนมี ค่าสูงในลักษณะความสัมพันธ์แบบเอกซ์โพเนนเชียล [33]  -α  P  exp   T

เมื�อ

(5.4)

คือ ค่าคงตัว�ี�ได้�ากการ�ดลอง T คือ อุณหภูมิสมั บูรณ์ (K) ในขณะใช้งานปกติ อุณหภูมิของฉนวน�ี�เพิ�มข�น� เนื�อง�ากปริมาณความร้อน ภายใน�ะเ�่ากับปริมาณความร้อน�ี��่ายเ�ออก�ากฉนวนโดยกระบวนการระบาย ความร้อน แต่ในกรณี��ีปริมาณความร้อนมีการ�่ายเ�ไม่เหมาะสม อุณหภูมิของฉนวน �ะเพิ� ม ข� น� อย่ า งรวดเร็ว และ��า ให้เ กิ ด การไหม้ข องวัส ดุฉ นวนได้ รู ป �ี� 5.5 แสดง ความสัมพันธ์ระหว่างอุณหภูมิกบั ความร้อน�ี�เกิดในฉนวน แรงดันไ��้าสูงสุด�ี�ไม่�า� ให้ฉนวนเกิดเบรกดาวน์ไม่ได้มีขนาดเพิ�มข�น� โดยตรงกับความหนาของฉนวน เนื�อง�าก �ลของพืน� �ิวฉนวน�ี�มีตอ่ อุณหภูมิภายในเนือ� ฉนวน ลักษณะพืน� �ิวของฉนวน ส่ง�ลให้แรงดันไ��้า�ี�ไม่�า� ให้เกิดเบรกดาวน์ไม่ เพิ�มข�น� ตามความหนาของฉนวน�ี�มากข�น� โดยขนาดแรงดันไ��้าสูงสุด�ี� ไม่ข�นกับ

xl

α

โมเลกุลสาร�ี�มี�งั� ประ�ุบวกและประ�ุลบแยกกันอยูเ่ ป็ นสองขัว� เช่น โมเลกุลของน�า� (�2O) เป็ นต้น


ความหนาของฉนวน เรี ย กว่ า แรงดัน ไฟฟ้ า อุ ณ หภู มิ สู ง สุ ด (maximum thermal voltage, Vt) �้าแรงดันไฟฟ้า�ี�ปอ้ น�ห้กบั ฉนวนมีขนาดมากกว่าแรงดันนี � ฉนวนจะเกิด การไม่มีเส�ียรภาพ�างอุณหภูมิและเบรกดาวน์�น�ี�สดุ Heat generated E2

Heat generated or lost

E1

Heat lost

T0

TA

TB

Temperature รูป�ี� �� ความไม่มีเส�ียรภาพ�างอุณหภูมิของฉนวน ��1�3�� การเบรกดาวน์เน��องจากดิสชาร์จ การเบรกดาวน์�นกรณีนีแ� บ่งออกเป็ นสองประเภ�ตามลัก�ณะของฉนวนแข็ง �ี�อยู่ระหว่างอิเล็กโตรดว่าเป็ นฉนวนเดี�ยวหร�อฉนวนผสม �นฉนวนเดี�ยวการเบรกดาวน์ จะมีสาเหตุมาจากการดิสชาร์จของช่องแก๊ส�ี�แ�รกอยู่�นเน�อ� ฉนวน �นขณะ�ี�การเบรก ดาวน์ของฉนวนผสมเกิดจากการขยายตัวของดิสชาร์จอย่างช้าๆ (creep discharge) บริเ วณผิ ว สัม ผัส ระหว่ า งแก๊ ส กับ ของแข็ ง เกิ ด เป็ น รอยไหม้บ นผิ ว ฉนวน (surface trac�i�g) ��งเกิดข�น� เม��อความต่าง�ักย์ไฟฟ้า�ี� ตกคร่อมผิวสัมผัสระหว่างฉนวนสอง ชนิดมีค่าสูงมากพอ โดยการดิสชาร์จจะเริม� จากบริเวณ�ี�มีความเครียดสนามไฟฟ้าสูง �นฉนวน�ี� มี ค วามคง�นต่ อ แรงดัน ไฟฟ้ า ต��า การขยายตัว ของรอยไหม้ข� น อยู่ กับ อัตราส่ว นระหว่างจ�านวนของพัน�ะ�ี� �า� �ห้เกิ ดคาร์บอนอิสระ (free car�o�) จาก


กระบวนการไพโรไลซิสxli (pyrolysis) ต่อพลัง งานพัน ธะรวมของโมเลกุลฉนวน ถ้า ฉนวนมีอตั ราส่วนนีต� �าํ ก็�ะทําให้โอกาสในการเกิดรอยไหม้บน�ิวฉนวนเป็ นไปได้ยาก ขึน� ดิสชาร์�ภายในช่องแก๊สของฉนวนเกิดขึน� เมื�อความเครียดสนามไฟฟ้าภายใน ช่องมีขนาดมากกว่าค่าสนามไฟฟ้าวิกฤตตามกฎของพาสเชน ในกรณีช่องแก๊สแบบ ระนาบค�่ขนานที�มีความหนา d g และอย�่ในระบบฉนวนที�มีความหนา d g + d d แรงดัน ดิสชาร์�เริม� เกิด คํานวณได้�าก  d  Vi = E g d g + d  εr  

เมื�อ

Eg

dd εr

(5.5)

คือ ความเครียดสนามไฟฟ้า (��) ที�ทาํ ให้ช่องแก๊สที�มีความหนา เท่ากับ d g เกิดเบรกดาวน์ คือ ความหนาของเนือ� ฉนวน (��) คือ สภาพยอมทางไฟฟ้าสัมพัทธ์ หรือ ค่าคงตัวไดอิเล็กตริก

ดิสชาร์�ที�เกิดขึน� �ะทําให้เกิดการกัดเซาะอย่างช้า� เป็ นบริเวณกว้าง เกิดเป็ น ความขรุขระของพืน� �ิวและสร้างความเสียหายให้กบั ฉนวน ในบางกรณีการกัดเซาะ�ะ ทําให้ช่องว่างที�มีลกั �ณะคล้ายรากไม้แทรกเข้าไปในเนือ� ฉนวน 5.1.�.� การเสื�อมสภาพทางกล โดยทั�วไปการเสื�อมสภาพทางกล�ะเกิดกับอุปกรณ์ท�ีมีส่วนเคลื�อนไหว ความ เค้นทางกลทําให้ชิน� ส่วนโลหะเสื�อมสภาพ�ากการเสียดสีตลอดเวลา เกิด�งโลหะ สร้าง ความเสียหายให้กบั ฉนวน และทําให้ความแข็งแรงทางกลของอุปกรณ์ลดลง ถึงแม้ว่า การเสื�อมสภาพทางกลไม่ได้เป็ นสาเหตุโดยตรงของความ�ิดปกติในฉนวนไฟฟ้า แต่ เป็ นตัวเร่งให้เกิดกระบวนการเสื�อมสภาพของฉนวนทางความร้อนและทางไฟฟ้า ใน สายเคเบิลที�ใช้พอลิเมอร์เป็ นวัสดุฉนวน แรงเค้นทางกล�ะทําให้สายเกิ ดการคดงอ (s��i��) ชัน� ฉนวนเกิดการแยกตัว เกิดเป็ นช่องว่างในเนือ� ฉนวน กลายเป็ นตําแหน่งที� เริม� เกิดดิสชาร์�บางส่วน และสร้างความเสียหายให้กบั สายเคเบิลในเวลาต่อมา

xli

กระบวนการเปลี�ยนแปลงทางเคมีโดยใช้ความร้อนให้เกิดการแตกของพันธะโมเลกุลในองค์ประกอบ ทําให้ สายโซ่พนั ธะเคมียาว�กลายเป็ นสายโซ่สนั� �


ในกรณี ท�ี พัน ธะเคมี ถูก ทํา ลายโดยการเคลื� อ นที� เ �ิ ง ความร้อ น xlii (thermal motio�) และการ�ัน�วน (�l�ct�atio�) ของอะตอมในพันธะ แรงเค้นทางกลที�ทาํ ให้ ความแข็งแรงของฉนวนลดลง [34] สามารถหาได้จาก  u -  γσ   t b = t 0 exp  0   kT 

เมื�อ

(5.6)

tb

คือ เวลา (�) ที� ฉนวนเกิ ดเบรกดาวน์ภายใต้ความเค้นที� มีขนาด เท่ากับ σ

k

คือ ค่าคงที�ของโบลท�์มนั น์ ��ง� มีคา่ เท่ากับ 5.67  10-8 W/(m2K4)

T

คือ อุณหภูมิของฉนวน (K)

t0

คือ พารามิเตอร์ปรับค่าได้

u0

คือ พลังงานกระตุน้ สําหรับกระบวนการแตกหักของพันธะ

γ

คือ ความถี�ของการสั�นสะเทือนด้วยความร้อนของอะตอม

การเกิดเบรกดาวน์ของฉนวนเนื�องจากการเสื�อมสภาพทางกลแบ่งออกเป็ น สามขัน� ตอน คือ การยืดออกของพันธะจากแรงเค้น การแตกของพันธะจากการ�ัน�วน ทางอุณหภูมิออกเป็ นอนุมูลหรือโมเลกุลขนาดเล็ก และเกิ ดรอยแตกขนาดจุลภาค (microcrack) จนทําให้พนั ธะเคมีถกู ทําลาย ถ้าการเสียสภาพของฉนวนเกิดจากการแตกตัวของพันธะทางเคมี และการ เลื�อนไหล�่านกันของสายโ�่โมเลกุล (chai� �li��a�e) เวลาในการเกิ ดเบรกดาวน์ เนื�องจากแรงเค้นที�มีขนาดเท่ากับ σ หาได้จาก t b=

เมื�อ

xlii

h

2h  G   λσ  exp  csch    kT  kT   2NkT 

(5.7)

คือ ค่าคงที�ของ �la�ck

การเคลื�อนที� แบบสุ่มของอนุภาคที� เกิ ดจากพลัง งานความร้อนของอนุภาค ��งมีความสัมพันธ์กับอุณหภูมิ ของวัสดุฉนวน

- 186 - การเบรกดาวน์ของฉนวนแข็งและฉนวนคอมโพสิ การเบรกดาวน์ตของฉนวนแข็งและฉนวนคอมโพสิต - 186 G

คือ พลังงานเสร�ของกิบ� ส์xliii (Gibbs free energy) ของกระบวนการ

λ

คือ ความกว้างของกําแพงพลังงาน

N

คือ จํานวนของพันธะต่อปริมาตร

5.1.3.4 ความเค้นผสม ในการทํางานปกติฉนวนของอุปกรณ์ไฟฟ้าจะอยู่ภายใต้ความเค้นมากกว่า หน��งชนิด เช่น ความร้อน สนามไฟฟ้า และทางกล เป็ นต้น การประเมินอายุการใช้งาน ของฉนวนภายใต้ความเค้นผสมจ�งม�ความซับซ้อน เนื�องจากการคาบเก��ยวกันระหว่าง กระบวนการท��ทาํ ให้เกิดการเสื�อมสภาพ ทําให้เวลาท��ฉนวนเกิดเบรกดาวน์จากความ เค้นผสมม�ความสัมพันธ์ดงั สมการท�� 5.8 (5.8) t b = f  si  เมื�อ

si

คือ ชนิดของความเค้นท��ทาํ ให้ฉนวนเสื�อมสภาพ

ถ้ากําหนดให้ความเค้นชนิดอื�นคงท�� ยกเว้นความเค้นเนื�องจากความร้อนและ ความเคร�ยดสนามไฟฟ้า เวลาในการเบรกดาวน์ของฉนวน สามารถเข�ยนได้ดงั น� � t b = f  T,E 

(5.9)

5.1.3.5 การเสื�อมสภาพทางเคม� การเสื�อมสภาพของวัสดุฉนวนจากป�ิกิริยาเคม�สามารถเกิดข�น� ได้ ในกรณ�ท� ไม่ม�ผลของความเคร�ยดสนามไฟฟ้า เนื�องมาจากสาเหตุตา่ ง�ดังน� � - ความไม่ม�เสถ�ยรภาพทางเคม� เกิดข�น� อย่างช้า� ในสภาวะการทํางานปกติ ในฉนวนหลายชนิ ด โดยเฉพาะฉนวนท�� ท ํา จากสารอิ น ทร� ย ์ (organic materials) และข�น� กับอุณหภูมิของฉนวน การเปล��ยนแปลงทางเคม�เป็ น ผลมาจากการสลายตัวตามธรรมชาติของวัสดุ เช่น การแตกออกของโพลิ เมอร์เ ป็ นโมเลกุ ล ขนาดเล็ ก (depolymerization) การกลายเป็ น ถ่ า น (carbonization) ของเซลลูโลส และกระบวนการสังเคราะห์วสั ดุ เป็ นต้น

xliii

ตัวแปรท��ใช้อธิบายว่าป�ิกิริยาหรือกระบวนการสามารถเกิดข�น� เองได้หรือไม่ ถ้าม�ค่าเป็ นบวก กระบวนการไม่ สามารถเกิดข�น� เองได้ ถ้าม�ค่าเป็ นลบ กระบวนการสามารถเกิดข�น� เองได้ และม�ค่าเป็ น�ูนย์ เมื�อป�ิกิริยาหรือ กระบวนการสามารถเกิดการผันกลับได้


- การเกิดปฏิกิรยิ าออกซิเด�ันของฉนวนในบริเวณท��ม�ออกซิเ�นและโอโซน ทําให้วสั ดุเปราะและเกิดการแตกร้าว - ปฏิกิรยิ าไฮโดรไลซิสxliv (�ydrolysis) ของฉนวนท��อย�ใ่ นบริเวณท��ม�ความ��น� และความร้อน ส่งผลให้ความแข็งแรงทางกลและคุณสมบัติทางไฟฟ้าของ วัสดุฉนวนลดลง นอก�ากน�ฉ� นวนหลาย�นิดท��ถ�กใ�้ในอุปกรณ์ไฟฟ้าอา�ม�ความเข้ากันไม่ได้ (i�co��ati�ility) ของสารเคม� และอา�ม�การเปรอะเป� �อน�ากมล�าวะ ส่งผลให้ฉนวน เกิดการเส��อมส�าพ เ�่น การสลายตัวอย่างรวดเร็วของเซลล�โลส�ากสารละลายกรด การเส��อมอย่างรวดเร็วของโพลิโพรไพล�นท��อณ ุ ห��มิสง� เม��อสัมผัสกับทองแดง 5.1.�.� การเส��อมส�าพ�ากปฏิกิรยิ าไฟฟ้าเคม� กระแสไฟฟ้ารั�วเป็ นปั ��ัยหน��งท��ทาํ ให้ฉนวนเส��อมส�าพ อนุ�าคท��ม�ประ�ุหร�อ ไอออนท��เกิด�ากการแตกตัวของสิ�งเ��อปน�ายในฉนวนหร�อการไอออไนเซ�ันของตัว ฉนวนเอง เม�� อ ไอออนเคล�� อ นท�� ม าถ� ง อิ เ ล็ก โตรด�ะเกิ ด การถ่ า ยเทประ�ุแ ละทํา ให้ เกิดปฏิกิรยิ าระหว่างวัสดุฉนวนกับอิเล็กโตรด เกิดแก๊สและสารตกค้างบนผิวอิเล็กโตรด เป็ นผลให้ฉนวนเส��อมส�าพอย่างรวดเร็ว กระบวนการท��เกิดข�น� �ะเป็ นไปตามก�อิเล็ก โตรลิซิสของฟาราเดย์xlv (Faraday’s law of electrolysis) โดยอัตราการเกิดปฏิกิริยา อิเล็กโตรลิซิส�ากไฟฟ้ากระแสตรง�ะม�ค่าส�งกว่าไฟฟ้ากระแสสลับ เน��อง�ากไม่ม�ผล ของการเกิดปฏิกิรยิ าย้อนกลับ�ากการสลับขัว� ของกระแสไฟฟ้า นอก�ากปริมาณของ กระแสไฟฟ้ารั�วแล้วอัตราการเส��อมส�าพของฉนวน�ากปฏิกิริยาไฟฟ้าเคม�ยงั ข�น� กับ ปั ��ัยอ��น�อ�ก เ�่น ความร้อน ความหนาแน่นของไอออนปนเป� �อน และความม�ขวั� ของ วัสดุฉนวน ตัวอย่างผลของปฏิกิรยิ าไฟฟ้าเคม�ตอ่ ฉนวน ได้แก่ การเกิดแก๊สในฉนวนท��ม� ความ��น� ส�ง การเกิดลัดวง�รเน��อง�ากการกัดกร่อนของโลหะ เป็ นต้น 5.1.4 การสลายตัวของวัสดุ ปฏิกิรยิ าเคม�ท�เกิดในฉนวนทําให้เกิดการสลายตัวของวัสดุฉนวนเป็ นอนุ�าคของแข็ง หร�อ แก๊ ส แทรกอย�่� ายในเน� อ� ฉนวน ปริม าณของสสารท�� เ กิ ด ข�น� สามารถนํา มาใ�้ในการ ประเมินสถานะของฉนวน การวิเคราะห์ และวางแผนการบํารุงรักษาอุปกรณ์ไฟฟ้าได้ xliv xlv

ปฏิกิรยิ าท��ม�นาํ� เข้าไปสลายพัน�ะ ทําให้สารโมเลกุลให�่แตกตัวกลายเป็ นสารท��ม�โมเลกุลเล็กลง

มวลของสารท��เกิดข�น� ท��อิเล็กโตรดขณะเกิดอิเล็กโตรลิซิสเป็ นสัดส่วนโดยตรงกับปริมาณกระแสไฟฟ้าท��ไหลผ่าน และนํา� หนักสมม�ลของสารนัน� �


5.2 ฉนวนพอลิเมอร์ ฉนวนพอลิเมอร์เป็ นฉนวนที�ถกู นํามาใช้ในสายไฟฟ้าแรงดันสูง เน��อง�ากความง่ายในการใช้ งานและทําให้สายไฟฟ้ามีขนาดที�เหมาะสม ไม่ใหญ่�นเกินไป ได้แก่ พอลิเอทิลีน (��lyet�yle�e� PE) คลอสลิง� ค์พอลีเอทิลีน (�r��-l��ke� ��lyet�yle�e� XLPE) ยางบิวไทล์ (butyl rubber) และ ยางเอทิลีนโพรพิลีน (et�yle�e �r��yle�e rubber� EPR) �ึ�งมีคุณสมบัติโดยทั�วไปแสดงในตาราง ที� 5.1 ตารางที� 5.1 คุณสมบัตขิ องวัสดุพอลิเมอร์ �24� คุณสมบัติ ความหนาแน่น (kg/m3)

PE

XLPE

0.91 – 0.925 0.91 – 0.925

Butyl Rubber

EPR

0.91

0.86

ค่าคงตัวไดอิเล็กตริก

2.3

2.3 - 3

2.1 – 2.4

3 – 3.5

แฟกเตอร์กาํ ลังสูญเสีย

2  10-4

7  10-4

3  10-3

4  10-4

ความคงทนต่อ แรงดันไฟฟ้า กระแสสลับ (kV/mm)

23

35

23

35 - 41

ความคงทนต่อ แรงดันอิมพัลส์ฟา้ ผ่า (kV/mm)

-

75

-

40

> 1016

1015 - 1017

1017

1015 - 1017

อุณหภูมิหลอมเหลว (C)

115

105

-

-

อุณหภูมิใช้งานสูงสุด (C)

90

90 - 130

150

150 - 175

อุณหภูมิใช้งานตํ�าสุด (C)

-55

-45 ถึง -65

-

-

ความต้านทานไฟฟ้าเชิง ปริมาตร (m)


5.2.1 คุณสมบัตทิ างเคมีกายภาพ พอลิ เ มอร์เ ป็ น สารประกอบที� ส ามารถพบได้ใ นธรรมชาติ แ ละจากกระบวนการ สังเคราะห์ มีลกั �ณะเป็ นโมเลกุลขนาดให�่ เกิดจากโมเลกุลพืน� �านจํานวนมากมาสร้าง พันธะเชื�อมต่อกัน มีหลายชนิด จ�งเป็ นวัสดุท�ี มีคุณสมบัติหลากหลายในการนํามาใช้เป็ น ฉนวนสําหรับสายไฟฟ้าให้เหมาะกับงานแต่ละประเภท เช่น สายทนไฟ สายที�ใช้ในบริเวณที�มี การแผ่ ร ัง สี และสายทนสารเคมี เป็ น ต้น โดยในหัว ข้อ นี �จ ะกล่ า วถ� ง วัส ดุพ อลิ เ มอร์ท�ี มี คุณสมบัตกิ ารเป็ นฉนวนไฟฟ้าที�ดี และนิยมใช้ในอุปกรณ์ไฟฟ้าแรงสูง 5.2.1.1 ยางธรรมชาติ (natural rubber) เป็ นสารประกอบไฮโดรคาร์บอน มีสตู รทางเคมี คือ C5H8 มีช�ือเรียกว่า ไอโซ พรีน (i��rene) ถูกใช้เป็ นฉนวนสําหรับสายไฟฟ้าแรงดันสูงในระบบไฟฟ้าที�มีแรงดัน ไม่เกิน 25 �� มีโครงสร้างของโมเลกุลดังรูปที� 5.�

H H C H H C H

C

C

H H H C H H C H

H C H

H C

C

H C H

รูปที� 5.� โครงสร้างโมเลกุลของยางธรรมชาติ ยางธรรมชาติจะถูกทําให้เป็ นแผ่นและนําไปผ่านกระบวนการล้างทําความ สะอาด เพื�อขจัดสิ�งเจือปนของแข็งที�เป็ นสารอินทรียแ์ ละอนินทรียอ์ อก แล้วนําไปอบให้ แห้งเพื�อให้แผ่นยางมีความยืดหยุน่ นํายางที�ได้ผสมกับสารที�ทาํ ให้ยางอ่อน (��ftener) และสารตัวเติม (filler) เช่น ซิลิกา เขม่าดํา ดินขาว แคลเซียมคาร์บอเนต และทัลคัม ขัน� ตอนสุดท้าย คือ การทําให้ยางธรรมชาติมีคณ ุ สมบัติการเป็ นฉนวนโดยการผสมกับ ตัว เร่ง ป�ิ กิ ริย าและสารทํา ให้ย างคงรู ป เช่ น กํา มะถัน แผ่ น ยางธรรมชาติท�ี ผ่า น กระบวนการข้างต้นจะถูกทําให้รอ้ นและอ่อนตัวลงเพื�อข�น� รู ปบนตัวนําไฟฟ้า อย่างไรก็ ตามฉนวนที�ผลิตจากยางธรรมชาติเกิดการเสื�อมสภาพได้ง่าย ไม่ทนต่อความร้อนและ โอโซน ส่งผลให้มีการพั�นาวัสดุยางสังเคราะห์ท�ี สามารถยื ดตัวได้ถ�งสองเท่าและ กลับ คื น สู่ ส ภาพเดิ ม ได้ท�ี อุ ณ หภู มิ ป กติ เหมาะที� จ ะนํา ไปใช้ใ นการผลิ ต สายส่ ง ไฟฟ้าแรงสูง


5.2.1.2 ยางเอทิลีนโพรพิลนี (ethylene-propylene rubber) โครงสร้างของยางเอทิลีนโพรพิลีนเป็ นแบบอสัณฐานxlvi (amorphous) เป็ น วัสดุพ อลิเ มอร์ท�ี มี ลัก �ณะย� ดหยุ่น คล้า ยยาง�รรมชาติ ได้จ ากการ�สมเอทิ ลีน กับ โพรพิลีนในอัตราส่วน 1�1 มีโครงสร้างโมเลกุลดังแสดงในรู ปที� 5.� เม��อ x ค�อ จ�านวน หน่ ว ยซ�� า (repetition unit) ของมอนอเมอร์ xlvii (monomer) ที� มี ค่ า อยู่ ร ะหว่ า ง 2  103 ถึง 5  103 มวลโมเลกุลเฉลี�ยของยางเอทิลีนโพรพิลีนที�ใช้ในสายไ��้ามี ค่าประมาณ 1.5  105 ถึง 2.5  105 g/mol

H H

H

H H

C

C

C

C

H

H

H

H

Ethylene

C H

x

Propylene

รูปที� 5.� โครงสร้างโมเลกุลของยางเอทิลีนโพรพิลนี ยางเอทิ ลี น โพรพิ ลี น เป็ น ยางสัง เคราะห์ท�ี มี ร าคาถูก สามารถใช้ง านได้ท�ี อุณหภูมิสูงถึง 150 C มี ความต้านทานต่อโอโซนและสภาพแวดล้อมได้ดี มี ความ ย� ด หยุ่น มี คุณ สมบัติ เ ชิ ง กลดี ท�ี อุณ หภูมิ ต� า โดยจะแข็ ง เปราะที� อุณ หภู มิ ร ะหว่ า ง

-45 C ถึ ง -65 C และมี คุณ สมบัติ ท างไ��้ า ที� ดี ดัง แสดงในตารางที� 5.1 ท�า ให้

สายไ��้าแรงดันสูงที� มียางเอทิ ลีนโพรพิลีนเป็ นฉนวนสามารถใช้กับระบบไ��้า ที� แรงดั น สู ง ถึ ง 35 �� แต่ ฉ นวนยางเอทิ ลี น โพรพิ ลี น ไม่ ท นต่ อ น��า มั น และเปลวไ� เส��อมสภาพเป็ นรอยแตกเส้นเล็กๆ (treeing) ในเน�อ� ฉนวนเม��อเกิดดิสชาร์จ 5.2.1.3 ยางบิวไทล์ (butyl rubber) เป็ นฉนวนที� มีคุณสมบัติทางไ��้าและทางกายภาพดีกว่ายาง�รรมชาติ มี โครงสร้างเป็ นสายโซ่ยาวที�เกิดจากป�ิกิริยาพอลิเมอร์ไรเซชันxlviiiระหว่างไอโซบิวทิลีน xlvi

โครงสร้างของสารของแข็งที�มีการจัดเรียงของอะตอมเป็ นไปอย่างไม่มีระเบียบ ไม่มีรูปแบบที�แน่นอน

xlvii

xlviii

หน่วยเล็กๆ ของสารในพอลิเมอร์ ป�ิกิริยาการรวมกันของมอนอเมอร์เป็ นโมเลกุลให�่ ท�ี มีน า� หนักโมเลกุลมากกว่า มอนอเมอร์ห ลายเท่า เรียกว่า พอลิเมอร์ ถ้าเกิดจากมอนอเมอร์ตา่ งชนิดกันมารวมกันจะเรียกว่า โคพอลิเมอร์


(isobut�lene) กับไอโซพรีน (iso�rene) ดังแสดงในรู ป�ี� 5.8 เนื� อง�ากมีโครงสร้าง โมเลกุ ล �ี� ค่ อ นข้ า งอิ� ม ตั ว xlix ต้ อ งใช้ อุ ณ หภู มิ ใ นการอบคงรู ป (curing and �ulcani�ation) สูงกว่า�ี�ใช้ในยางธรรมชาติ ยางบิวไ�ล์��ีได้�ะมีคง�นต่อรังสียวู ี น�า� มัน การดิสชาร์� การฉีกขาด และการเสื�อมสภาพเนื�อง�ากอุณหภูมิสงู ��ง�ูกน�ามาใช้เป็ น วัสดุฉนวนและเปลือกหุม้ สาย (jacketing) ของสายไฟฟ้าแรงดันสูง

H C H H H C H

H H C H

H H C H

C

H C H

H C

C

H C H

Isoprene (1-5%)

Isobutylene (95-99%)

รูป�ี� 5.8 โครงสร้างโมเลกุลพืน� �านของยางบิวไ�ล์ ��งแม้ว่ายางบิวไ�ล์�ะสามาร��นต่อกรดได้ดี แต่ยงั เกิดการบวมได้เมื�ออยู่ใน ตัว��าละลายปิ โตรเลียม ไวต่อสารอัลคาไลน์ อุณหภูมิสงู ความชืน� และมีความ�นไฟ ต��า ในบางกรณี��งมีการเติมสารพลาสติไซเซอร์ (�lastici�ers) ลงในยางบิวไ�ล์เพื�อ เพิ�มความยืดหยุน่ และอ่อนนุ่มของเนือ� ยาง เมื�อน�าไปใช้��ีอณ ุ หภูมิต�าประมาณ -45 C

5.2.1.4 ยางซิลโิ คน (silicone rubber) ยางซิลิโคน�ัดเป็ นยางก��งสังเคราะห์��ีเกิด�ากป�ิกิริยาพอลิเมอร์ไรเซชันของ สารไซลอกเซน (siloxane) มีเส�ียรภาพ�างความร้อน�ี�ดี มีโครงสร้างของโมเลกุลดัง รูป�ี� 5.9

Si R

R

R

R O

Si R

O

Si x R

R O

รูป�ี� 5.9 โครงสร้างโมเลกุลของยางซิลโิ คน xlix

การมีพนั ธะคูใ่ นโมเลกุล

Si R


คุณสมบัติของยางซิลิโคนกําหนดจากความยาวของสายโซ่โมเลกุลและหมู่ �ั งก์�นั (�) ที�เกาะอยู่กบั อะตอมของซิลิกอน (Si) เ�่น ยางซิลิโคนที�เกิดจากไดเมทิลไซ ลอกเซน (dimethyl-siloxane, (CH3)2SiO-) ก็ จ ะเรี ย กว่ า เมทิ ล ซิ ลิ โ คน (methyl silicone) หรือโพลิไดเมทิลไซลอกเซน (polydimethylsiloxane) เป็ นต้น ยางซิลิโคนผลิตจากกระบวนการไฮโดรลิซิสและการควบแน่นของซิลิโคนเหลว ที�มีมวลโมเลกุลตํ�า มีการเสริมเติมแต่งระหว่างกระบวนการผลิต เ�่น ซิลิกา (silica) แคลเซี ย มคาร์บ อเนต (calcium carbonate) ไทเทเนี ย มออกไซด์ (titanium oxide) เหล็กออกไซด์ (iron oxide) และตัวเร่งป�ิกิรยิ าเพื�อ�ห้ได้คณ ุ สมบัติตามที�ตอ้ งการ โดย ป�ิกิรยิ าเ�ื�อมขวาง (cross-lin�ing) เกิดจากการเติมสารเคมี�นกลุม่ เพอร์ออกไซด์ เ�่น เบนโซอิลเพอร์ออกไซด์ (benzoyl peroxide) และไดคลอโรเบนโซอิลเพอร์ออกไซด์ (dichlorobenzoyl peroxide) หรือการฉายด้วยแสงอิเล็กตรอน (electron beam) และ รังสีแกมมา (gamma ray) เนื� องจากยางซิลิโคนไม่มี ส่วนผสมของสารพลาสติกไซเซอร์ ทํา �ห้มีความ คงทนต่อการเปราะเนื�องจากการเสื�อมสภาพได้ดี สามาร�คงความยืดหยุ่นได้แม้อยู�่ น อุ ณ หภู มิ ต� ํา �� ง -�5 C แต่ จ ะเกิ ด การแตกหั ก จากการเปราะที� อุ ณ หภู มิ ต� ํา กว่ า -100 C และสามาร��้ ง านได้อ ย่ า งต่ อ เนื� อ งที� อุ ณ หภู มิ สู ง �� ง 250 C หรื อ ที� 350 C �นกรณี��้งานแบบไม่ต่อเนื�อง นอกจากนีย� างซิลิโคนยังมีสมั ประสิท�ิ�การดูด ซ�มนํา� ตํ�าและทนต่อการเกิดดิส�าร์จบางส่วนได้ดี ทํา�ห้�กู นํามา��้งาน�นบริเวณที�มี ระดับความรุนแรงของมลภาวะสูง 5.2.1.5 ยางนีโอพรีน (neoprene rubber) เป็ นยางสังเคราะห์จากมอนอเมอร์ของคลอโรพรีน (Chloroprene monomer) มีโลหะออกไซด์ทาํ หน้าที�เป็ นสารเ�ื�อมขวาง (crosslin� agent) โครงสร้างพืน� �านของ ยางนีโอพรีนและยางคลอโรพรีนแสดง�นรูปที� 5.10

H H C

Cl C

C

H C H H รูปที� 5.10 โครงสร้างโมเลกุลของคลอโรพรีน


ยางนี โอพรีนมีความทนทานต่อแรงดึง ความทนต่อการฉี กขาด และความ ต้านทานต่อการขัดถูสงู เนื�องจากมีคลอรีนอยู่ในโครงสร้างทําให้มีค� ุ สมบัติดบั ไฟได้ เอง (self-extinguish) การทนต่อสภาพอากาศ ความร้อน โอโซน และแสงแดดได้ดี ทน ต่อกรดหรือด่างเจือจางได้ดีกว่ายางธรรมชาติ แต่ไม่ทนต่อตัวทําละลายไฮโดรคาร์บอน คีโตน อัลดีไฮด์ และฟอสเฟตเอสเทอร์ มีการซึม�่านของแก�สตํ�า ใช้งานได้ท�ีอ� ุ หภูมิ ระหว่า ง -40 C ถึ ง 100 C ทํา ให้ถูก นํา มาใช้ท าํ เปลื อ กหุ้ม สายไฟของสายไฟฟ้ า แรงดันสูง 5.2.1.6 พีวีซี (polyvinyl chloride) เป็ นสารประกอบเทอร์โมพลาสติกl (thermoplastic) จะเกิดการอ่อนตัวและ หลอมเหลวเมื�อได้รบั ความร้อน และแข็งตัวเมื�อทําให้เย็นลง มีโครงสร้างโมเลกุลแบบ สายโซ่เ ช่ น เดี ย วกับ พอลิเ อทิ ลี น ด้ว ยการแทนที� อ ะตอมไฮโดรเจนหนึ�ง อะตอมด้ว ย อะตอมของคลอรีน โครงสร้างโมเลกุลของพีวีซีแสดงดังรูปที� 5.11

H

H

H

H

C

C

C

C

H

Cl

H

Cl

รูปที� 5.11 โครงสร้างโมเลกุลของพีวีซี 5.2.1.� พอลิเอทิลีนและครอสลิง� ค์พอลิเอทิลีน (polyethylene and cross-linked polyethylene) พอลิเอทิลีนเป็ นพลาสติกไฮโดรคาร์บอนที�มีโมเลกุลเป็ นสายโซ่ยาว เกิดจาก ปฏิกิรยิ าพอลิเมอร์ไรเซชันของโมเลกุลเอทิลีน (ethylene, C4H4) ในสภาวะความดันสูง หรื อ ความดัน ตํ�า การ�ลิ ต ที� ค วามดัน สูง 1,000 atm ถึ ง 2,000 atm และอุ � หภู มิ 200 C จะได้พ อลิเ อทิ ลีนความหนาแน่นตํ�า (lo�-density polyethylene, ��) มี ลัก��ะเป็ นไข (�ax) และมี�ิวสัม�ัสคล้ายยาง เป็ นวัสดุเทอร์โมพลาสติก สามารถขึน� รูปใหม่ได้หลายครัง� โดยไม่เสียคุ�สมบัตคิ วามอ่อนนุ่มที�อ� ุ หภูมิใช้งานปกติ

l

พลาสติ ก ที� มี จุด หลอมเหลวและจุด อ่ อ นตัว มี โ ครงสร้า งแบบสายยาวหรื อ แบบสาขา สามารถนํา กลับ มาใช้ ใหม่ได้อีก


โครงสร้างโมเลกุลเ�ิงเส้นของพอลิเอ�ิลีนแสดง�นร� ป�ี� ��1� �นหนึ�งโมเลกุล จะมีจาํ นวนมอนอเมอร์ตงั� แต่รอ้ ยจน�ึงหลายหม��นโมเลกุล มีการแตกแขนงด้านข้างดัง แสดง�นร� ป�ี� ��1� และมีโครงสร้างระดับมห�าค (macroscop�c structure) ของสาย โ�่โมเลกุลดังร�ป�ี� ��14

H

H

H

H

H

H

C

C

C

C

C

C

H

H

H

H

H

H

ร�ป�ี� ��1� โครงสร้างโมเลกุลแบบเ�ิงเส้นของพอลิเอ�ิลีน

ก)

ข) ร�ป�ี� ��1� ลัก�ณะโมเลกุลของ ก) พอลิเอ�ิลีน และ ข) ครอสลิงค์พอลิเอ�ิลีน จากร� ป�ี� ��14 บริเวณ�ี�มีการเรียงตัวของสายโ�่อย่างเป็ นระเบียบ (บริเวณ ก) จะมี โ ครงสร้า งแบบผลึก (cr�sta� structure) ส่ว น�ี� มี โ ครงสร้า งการเรีย งตัว ไม่เ ป็ น ระเบียบ (บริเวณ ข) มีโครงสร้างเป็ นอสัณฐาน (amorphous structure) โดยสัดส่วน ระหว่างโครงสร้างแบบผลึกต่อโครงสร้างแบบอสัณฐานจะเป็ นตัวกําหนดคุณสมบัติ �างกาย�าพและเคมีของวัสดุ เ�่น พอลิเอ�ิลีนแบบความหนาแน่นตํ�ามีสดั ส่วนของ โครงสร้างผลึก�ี� ประมาณ 40% �ึง 60% และพอลิเอ�ิ ลีนแบบความหนาแน่นส�งมี สัดส่วนของโครงสร้างผลึกมากกว่า 60% โดยความแข็ง ความเปราะ และค่าคงตัวไดอิ เล็กตริกเพิ�มขึน� ตามระดับการเป็ นผลึก อย่างไรก็ ตามพอลิเอ�ิลีนมีจุดหลอมเหลว


ค่อ นข้า งต��า เพ�� อ ป้อ งกัน การเคล�� อ นตัว ของตัว น�า ไ��้ า ในสา�เคเบิ ล �ึง ถูก ��า กัด อุณหภูมิใช้งานไว้ในช่วง 75 C ถึง 90 C เ�่านัน�

ข)

ก)

รูป�� 5.1� โครงสร้างสา�โ�่โมเลกุลของพอลิเอ�ิล�น �35� ครอสลิง� ค์พอลิเอ�ิล�นเป็ นการ��าให้เกิดการเช�� อมขวางระหว่างสา�โ�่พอลิ เอ�ิ ล� น �� อ �ู่ ใ กล้กั น โด�ใช้ก ารฉา�รัง ส� ห ร� อ เติ ม สารเคม� � �า พวกเพอร์อ อกไ�ด์ ให้กับพอลิเอ�ิ ล�นความหนาแน่นต��า และน�าไป�่านความร้อนเพ��อให้เกิ ดการเช�� อม ขวาง ��า ให้เ กิ ด การเปล�� นสภาพ�ากเ�อร์โ มพลาสติ ก ไปเป็ นเ�อร์โ มเ�ตติ ง li ��i�� ส่ง�ลให้วัสดุม�ความแข็งมากขึน� สามารถใช้งานในช่วงอุณหภูมิ�� สูงขึน� ประมาณ 90 C ถึง 130 C 5.2.2 คุณสมบัตกิ ารเป็ นฉนวน รู ป �� 5.15 แสดงโครงสร้า ง�ั� ว ไปของสา�ไ��้ า แรงดั น สู ง ฉนวนพอลิ เ มอร์ ประกอบด้ว�ฉนวนแข็งฉ�ดขึน� รู ปรอบตัวน�าไ��้า หลัง�าก�่านกระบวนการอบคงรู ป�ะถูก หุ้มด้ว �เปล�อกโลหะส�า หรับ ต่อลงดิน และหุ้ม ชั�น นอกสุดของสา�ไ��้า ด้ว�เปล�อกนอก ป้องกัน 5.2.2.1 การเบรกดาวน์ ในกรณ�ของสา�ไ��้าใหม่�� งั ไม่�่านการใช้งาน การเบรกดาวน์ของฉนวน โด�วิ��เพิ�มขนาดแรงดันไ��้าอ�่างต่อเน��อง อ�ิบา�ได้�ากกระบวนการอะวาลาน�์ของ li

วัสดุ��า่ นกรรมวิ��การ�ลิตโด�การใช้ความร้อนและไม่สามารถน�ามาหลอมละลา�ใหม่ได้


อิเล็กตรอนและผลของประจุคา้ งเช่นเดียวกับการเกิดเบรกดาวน์ในแก๊สพร้อมกับการ เกิดรอยแตกขนาดเล็ก ��k� ในเน�อ� ฉนวน ความเครียดสนาม��้า�ี��า� ใ�้ เกิดเบรกดาวน์ในลัก��ะนีจ� ะมีค่าสูงมาก รู ป�ี� 5.16 แสดงความเครียดสนาม��้า ต��าสุด�ี��า� ใ�้เกิดเบรกดาวน์ของสาย��ฉนวนครอสลิง� ค์พอลิเอ�ิลีนส�า�รับระบบ��้า แรงดันสูง 66 kV Conductor Sheath semicon Sheath Protective jacket

Conductor semicon XLPE insulation

รูป�ี� 5.15 โครงสร้าง�ั�ว�ปของสาย��้าแรงดันสูง�ี�ใช้ฉนวนแข็ง

รูป�ี� 5.16 ความน่าจะเป็ นในการเกิดเบรกดาวน์ของสาย��้าแรงสูง 66 kV เม��อป้อนแรงดันกระแสสลับและแรงดันอิมพัลส์ ��6�


Mean electrical breakdown stress, kV/mm

80 60 AC, at RT

40 20 0

66 kV

0

10

154 kV 275 kV

20 30 Insulation thickness, mm

40

ร�� 17 ความเคร��ดสนาม��าเฉล��เกิดเบรกดาวน์�นเ�อมของความ�นา ฉนวนครอสลิงค์โพล�เอ��ลน� เม��อ��อนแรงด�นกระแสสล�บ Mean electrical breakdown stress, kV/mm

200 150 100

Impulse, at RT

50 0

66 kV

0

10

154 kV 275 kV

20 30 Insulation thickness, mm

40

ร�� 1� ความเคร��ดสนาม��าเฉล��เกิดเบรกดาวน์�นเ�อมของความ�นา ฉนวนครอสลิงค์โพล�เอ��ลน� เม��อ��อนแรงด�นอิมพ�ลส์ ความเคร��ดสนาม��า��า� ��เริม� เกิดการเบรกดาวน์ขน� อ��ก� บ� ความ�นาของ ฉนวนด�ง แสดง�นร� � �� 17 ส�า �ร�บ แรงด�น กระแสสล� บ และร� � �� 1� ส�า �ร�บ แรงด�นอิมพ�ลส์ โด�เส�นโค�งเส�นล�าง�นแต�ละร� �แสดง��งค�าสนาม��าต��าส�ด��า� ��


เบรกดาวน์ ��ง �ะเ�็ นว่าความเ�็ นฉนวน��าลดลงเม��อความ�นาของว�สด�ฉนวน เพิ�มข�น� ��ง� �นกร��แรงด�น��ากระแสสล�บและแรงด�นอิมพ�ลส์ �� ม��ลต่อฉนวนพอลิเมอร์สง� เคราะ�์ ความเ�็ น ฉนวนของว�ส ด�พ อลิเ มอร์ข� น อ��่ก�บ ว�ส ด�� ล�ก �� เล�อก��และกระบวนการ�นการฉ�ดข�น� ร�� อ�่าง�รก็ตาม��งม��อ��น��สง่ �ลกระ�บต่อ ค��สมบ�ตคิ วามเ�็ นฉนวนของว�สด�พอลิเมอร์ดง� น� � - ความ�ม่เร��บของพ�น� �ิวต�วน�า��า ส่ ว นน� น �� เกิ ดข� � น บน�ิ ว ต� ว น� า �� า �� า �� เ กิ ด ความเคร�� ดสนาม��าส�งเฉพาะ��ด เ�็ น ต�า แ�น่ ง�� เ ริ�มเกิ ดดิส�าร์�และ น�า��ส�่การเบรกดาวน์ของฉนวน ร� �� 19 แสดง�ลความส�งของส่วนน�นบน �ิวต�วน�า��าต่อแรงด�นอิมพ�ลส์เบรกดาวน์ แรงด�นเบรกดาวน์�ะลดลงเม��อ ความส�งของรอ�น�นมากข�น� การลด�� า��เกิด�ากสนาม��าส�งสามาร� ��า �ด�โ ด�การ��เ ��ร� อ ��น ก�� ง ต�ว น�า �� า �� ม รอบต�วน�า��า �ร�บ��พ�น�ิวม�ระด�บความเร��บมากข�น�

ร�� 19 �ลของส่วนน�นบน�ิวต�วน�า��า ต่อการเบรกดาวน์ของฉนวน [36]


- ช่องว่างและสิ�งเจ�อปนในเน�อ� ฉนวน อนุภาคของแข็ง แก� ส หร�อของเหลว ที�แทรกต�วอ��่ในเน�อ� ฉนวนแข็ง ท�าให้เกิดสนามไ��้าส�งเฉพาะจุด เป็ นต�าแหน่งที�ดิสชาร์จบางส่วนเริ�มเกิด และอาจเป็ นสาเหตุให้ฉนวนเกิดเบรกดาวน์ได้ อนุภาคของแข็งจะมาจาก ว�สดุหล�กที�ใช้ทา� ฉนวน�ึง� สามารถแก้ไขได้โด�การควบคุมคุ�ภาพของว�สดุ ด�ง ต�วอ�่างที�แสดงในร�ปที� �.��

ร�ปที� �.�� ปริมา�สิ�งเจ�อปนของแข็งที�ลดลงในกระบวนการ�ลิตฉนวน พอลิเอทิลนี ในช่วงปี ค.ศ. 1974 ถึงปี ค.ศ. 1984 [36] ช่องแก�สและของเหลวเกิดขึน� ในระหว่างกระบวนการให้ความร้อนก�บ ฉนวน ร� ปที� �.�1 แสดงจ�านวนช่องว่างในเน�อ� ฉนวนครอสลิงค์โพลีเอททีลีนที� เกิดจากกระบวนการบ่มด้ว�ไอน�า� �� และการบ่มแบบแห้ง �� ึ�งจะเห็นว่าการบ่มแบบแห้งสามารถลดจ�านวนการเกิดช่องว่างใน เน�อ� ฉนวนลงได้เป็ นจ�านวนมาก - การแ�กต�วของช�น� ฉนวน การรีดขึน� ร� ปของช�น� กึ�งต�วน�าไ��้าบนต�วน�าไ��้าและรีดขึน� ร�ปฉนวน บนช�น� กึ�งต�วน�าไ��้าอีกคร�ง� ท�าให้ระบบฉนวนที�ได้มีลก� ��ะเรี�งเป็ นช�น� การ หดและข�า�ต�วของช��นฉนวนในข�ะการท�างานปกติ �มีกระแสไ��้าไหล �่าน� ของสา�ไ��้าแรงด�นส�ง เกิดความเค้นเฉ� อนในเน�อ� ฉนวน ท�าให้ฉนวน


และชั�น ก�� ง ตัว นํา ไ��้า ที� อ ย�่ร อบ�ตัว นํา ไ��้า แยกตัว ออกจากกัน เกิ ด เป็ น ช่องว่าง อย่างไรก็ตามปั ญหาดังกล่าวสามารถแก้ไขได้ดว้ ยการใช้เทคนิคการ รีดข�น� ร�ปชัน� ก��งตัวนําไ��้าและฉนวนพร้อมกัน ทําให้ชนั� วัสด�ทงั� สองย�ดเกาะกัน ได้ดี และเกิดช่องว่างได้ยากข�น� 6

Void count per unit volume, arbitrary units ln (N) 

5 4 3 2 Steam cured 1 Dry cured 0

10

20 Void diameter,  m

30

40

ร�ปที� ��2� �ลของกระบวนการบ่มต่อการเกิดช่องว่างในเน�อ� ฉนวน - สิ�งปนเป� �อนที�เป็ นของแข็ง สิ�งปนเป� �อน เช่น อน��าคคาร์บอนที�รอยต่อระหว่างชัน� ก��งตัวนําไ��้า กับฉนวนหลัก สามารถแก้ปัญหาได้ดว้ ยการเปลี�ยนวัสด�ในการรีดข�น� ร� ปชัน� ก��ง ตัวนําจากคาร์บอนแบล็คlii (carbon black) เป็ นอะเซทิลีนแบล็คliii (acetylene black) ที�มีจาํ นวนอน��าคน้อยกว่าแทน

lii

�ล�ลิตจากนํา� มันชนิดหนัก เม��อ�สมกับยางจะให้ค� � สมบัติทนต่อแรงเสียดทานและมีความย�ดหย�น่ ส�ง

liii

อน��าคสีดาํ ที�ได้จากการเ�าย่อยสลาย แก�สอะเซทิลีนในส�าวะไร้อากา�


- ความ�ืน� ความ�ืน� หรือน�า� �ี�ซ�มเข�า�ปในฉนวน��าให�เกิ ดดิส�าร์�แบบราก�ม� �� ด�งน�น� เปลือกของสา��าแรงด�นส�งต�องมีค� � สมบ�ติกน� น�า� และป�องก�นความ�ืน� �ด�ดี ในบางกร�ีอา�มีการปร�บปร� งค��สมบ�ติของฉนวน เพิ�มเติมด�ว�การเติมสารต�วเติม�ี��ว�ในการ�ะลอการข�า�ต�วของดิส�าร์�ใน เนือ� ฉนวน 5.3 ฉนวนผสมกระดาษ-นํา� มันฉนวน ฉนวน�สมระหว� า งน�า� ม�น ฉนวนก�บ กระดา�ฉนวนมี ค วามแตกต� า งก�น �ปตาม�นิ ด ของ อ�ปกร�์��า�ี�นา� �ปใ��งาน เ��น ในหม�อแปลง��าและต�วเหนี��วน�า��าแรงด�นส�ง ฉนวนหล�กคือ น�า� ม�นฉนวน ความเสี�หา�ของระบบฉนวนเกิด�ากการเบรกดาวน์ของน�า� ม�นฉนวน�ี�อ��ระหว�าง ขดลวด สา�ต�วน�าแรงส�งก�บต�าแหน�ง�ี�มีการต�อลงดิน อ��าง�รก็ตามในห�วข�อนี�� ะพิ�าร�า��งระบบ ฉนวนกระดา�-น�า� ม�นฉนวน�ี�ใ��ในสา��าแรงด�นส�ง ซ�ง� มีฉนวนกระดา�เป็ นฉนวนหล�ก 1 2 3

4 5 6

ร�ป�ี� 5.22 โครงสร�างและส�วนประกอบของสา��าแรงด�นส�งฉนวนกระดา�อ�ดน�า� ม�น 1. ��อน�า� ม�น 2. ต�วน�า��า �. ฉนวน�สมกระดา�น�า� ม�น 4. เปลือกในโลหะ 5. เกราะ 6. เปลือกนอกพีวีซี


ร� �ท�� 5�22 แสดง�าคต�ดขวางของสา��ฟฟ�าแรงด�นส�งแบบอ�ดน�า� ม�น ��-i�� il-�ill�� l�) ท��ตรงกลางของต�วน�า�ฟฟ�าม�ท�อส�า�ร�บ��นา� ม�นฉนวน��ลแทรก��ม�นเท�กระดา� คราฟท์liv �� ) ท��พน� รอบต�วน�า�ฟฟ�า ��ม� ด�ว�เ�ล�อกโล�ะส�า�ร�บการต�อลงดิน เสริม ความแข็งแรงของสา�ด�ว�ลวดเกราะ ��) และ��ม� ��น� นอกส�ดของสา�เคเบิลด�ว�พ�ว��เพ��อ��องก�น ความ��น� 5�3�� น� ฉนวน�สมกระดา�-น�า� ม�นฉนวน สา�เคเบิลฉนวนแบบกระดา��มน�า� ม�นม�การพ��นาอ��างต�อเน��อง�นสามาร��ด� ก�บท�กระด�บแรงด�น�ฟฟ�า ท�ง� �นสา�ส�ง�ฟฟ�ากระแสสล�บและ�ฟฟ�ากระแสตรง เท�กระดา� ฉนวน�ะ��ก พ�น รอบต�ว น�า �ฟฟ�า ท�� อ ��ต รงกลาง�นกระท��ง �ด�ค วาม�นาของฉนวนตามท�� ต�องการ เท�กระดา�ฉนวนท��อ��น��น� เด��วก�น�ะ�ม�ม�การส�ม��ส�ร�อ��อนท�บก�น เพ��อ��องก�น �ม��กระดา�ฉนวนเกิดการม�วน�ร�อฉ�กขาดเม��อม�การด�ดโค�งสา�เคเบิล ท�า��เกิด��องว�าง �� ) �นฉนวน ร� �ท�� 5�23 แสดงอ�ตราส�วนของ��องว�างต�อเท�กระดา�ฉนวน ��v�� i�) ท��ด��ากการพ�นสองแบบ

ก) x = 50%, 50/50

ข) x = 70%, 70/30 ร��ท�� 5�23 อ�ตราส�วน��องว�างท��เกิด�ากการพ�นเท�กระดา�ฉนวน liv

กระดา�ท��ลิต�ากเ��อเคม�ท��ด��ากกระบวนการคราฟท์ เ�็ นการ��เทคโนโล��นการแ�ลงส�าพ�ากเน�อ� �ม�เ�็ น เ��อกระดา�โด��สารเคม�และความร�อน�นการแ�กเ��อและข��ดลิกนิน ท�า��ด�กระดา�ท��ม�ความแข็งแรงกว�า กระดา��นิดอ��น


ช่องว่างที�เกิดจากการพันเทปต้องถ�กเติมเต็มด้วยฉนวนเ�ลว เพ��อป้องกันการเกิด ดิสชาร์จบางส่วนเน�� องจากการเกิ ดความเครียดสนามไฟฟ้าส�งเฉพาะจ�ด �ึ�ง เป็ นสาเ�ต� ส�าคั�ของการเส��อมส�าพในสายเคเบิล การอัดฉนวนเ�ลวด้วยความดันส�งผ่านท่อที�อย�ต่ รง กลางของสายเคเบิล ใ�้ฉนวนเ�ลวไ�ลเข้าไปแทนที�แก�สที�อย�ใ่ นช่องว่าง ขนาดแรงดันใช้งาน ของสายเคเบิลจะส�งขึน� ตามความดันของฉนวนเ�ลวที�เพิ�มขึน� จากที�กล่าวมาข้างต้น ปั ��าของฉนวนกระดาษมาจากช่องว่างที�เกิดจากขัน� ตอน การพันเรียงตัวในแนวรั�มีดงั แสดงในร� ปที� 5.2� การควบค�มกระบวนการพันกระดาษฉนวน จึงเป็ นสิ�งส�าคั�ในการควบค�มค�ณ�าพของสายเคเบิล การเปลี�ยนแปลงอัตราส่วนช่องว่าง ต่อเทปกระดาษฉนวนเพียงเล็กน้อยจะส่งผลต่อแรงดันเบรกดาวน์ของระบบฉนวน เช่น มีคา่ ลดลง 3% ถึง 5% ในกรณีแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับและแรงดันอิมพัลส์ และลดลง 30% ใน กรณีแรงดันไฟฟ้ากระแสตรง butt gap

ก) การพันเทปไม่สม��าเสมอ

R Z

ข) การพันเทปสม��าเสมอ ร�ปที� 5.2� การเรียงตัวของช่องว่างในแนวรั�มีของสายเคเบิล ฉนวนของสายเคเบิลจะต้องไม่� นาจนเกิ น ไปเพ�� อใ�้สายสามารถดัดงอได้ เทป กระดาษฉนวนจะต้องถ�กพันด้วยแรงดึงส�ง แต่ไม่เกินค่าพิกดั ที�ทา� ใ�้เทปกระดาษฉนวนเกิด การฉีกขาด (ประมาณ 77 MPa ตามแนวยาว และ 35 MPa ตามแนวขวาง) โดยปกติแรงดึง ที�ใช้ในการพันจะปรับตามค�ณสมบัตทิ างกลของกระดาษฉนวนดังสมการที� 5.10 A=

1 1 4 El Et G2 4  η

(5.10)


เมื�อ

El

และ Et G

η

คือ โมดูลสั ยืดหยุน่ lv ของกระดาษฉนวนตามแนวยาว และแนวขวาง คือ โมดูลสั แรงเฉือนlvi คือ สัมประสิทธิ�ความเสียดทานสถิตย์

แฟกเตอร์ A ถูกใช้ในการเปรียบเทียบคุณลักษณะทางกลของเทปกระดาษฉนวน แต่ละชนิด พารามิเตอร์ตา่ ง�ที�แสดงในสมการที� 5.�0 �ะขึน� อยูก่ บั กระบวนการผลิตที�เป็ นตัว กําหนดค่าความซาบซึมได้และความหนาแน่นของกระดาษ และมีผลต่อค่าคงตัวไดอิเล็กตริก และแฟกเตอร์กาํ ลังสู�เสียของฉนวนสายเคเบิล การเพิ�มความหนาแน่นของกระดาษ�ะทํา ให้คา่ ความเป็ นฉนวนไฟฟ้ามากขึน� แต่ก็�ะทําให้กาํ ลังสู�เสียในสายเคเบิลเพิ�มมากขึน� และ ส่งผลกระทบต่อความยาวของสายเคเบิลที�ใช้ในการส่ง�่ายกําลังไฟฟ้าด้วย

Interlayer pressure, kg/cm2

3

2

1

0

lv

0

50 100 150 Number of layers รูปที� 5.25 การเปลี�ยนแปลงแรงอัดในชัน� เทปกระดาษฉนวน

ค่าบอกระดับความแข็งเกร็งของวัสดุ เท่ากับ อัตราส่วนความเค้นต่อความเครียด

lvi

อัตราส่วนระหว่างความเค้นเฉือนต่อความเครียดเฉือน


สายเคเบิลที�ใช้ในระบบไ��้าแรงดันสูงพิเ�ษ (�xt�a high v�ltag�� H�) แ�กเตอร์ A จะต้อ งมี ค่ า มากว่า 10 MPa รู ป ที� 5.25 แสดงการเปลี� ย นแปลงของแรงอัด (int��la�� p��ss��) ที�เกิดในฉนวนแต่ละชัน� ตัง� แต่ฉนวนชัน� ในสุด (ติดกับตัวนําไ��้า) จนถึงฉนวน นอก การกระจายของแรงอัด ที� มี ลัก ษณะเป็ น ตัว เอส (s-shap�� c��v�) นี �ช่ว ยให้เ ทป กระดาษฉนวนสามารถเลื�อนไปบนฉนวนชัน� อื�นได้อย่างปลอด�ัยโดยไม่เกิดการเสียรู ปหรือ คลายตัวlvii 5.3.1.1 คุณสมบัตทิ างเคมี-กาย�าพของฉนวน�สมกระดาษ-นํา� มันฉนวน จากอดีตจนถึงปั จจุบนั ฉนวนแบบกระดาษจุ่มนํา� มันได้รบั การพั�นาอย่าง ต่อเนื�อง โดยมีรายละเอียดทางเคมีและกาย�าพ ดังนี � - กระดาษฉนวน กระดาษครา�ท์เ ป็ น วัส ดุฉ นวนที� ใ ช้ม ากที� สุด ในสายเคเบิ ล เป็ น กระดาษที� ไ ด้จ ากกรรมวิ ธี ท างเคมี มี ค วามแข็ ง แรงทนทานกว่ า กระดาษ ธรรมดามาก เมื�ออบให้แห้งและแช่ลงในนํา� มันฉนวนจะมีคณ ุ สมบัติการเป็ น ฉนวนไ��้าดีขึน� เหมาะที�จะนําไปใช้เป็ นฉนวนในสายเคเบิลแรงดันสูง เทป กระดาษครา�ท์ท�ี ใช้ในการ�ลิตสายเคเบิลแรงดันสูงมีความหนาประมาณ 60 m ถึง 190 m (2.5 mil ถึง 7.5 millviii) โดยทั�วไปมีค่าประมาณ 125 m (5 mil) มีความแข็งแรงทางกลประมาณ 35 MPa (500 psilix) ตามแนวขวาง และ 75 MPa (1100 psi) ตามแนวยาว สูตรทางเคมีท� วั ไปของกระดาษเซลลูโลส คือ �12H20O10 โมเลกุลของ เซลลูโลสในเส้นใยกระดาษเกิดจากกลูโคสจํานวนมากต่อกันด้วยพันธะไกลโค ไซด์ (gl�c�si�ic ��n�) มี โ ครงสร้า งโมเลกุล ดัง รู ป ที� 5.26 หน่ ว ยย่ อ ยของ โมเลกุลมีความยาวอยูใ่ นช่วง 10 A lx กว้าง 9 A และหนา 5 A

lvii

ความชันตรงส่วนกลางของเส้นโค้งรูปตัวเอสมีค่าเป็ นลบ

lviii lix lx

1/1000 inch หรือเท่ากับ 0.0254 mm

0.06805 atm หรือ 703.06958 kg/m2

1 A เท่ากับ 10-10 m

- 206 - การเบรกดาวน์ของฉนวนแข็งและฉนวนคอมโพสิ การเบรกดาวน์ตของฉนวนแข็งและฉนวนคอมโพสิต - 206 CH2OH O

H

O

H OH H

H OH

O H

H

H

OH

OH

H

H CH2OH

CH2OH H

O

H

O

O

H OH

H

H

OH

OH H

รูปที� 5.26 โครงสร้างโมเลก�ลของเซลลูโลส นอกจากนีโ� ครงสร้างของโมเลก�ลเซลลูโลสยังประกอบด้วยกล�่มของ คาร์บอกซิล (��x�l� -��) ที�จะปราก�ท�ก 100 หน่วยของกลูโคส ซึง� ทํา ให้เ ซลลู โ ลสมี ร ะดับ ความเป็ นกรดตํ�า และทํา ให้เ กิ ด ความสู � เสี ย แบบ ไอออนิกlxiที�ความถี�ใช้งาน (ความถี�กาํ ลัง) รูพร�นของกระดาษมีขนาดตัง� แต่ไม่ก�ี ร้อยไมโครเมตร (m) สําหรับรู ขนาดเล็ก จนไปถึง 10 A สําหรับรูระหว่างเส้น ใยเซลลูโ ลส การซ้อ นทับ กัน ของเส้น ใยกระดาษช่ ว ยให้ไ อออนสามารถ เคล��อนที�ในฉนวนกระดาษจ�่มนํา� มันได้เป็ นระยะทางไกลตราบเท่าที�ไอออน ยังคงมีขนาดเล็กกว่ารูพร�นที�เล็กที�สด� ของกระดาษฉนวน เทปกระดาษคราฟท์มีความหนาแน่นประมาณ 0.75 g/m3 เน��องจาก ความหนาแน่นของกระดาษเป็ นตัวบ่งชี ถ� ึงปริมาณของเส้น ใยเซลลูโลสใน ฉนวน ทําให้ในระบบฉนวน�สมกระดาษ-นํา� มันที�มีความหนาแน่น 1.5� g/m3 จะประกอบด้วยฉนวนกระดาษประมาณครึ�งหนึ�งของปริมาณฉนวนทัง� หมด ความพร� นของกระดาษเป็ นปั จจัยสําคั�ที�บอกถึงความสามารถในการทําให้ กระดาษแห้งและการแทรกซึมของฉนวนเหลว กระดาษที�มีความหนาแน่นสูง จะมี ป ริม าณนํ�า ในเย�� อ กระดาษมากและทํา ให้เ กิ ด กํา ลัง สู� เสี ย สูง ส่ ว น กระดาษที� มีความพร� นน้อยจะสามารถรับแรงดึงได้สูงกว่าและมี ความเป็ น ฉนวนที� ดี ขึ น� เม�� อ แช่ อ ยู่ ใ นนํ�า มัน ฉนวน เน�� อ งจากเทปกระดาษที� มี ค วาม หนาแน่นสูงจะมีค่าคงตัวไดอิเล็กตริกสูง เพ��อเป็ นการควบค�มให้ความเครียด สนามไฟฟ้ากระจายตัวอย่างสมํ�าเสมอจึงต้องมีการเล�อกใช้ความหนาแน่น ของเทปกระดาษให้มีความหนาแน่นลดลงตามขนาดของรั�มีท�ี เพิ�ม ขึน� ใน ลักษณะเดียวกับปลอกฉนวนตัวนําแบบเก็บประจ�ท�ีกล่าวถึงในบทที� 2 และทํา การลดปริมาณไอออนซึง� เป็ นสาเหต�ของกําลังสู�เสียในฉนวน กระดาษจะถูก

lxi

ความสู�เสียเน��องจากการเปลี�ยนแปลงสนามไฟฟ้าของอะตอมและโมเลก�ลที�มีประจ�


ล้างด้วยน�า� ดีมินlxii ��mi��i�� ก�าจัดสารตกค้างที�เกิดจากการผลิต เช่น กรดและเกลือ เป็ นต้น กระดาษที�มีความคงทนทางไฟฟ้าประมา� 5 kV/mm ไม่เหมาะที�จะ น�า มาใช้เป็ นฉนวนในระบบไฟฟ้า แรงสูง แต่เ มื� อน�า ไปจ�่ม ในน�า� มันฉนวนที� ความดั น ที� เ หมาะสมจะมี ค วามคงทนทางไฟฟ้ า �ายใต้แ รงดั น ไฟฟ้ า กระแสสลับสูงถึง 50 kV/mm ค่าคงตัวไดอิเล็กตริกของกระดาษคราฟท์จะมี ค่าประมา� 1.7 ถึง 3.2 ส�าหรับกระดาษที�มีความหนาแน่นในช่วง 0.6 g/cm3 ถึง 1.2 g/cm3 โดยกระดาษคราฟท์เป็ นฉนวนกระดาษชนิดเดียวที� ถูกใช้ใน สายไฟฟ้าแรงดันสูง ซึง� มีสว่ นประกอบดังแสดงในตารางที� 5.2 ตารางที� 5.2 ส่วนประกอบทั�วไปของกระดาษคราฟท์ �24� ส่วนประกอบ แอลฟาเซลลูโลส เฮมิเซลลูโลส ลิกนิน ขีเ� ถ้า สารประกอบซัลเฟต สารประกอบคลอไรด์ สารเจือปนอื�น�

เปอร์เซ็นต์ 88.30 2.90 4.30 0.50 0.02 0.02 3.96

- น�า� มันฉนวน น�า� มันแร่ �mi��l �il� เป็ นฉนวนเหลวที�นิยมใช้ในหม้อแปลงไฟฟ้า ก�าลังและสายเคเบิลอัดน�า� มัน มีสว่ นประกอบแตกต่างกันไปตามลักษ�ะการ ใช้ง าน การเลือกใช้นา� มันฉนวนส�า หรับสายเคเบิลต้องค�านึงถึงค��สมบัติ หลายประการดังนี �  ความหนืดของน�า� มัน เป็ นค��สมบัติสา� คั�ที�กา� หนดอัตราการแทรก ซึม ในระหว่ า งกระบวนการผลิ ต สายเคเบิล และการไหลเวี ย นของ น�า� มันในระบบฉนวน เมื�อโหลดของระบบไฟฟ้าถูกตัดออก อ��ห�ูมิ สายเคเบิลลดลง น�า� มันฉนวนซึ�งขยายตัวข�ะที�มีโหลดต้องมีความ lxii

น�า� ที�ผา่ นกระบวนการแยกสารละลายออกด้วยการใช้สารกรองเรซิ�น เพื�อท�าให้นา� มีความบริสท� �ิ�สงู


หนืดต��า เพื�อให้สามารถคืนส�าพเดิมโดยไม่เกิดช่องว่างขึน� ในระบบ ฉนวน � ิเหต��าก  ��ดวาบไฟ ใช้ในการก�าหนดอ��ห�ูมิสงู ส�ด เพื�อป้องก�นอ�บต การเกิดไฟไหม้  ��ดไหลเท ใช้ในการก�าหนดอ��ห�ูมิต�าส�ดเพื�อไม่ให้เกิดการเป็ นไข �ึง� ข�ดขวางการไหลเวียนของน�า� ม�นฉนวน  ปริมา�แก�สที�ละลายในน�า� ม�นฉนวน เป็ นสาเหต�ของการเกิดฟองแก�ส ในระบบฉนวน โดยเฉพาะในสายเคเบิลอ�ดน�า� ม�นความด�นต��า น�า� ม�นฉนวนที�ใช้ในระบบฉนวน�สมกระดา�-น�า� ม�นร่วมก�บกระดา� คราฟท์ ได้มา�ากกระบวนการกล��นปิ โตรเลียม โดยท��วไปน�า� ม�นฉนวนที�ใช้ใน สายเคเบิลประกอบไปด้วย แนฟทาลีน 38% พาราฟิ น 50% และอะโรมาติก 12% ความยาวและโครงสร้างโมเลก�ลแตกต่างก�นตามชนิดของน�า� ม�นฉนวน สารอะโรมาติกที�อยู่ในน�า� ม�นมีค��สมบ�ติย�บย�ง� การก่อต�วของฟองแก� สเมื�อ น�า� ม�นฉนวนอยู่�ายใต้ความเครียดสนามไฟฟ้าสูง แต่ก็ทา� ให้นา� ม�นฉนวนมี ก�าล�งสู�เสียสูง โดยปกตินา� ม�นฉนวนมีค่าคงต�วไดอิเล็กตริกประมา� 2�2 แฟกเตอร์กา� ล�งสู�เสียต��ากว่า 10-4 และมีความหนืดอยู่ในช่วง 10 cSTlxiii ถึง 1000 cST ในป� ��บน� น�า� ม�นแร่ท�ีมีความบริส�ท�ิ� สูง�ะถูกแทนด้วยน�า� ม�นฉนวน ส�งเคราะห์ �s�nt�etic oil� ที�มีค� � สมบ�ติท�ีดีกว่า เช่น ความหนืดต��า แฟกเตอร์ ก�า ล�ง สู� เสี ย ต��า ส�าพต้า นทานไฟฟ้า สูง ความคงทนทางไฟฟ้า สูง และ ปรา��ากไอออนเ�ือปน ต�วอย่างน�า� ม�นฉนวนส�งเคราะห์ท�ีใช้ในสายเคเบิลอ�ด น��า ม�น ได้แ ก่ โดเด�ิ ล เบน�ี น ��o�ec�l�en�ene� พอลิ บิ ว ที น ��ol��t�l� โดยการเติมโดเด�ิลเบน�ีนลงในน�า� ม�นแร่เพื�อเพิ�มความสามารถในการดูด��บ แก�สไ�โดรเ�นแสดงในรู ปที� 5�2� ที�อต� ราการเกิดของแก�สไ�โดรเ�นคงที� โดย พบว่าการเพิ�มปริมา�โดเด�ิลเบน�ีนเพียงเล็กน้อยก็สามารถเปลี�ยนแปลง การดูด��บแก�สไ�โดรเ�นได้มากขึน�

lxiii

censistokes

m3 10-6


0

100

Time, min 200

Absorption

-1

100% Mineral oil

Evolution

+1

300 10% DDB

50% DDB

-2

ร�� 2� �ลการเติมโดเด�ิลเบน��นต�อการด�ด�ึมแก�ส��โดรเ�น �นน�า� ม�นแร� ร� �� 2� แสดงการเพิ�มขึน� ของแ�กเตอร์กา� ล�งส��เส��ตามเวลา��ด� �ากสา�เคเบิลอ�ดน�า� ม�นสอง�นิด ค�อ สา�เคเบิล��ฉนวนเ�ลวเ�็ นน�า� ม�นแร� และสา�เคเบิล��ฉนวนเ�ลวเ�็ นโดเด�ิลเบน��น �า��ต�การ�ดสอบเร�งการ เส��อมส�าพ��อ� � ��มิ �20 Clxiv พบว�าเม��อ��านการ��งาน��มากกว�า �00 ว�น สา�เคเบิล��โดเด�ิลเบน��น��งคง��างาน�ด�เ�็ น�กติ แต�สา��นา� ม�น แร�ม� �ริม า�แก� ส�นน�า� ม�น ถึ ง ��ดอิ�ม ต�ว �ึ�ง เ�็ น สาเ�ต�ของการเกิ ดดิส�าร์� บางส�วนและ��า��กา� ล�งส��เส��นสา�เคเบิลเพิ�มขึน� อ��างรวดเร็ว นอก�ากส�าพต�า น�าน��า ส�งและก�า ล�งส��เส�� ต��า แล�ว น�า� ม�น ฉนวน��นสา�เคเบิลแรงด�นส�งต�องม�ความสามารถ�นการด�ด��บแก�ส��ด� �น สา�เคเบิล��ม��ง� �ม��า� นการ��งาน�ะม�เ�อร์เ�็นต์แก�ส��ละลา�อ�� นน�า� ม�น ฉนวนน� อ �กว� า เม�� อ �� า นการ�� ง าน ฉนวนเกิ ด การเส�� อ มส�าพ เกิ ด

lxiv

อ��มิ�า� งาน�กติของสา�เคเบิลอ�ดน�า� ม�นอ��ระมา� �� C ถึง 90 C


แก� สคาร์บอนมอนอกไ�ด์และคาร์บอนไดออกไ�ด์�ากการเส��อมสภาพ�าง อุณหภูมิของเ�ลลูโลส และแก�สไ�โดรเ�น�ากการแตกต�วของโมเลกุลน�า� ม�น ฉนวนภายใต้สนามไฟฟ้าและอุณหภูมิสงู 10

Cable impregnated with conventional I.v. mineral oil

tan  at 120 C  initial value

8 6 4 5 MV/m

2

20 MV/m

0

Cable impregnated with DDB

2 0

0

200

20 MV/m

400 600 Days of ageing

5 MV/m 800

1000

รู�� 5.28 การเ�ล��ยนแ�ลงแฟกเตอร์กา� ล�งสู�เส�ยในสายเคเบิล อ�ดน�า� ม�นตามระยะเวลา - สิ�ง�นเ�� อนและความ��น� รู � �� 5.2� แ ส ด ง � ล ก า ร � น เ �� อ น อ นุ ภ า ค �� ม� � ร ะ �ุ �� ม�ต�อแฟกเตอร์กา� ล�งสู�เส�ยของกระดา�ฉนวน พบว�าค�า แฟกเตอร์กา� ล�งสู�เส�ย�ะม�ค�าค�อนข้างคงต�วก�อน��ะม�ขนาดเพิ�มข�น� อย�าง รวดเร็วเม��ออุณหภูมิม�คา� สูง��ง �0 C

การเบรกดาวน์ การเบรกดาวน์ขของฉนวนแข็ องฉนวนแข็งงและฉนวนคอมโพสิ และฉนวนคอมโพสิตต -- 211 211 -0.3

1 2

0.2

3

tan , %

4

0.1

0

0

40

80

Temperature, C

120

160

ร��ี� 5.29 ความส�มพ�น�์ระ�ว�างอ��มกิ บ� แ�กเตอร์กา� ล�งส��เสียของ กระดา��ี�ระด�บการ�นเ�� อนของอน��าค�ี�มี�ระ��ตา� ง� เส้น

1: ขีเ� �้า 0.62%, โซเดียมไอออน (Na+) 220  10-6, แคลเซียม ไอออน (Ca++) 2,200  10-6 2: ขีเ� �้า 0.41%, โซเดียมไอออน (Na+) 38  10-6, แคลเซียม ไอออน (Ca++) 2,300  10-6 3: ขีเ� �้า 0.5%, โซเดียมไอออน (Na+) 44  10-6, แคลเซียม ไอออน (Ca++) 2,000  10-6 4: ขีเ� �้า 0.22%, โซเดียมไอออน (Na+) 26  10-6, แคลเซียม ไอออน (Ca++) 90  10-6

ความ��น� เ�็ นอีก�� ย�น��ง�ี�สง� �ลกระ�บต�อก�าล�งส��เสีย�นฉนวนด�ง แสดง�นร��ี� 5.30 และร��ี� 5.31 ตามล�าด�บ


100

Water content in paper

10-1

4.7%

2.8%

1.4%

tan 

1.2% 0.7%

10-2

0.25% 0.1%

10-3

0

30

65

, C

100

ร�� .30 ความส�มพ�น�์ระ�ว�างอ��มกิ บ� แ�กเตอร์ ก�าล�งส��เส��ของสา�เคเบิลฉนวนแบบกระดา��มน�า� ม�น ��ระด�บความ��น� ต�าง��นกระดา�ฉนวน �ากร� �� .30 �� อ��มิ �� � ฉนวนกระดา��มน�า� ม�น�ะม�แ�ก เตอร์กา� ล�งส��เส��เ�ล��นแ�ลง�าก 3  10-3 ถึง 1.6  10-1 ��ริมา�น�า� ต��ง แต� 0.1� ถึ ง �.�� เพ�� อ ��ริม า�น�า� �นฉนวนม� ค�า ต��า ก� อ นการ�สม ฉนวน ��มกระดา�ฉนวนลง�นน�า� ม�นฉนวน� กระดา�ฉนวนต�องถ�ก��า��แ��ง ส�วนน�า� ม�นฉนวน�ะต�อง��านการกรองแบบส��ากา�เพ��อก�า��ดน�า� และแก�ส ตกค�าง��มา�ากอากา�โด�รอบ�นระ�ว�างข�น� ตอน�ลิต และ�ากร� �� .31 �ริมา�น�า� �นน�า� ม�นฉนวน�ะขึน� ก�บระด�บความ��น� ส�มพ��์�นอากา� �ึ�งส�ง�ล ต�อส�าพความต�าน�านและก�าล�งส��เส��ของน�า� ม�นฉนวน


Water content in oil, ppm

60 50 40 30 20 10 0

0

20

40

60

80

Ambient relative humidity, %

100

Resistivity,  -cm

ก� การเ�ล��นแ�ลง�ริมา�น�า� ��คา� ความ��น� ส�มพ��์ตา� ง�

1016 1014 0

40

80

120

Water content, ppm

160

ข� การเ�ล��นแ�ลงส�าพความต�าน�าน��ริมา�น�า� ต�าง�

tan , %

6 4 2 0

0

40

80

120

Water content, ppm

160

ค� การเ�ล��นแ�ลงและแ�กเตอร์กา� ล�งส��เส��ริมา�น�า� ต�าง� ร�� 5.31 �ลของความ��น� ต�อส�าพความต�าน�านและแ�กเตอร์กา� ล�ง ส��เส��ของน�า� ม�นฉนวน


��1�2 การปรับปรุงคุณสมบัตขิ องฉนวน�สมกระดาษ-นํา� มันฉนวน เพื�อให้ได้ฉนวนที�มีคุณสมบัติดีขึน� การเลือกใช้วสั ดุท�ีนาํ มาใช้ทาํ ฉนวนจึงมี ความสําคั� เช่น การใช้กระดาษสังเคราะห์และนํา� มันฉนวนที�ตดิ ไฟได้ยาก - กระดาษสังเคราะห์ จากข้อจํากัดด้านโครงสร้างโมเลกุลที�มีความ�ับ�้อนของเ�ลล�โลส การปรับปรุ งคุณสมบัติของกระดาษคราฟท์จึงทําได้เพียงเล็กน้อย กระดาษ ฉนวนชนิดใหม่ท�ีมีคุณสมบัติการเป็ นฉนวนที�ดีกว่าจึง��กนํามาใช้แทนที� คือ กระดาษลามิ เ นตโพลี โ พรพิ ลี น (po��prop��ene p�per ��min�te� ��) ที� ประกอบไปด้ว ยฉนวนสามชั�น โดยมี ฟิ ล์ม โพลี โ พรพิ ลี น แทรกระหว่ า งชั�น กระดาษคราฟท์ และมีความหนาใกล้เคียงกับเทปกระดาษฉนวนปกติ ทําให้มี ความแข็งแรงทางกลของกระดาษเ�ลล�โลสและความเป็ นฉนวนไฟฟ้าที�ดีของ โพลีโพรพิลีน ตารางที� �� แสดงการเปรียบเทียบระหว่างกระดาษลามิเนตโพ ลี โ พรพิ ลี น กั บ กระดาษคราฟท์ พบว่ า กระดาษลามิ เ นตโพลี โ พรพิ ลี น มี คุณสมบัติหลายด้านที�ดีกว่า เช่น ค่าคงตัวไดอิเล็กตริก กําลังส��เสีย ความ คงทนต่อแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับและแรงดันอิมพัลส์ เป็ นต้น ข้อจํากัดในการใช้งานกระดาษลามิเนตโพลีโพรพิลีน คือ ความเข้ากัน ได้กบั ฉนวนเหลว โดยเฉพาะการใช้รว่ มกับโดเด�ิลเบน�ีนเนื�องจากฟิ ล์มโพลี โพรพิลีนเกิดการพองตัวทําให้นา�ํ มันฉนวน�ึมเข้าไประหว่างโครงสร้าง�ลึกของ โพลีโพรพิลีน การบวมของเทปกระดาษโพลีโพรพิลีนจะเพิ�มแรงดันระหว่างชัน� เทป ส่ง�ลกระทบให้เกิดการเลื�อนตัวระหว่างชัน� เทปที�ติดกันเมื�อสายมีการโค้ง หรือดัดงอ นอกจากนีป� �ิกิริยาเคมีท�ีเกิดขึน� ระหว่างฉนวนเหลวกับโพลีโพรพิ ลีนในส่วนที�เป็ นโครงสร้างอสัณ�าน อาจมี�ลกระทบต่อคุณสมบัตทิ างกลและ ทางไฟฟ้าของฉนวนกระดาษลามิเนตโพลีโพรพิลีนอีกด้วย - ไอออนเจือปน (ionic impurities) โดยทั�ว ไปโพลี โ พรพิ ลี น จะมี โ ครงสร้า งในส่ว นที� เ ป็ น �ลึก ประมาณ �� จากการ�ึก ษาพบว่ า เมื� อ �่ า นการใช้ง านไประยะเวลาหนึ� ง สัด ส่ว น ระหว่างโครงสร้างที�เป็ น�ลึกและโครงสร้างอสัณ�านจะมีการเปลี�ยนแปลง คือ โครงสร้าง�ลึกเพิ�มขึน� และโครงสร้างอสัณ�านลดลง สิ�งเจือปนที�ตกค้างจาก ตัว เร่ง ป�ิกิ ริย าและสารชะลอการเกิ ด ป�ิกิ ริย าออก�ิเ ดชัน ที� ใช้ในระหว่า ง


ตารางที� 5.3 โครงสร้า งและคุณ สมบัติข องกระดาษลามิ เ นตโพลี โ พรพิ ลีน และกระดาษคราฟท์ [24] โครงสร้าง/ คุณสมบัติ ความหนา ทัง� หมด (mm) �ัน� กระดาษ คราฟท์ (mm) �ัน� โพลีโพรพิลนี (mm) �ัน� กระดาษ คราฟท์ (mm) ค่าคงตัวไดอิเล็ก ตริก แฟกเตอร์กาํ ลัง สูญเสีย ความคงทนต่อ แรงดันไฟฟ้า กระแสสลับ (kV/mm) ความคงทนต่อ แรงดันอิมพัลส์ (kV/mm)

PPL

PPL

PPL

0.12

0.17

0.22

กระดาษ คราฟท์ 0.2

0.03

0.04

0.04

-

0.06

0.09

0.11

-

0.03

0.09

0.07

-

2.57

2.58

2.61

3.4

5.4  10-4 5.3  10-4 5.9  10-4

2  10-3

172

150

139

80

284

256

245

150

กระบวนการ�ลิต��งอยู่�นโครงสร้างอสัณ�าน�ะ�ูกขับออกมาที��ิวฟิ ล์มและ �ูก�ะออกโดยฉนวนเหลว �ราก�การณ์ดงั กล่าวนี�� ะมี�ลกระทบมากข�น� เม��อ นํา� มัน ฉนวน��ม เข้า ไ��น�ั�น ฟิ ล์ม โพลี โ พรพิ ลี น อนุ� าคที� มี � ระ�ุมี � าํ นวน เพิ� ม ข� �น ตามระยะเวลาทํา �ห้ก ํา ลั ง สู ญ เสี ย กระแสสลั บ เพิ� ม ข� �น �าย�ต้ แรงดันไฟฟ้ากระแสตรง สิ�งเ�� อ�นที�หลุดออกมา�ะส่ง�ล�ห้ความนําไฟฟ้า ของฉนวน�สมและการก่ อ ตัว ของกลุ่ม �ระ�ุค ้า งเพิ� ม มากข� น� การ�ล่ อ ย


สิ�งเ��อ�น�ี�มี�ระ��สามาร�เกิดข�น� ได้เหม�อนกันในกร�ีของกระดาษคราฟ�์ แต่ ค วามเข้ม ข้น ของอน� ภ าค�ี� มี � ระ�� ใ นนํ�า มั น ฉนวน�ะไม่ เ พิ� ม ข� น� ตาม ระยะเวลา ในสภาวะ�ี�สนามไฟฟ้าคงตัว �ํานวนของไอออนเ��อ�น�ะลดลงตาม เวลาส่งผลให้กาํ ลังสูญเสียลดลง ดังตัวอย่างของฉนวนผสมกระดาษลามิเนต โพลีโพรพิลีน-นํา� มัน�ิลิโคนในรู ��ี� ��2 พบว่าแฟกเตอร์กาํ ลังสูญเสียมีค่า ลดลงตามขนาดของความเครียดสนามไฟฟ้า�ี��้อน อย่างไรก็ตามเม��อหย�ด �้อนสนามไฟฟ้ากําลังสูญเสียของฉนวน�ะเพิ�มข�น� ��งสามาร�อ�ิบายได้�าก การ�ลด�ล่อยไอออน�ี��กู ดัก�ับภายในฉนวน 0.11

8 kV/mm

tan , %

0.10 0.09

16 kV/mm

0.08 0.07 0.06

0V 0.1

1.0

Time, h

10

100

รู��ี� ��2 การเ�ลี�ยนแ�ลงแฟกเตอร์กาํ ลังสูญเสียของฉนวนผสมกระดาษ ลามิเนตโพลีโพรพิลีน-นํา� มัน�ิลโิ คน �ี�อ� � หภูมิ 2� C ภายใต้แรงดันไฟฟ้ากระแสสลับคงตัว - ฉนวนเหลว�ี�มี�ด� วาบไฟตํ�า เน��อง�ากนํา� มันฉนวนสังเคราะห์ เ�่น โดเด�ิลเบน�ีน �ี�มีค� � สมบัติ การดูด�ับแก� สได้ดี แต่ยังคงมี ��ดติดไฟใกล้เคียงกับนํา� มันแร่ เพ��อ�รับ�ร� ง ฉนวนของสายเคเบิลให้ใ�้กับแรงดันไฟฟ้าได้สงู ข�น� นํา� มัน�ิลิโคน��งมีความ ไวไฟตํ�าและมีค��สมบัติไม่ลามไฟ ��-�� ง�ูกนํามาใ�้แ�น โดเด�ิลเบน�ีนและนํา� มันแร่ ��งแม้ว่านํา� มัน�ิลิโคน�ะมีค��สมบัติการเ�็ น ฉนวนน้อ ยกว่ า นํ�า มั น แร่ แต่ � ากการ�ดสอบความคง�นแรงดัน ไฟฟ้ า


กระแสสลับ ในสายเคเบิ ล แรงสู ง พบว่ า น��า มั น ซิ ลิ โ คนให้ป ระสิ � �ิ � าพ�ี� ใกล้เคียงกับโดเดซิลเบนซีน 5.3.2 คุณสมบัตกิ ารเป็ นฉนวนของฉนวนใหม่ ฉนวนกระดา��ุ่มน�า� มัน�ี�ใ�้ในสายเคเบิลแรงดันสูงมี�ุดอ่อน�ี�สา� คั� คือ การเกิด �่องว่างระหว่าง�ัน� เ�ปกระดา�ฉนวน เมื�อป้อนแรงดันให้กบั สายเคเบิล�ะเกิดความเครียด สนามไ��้าใน�่องว่าง เกิดดิส�าร์�บางส่วน และเป็ นสาเหตุสา� คั��ี� �า� ให้เกิดการเบรก ดาวน์ของระบบฉนวน ความเสียหายของฉนวนในสายเคเบิลแรงดันสูงแบ่งออกได้เป็ นสองแบบ คือ การ เ�าะ�่านของ�ัน� กระดา�ฉนวน และการวาบไ�ตามแนว�่องว่าง�ี�เกิด�ากการพันเ�ปฉนวน ซ��งสามาร�ตรว�พบได้�ากการ�ดสอบในห้องป�ิบตั ิการและการใ�้งาน�ริงดังแสดงในรู ป �ี� 5.33 Puncture path

Flashover Step path

Flashover zigzag path Sheath

Taped insulation

Conductor

รูป�ี� 5.33 รูปแบบการเสียหายของฉนวนกระดา��ุ่มน�า� มันในสายเคเบิลแรงสูง การเกิดเบรกดาวน์เ�าะ�่านของเ�ปกระดา�ฉนวน เริม� �ากการดิส�าร์�ใน�่องว่าง �ี�อยู่ระหว่างเ�ปกระดา�ฉนวน มีลกั �ณะเป็ นเส้นตรงในแนว�ี�ตงั� ฉากกับ�่องว่างเพราะเป็ น ระยะ�าง�ี� สั�น �ี� สุด และ��า ให้เ กิ ด เบรกดาวน์ใ น�่ อ งว่ า ง เป็ น �ลให้ฉ นวน�ี� เ หลื อ ได้ร ับ แรงดันไ��้าตกคร่อมมากข�น� �่องว่าง�ี� อยู่�ัดไปเกิ ดเบรกดาวน์และขยายตัว ออกอย่า ง ต่อเนื�องในแนวรั�มี�น��งอิเล็กโตรด�ี�อยู�่ � ังตรงข้าม


การเกิดวาบไฟตามแนวช่องว่างในเทปกระดาษฉนวน เกิดจากการเชื�อมต่อกันผ่าน น�า� มันฉนวนที�เบรกดาวน์ระหว่างชัน� เทปฉนวนในลักษ�ะขัน� บันไดหรือ�ิกแ�ก และท�าให้ ฉนวนทัง� หมดเบรกดาวน์เมื�อขยายตัวไป��งอิเล็กโตรด�ั� งตรงข้าม เมื�อเปรียบเทียบกับการเกิด เบรกดาวน์เจาะผ่านเทปกระดาษฉนวน การเกิดวาบไฟตามแนวช่องว่างเป็ นการเบรกดาวน์ ตามแนวยาวเนื�องจากการเพิ�มข�น� ของสนามไฟฟ้าภายในช่องว่างและเกิดจากความเครียด สนามไฟฟ้าที�มีค่าต��าของน�า� มันฉนวนเมื�อเทียบกับสนามไฟฟ้าที�ทา� ให้เกิดการเจาะผ่านของ กระดาษฉนวน 5.3.2.1 ความคงทนฉนวนไฟฟ้าเริม� ต้น ในหัวข้อนีจ� ะพิจาร�าการเพิ�มข�น� ของสนามไฟฟ้า��งเป็ นสาเหต�ของการเกิด ดิสชาร์จในช่องว่างที�มีนา� มันฉนวนจากการพันเทปกระดาษฉนวน และเป็ นตัวก�าหนด ความคงทนต่อแรงดันไฟฟ้าของฉนวนผสมกระดาษจ�่มน�า� มัน จากร� ปที� 5.23 ก�าหนดให้ n คือจ�านวนชัน� ของเทปกระดาษระหว่างช่องว่างที� ติ ด กัน ในแนวรัศ มี แ ละเทปกระดาษฉนวนมี ค วามหนาเท่ า กับ dr เนื� อ งจากเทป กระดาษมี ค วามบางมากเมื� อ เที ย บกับ ความหนาของฉนวนทั�ง หมด สนามไฟฟ้ า ( E p ) ในเทปกระดาษจ�งมีการกระจายแบบสม��าเสมอ แรงดันตกคร่อมเทปกระดาษแต่ ละชัน� เท่ากับ (5.11) dU p = E p dr ชัน� เทปฉนวน n +1 ชัน� จะประกอบไปด้วยเทปกระดาษฉนวนทัง� หมด n ชัน� และช่องว่างหน��งช่อง จะมีแรงดันไฟฟ้าตกคร่อมเท่ากับ D U = ndU p + dU h D U = nE p dr + E h dr

โดยที�

dU h

คือ แรงดันไฟฟ้าที�ตกคร่อมช่องว่างแต่ละช่อง

Eh

คือ ความเครียดสนามไฟฟ้าภายในช่องว่างในแนวรัศมี

(5.12)

ความสัมพันธ์ของความเครียดสนามไฟฟ้าในเทปกระดาษกับความเครียด สนามไฟฟ้าภายในช่องว่างดังนี � (5.13) εpEp = εh Eh เมื�อ

εp

εh

คือ ค่าคงตัวไดอิเล็กตริกของเทปกระดาษฉนวน คือ ค่าคงตัวไดอิเล็กตริกของน�า� มันฉนวน


จากสมการที� 5.12 และ 5.13 จะได� DU = n

εh E h dr + E h dr εp

 ε  DU =  n h  1 E h dr  ε   p  DU =  n + 1 Edr

เม��อ

E

(5.14)

ค�อ ความเครี�ดสนามไ��าของฉนวนที�เ�็ นเน�อ� เดี�วตลอดlxv

�นกร�ีจา� นวนชัน� เท�กระดาษฉนวนเท่ากับสาม อัตราส่วนช่องว่างต่อเท� กระดาษฉนวน 70/30 ค่าคงตัวไดอิเล็กตริก ε p และ εh เท่ากับ 3.5 และ 2.2 จะมีการ เพิ�มข�น� ของสนามไ��า�นช่องว่างเท่ากับ 40� และเ�็ นต�าแ�น่งเริ�มเกิดดิสชาร์จ�น ฉนวน�สมกระดาษจ�่มน�า� มัน การ�รับ�ร� งความคงทนทางไ��าของฉนวนกระดาษจ�่มน�า� มันสามาร�ท�าได� โด�การเพิ�มความดันของน�า� มันฉนวนดังแสดง�นร��ที� 5.34 5.3.2.2 �ั จจั�ที�มี�ลต่อความคงทนทางไ��า ขนาดของช่องว่างที�เกิดจากการพันเท�ฉนวนและความดันน�า� มันฉนวนเ�็ น สอง�ั จจั�ส�าคั�ที�สง่ �ลกระทบต่อความเ�็ นฉนวนของสา�เคเบิลแรงดันส�งที��ลิต��ม่ - ขนาดของช่องว่าง �นสา�เคเบิลอัดน�า� มัน ช่องว่างจากการพันเท�กระดาษฉนวนจะเต็ม ไ�ด�ว�น�า� มันฉนวน ความคงทนทางไ��าจ�ง��กก�า�นดจากความเ�็ นฉนวน ของน��า มั น ฉนวน�� ง มี ค วามสั ม พั น �์ กั บ ขนาด โด�เฉพาะความล� ก ของ

lxv

ฉนวนทัง� สองชนิด�สมกันอ�่างสม��าเสมอเ�็ นเน�อ� เดี�วกัน


200

LI

Dielectric strength, kV/mm

150

AC

100

50

00

1000

2000 Pressure, kPa

3000

ร�ปท�� 5.�� ลของความดันน�า� มันฉนวนต�อความคงทนทางไ��้า ของฉนวนกระดา�จ��มน�า� มัน ��องว�างท�� นา� มันฉนวนเติมเต็มอ�� โด�ทั�วไปความเคร��ดสนามไ��้าเบรก ดาวน์กระแสสลับของน�า� มันฉนวน ( E , kV/mm) หาได้จาก E = ad0.2085

เมื�อ

a d

(5.15)

คื อ สัม ประสิ ท ธิ� ท� ข� น อ��กับ ลัก ��ะความบริ ส�ท ธิ� แ ละ ความดันของน�า� มันฉนวน คือ ความหนาของน�า� มันฉนวน (mm)

ความคงทนทางไ��้าต�อแรงดันอิมพัลส์ของระบบฉนวนจะข�น� กับ ความกว้างและความล�กของ��องว�าง ดังน� �  ความเคร� � ดสนามไ��้ า เบรกดาวน์จ ะลดลง 15� เมื� อ เพิ� ม ความ กว้างของ��องว�างจนม�ขนาดเท�ากับ � mm ��งเป็ นขนาดทั�วไปท��้�น การ�ลิตสา�เคเบิลแรงดันส�งเพื�อ�ห้สา�สามาร�ดัดงอได้

การเบรกดาวน์ การเบรกดาวน์ขของฉนวนแข็ องฉนวนแข็งงและฉนวนคอมโพสิ และฉนวนคอมโพสิตต -- 221 221 -

การใ�้เทปกระดาษฉนวนท��บางลง �่วยให้ความคงทนทางไ��้าของ ระบบฉนวนเพิ�มข�น� แต่จะทําให้จาํ นวน�ัน� เทปกระดาษฉนวนเพิ�มข�น� กระบวนการผลิตม�ความ�ับ�้อนและม�ตน้ ทุนการผลิตสูง เพื�อเป็ นการ ลดปั ญหาดังกล่าวความหนาของเทปกระดาษฉนวนจะถูกปรับให้ เหมาะสมกับขนาดสนามไ��้าท�� เกิดข�น� ในแต่ละตําแหน่งของสาย เคเบิล

- ความขรุขระของผิวตัวนํา ส่ ว นท�� ย�ื น ออกมาจากผิ ว (p�ot��sion) ของตั ว นํา ไ��้ า ม� ผ ลให้ ความเคร�ยดสนามไ��้าท��บริเวณน�ม� �ค่าสูง และเป็ นตําแหน่งเริ�มเกิดดิส�าร์จ บางส่วน ��งสามารถแก้ไขได้ดว้ ยการใ�้เทปตัวนําหรือก��งตัวนําพันรอบตัวนํา ไ��้าก่อนท��จะพันเทปกระดาษฉนวน และพันเทปก��งตัวนําไ��้าอ�กครัง� ก่อน หุม้ เปลือกสายเคเบิล อย่างไรก็ตามการเพิ�ม�ัน� เทปก��งตัวนําเข้าไปจะทําให้ สายเคเบิลแรงสูงม�ขนาดใหญ่ขน� การปรับ ปรุ ง การกระจายสนามไ��้ า ในฉนวนกระดาษจุ่ม นํา� มัน สามารถทํา ได้โ ดยการปรั บ ความหนาเทปกระดาษฉนวน ในบริ เ วณ ท��ความเคร�ยดสนามไ��้าสูง เ�่น บริเวณ�่องว่างในเคเบิล จะใ�้เทปกระดาษ ฉนวนท��ม�ความหนาน้อยเนื� องจากม�ค่าคงตัวไดอิเล็กตริกสูง โดยทั�วไปการ ผลิตสายเคเบิลแรงสูงจะประกอบด้วยกระดาษฉนวนประมาณสาม�ัน� (หรือส�� ัน� ) �ัน� ในสุดใ�้เทปกระดาษฉนวนท��ม�ความหนา �� และใ�้ความหนา ��1� �� ถ�ง ��2 �� สําหรับเทปกระดาษฉนวน�ัน� นอกสุด - สิ�งปนเปื �อนและความ�ืน� ฉนวนกระดาษจุ่มนํา� มันม�ความไวต่อสิ�งปนเปื �อนและความ�ืน� มาก ดังนัน� เพื�อควบคุมกําลังสูญเส�ยให้อยู่ในระดับท��เหมาะสม กระดาษฉนวนต้อง ถูกทําให้แห้ง นํา� มันฉนวนต้องผ่านกําจัดแก�สก่อนการเติมเข้าไปในสายเคเบิล และถูกปิ ดผน�กด้วยเปลือกตะกั�วหรืออลูมิเน�ยมสําหรับสายเคเบิลบรรจุนา�ํ มัน ฉนวนภายใน (self contained oil filled cables, SCOF) หรือวางในท่อเหล็ก ท�� ม� ป�ั ม ควบคุม ความดัน นํา� มัน ฉนวนให้ค งท�� ต ลอดเวลาในกรณ� ข องฉนวน เคเบิลแรงสูงแบบร้อยท่อ (pipe type cables)


5.4 ฉนวนผสมแก๊สซัลเฟอร์เฮกซะฟลูออไรด์กับอิพอ็ กซี� (SF6-Epoxy) ในทางป�ิบตั ิระบบการฉนวนที�ใช้แก๊สเป็ นฉนวนหลัก เช่น สายส่งเหนือ�ีร�ะ (o�er�ea� lines) อุปกรณ์และสายส่งกําลังไฟฟ้าแบบอัดแก๊ส จะประกอบด้วยฉนวนสองชนิด คือ ฉนวนแก๊ส และฉนวนแข็ง เพื�อให้ระบบฉนวนสามาร�ทํางานได้อย่างมีประสิท�ิ�าพทัง� การเป็ นฉนวนไฟฟ้าและ โครงสร้า งที� ส ามาร�รับ แรงกระทํา ทางกลต่ า ง�ได้ ตารางที� 5.4 แสดงคุณ สมบัติ ท�ี ส าํ คัญ ของ แก๊ส�ัลเฟอร์เ�ก�ะฟลูออไรด์และอิพ็อก�ี�ท�ีใช้ในส�านีไฟฟ้าแรงสูงแบบใช้ฉนวนแก๊ส และรูปที� 5.35 แสดงสายส่งกําลังไฟฟ้าแบบอัดแก๊สโดยมีตวั แยกสาย (insulation spacer หรือ insulating cone) ทําจากอิพ็อก�ี� ทําหน้าที�รองรับตัวนําไฟฟ้าให้อยู่ตรงกลางสายส่งในลัก�ณะทรงกระบอก�้อนแกน ร่วม ตารางที� 5.4 คุณสมบัตขิ องแก๊ส�ัลเฟอร์เ�ก�ะฟลูออไรด์และอิพ็อก�ี� �24� คุณสมบัติ ความหนาแน่น (kg/m3)

SF6 6.07

Epoxy -

ความดันใช้งาน (atm-abs)

4–5

-

1

5

ความคงทนต่อแรงดันไฟฟ้า (kV/cmatm)

86.1

-

ความเครียดสนามไฟฟ้า ใช้งาน (kV/cmatm)

20.5

7.7

แฟกเตอร์กาํ ลังสูญเสีย

-

10-3 – 10-2

ค่าคงตัวไดอิเล็กตริก

ฉนวนแข็งที�อยูใ่ นระบบฉนวนผสมแก๊ส-ของแข็ง ทําหน้าที�จบั ย�ด รับแรงกลที�เกิดจากนํา� หนัก ของโครงสร้าง แรงแม่เหล็กไฟฟ้าที�เกิดจากกระแสไฟฟ้า โดยมีผลกระทบต่อระดับความเป็ นฉนวน ของแก๊สเพียงเล็กน้อย เนื�องจากฉนวนแก๊สต้องมีระยะทางระหว่างส่วนที�มีความต่าง�ักย์ไฟฟ้ามาก จ�ง ควรออกแบบระบบฉนวนให้แรงดันไฟฟ้าที� ตกคร่อมฉนวนแข็งมี ค่าตํ�ากว่า แรงดันเบรกดาวน์ บริสทุ �์ของฉนวนแข็ง โดยทั�วไปการเสียส�าพของระบบฉนวนผสมแก๊ส-ของแข็งเกิดจากการวาบไฟ ตามผิวบริเวณรอยต่อระหว่างฉนวนแก๊สกับฉนวนแข็ง


รูปที� 5.35 โครงสร้างทั�วไปของสายส่งกําลังไฟฟ้า แบบอัดแก๊สซัลเฟอร์เฮกซะฟลูออไรด์ [37] 5.4.1 แก๊สซัลเฟอร์เฮกซะฟลูออไรด์ แก๊ ส ซัล เฟอร์เ ฮกซะฟลู อ อไรด์เ ป็ นแก๊ ส ที� ใ ช้กั น แพร่ ห ลายในระบบฉนวนผสม แก๊ส-ของแข็ง เน��องจากเป็ นแก๊สไฟฟ้าลบ มีความเป็ นฉนวนไฟฟ้ามากกว่าอากาศ 2.5 เท่า เป็ นตัวดับอาร์กที�ดี มีความเป็ นกลางทางเคมีlxvi และส่งผลกระทบต่อสิ�งแวดล้อมน้อย โดย ปกติความดันของแก๊สซัลเฟอร์เฮกซะฟลูออไรด์ท�ีใช้ในระบบฉนวนมีค่าประมาณ 4 at� ถ�ง 5 at� เป็ นผลให้อุปกรณ์ไฟฟ้าหร�อระบบฉนวนมีขนาดและนํา� หนักลดลงมากเม��อเทียบกับ การใช้อากาศเป็ นแก๊สฉนวน 5.4.1.1 สนามไฟฟ้าโคโรน่าเริม� เกิด ความคงทนต่อแรงดันไฟฟ้าของสายส่งกําลังไฟฟ้าแบบอัดแก๊สข�น� กับขนาด ของตัวนําไฟฟ้าและตัวถังโลหะภายนอก สําหรับสายส่งที�มีโครงสร้างแบบทรงกระบอก ซ้อนแกนร่วม สัมประสิทธิ�การไอออไนเซชันประสิทธิผล ( α ) ของแก๊สซัลเฟอร์เฮกซะ ฟลูออไรด์ภายในท่อมีคา่ เท่ากับ  E   E   α = pC   -     p   p cr 

lxvi

(5.16)

โครงสร้างโมเลกุลสมมาตร มีอะตอมของซัลเฟอร์อยู่ตรงกลางล้อมรอบด้วยอะตอมของฟลูออรีน 6 อะตอม เกิดโครงสร้างแบบ octahedron อิเล็กตรอนของอะตอมฟลูออรีนจับกับอิเล็กตรอนของซัลเฟอร์เป็ นคู่อย่าง สมบูรณ์ ทําให้โมเลกุลของแก๊สซัลเฟอร์เฮกซะฟลูออไรด์มีเสถียรภาพและไม่เกิดปฏิกิรยิ าเคมีใดๆ


โดย��้เ งื� อนไขการเกิ ดเบรกดาวน์แบบสตรีม เมอร์ รัศมี ของตัว นํา ไฟฟ้า ที� เ ล็ ก ที� สุด ( r1_ min ) หาได้จาก  r  K Ec rc ln  c  - Ec  rc - r1_min  = r  C  1_min 

เมื�อ

rc Ec K C

(5.17)

คือ ระยะวิกฤต (cm) คือ ความเครียดสนามไฟฟ้าวิกฤต มีคา่ เท่ากับ 86.1 kV/cm คือ ค่าคงที�สตรีมเมอร์ มีคา่ เท่ากับ 18.� คือ ค่าคงตัว มีคา่ เท่ากับ 27.7

ดัง นั�น แรงดัน โคโรน่ า เริ�ม เกิ ด ( Ui ) และความเครี ย ดสนามไฟฟ้ า โคโรน่ า เริ�ม เกิ ด ( Ei ) คํานวณได้จาก  r Ui = Ec rc ln  2 r  1_min Ei =

เมื�อ

r2

1  r2 ln  r  1_min

  

r Ui = Ec c r1_min  r1_min  

(5.18) (5.19)

คือ รัศมีของท่อโลหะภายนอก

ขนาดของท่อโลหะภายนอกหาได้จากมิติท�ีพอเหมาะของโครงสร้างแบบทรงกระบอก �้อนแกนร่วมดังที�กล่าว��ง�นบทที� 2 ��ง� มีเงื�อนไขดังนี � r2 = 2.718 r1_min

(5.20)

ร� � ที� 5.�6 แสดงการเ�รี ย บเที ย บสนามไฟฟ้า โคโรน่ า เริ�ม เกิ ด ของอิ เ ล็ก โตรดแบบ ทรงกระบอก�้อนแกนร่วมที�ตวั นําด้าน�นขนาดต่าง� พบว่าความเครียดสนามไฟฟ้า โคโรน่าเริ�มเกิดมีขนาดเ�ลี�ยนแ�ลงเพียงเล็กน้อยตามรัศมีตวั นําไฟฟ้าที�เพิ�มข�น� แต่มี ค่าเพิ�มข�น� �นลักษณะเ�ิงเส้นตามความดันของแก�สที�เพิ�มข�น� 5.4.1.2 คุณลักษณะแรงดัน-เวลา �นแก�ส�ัลเฟอร์เ�ก�ะฟล�ออไรด์ การเบรกดาวน์จะเกิดอย่างรวดเร็ว ร� �คลื�น ของแรงดัน เกิ น ที� เ กิ ด ข� น� มี ลัก ษณะหน้า คลื� น สั�น �นระดับ นาโนวิ น าที การศ� ก ษา พฤติกรรมของระบบฉนวนภาย�ต้แรงดันอิมพัลส์หน้าคลื�น�ัน (��-�� m��

การเบรกดาวน์ การเบรกดาวน์ขของฉนวนแข็ องฉนวนแข็งงและฉนวนคอมโพสิ และฉนวนคอมโพสิตต -- 225 225 -1.27 cm Mirror finish

300

Corona onset gradient, kV/cm

ri = 0.635 cm Mirror finish 1.27 cm Sand blasted

200

1.27 cm As received

100 8.89 cm Industrial surface 10.16 cm Industrial surface

00

1

2

3

Gas pressure, atm. abs.

4

รูป�ี� 5�� สนามไฟฟ้าโคโรนาเริม� เกิดของสายส�งแรงสูง ชนิดอัดแก๊สซัลเฟอร์เฮกซะฟลูออไรด์ �� จ� ง มี ค วามส�า คั � จากเง�� อ นไขการเกิ ด เบรกดาวน์ แ บบสตรี ม เมอร์ อิเล็กตรอนอิสระต้องอยู��นบริเว��ี�มีความเครียดสนามไฟฟ้าสูงเพียงพอ�ี��า� ��้เกิด อิเล็กตรอนอะวาลานซ์ และสตรีมเมอร์จะต้องขยายตัวจนเกิ ดเบรกดาวน์ของแกป �าย�นระยะเวลา�ี�จา� กัด ส�า �รับ แรงดัน ไฟฟ้ า กระแสตรงและแรงดัน ไฟฟ้ า กระแสสลับ ความ�ี� ต� า สามาร��า��้เกิดเบรกดาวน์ได้ตามเง��อนไขข้างต้นได้เพราะขนาดแรงดันเปลี�ยนแปลง ช้า�ร�อไม�เปลี�ยนแปลงตามเวลา แต��นกร�ีแรงดันอิมพัลส์��ีมีการเปลี�ยนอย�างรวดเร็ว มี ก ารคงขนาดแรงดัน �นช� ว งเวลาสั�น การเบรกดาวน์� นแกปจ� ง ข� �น กั บ จ�า นวน อิเ ล็ก ตรอนอิสระ�ี� อยู��นบริเ ว�สนามไฟฟ้าสูง และความน� าจะเป็ น �นการพั�นา จากอะวาลานซ์ไปสูส� ตรีมเมอร์ ��า��้ขนาดแรงดันอิมพัลส์และเวลา�ี�เกิดเบรกดาวน์มี ลัก��ะเป็ นส�ิตดิ งั �ี�ได้แสดงไว้�นบ��ี� �


��2 อิพ็อก�ี� ฉนวนแข็ง เช่น ตัวแยกสาย ที�ใช้กาํ หนดระยะห่างที�เหมาะสมในระบบฉนวนแบบอัด แก๊ส และทําหน้าที�เป็ นตัวกัน� เพ��อแบ่งระบบฉนวนออกเป็ นส่วนเล็กๆ โดยทั�วไปฉนวนแข็งที� เล�อกใช้ ค�อ อิพ็อก�ี� เพราะมีคณ ุ สมบัติทางกลและความเป็ นฉนวนที�ดี สามาร�ข�น� รู ปเป็ น แบบต่างๆได้สะดวก อิพ็อก�ี�ท�ีใช้ในเชิงพาณิชย์มีสตู ร�สมอยู่ดว้ ยกันหลายแบบที�ได้�ากโมเลกุลพ�น� �าน ของอิพ็อก�ี�ดงั แสดงในรู ปที� �� สารประกอบอินทรียแ์ ละอนินทรียท์ �ีใช้เป็ นตัวเร่งป�ิกิรยิ า ทํา หน้า ที� เ ปิ ด พัน �ะของอะตอมออก�ิ เ �นให้เ กิ ด การเช�� อ มโยงระหว่ า งโมเลกุล อิ พ็ อ ก�ี� กลายเป็ นโมเลกุลที�มีขนาดให�่ ใช้การควบคุมระยะเวลาและอัตราการเกิดป�ิกิรยิ าเคมีโดย ใช้สารเร่งป�ิกิรยิ าที�เหมาะสมเพ��อให้ได้อิพ็อก�ี�ท�ีมีลกั �ณะตามต้องการ

H R

O C

H C

R

รูปที� �� โมเลกุลพ�น� �านของอิพ็อก�ี� ความหนาแน่ น ของอิ พ็ อ ก�ี� ข� น กั บ �ํา นวนโมเลกุ ล พอลิ เ มอร์ ในระหว่ า งการ เกิดป�ิกิริยาพอลิเมอร์ไรเ�ชันสร้างพัน�ะระหว่างโมเลกุลอิพ็อก�ี�เพ��อเพิ�มความหนาแน่น อิพ็อก�ี��ะเกิดการหดและแยกตัวออก�ากแม่พิมพ์โลหะทําให้เกิดความเสียหายในการ�ลิต การใช้ส ารตัว เติม เช่ น �ิลิก า �ะช่ ว ยชดเชยการหดตัว ของอิ พ็ อ ก�ี� แต่ก็ � ะทํา ให้ค วาม หนาแน่นของอิพ็อก�ี�ท�ี�ลิตได้ลดลง เน��อง�ากอิพ็อก�ี�มีส�าพยอมทางไฟฟ้าสูง การนํามาใช้เป็ นตัวแยก�ะทําให้เกิด ความไม่ต่อเน��องของไดอิเล็กตริก ส่ง�ลกระทบต่อการกระ�ายสนามไฟฟ้าและการทนต่อ แรงดันไฟฟ้าของระบบฉนวน โดยเฉพาะบริเวณรอยต่อสามทางระหว่างวัสดุสามชนิด (triple junction) ได้แก่ อิเล็กโตรดโลหะ ตัวแยก และแก๊ส มีความเครียดสนามไฟฟ้าสูง เป็ นตําแหน่ง ที� แก๊ สเริ�มเกิดดิสชาร์�บางส่วน ��งเป็ นสาเหตุหน��งของการดิสชาร์�ตาม�ิวตัวแยก�นเกิด เบรกดาวน์ในระบบฉนวนอัดแก๊ส โดยทั�วไปขนาดของสายส่งแรงดันสูงที�ใช้แก๊ส�ัลเฟอร์เ�ก�ะฟลูออไรด์�ะกําหนด �ากคุณสมบัติการเป็ นฉนวนของตัวแยก ด้วยขนาดที� ให�่และค่าคงตัวไดอิเล็กตริกที�สูง ของอิพ็อก�ี� ทําให้ความเครียดสนามไฟฟ้าในอิพ็อก�ี�ต�าํ กว่าฉนวนแก๊สที�อยู่โดยรอบและตํ�า กว่าสนามไฟฟ้าที�ทาํ ให้เกิดเบรกดาวน์บริสทุ �์ในอิพ็อก�ี� ส่ง�ลให้การเบรกดาวน์ในระบบ ฉนวน�สมเกิดบน�ิวของตัวแยกที�อยูร่ ะหว่างฉนวนแก๊สและฉนวนแข็ง


ต�วแยกจ�งเป็ นสิ�งส�าค��ท��ตอ� งค�าน�ง��ง�นการออกแบบสายส่งก�าล�งไ��าแบบอ�ด แก�ส ��งม�ร�ปร่าง�ลายแบบตามแต่ละผ�ผ� ลิต เ�่น แบบกรวย �� ) แบบกลม �� ) และแบบผสม �� ) ด�ง แสดง�นร� ป ท�� โดยต�อ งเล� อ ก�� ร� อ ออกแบบต�วแยกท��ทา� ��เกิดเบรกดาวน์�นแก�สฉนวนง่ายกว่าการเกิดเบรกดาวน์ตามผิวของ ต�ว แยก เ�่ น เล� อ ก��ต�ว แยกท�� ม� ร� ป ร่า งเ�มาะสมเพ�� อ ควบคุม สนามไ�� า ไม่ � ��ม� ค่ า ส�ง จนเกินไปโดยเฉพาะบริเวณรอยต่อสามทาง

ก) แผ่นกลม

ข) แบบกรวย

ค) แบบผสม ร�ปท�� ต�วแยกอิพ็อก�� การกระจายแรงด�นไ��าตามผิวของต�วแยกร� ปทรงต่าง� แสดง�นร� ปท�� โดยท�� มุม α ค�อ มุมส�มผ�สระ�ว่างต�วน�าด�าน�นก�บต�วแยกเม��อเท�ยบก�บกรณ�ท�ไม่ม�ตว� แยก �เส�น �) แรงด�นไ��าท��บริเวณรอยต่อระ�ว่างฉนวนแก�สและของแข็งม�ลก� �ณะไม่สม��าเสมอข�น� ก�บ ร� ปทรงของต�วแยก ส�า�ร�บระบบอิเล็กโตรดแบบทรงกระบอก��อนแกนร่วมท��แก�ส��ลเ�อร์


Outer conductor

Central conductor

เ�ก�ะฟลูออไรด์และตัวแยกที�ทาํ จากอิพ็อก�ี��งมีค่าคงตัวไดอิเล็กตริกเท่ากับ � มุมสัมผัส วิ ก ฤต ( αc ) ที� ท าํ ให้แรงดัน ไฟฟ้า มี ก ารกระจายแบบค่อนข้า งสมํ�า เสมอมี ค่า เท่ า กับ �� (เส้น B) ถ้ามุม α มีขนาดมากกว่ามุมวิกฤต ความเครียดสนามไฟฟ้าสูงจะเกิดบริเวณกับ ตัวนําด้านใน แต่ถา้ มุม α มีขนาดน้อยกว่ามุมวิกฤตการเพิ�มข�น� ของสนามไฟฟ้าจะเกิดใกล้ กับตัวนําด้านนอก ความไม่สมํ�าเสมอของแรงดันไฟฟ้าบริเวณรอยต่อของฉนวนต่างชนิดจ�ง เป็ นปั จจัยสําคัญของการเกิดดิสชาร์จบางส่วน โดยเฉพาะตําแหน่งรอยต่อสามทางและมีผล ให้ระบบการฉนวนที�มีการใช้ตวั แยกมีความคงทนต่อแรงดันไฟฟ้าตํ�ากว่าระบบฉนวนที�ใช้ แก๊สเป็ นฉนวนเพียงอย่างเดียว Radial potential distribution in SF6 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 A ( = 90 ) 0.2 0.1 0.3 0.4 0.5 B 0.6 0.7 Optimal disc profile 0.9 0.8 ( = 75 )



Epoxy Epoxy-gas interface

SF6

รูปที� �� แรงดันไฟฟ้าตามแนวรอยต่อฉนวนอิพ็อก�ี�-แก๊ส�ัลเฟอร์เ�ก�ะฟลูออไรด์


การลดความเครีย ดสนามไฟฟ้ า บริเ วณรอยต่ อ สามทางสามารถท�า ได้โ ดยเพิ� ม อิเล็กโตรดโล�ะเพ��อท�า�น้าที�เป็ นก�าแพงไฟฟ้าสถิตย์ �� งอาจ�ั งอยู่ ภายในตัวแยก�ร�อรวมอยู่ในตัวน�า �ทัง� ตัวน�าด้านในและด้านนอก� ใกล้กบั ต�าแ�น่งที�ติดตัง� ตัวแยก อย่างไรก็ตามการปรับปรุ งความเครียดสนามไฟฟ้าด้วยวิ�ีนีส� ่งผลใ�้อุปกรณ์�ร�อ สายเคเบิลมีขนาดใ��่และใ�้พ�นที�ในการติดตัง� มากข�น� 5.4.2.1 แรงดันเบรกดาวน์ รู ปที� 5.4� ถ�งรู ปที� 5.42 แสดงการเปรียบเทียบสมรรถนะการเป็ นฉนวนของ อิเล็กโตรดแบบทรงกระบอก�้อนแกนร่วม �2.5�� ที�ไม่มีตวั แยกและที�มีการใ�้ตวั แยกแบบต่างๆภายใต้แรงดันไฟฟ้ากระแสสลับ แรงดันอิมพัลส์ฟ้าผ่า และแรงดันอิม พัลส์สวิต�ิ�ง พบว่า - ตัวแยกแบบกรวยจะมีความคงทนอยูไ่ ด้ตอ่ แรงดันกระแสสลับต��าที�สดุ มีคา่ เพียง 5�� เม��อเทียบกับกรณีท�ีไม่มีการใ�้ตวั แยก - ตัวแยกแบบแผ่นกลมมีสมรรถนะดีกว่าตัวแยกแบบกรวย มีความคงอยู่ได้ ต่อแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับประมาณ �5� ของกรณีท�ีไม่มีการใ�้ตวั แยก ที�มีความดันแก�สเท่ากับ �.4 �� ประมาณ 4 �� - ตั ว แยกแบบผสมมี ส มรรถนะการเป็ นฉนวนภายใต้ แ รงดั น ไฟฟ้ า กระแสสลับดีท�ีสดุ มีความคงทนต่อแรงดันไฟฟ้าใกล้เคียงกับกรณีท�ีไม่มี การใ�้ตวั แยก การน�าตัวแยกแบบผสมไปใ�้จ�งเป็ นวิ�ี�น��งที�สามารถลด ปั ��าการเกิดเบรกดาวน์ท�ีบริเวณผิวของตัวแยกในสายส่งแรงดันสูงลงได้ - ภายใต้แรงดันอิมพัลส์สมรรถนะของตัวแยกแบบแผ่นกลมและแบบผสม ใกล้เ คี ย งกั บ กรณี ท�ี ไ ม่ มี ก ารใ�้ตั ว แยก �� ง อาจมี ส าเ�ตุ ม าจากการ เปลี�ยนแปลงขนาดแรงดันอย่างรวดเร็ว ท�าใ�้ดิส�าร์จบางส่วนที�ก่อตัว บริเวณรอยต่อสามทางไม่สามารถก่อตัวและพัฒนาจนเกิดเบรกดาวน์ได้ ทัน 5.4.2.2 คุณสมบัตแิ รงดัน-เวลา รูปที� 5.4� และรูปที� 5.44 แสดงการเปรียบเทียบคุณลัก�ณะแรงดัน-เวลา ของ แกปทรงกระบอก�้อนแกนร่วมที�ไม่มีการใ�้ตวั แยก �เส้นท�บ� กับผลการวัดแรงดันเบรก ดาวน์ของแกปทรงกระบอก�้อนแกนร่วมที�มีการใ�้ตวั แยก พบว่า - การใ�้ตวั แยกมีผลท�าใ�้พ�ติกรรมของระบบฉนวนเกิดการเปลี�ยนแปลง


A : Conductor without spacer B : Disc-shaped spacer without insert C : Disc-shaped spacer with inserts

Critical withstand voltage, kVrms

300

A C

200 B

100

0

0

0.1

0.2

0.3

SF6 pressure, MPa abs.

0.4

ก) ตัวแยกแบบแผ่นกลม A : Conductor without spacer B : Cone-shaped spacer C : Cone-shaped with insert and modified profile D : Composite-shaped cone without insert E : Composite-shaped cone with insert


300

200

A E D C B

100

0

0

0.1

0.2

0.3

SF6 pressure, MPa abs. ข) ตัวแยกแบบกรวยและแบบผสม

0.4

รู�ท�� 5.40 ความคงทนอยูไ่ ด้ตอ่ แรงดันไฟฟ้ากระแสสลับของระบบอิเล็กโตรด ทรงกระบอก�้อนแกนร่วมท��้ตวั แยกแบบต่าง�



400

Positive lightning impulse

300 Negative lightning impulse

200

100

0

0

0.1

0.2

0.3

0.4

SF6 pressure, MPa abs. ร�� 1 ความคง�นอ�� ด�ตอ� แรงด�นอิมพ�ลส์�า� ��าของระบบอิเล็กโตรด �รงกระบอก��อนแกนร�วม��ตว� แ�กแบบแ��นกลมและแบบ�สม


400 Positive switching impulse 300

Negative switching impulse

200

100

0

0

0.1

0.2

0.3

SF6 pressure, MPa abs.

0.4

ร�� 2 ความคง�นอ�� ด�ตอ� แรงด�นสวิต�ิ�งอิมพ�ลส์ของระบบอิเล็กโตรด �รงกระบอก��อนแกนร�วม��ตว� แ�กแบบแ��นกลมและแบบ�สม


ก) ตัวแยกแบบแผ่นกลม

ข) ตัวแยกแบบกรวย รูปท�� 5.43 คุณลักษณะแรงดัน-เวลา ของแกปแบบทรงกระบอกซ้อนแกนร่วม ท��ม�การ��้ตวั แยกเม��อป้อนแรงดันอิมพัลส์ขวั� บวกท��ความดัน แก๊สซัลเฟอร์เฮกซะฟลูออไรด์ 3 atm [39]


ก) ตัวแยกแบบแผ่นกลม

ข) ตัวแยกแบบกรวย รูปท�� 5.44 คุณลักษณะแรงดัน-เวลา ของแกปแบบทรงกระบอกซ้อนแกนร่วม ท��ม�การ��้ตวั แยกเม��อป้อนแรงดันอิมพัลส์ขวั� ลบท��ความดัน แก๊สซัลเฟอร์เฮกซะฟลูออไรด์ 3 atm [39]


- ความคงทนต่อแรงดันไฟฟ้ามีค่าลดลง มีการกระจายตัวของแรงดันเบรก ดาวน์นอ้ ยและคุณลักษณะแรงดัน-เวลา แบบโค้งแบนราบ (flat curve) โดยมี�ลมากในกรณีแรงดันขัว� บวก - ตัวแยกแบบแ�่นกลมให้สมรร�นะที�ดอ้ ยกว่าตัวแยกแบบ�สม โดยแรงดัน เบรกดาวน์ของแกปที�มีการใ�้ตวั แยกแบบแ�่นกลมมีคา่ ตํ�ากว่าแรงดันเบรก ดาวน์ประมาณ 5� ของแกปที�ไม่มีการใ�้ตวั แยก - แรงดันเบรกดาวน์ส่วนให�่ ของแกปที�ใ�้ตวั แยกแบบ�สมอยู่ระหว่างค่า แรงดันเบรกดาวน์ท�ี 5� และ �5� ของแกปที�ไม่มีการใ�้ตวั แยก สมรร�นะของตัวแยกแบบ�สมเกิดจากที�ตวั แยกสามาร�บังคับการเบรกดาวน์ ให้เกิด�่านแกปที�เป็ นแก๊สมากกว่าที�จะเกิดตามแนวรอยต่อระหว่างแก๊สกับ�ิวของตัว แยก ส่วนสาเหตุท�ีทาํ ให้แรงดันเบรกดาวน์ของระบบอิเล็กโตรดที�มีการใ�้ตวั แยกแบบ �สมตํ�ากว่ากรณี ท�ีไม่มีการใ�้ตวั แยก อ�ิ บายได้จากความเครียดสนามไฟฟ้าค่าสูง บริเวณรอยต่อสามทาง ทําให้มีโอกาสสร้างอะวาลานซ์วิกฤตและนําไปสู่การเบรก ดาวน์ได้ง่ายกว่า 5.4.3 ปั จจัยที�มี�ลต่อการเป็ นฉนวนของฉนวน�สมแก๊สซัลเฟอร์เ�กซะฟลูออไรด์กบั อิพ็อกซี� ในหัวข้อนี จ� ะกล่าว��ง�ลกระทบของปั จจัยต่าง�ต่อสมรร�นะการเป็ นฉนวนของ ฉนวน�สมแก๊สซัลเฟอร์เ�กซะฟลูออไรด์กบั อิพ็อกซี� 5.4.3.1 ความดันแก๊ส ความดันของแก๊สซัลเฟอร์เ�กซะฟลูออไรด์เป็ นปั จจัยสําคั�ที�ส่ง�ลกระทบ โดยตรงต่อสมรร�นะความเป็ นฉนวน จากที�ได้กล่าวมาแล้วในบทที� 3 สัมประสิท�ิ�การ ไอออไนเซ�ันจะเริม� มีคา่ มากกว่า�ูนย์ เม��ออัตราส่วนความเครียดสนามไฟฟ้าต่อความ ดันแก๊สมีขนาดมากกว่าค่าวิกฤต (

E E >   ) การเพิ�มความดันของแก๊ สส่ง�ลให้ p  p c

โมเลกุล ของแก๊ ส มี ค วามหนาแน่ น มากข�น� ระยะทางที� อิ เ ล็ ก ตรอนอิ ส ระใ�้ใ นการ เคล��อนที�เพ��อสะสมพลังงานและ�นกับอนุ�าค (ระยะอิสระ) ลดลง เกิดอิเล็กตรอน อะวาลานซ์ได้ยาก เพ��อให้การเกิดไอออไนเซ�ันเป็ นไปอย่างมีประสิท��าพจําเป็ นต้อง มีความเครียดสนามไฟฟ้าที�สงู ข�น� นั�นค�อการเพิ�มความดันแก๊สจะทําให้ความคงทนต่อ แรงดันไฟฟ้าของระบบฉนวนมีคา่ สูงข�น� นั�นเอง


5.4.3.2 พ�น� ผิวตัวนํา รู ปที� 5.45 แสดงตัวอ�่างพ�น� ผิวของโลหะตัวนําที�ใ�้ในอุปกรณ์ไฟฟ้า ส่วนที��น ออกจากผิวทําให้คุณสมบัติการเป็ นฉนวนของแก๊ สซัลเฟอร์เฮกซะฟลูออไรด์ลดลง เน��องจากความเครี�ดสนามไฟฟ้าค่าสูงบริเวณปลา�ของส่วนที��นออกจากผิว ทําให้มี อิเล็กตรอนอิสระเกิดเป็ นจํานวนมาก จึงมีโอกาสสร้างอะวาลานซ์วิกฤตและนําไปสูก่ าร เบรกดาวน์ได้ง่า�ขึน� ความสัมพัน�์ระหว่างสนามไฟฟ้าที� ทาํ ให้แก๊ สซัลเฟอร์เฮกซะ ฟลูออไรด์เกิดเบรกดาวน์กบั ผลคูณความดันแก๊สและความสูงของส่วนที��นออกจากผิว เป็ นดังรูปที� 5.4�

รูปที� 5.45 ความขรุขระของผิวตัวนําที�ใ�้ในอุปกรณ์ไฟฟ้า [40]

(E0/P)max, kV/(cmbar)

90 80 70 60 50 40 30 10

100

1,000

10,000

ph, barm รูปที� 5.4� ผลของความขรุขระของผิวตัวนําต่อความเครี�ดสนามไฟฟ้าที�ทาํ ให้เกิด เบรกดาวน์ในแก๊สซัลเฟอร์เฮกซะฟลูออไรด์


จากรู ปที� 5.46 พบว่าความขรุ ขระของผิวตัวนําสามารถทําให้สนามไฟฟ้าที� แก๊ สซัลเฟอร์เฮกซะฟลูออไรด์เบรกดาวน์ลดลงโดยเฉลี�ยถ�ง 3�� ของความเครียด สนามไฟฟ้า สูงสุด การควบคุม ความเรีย บของผิวตัว นํา จ�ง เป็ นสิ�งจํา เป็ น ในการลด โอกาสเสียหายหรือเสื�อมสภาพของระบบฉนวน อย่างไรก็ตามในทางป�ิบตั ถิ า้ ต้องการ รวมผลกระทบจากความไม่เรียบของผิวตัวนําสามารถทําได้โดยการกําหนดแรงดันหรือ สนามไฟฟ้าใช้งานให้มีคา่ ประมาณ 6�� ของค่าพิกดั ตัวนําที�เลือกมาใช้งาน 5.4.3.3 สิ�งปนเปื �อน การพบสิ�งปนเปื �อนที�เป็ นของแข็ง เช่น ผงโลหะ เป็ นสิ�งที�ไม่สามารถหลีกเลี�ยง ได้ มีท�ีมาจากหลายสาเหตุ เช่น กระบวนการผลิต การประกอบ หรือเกิดข�น� ในระหว่าง การใช้ง านอุป กรณ์ไ ฟฟ้า และมี ผ ลทํา ให้ค วามเป็ น ฉนวนของแก๊ ส ซัล เฟอร์เ ฮกซะ ฟลูออไรด์ลดลง ภายใต้สนามไฟฟ้าอนุภาคโลหะจะได้รบั การอัดประจุและแยกตัวออก จากผิวด้านในตัวถังของสายส่งแรงดันสูงแบบอัดแก๊ส ความสูงที�อนุภาคยกตัวข�น� มา จะมีความสัมพันธ์กบั มิตขิ องตัวนําในสายส่งและขนาดของแรงดันไฟฟ้าใช้งาน ในกรณี แรงดันไฟฟ้ากระแสสลับที�สนามไฟฟ้ามีการเปลี�ยนแปลงตามเวลา อนุภาคของแข็งจะถูกดูดเข้าหาและผลักออกจากตัวนําด้านใน ระยะทางที� อนุภาค เคลื�อนที�ข�นอยู่กบั เวลาที�อนุภาคลอยตัวอยู่ในแก๊สซัลเฟอร์เฮกซะฟลูออไรด์และถูกดัก จับ �� เมื�อเคลื�อนที�ไปถ�งบริเวณที�มีความเครียดสนามไฟฟ้าตํ�า การเคลื�อนที� ของอนุ ภ าคภายในแกประหว่ า งอิ เ ล็ ก โตรดส่ ง ผลกระทบต่ อ การเป็ นฉนวนของ แก๊ ส ซัล เฟอร์เ ฮกซะฟลูอ อไรด์อ ย่า งมาก กรณี ช่อ งแกปแคบๆ อนุภ าคโลหะทํา ให้ แก๊สซัลเฟอร์เฮกซะฟลูออไรด์บางส่วนเกิดการเสียสภาพกลายเป็ นตัวนําเสมือนกับช่อง แกปมีขนาดสัน� ลงและทําให้แรงดันเบรกดาวน์ของแกปลดลงอย่างมีนยั สําคั� กรณี ช่องแกปกว้าง เมื� ออนุภาคของแข็งเคลื�อนที� ไปถ�งผิวตัวนําด้านใน ทําให้มีลัก�ณะ คล้า ยกับส่วนที� ย�ื นออกจากผิวตัวนํา เกิ ดความเครียดสนามไฟฟ้าสูง เป็ น ตําแหน่ง เริ�มต้นของอิเล็กตรอนอะวาลานซ์และนําไปสู่การเบรกดาวน์ของแกปในที�สุด รู ปที� 5.47 แสดงผลของอนุ ภ าคของแข็ ง ต่ อ แรงดัน เบรกดาวน์ข องแก๊ ส ซัล เฟอร์เ ฮกซะ ฟลูออไรด์ท�ีมีค่าลดลงเมื�อขนาดของอนุภาคให�่ข�นในกรณีแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับ แต่มีคา่ คงที�ในกรณีแรงดันอิมพัลส์ การป้องกันความเสียหายของสายส่งแรงดัน สูงแบบอัดแก๊ สที� เกิ ดจากการ ปนเปื � อนของอนุภาคของแข็ง สามารถทํา ได้โ ดยการเพิ� ม ตัว ดัก จับ อนุภาคของแข็ ง �� เข้า ไปในสายส่ง ทํา หน้า ที� ดัก จับ ควบคุม ให้อ นุภ าคของแข็ ง อยู่ใน


บริเว�ท��ม�ความเคร��ดสนาม��้าต��าและ�ม่เคล��อนท��เข้า��า��นแก� ตัวอ�่างของ ตัวดัก�ับอน��าคของแข็งแสดงดังร��ท�� 5.4� 300

Breakdown voltage, kVpeak

5 bar, AC 2 bar, AC

5 bar, IMP

200 2 bar, IMP

100

g = 0 – 2 mm

g

0

10 particles

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

Diameter of particle, mm ร��ท�� 5.47 แรงดันเบรกดาวน์ของอิเล็กโตรดทรงกระบอกซ้อนแกนร่วม �นเทอมของขนาดอน��าคของแข็ง เม��อ�้อนแรงดัน��้ากระแสสลับ และแรงดันอิมพัลส์

ร��ท�� 5.4� ตัวดัก�ับอน��าคของแข็ง�นสา�ส่งแรงดันส�งแบบอัดแก�ส ท��มา www.ee.�o.�aarti�le�as-ins�late�-transmission-lines-ne�t-�enerationpower-transmission.html


5.4.3.4 ความ��น� ความ��น� ที�พบ�นฉนวนแก๊สเกิดข�น� �นระ�ว่างกระบวนการ�ลิต ขัน� ตอนการ �ระกอบและติด ตั�ง อ�� กร�์ อี ก ทั�ง ยัง เกิ ด การดูด ซับ ความ�� น� ของวัส ด�ท�ี � �้ท า� เ�็ น โครงสร้างตัวอ��กร�์ เ�่น พอลิเมอร์ ซ��งสามาร�ดูดซับความ��น� ได้เ�็ น��านวนมาก �นข�ะ��้งานอ��กร�์ท�ี ��้ฉนวน�สมแก๊ ส-พอลิเมอร์�ะเกิ ดส�าวะสมด�ลระ�ว่า ง ฉนวนทัง� สอง ส่ง�ล��้�ริมา�ความ��น� �นแก๊สมีการเ�ลี�ยนแ�ลงตามส�าพอากา� และ�ดูกาล ตัวอย่างความสัมพัน�์ระ�ว่างความ��น� กับความคงทนแรงดันไฟฟ้าของ แก๊สซัลเฟอร์เฮกซะฟลูออไรด์แสดง�นรู �ที� 5.49 พบว่าความ��น� มี�ลต่อความคงทน แรงดันไฟฟ้าของแก๊สซัลเฟอร์เฮกซะฟลูออไรด์นอ้ ยมาก อย่างไรก็ตามเม��อมีการ��้ตวั แยกสาย ความคงทนแรงดันไฟฟ้าของแก๊สซัลเฟอร์เฮกซะฟลูออไรด์มีค่าลดลงตาม �ริมา�ความ��น� ที�เพิ�มข�น� โดยเฉพาะเม��อความ��น� กลั�นตัวเ�็ น�ยดน�า� เกาะบน�ิวของ ตัวแยกสาย 700 1

Dielectric withstand, kVrms

600 500 400 2

300

0

20

40

60

80

100

Relative humidity, % รู�ที� 5.49 ความคงทนแรงดันไฟฟ้าของแก๊สซัลเฟอร์เฮกซะฟลูออไรด์ �นเทอมของความ��น� สัมพัท�์ 1 : ไม่มีตวั แยกสาย 2 : มีตวั แยกสาย


5.4.3.5 การสะสมของประจุไฟฟ้า ประจุไฟฟ้า��อย�่�นระบบฉนวนจะเคลื�อน��ตามแนวสนามไฟฟ้า ประจุไฟฟ้า บางส่วนจะไปเกาะบนผิวของตัวแยกสายหรือบริเวณรอยต่อระหว่างฉนวนแก๊สกับตัว แยกสาย �นกรณ� �� ประจุไฟฟ้าดังกล่าวไม่สามาร�เคลื�อน�� ต่อไปได้เนื� องจากไม่ม� เส้น�าง �� เหมาะสม ม�การสะสมของประจุไฟฟ้าตามเวลา ��า�ห้ ความเคร�ยดสนามไฟฟ้าเพิ�มส�งข�น� เกิดอะวาลาน�์เพิ�มข�น� อย่างรวดเร็ว พั�นาเป็ น สตร�มเมอร์และ��า�ห้เกิดการเบรกดาวน์ของตัวแยกสาย�น��สดุ โดยแรงดันเบรกดาวน์ เนื�องจากผลของประจุไฟฟ้าสะสมม�คา่ ต��ากว่าความคง�นแรงดันไฟฟ้ามาก


คําถามท้ายบทที� 5 5.1 จงเปรียบเทียบคุณสมบัติพืน� ฐานของแก�ส ของเหลว และของแข็ง ที�มีความจําเป็ นต่อการใช้ งานอุปกรณ์และระบบไฟฟ้า 5.2 ฉนวนคอมโพสิตคืออะไร มีการนํามาใช้ในส่วนใดของระบบส่งจ่ายกําลังไฟฟ้า 5.3 เงื� อนไขการเกิ ดเบรกดาวน์แบบบริสุทธิ� ในฉนวนแข็งแบ่งออกเป็ นกี� แบบ และแต่ละแบบมี รายละเอียดอย่างไร 5.4 ข้อจํากัดในการวัดแรงดันเบรกดาวน์บริสทุ ธิ�ของฉนวนแข็งด้วยวิธีทดสอบด้วยชิน� งานแบบ�ั ง เมื�อเทียบกับวิธีการทดสอบของ �� คืออะไร 5.5 เหตุใดการใช้งานฉนวนแข็งจึงไม่นาํ ค่าแรงดันเบรกดาวน์บริสทุ ธิ�มาใช้ในการออกแบบอุปกรณ์ ไฟฟ้า 5.6 การทดสอบวัดแรงดันเบรกดาวน์เริม� ต้นของฉนวนแข็งต้องคํานึงถึงปั จจัยด้านใดบ้าง 5.7 ช่วงชีวิตของฉนวนคืออะไร และมีความสัมพันธ์อย่างไรกับการเสื�อมสภาพของฉนวนแข็ง 5.8 จงอธิบายการเพิ�มขึน� ของอุณหภูมิภายใต้การทํางานปกติจนนําไปสู่การเกิดเบรกดาวน์ของ ฉนวนแข็ง 5.9 ก�ของพาสเชนเกี�ยวข้องกับการเบรกดาวน์ในฉนวนแข็งอย่างไร 5.10 เหตุใดจึงกล่าวว่าการเคลื�อนไหวของอุปกรณ์ไฟฟ้าเป็ นตัวเร่งการเสื�อมสภาพของระบบฉนวน 5.11 การเกิดป�ิกิรยิ าทางเคมีและไฟฟ้าเคมีท�ีทาํ ให้ฉนวนเสื�อมสภาพมีกลไกอย่างไร 5.12 ความเข้ากันไม่ได้ของสารเคมีคืออะไร และมีผลอย่างไรต่อคุณสมบัตขิ องวัสดุฉนวน 5.13 พอลิเมอร์คืออะไร และทําไมจึงนิยมนํามาใช้เป็ นวัสดุฉนวนในอุปกรณ์ไฟฟ้าแรงสูง 5.14 ข้อจํากัดในการนํายางธรรมชาติมาใช้เป็ นฉนวนคืออะไร 5.15 โครงสร้างโมเลกุลที�เป็ นสายโซ่ยาวและค่อนข้างอิ�มตัวมีผลอย่างไรต่อคุณสมบัตขิ องพอลิเมอร์ 5.16 ปั ญหาความเปราะและแตกหักได้ง่ายของวัสดุพอลิเมอร์สามารถทําการปรับปรุงได้ดว้ ยวิธีการ ใด 5.17 คุณสมบัติการดับไฟได้เองพบในวัสดุพอลิเมอร์ท�ีมีองค์ประกอบของสารใด และถูกนําไปใช้ เป็ นฉนวนไฟฟ้าในงานประเภทใด 5.18 วัสดุเ ทอร์โ มพลาสติกและเทอร์โมเซตติงคืออะไร มี ก ารนํา ไปประยุกต์ใช้เป็ นฉนวนไฟฟ้า อย่างไร 5.19 สัดส่วนโครงสร้างแบบผลึกต่อโครงสร้างแบบอสัณฐานเป็ นตัวกําหนดคุณสมบัติใดของวัสดุ ฉนวนพอลิเมอร์ 5.20 การเบรกดาวน์ของฉนวนแข็งที�ใช้หมุ้ สายไฟฟ้าแรงสูงโดยทั�วไปอธิบายด้วยกระบวนการใด


5.21 เ�ตุใดต้องมีการพันเทปสารก��งตัวนํารอบตัวนําไฟฟ้าที�อยู�่ ายในสายเคเบิลแรงสูง 5.22 การแยกตัว ของ�ั�น ฉนวนเกิ ด จากอะไร และส่ง ผลกระทบอย่ า งไรต่อ คุ� สมบัติ ข องสาย ไฟฟ้าแรงสูง 5.23 จงอ�ิบายโครงสร้างสายเคเบิลแรงสูงแบบอัดนํา� มัน พร้อม�น้าที�ของส่วนประกอบในแต่ละ ส่วน 5.24 ทําไมเทปกระดาษฉนวนที�อยู่ใน�ัน� เดียวกันต้องไม่มีการ�้อนทับกันและเพื�อเป็ นการลดความ เสี�ยงการเบรกดาวน์ �่องว่างที�เกิดจากการพันเทปกระดาษฉนวนควรมีลกั ษ�ะเป็ นอย่างไร 5.25 ความพรุ นของกระดาษฉนวนมีผลกระทบอย่างไรต่อกําลังสูญเสียและความสามารถในการ ทนแรงด�งของฉนวนผสมกระดาษ-นํา� มันฉนวน 5.26 จงอ�ิ บายปั จจัยที�มีผลต่อคุ�สมบัติของนํา� มันฉนวนที�ถูกใ�้ในสายไฟฟ้าแรงดันสูงแบบอัด นํา� มันมาโดยสังเขป 5.27 ฉนวน�นิ ด ใดที� ถูก นํา มาใ�้แ ทนที� ก ระดาษคราฟท์ พร้อ มเปรีย บเที ย บคุ� สมบัติ ท�ี สาํ คัญ ระ�ว่างฉนวนทัง� สอง�นิด 5.28 ความเสีย�ายของฉนวนในสายไฟฟ้าแรงดันสูงแบ่งออกเป็ นกี�แบบ และแต่ละแบบมีรูปแบบ ของการเกิดข�น� เป็ นอย่างไร 5.29 เ�ตุใดจ�งกล่าวว่าการเสียส�าพของระบบฉนวนผสมแก�ส-ของแข็งจ�งมักเกิดที�บริเว�รอยต่อ ระ�ว่างฉนวนทัง� สอง�นิด 5.30 รอยต่อสามทางคืออะไร มีความสําคัญอย่างไรต่อการกระจายแรงดันไฟฟ้าและความเป็ น ฉนวนของระบบไฟฟ้าแรงสูง 5.31 ตัวแยกในสายไฟฟ้าแรงสูง และสถานี ไฟฟ้าแบบอัดแก� สแบ่งออกเป็ นกี� แบบ แต่ละแบบมี สมรรถนะในการควบคุมสนามไฟฟ้าอย่างไร 5.32 จงอ�ิบายการทํางานของตัวดักจับอนุ�าคของแข็งที�อยูใ่ นระบบการฉนวนแบบอัดแก�ส

- 242 - การเบรกดาวน์ของฉนวนแข็งและฉนวนคอมโพสิต

- 242 -

บทที� 6 การสร้างแรงดันสูง การศึกษาคุณสมบัติทางไฟฟ้าของฉนวน เช่น ความคงทนทางไฟฟ้า การเสียสภาพการเป็ น ฉนวน การฟ� � นตัวของฉนวน หร�อการทํางานของอุปกรณ์ในระบบส่งจ่ายกําลังไฟฟ้าเม��อเกิดความผิด พร่องจากต้นเหตุภายในและภายนอกระบบ เช่น ปรากฏการณ์ฟ้าผ่า แรงดันเกินจากการตัดต่อวงจร และการลัดวงจรลงดิน จําเป็ นต้องมีแหล่งจ่ายไฟฟ้าแรงดันสูงที� สามารถสร้างรู ปคล��นแบบต่าง� ได้แก่ แรงดันสูงกระแสสลับ แรงดันสูงกระแสตรง และแรงดันอิมพัลส์ เพ��อให้ได้รูปคล��นที�มีความ ถูกต้อง สอดคล้องกับมาตรฐานการทดสอบทางด้านไฟฟ้าแรงสูง 6.1 การสร้างแรงดันสูงกระแสสลับ แรงดัน กระแสสลับ ที� มี ข นาดไม่ เ กิ น �� V สามารถสร้า งได้ด ้ว ยการใช้ห ม้อ แปลง ไฟฟ้าแรงสูง แต่สาํ หรับแรงดันไฟฟ้าที�มากกว่า �� V นัน� การใช้หม้อแปลงไฟฟ้าเพียงตัวเดียวอาจ ไม่เหมาะสม เน��องจากมีขอ้ จํากัดหลายประการ เช่น รู ปแบบการฉนวน การระบายความร้อน และ ขนาดของหม้อแปลงไฟฟ้า ส่งผลไปถึงค่าใช้จ่ายในการขนส่งและติดตัง� ใช้งาน เพ��อเป็ นการแก้ปั�หา ดัง กล่า วแรงดัน ไฟฟ้า กระแสสลับในระดับ Extra High Voltage และ Ultra High Voltage จะถูก สร้า งด้ว ยการนํา หม้อ แปลงไฟฟ้ า แรงสูง ขนาดเล็ ก หลายตัว มาต่อ กัน แบบขั�น บัน ได ��a��a�e tra��or�er� ที� ข ดลวดแรงดัน สู ง ของหม้อ แปลงไฟฟ้ า แต่ ล ะตั ว ต่ อ กั น แบบอนุ ก รม ทํา ให้ไ ด้ แรงดันไฟฟ้าขาออกตามที�ตอ้ งการ 6.1.1 หม้อแปลงทดสอบ หม้อแปลงทดสอบ�ดยทั�วไปเป็ นแบบเฟสเดียว มีหลักการทํางานพ�น� ฐานเหม�อนกับ หม้อแปลงไฟฟ้ากําลัง �ครงสร้างประกอบด้วยขดลวดแรงตํ�าและขดลวดแรงดันสูงพันอยู่บน แกนเหล็ก มีขนาดสัมพันธ์กบั พิกดั กําลัง อย่างไรก็ตามหม้อแปลงทดสอบจะมีฉนวนขดลวด แรงสูงที�มากกว่า และขนาดกระแสสร้างสนามแม่เหล็กที�นอ้ ยเพ��อให้แรงดันไฟฟ้าขาออกมี ความผิดเพีย� นของรู ปคล��นน้อยที�สดุ �ดยทั�วไปอิมพีแดน�์ลดั วงจรของหม้อแปลงทดสอบมี ค่าประมาณ 5% [41] ขัว� ด้านหนึ�งของขดลวดแรงดันทัง� สองและแกนเหล็กของหม้อแปลงทดสอบจะต่อลง ดิน ส่วนขัว� อีกด้านหนึ�งของขดลวดแรงดันสูงถูกหุม้ ด้วยฉนวนและใช้เป็ นขัว� แรงดันสูง ใน กรณีท�ีตอ้ งการลดต้นทุนในการผลิตจะทําการต่อตําแหน่งกึ�งกลาง ��e�ter tra�� ของขดลวด แรงดันสูงเข้ากับดิน ทําให้ปริมาณการฉนวนของขดลวดลดลงเหล�อเพียงครึ�งหนึ�งของการ

การสร้าางแรงดั งแรงดันนสูสูงง -- 243 243 -การสร้ ฉนวน�ม��อ��อขดลวดด้านหน��งลงด�นlxvii นอก�ากน�ย� งั ��ด�ัง� ขดลวด�ด��ย�น��าแหน�ง�กล้กบั แกน�หล็ก��อลด��าร�แอกแ�น��ร�วั �lea�a�e reactance) ร�หว�างขดลวดแรงสูงแล�ขดลวด แรง��า �ดยทั�ว�ปหม้อแปลงทดสอบแบ�ง�ด้�ป็ นสองปร��ท ��อ แบบหุม้ ด้วยฉนวนแข็งท��ม� ขนาด�ล็ก ��กัดแรงดัน��้า�ม��ก�น 1�� แล�แบบ�ุ�มน�า� มัน��งม�ขนาด�ห�� แ��สามาร� ร�บาย�วามร้อน�ด้ด�แล�ม��กดั ก�าลังสูงกว�า �ัวอย�างหม้อแปลงทดสอบทัง� สองแบบแสดง�น รูปท�� 6.1

ก) แบบหุม้ ด้วยฉนวนแข็ง

ข) แบบ�ุ�มน�า� มัน

รูปท�� 6.1 หม้อแปลงทดสอบ ท��มา http://www.hvhipot.com/product/6�.html https://www.phenixtech.com/products/acdielectrichipottestsystems.php 6.1.2 หม้อแปลง��อแบบขัน� บัน�ด หม้อแปลง��อแบบขัน� บัน�ด�ร�ม� ม�การน�ามา��้�น �.�. 1�1� �ดย��้หม้อแปลง��้า ท�� ป ร�กอบด้ว ยขดลวดสาม�ุด �ด้แ ก� ขดลวดแรง��า ขดลวดแรงสูง แล�ขดลวดกร��ุน้ ขดลวดแรง��าของหม้อแปลงขัน� บน��รับกร�แส��้า�ากขดลวดกร��ุน้ ของของหม้อแปลง ขัน� ล�างท��อยู��ดกัน แล�ขดลวดแรงสูงของหม้อแปลงทุกขัน� ��อกันแบบอนุกรม การ��อหม้อ แปลงแบบขัน� บัน�ดแสดง�นรู ปท�� 6.2 �น��อง�ากหม้อแปลงขัน� บน��รับก�าลัง��้า�ากหม้อ lxvii

แรงดัน��้าท��ก�ร�อมขดลวดแรงสูงแ��ล�ส�วนม�ขนาด�ท�ากับ�ร�ง� หน��งของแรงดัน��้าร�หว�างปลายขดลวด แรงสูงทัง� สอง

การสร้างแรงดันสูง - 244 -

- 244 - การสร้างแรงดันสูง

แ�ลงขัน� ล�าง ดังนัน� หม้�แ�ลงขัน� แรก �ตัวล�างสุด� ต้�งม��กัดกําลัง��้ามาก��สุด และม� ��กัดกําลังลดลงสําหรับหม้�แ�ลง��ยู��นขัน� �ัด�� เช�น �ากรู �� 6.2 �้า�ห้��กัดกําลังข�ง หม้�แ�ลงขัน� ��สามเ��ากับ P หม้�แ�ลง�นขัน� ��ส�งและขัน� แรกต้�งม��กดั กําลังเ��ากับ 2P และ 3P ตามลําดับ E F

C H

C L

E F C H

3U

C L

E F

2U

5U 2

C H U

3U 2

C

~

L U 2

รู�� 6.2 การต��หม้�แ�ลงแบบขัน� บัน�ด L ขดลวดแรงตํ�า H ขดลวดแรงสูง E ขดลวดกระตุน ้ C ขดลวดชดเชย F แกนเหล็ก ร�แ�กแตน��ลดั วง�รข�งหม้�แ�ลง��ม�การต��แบบขัน� บัน�ด�ํานวน n ขัน� สามาร� หา�ด้�าก��าร�แ�กแตน��ข�งขดลวดหม้�แ�ลง�นแต�ละขัน�

การสร้าางแรงดั งแรงดันนสูสูงง -- 245 245 -การสร้ X res =

�ม��อ

X Lv X Hv XEv

n

[X ν=1

Hv

(6.1)

+ (n - v)2 X Ev + (n + 1 - v)2 X Lv ]

��อ ร�แอกแตน��ของขดล�ดแรงตํ�า�นขัน� �� v ��อ ร�แอกแตน��ของขดล�ดแรงสูง�นขัน� �� v ��อ ร�แอกแตน��ของขดล�ดกระต�น้ �นขัน� �� v

�้าขดล�ดแรงสูงของหม้อแ�ลง�นแต�ละขัน� ม�แรงดัน��้า��ากับ U แรงดันขาออก ของหม้อแ�ลงขัน� บัน�ด��ม� n ขัน� �ะ��ากับ nU �นกร��หม้อแ�ลงแต�ละขัน� ม�ต�ั �ัง�� น �ลหะ หม้อแ�ลง��อ�ู��นขัน� ��สองข�น� ��ต้อง�ด้รบั การ�น�น�นระดับ��หมาะสม ��งม��ลต�อ รา�าและขนาดของหม้อแ�ลงมาก ��น�ด��กับหม้อแ�ลง�ดสอบ ��อลด�ร�มา��น�น การ��้หม้อแ�ลง��ขดล�ดแรงสูงม��ดต�อกลางดัง�นรู �� 6.2 ตั��ังของหม้อแ�ลงแต�ละขัน� (�ากล�างข�น� บน) �ะม��กั ��้า��บกับด�น��ากับ

U 3U 2 2

และ

แ�ลงขัน� บัน�ด��ด้�ง� ม�ขนาด�ล�กลงและ�ระห�ัด��า��้��า�ลง�ด้มาก

ก) ต�ดตัง� �า��นอา�าร

5U 2

ตามลําดับ หม้อ

ข) ต�ดตัง� �า�นอกอา�าร

รู�� 6.� หม้อแ�ลงต�อแบบขัน� บัน�ด ��มา https://www.ele�t�opowe�ele�t�i�als.�om/i��e�.php/galle�� http://www.highvoltage.se/about.htm



หม้อแปลงแบบขัน� บันไดสามาร�มี��กัดได้สงู ��ง 1� �� 2.2� �� ทัง� ที�ใ�้�า�ใน และ�า�นอกอาคาร ดังตัวอ�่างที�แสดงในรู ปที� 6.3 หม้อแปลง�น�ดนีร� บั กําลังไฟฟ้าจากตัว ปรับแรงดัน (voltage regulator) ที�เป็ นแบบวงจรตรงlxviii (straight circuit) 6.1.3 หม้อแปลงเรโซแนนซ์ การสร้างแรงดันกระแสสลับด้ว�หม้อแปลงทดสอบและหม้อแปลงต่อแบบขัน� บันได ดังที�กล่าวมาในหัวข้อก่อนหน้า หม้อแปลงจะรับกําลังไฟฟ้าทัง� หมดจากแหล่งจ่า�โด�ตรง จ�ง มี โ อกาส�บความ�� ด เ�ี �� นของแรงดัน ทดสอบเน�� อ งจากองค์ป ระกอบความ�ี� สูง จาก แหล่งจ่า�ไฟฟ้าหร�อความไม่เป็ นเ��งเส้นจากการอ��มตัวของแกนเหล็กหม้อแปลง จ�งไม่เหมาะ ที�จะนํามาใ�้ทดสอบด�ส�าร์จบางส่วน หากไม่มีการต�ดตัง� ตัวกรองความ�ี�ให้กบั วงจรสร้าง แรงดัน หร�อเปลี��นมาใ�้วงจรทดสอบแบบเรโซแนนซ์ 6.1.3.1 วงจรเรโซแนนซ์ขนาน การต่อขดลวดจํากัดกระแส (reactor) ขนานกับขดลวดแรงตํ�าหร�อขดลวดแรง สูงของหม้อแปลง เ��อ�ดเ��กระแสโหลดแบบนําหน้าlxix และปรับปรุ งค่าตัวประกอบ กําลังไฟฟ้าของแหล่งจ่า�ไฟฟ้า �้ามีการ�ดเ��ที�เหมาะสม กําลังป้อนเข้าหม้อแปลง จะลดลงเหล�อเ�ี�งหน��งในส�บ ทําให้สามาร�ลด��กัดกําลังของหม้อแปลง ตัวปรับ แรงดัน ตัวกรองความ�ี� และค่าใ�้จ่า�โครงสร้างอุปกร�์ได้อ�่างมาก 6.1.3.2 วงจรเรโซแนนซ์อนุกรม วงจรเรโซแนนซ์อีกแบบหน�ง� ที�น��มใ�้ในการทดสอบทางไฟฟ้าแรงสูง ค�อ วงจร เรโซแนนซ์อ นุก รมที� ไ ด้จ ากการต่อ ขดลวดจํา กัด กระแสด้า นแรงดัน สูง อนุก รมกับ อุปกร�์ท�ีตอ้ งการทดสอบ ดังในรู ปที� 6.4ก การต่อวงจรทดสอบในลัก��ะนีส� ามาร� แก้ปัญหาความความ��ดเ�ี�� นของแรงดันจากองค์ประกอบความ�ี�สงู ได้เป็ นอ�่างดี จากรูปที� 6.4ข วงจรสมมูลของหม้อแปลงทดสอบ �้าความต้านทานสมมูลมีขนาดน้อ� กว่ารีแอกแตนซ์สมมูลมาก ( R e  Xe ) แรงดันไฟฟ้าที�ตกคร่อมอุปกร�์ ( U2 ) จะมี มุมเฟสใกล้กบั แรงดันขาเข้า ( U1 )   1 U2 =   U1  1 - ωL e C 

เม��อ lxviii lxix

Le

ค�อ ความเหนี��วนําสมมูลของหม้อแปลงทดสอบ (�)

กําลังขาออกทัง� หมดของหม้อแปลงมาจากแหล่งจ่า�

โหลดของหม้อแปลงทดสอบส่วนใหญ่เป็ นแบบความจุไฟฟ้า

(6.2)

การสร้าางแรงดั งแรงดันนสูสูงง -- 247 247 -การสร้

ก) การต่อวงจร

ข) วงจรสมมูล

ค) แผนภาพเฟสเซอร์

รูปท�� 4 หม้อแปลงเรโซแนนซ์ C

ค�อ ความจุไฟฟ้าของอุปกร�์ท�ตอ้ งการทดสอบ (�)

ในข�ะเกิ ดเรโซแนนซ์ แรงดันไฟฟ้าท��ตกคร่อมอุปกร�์จะม�ขนาดมากกว่า แรงดัน ขาเข้า มาก ( U2  U1 ) จึง ไม่ส ามารถกํา หนดอัต ราส่ว นแรงดัน ของหม้อ แปลงเรโซแนนซ์ได้ ดังนัน� ในระหว่างทําการทดสอบต้องม�การต่อระบบวัดแรงดันอยู่ ตลอดเวลา ประโยชน์ท�ได้จากการใช้วงจรเรโซแนนซ์แบบอนุกรม ค�อ ไม่เกิดกระแสสูงเม��อ อุปกร�์ท�กาํ ลังทดสอบเกิดการผิดพร่องหร�อลัดวงจร ม�วงจรไม่ซบั ซ้อน ขนาดไม่ให�่ และสามารถต่อแบบขัน� บันไดหากต้องการแรงดันทดสอบค่าสูง อย่างไรก็ตามขดลวด จํากัดกระแสท��ต่อเพิ�มในวงจรต้องสามารถทนแรงดันและกระแสท��พิกดั ในระหว่างการ ทดสอบได้ การปรับค่าความเหน��ยวนําเพ��อให้เกิ ดเรโซแนนซ์มาจากการปรับขนาดช่อง อากา� (�� ) ของแกนเหล็กท��ใช้ทาํ ขดลวดจํากัดกระแส ส่วนให�่หม้อแปลงท��ตอ่ เป็ นวงจรเรโซแนนซ์อนุกรมจะถูกนําไปใช้ในการทดสอบดิสชาร์จบางส่วนของสาย เคเบิลแรงสูง และสถาน�ไฟฟ้าแรงสูงแบบใช้�นวนแก�ส ดังในรูปท��



รูปท�� ระบบทดสอบท��้ห�้อแปลงเร��แนน�� ท��า htt�s�//www�ce�co-sales�com/�ro�ucts/hv-hc-test-systems/ac-voltagetest-systems/high-volt-wrvm-ac-resonant-test-systems-with-variablefrequency-transformer/ 6.2 การสร้างแรงดันสูงความถีส� ูง แรงดัน�วา�ถ��สงู เป็ นแรงดันท��ถกู น�า�า��้�นการทดสอบ�วา�เป็ น�นวนของอุปกร��ไ��้า เ�่น ลูกถ้วย�นวน และปลอก�นวนตัวน�า เ�ื�อตรวจหา�วา�บก�ร่อง�นเนือ� วัสดุ�นวน ��งสร้างได้ จากหลักการของวงจรเร��แนน��หรือห�้อแปลงเทสลา �tesla transformer� ดัง�นรูปท�� ประกอบ ไปด้วยขดลวดสอง�ุด �ือ ขดลวดแรงดันต��า L1 และขดลวดแรงดันสูง L2 ขดลวดแรงดันต��าต่อกับ แหล่งจ่ายแรงดันlxxผ่านตัวเก็บประจุ C1 เ�ื�อท�าการอัดประจุจนได้แรงดันท��ตอ้ งการ สปาร�กแกป G จะเกิ ดเบรกดาวน� �ลังงานท��สะส�ไว้�นตัวเก็ บประจุ C1 ถ่ ายเทไปยังขดลวด L1 เกิ ดการแกว่ง �oscillation� �วา�ถ��สงู ท��รูป�ลื�นเป็ นขบวนหน่วง ��am�e� train wave� และถ่ายทอดไปยังด้าน แรงสูงผ่านขดลวด L2

lxx

แหล่งจ่ายแรงดันกระแสตรงหรือกระแสสลับก็ได้


ก)

ข) รู�ท�� 6.6 วง�รและรู�คล��นแรงดันท��ด้�าก�ม้�แ�ลง�ทสลา แรงดัน ขา��กข�ง�ม้� แ�ลง�ทสลาข� น� กั� �งค�� ระก�� L1 , L2 , C1 , C2 และความ ��น��วน�าร�วมระ�ว�างขดลวดแรงต��าและขดลวดแรงสูง M �ากรู �ท�� 6.6ก �้า�ม�ค�ด�ลข�งความ ต้านทานขดลวด U1 = 0 =

di di 1 i1 dt + L1 1 + M 2  C1 t d t d

(6.3)

di di 1 i 2 dt + L 2 2 + M 1  C2 t d t d

(6.4)

และแรงดันขา��กข�งวง�ร ค�� แรงดันท��ตกคร��มตัว�ก��ระ�� C2 U2 =

1 i 2 dt C2 

(6.5)



แทนสมการท�� 6.5 ลงในสมการท�� 6.� และหา�ลเ�ลยของสมการจะอยูใ่ นรูป  MU1   1  U2 = -   cos  γt1  2 2   σL1L 2 C 2   γ 2 - γ1 

เมื�อ

σ = 1κ

γ12 =

γ 22 =

ω1 = ω1 =

 - cos  γt2  

(6.6)

M2 = 1 - κ2 L1L 2

คือ สัมประสิทธิ�คาบเก��ยวระหว่างขดลวด L1 และ

 ω12 + ω22  2

 ω12 + ω22  2

L2

1

 ω 2 + ω 2  2 2 2 2 2 2 +  1  - σ ω1 ω 2  2    1

 ω 2 + ω 2  2 2 2 2 2 2 -  1 σ ω ω  1 2 2   

1 1

 L1C1  2 1 1

 L 2 C2  2

ค่ายอดแรงดันขาออกหาได้จากความสัมพันธ์ 1

2 ˆ = U   L1  U 2 1  L2 

(6.7)

1

เมื�อ

 2 1 - σ2    2 2  1 + a  - 4σa 

a =

ω  L 2 C2 =  1 L1C1  ω2 

2

นอกจากน� แ� รงดัน ขาออกของหม้อ แปลงเทสลาสามาร�ประมา�ได้จ ากการพิ จ าร�า พลังงานสะสมในตัวเก็บประจุ C1 ท��่าย�อนไปยังตัวเก็บประจุ C2 เมื�อก�าหนดให้ประสิทธิ�าพของ หม้อแปลงเทสลาเท่ากับ η จะได้ W =

ดังนัน�

1 1 ηC1U12 = C 2 U 22 2 2

(6.8)

การสร้าางแรงดั งแรงดันนสูสูงง -- 251 251 -การสร้ 1

 C 2 U 2 = U1  η 1   C2 

(6.9)

6.3 การสร้างแรงดันสูงกระแสตรง โดยทั�วไปแรงดันสูงกระแสตรงสร้างจากวงจรเรียงกระแส (rectifier circ�it) ��งคุ��าพของ แรงดันจะถูกกําหนดด้วยตัวประกอบระลอกคล��น (ripple factor) ดังสมการ RF =

เม��อ

U0

U

U0  U U0

(6.10)

ค�อ ค่าเ�ลี�ยแรงดันเม��อไม่มีโหลด (�) ค�อ ค่าเ�ลี�ยแรงดันเม��อต่อโหลด (�)

การใช้งานในด้านไ��้าแรงสูงส่วนให�่นิยมใช้ไดโอดสารก��งตัวนําที�ทาํ จาก�ิลิกอนเป็ นตัว เรียงกระแส แหล่งจ่ายแรงดันกระแสสลับให้กบั วงจรเรียงกระแสเป็ นได้ทงั� แบบความถี�กาํ ลังหร�อแบบ ความถี�สงู โดยแหล่งจ่ายความถี�สงู ให้แรงดันที�มีตวั ประกอบระลอกคล��นน้อยกว่า จ�งไม่จาํ เป็ นต้องมี การใช้ตวั กรองความถี�เพิ�มเติมในวงจร 6.�.1 วงจรเรียงกระแสแบบคร�ง� คล��นและแบบเต็มคล��น จากวงจรเรียงกระแสในรู ปที� 6.� เม��อไดโอดนํากระแส ตัวเก็บประจุไ��้า C จะถูก อัดประจุจนแรงดันตกคร่อมมีคา่ สูงสุดเท่ากับค่ายอดแรงดันขดลวดแรงสูง ( US_max ) จากนัน� จะคายประจุให้โหลด R ในช่วงเวลาที� ไดโอดไม่นาํ กระแส ด้วยค่าคงตัวเวลา τ  RC เพ��อให้แรงดันกระแสตรงมีความเรียบ ( U มีค่าน้อย) ค่าคงตัวเวลาของวงจรเรียงกระแส ควรมากกว่าคาบแรงดันกระแสสลับจากแหล่งจ่ายแรงดันประมา�สิบเท่า เพ��อป้องกันความ เสี ย หายจากการทํา งานของวงจร ไดโอดเรีย งกระแสต้อ งมี พิ กัด แรงดัน กลับทาง (peak reverse voltage) อย่างน้อยสองเท่าของค่ายอดแรงดัน และจํากัดกระแสอัดประจุดว้ ยการ ต่อความต้านทานอนุกรมกับขดลวดแรงดันสูงของหม้อแปลงทดสอบ สําหรับการเรียงกระแสแบบคร�ง� คล��นหร�อระหว่างคาบ ( T ) ของแรงดันกระแสสลับ เม��อไดโอดนํากระแส ประจุ q จะถูกจ่ายจากหม้อแปลงไปยังตัวเก็บประจุ C ในช่วงเวลา t1 และส่งต่อไปให้โหลด R ในช่วงเวลาที�ไดโอดไม่นาํ กระแส t 2 q =

 i t  dt t1

=

 i t  dt L

t2

U t  dt = I T = I L q =  c L R f t1

(6.11)



��อ

f

IL

��อ �วา��แรงดันกร�แสส�ั� (��) ��อ กร�แส��ด�� (�) iL

D1

US i1 Uc

C

R

i2

D2

ก) การต่อวงจร U

Uc_max

Uc

Uc_min t i1

i1

i2 t1

t2

US T = 1 f

�) รู��นแรงดันแ��กร�แส��ด รู�� 6.� วงจร�ร��งกร�แสแ��ต��น ΔU

��อ��่��ดแรงดันตก�า��น��้อแ��งแ��ด�อด��น�ากร�แส แรงดัน�� ด�ง ��ก�ดจากการ�่า��ร�จ� q ��ด ��่ากั� ΔU =

q I = L C fC

(6.12)

จากส�การ�� 6.12 การกร��อ��องแรงดัน��น� กั�กร�แส��ัง��ด �วา��แ��่งจ่า� แ��นาด�องตัว�ก��ร�จ� �ด��้ส�การ�� 6.1� ตัว�ร�กอ�ร��อก��น�องการ�ร��งกร�แส แ��ร�ง� ��น��่ากั�

การสร้าางแรงดั งแรงดันนสูสูงง -- 253 253 -การสร้ RF =

ΔU 2U S_max

(6.13)

ในกร�ีของวงจรการเรียงกระแสแบบเต็มคล��นไดโอดแต่ละตัวจะนํากระแสในคร�ง� คาบแรงดันที�สอดคล้องกัน และอัดประจุให้กบั ตัวเก็บประจุ C ทําให้ขดลวดแรงสูงของหม้อ แปลงที�มีจดุ ต่อกลางดังรู ปที� 6.6ก ต้องมี��กดั แรงดันเท่ากับ 2Us โดยใ�้สมการที� 6.1� และ 6.12 ตัวประกอบระลอกคล��นของการเรียงกระแสแบบเต็มคล��นที� ได้มีค่าเป็ นคร��งหน��งของ วงจรเรียงกระแสแบบคร�ง� คล��น 6.3.2 วงจรแรงดันสองเท่า ตามวงจรในรู ปที� 6.�ก ประกอบด้วย�ุดไดโอดและตัวเก็บประจุจาํ นวนสอง�ุด ที�มี การต่อในลัก��ะตรงข้ามกับวงจรเรียงกระแสแบบคร�ง� คล��น ทําให้ได้แรงดันไ��้าที�มีท��ทาง เดียวแต่ยงั ไม่เรียบ ในข�ะทํางานแหล่งจ่ายแรงดัน หม้อแปลงไ��้า และตัวเก็บประจุทงั� สองตัวจะต่ออนุกรมกัน เม��อไม่มีโหลดแรงดันขาออกของวงจรมีค่าสูงสุดเท่ากับ 3US_max และมีขนาดลดลงเม��อตัวเก็บประจุ�่ายทอดประจุให้กบั โหลด วงจรในรู ป ที� 6.�ข ตัว เก็ บ ประจุแ ต่ ล ะตัว จะ�ูก อัด ประจุด ้ว ยแรงดัน สูง สุด เ�ี ย ง U S_max ในแต่ล ะคร��ง คาบของแรงดัน กระแสสลับ ทํา ให้ไ ด้แ รงดัน ขาออกข�ะไม่ มี โ หลด เท่ากับ 2US_max และเก�ดระลอกคล��นเล็กน้อยเม��อจ่ายโหลด วงจรแรงดัน สองเท่ า ในรู ปที� 6.�ค เป็ น วงจร�� น� �านที� �ูก นําไปใ�้ในวงจรทวีคู� แรงดัน (voltage multiplier) ของ Cockroft-Walton ไดโอด D1 และตัวเก็ บประจุ C1 ทํา หน้าที�ควบคุมแรงดันที�ตาํ แหน่ง � ให้มีค่าเป็ นบวกอยู่ระหว่าง � ��ง 2US_max ไดโอด D 2 ทําหน้าที�อดั ประจุให้กับตัวเก็บประจุ C 2 ให้มีแรงดันเท่ากับ 2US_max และหยุดนํากระแส เม��อแรงดันที�ตกคร่อมตัวเก็บประจุ C 2 มีค่ามากกว่าแรงดันที�ตาํ แหน่ง � จากนัน� ตัวเก็บ ประจุ C 2 จะจ่ายกระแสให้กบั โหลดอย่างต่อเน��องจนกว่าแรงดันที�ตาํ แหน่ง � เ��มข�น� ��งค่า ยอดอีกครัง� เน��องจาก�่วงเวลาที�ไดโอด D 2 นํากระแส ( t 2 ) มีคา่ น้อยกว่า�่วงเวลาที�ไม่นาํ กระแส ( t1 ) มาก จะได้วา่ t

2

 T =

1 f

(6.14)

กระแสโหลดเ�ลี�ย ( Il ) เท่ากับจํานวนประจุ q ที��่ายโอนจากตัวเก็บประจุ C 2 ในแต่ละคาบ แรงดันกระแสสลับ Il =

q = qf T



(6.15)

Il = C2ΔUf

��ื�อ

คือ แรงดันระลอกจากการถ่ายโอนประจุ

ΔU

UR (R = )

C1

3US_max

UR

~

US

2US_max

R

C2

t US T = 1 f

ก) UR (R  ) UR (R = )

C UR

R

UC (R = )

C

~

UC (R  )

US

t US T = 1 f

ข) i

A

UR (R = )

D2

U

I1

C1

UR (R  )

U

U1 (R  )

UR

~

US

D1

U1 C2

R

U1 (R = )

i

t1

t2

T = 1 f

ค) รูป�� 6.7 การ�่อและรูปคลื�นแรงดันขาออกของ�งจรแรงดันสอง��่าแ��่าง�

US

การสร้าางแรงดั งแรงดันนสูสูงง -- 255 255 -การสร้ ในช่วงเวลาเดียวกันตัวเก็ บประจุ แรงดันตกเท่ากับ δU =

C1 จะถ่ า ยประจุใ ห้กับ ตัวเก็ บ ประจุ C 2 ทํา ให้มี

Il C1f

(6.16)

ดังนัน� แรงดันขาออกเ�ลี�ยของวงจรทวีค� ู แรงดันเป็ นดังนี � U = 2U S_max - δU I U = 2U S_max -  l f

ΔU 2

1   1 +     C1 2C 2 

(6.17)

และมีตวั ประกอบระลอกคล��นของวงจรเป็ น RF =

2δU + ΔU 4U S_max

(6.18)

6.3.3 วงจรแรงดันสามเท่า วงจรแรงดันสามเท่าเป็ นวงจรที�ได้จากการต่อขยายวงจรแรงดันสองเท่าในรู ปที� 6.8ค โดยมีการต่อวงจรดังในรู ปที� 6.9ก ��งมีขนั� ตอนการทํางานค�อ ในคร��งคาบลบ ตัวเก็บประจุ C1 ถูก อัดประจุผ่านไดโอด D 1 จนมี แรงดันเท่ ากับ U S_max ในคร��ง คาบบวกต่อ มาไดโอด ั การอัดประจุจน D 2 จะนํากระแส เม��อแหล่งจ่ายมีค่าแรงดันสูงสุด ตัวเก็บประจุ C 2 จะได้รบ มีแรงดันเท่ากับ 2US_max จากนัน� ในระหว่างคร�ง� คาบลบต่อมาไดโอด D 3 จะนํากระแสทําให้ แรงดันที�ตกคร่อมตัวเก็บประจุ C 3 เป็ นผลรวมจากแรงดันของแหล่งจ่าย แรงดันจากตัวเก็บ ประจุ C 2 และแรงดันบางส่วนจากตัวเก็บประจุ C1 จนแรงดันที�ตวั เก็บประจุ C 3 มีขนาด เท่ า กับ 2US_max ทํา ให้แ รงดัน ขาออกของวงจรระหว่ า งตํา แหน่ ง A และ B มี ค่ า เท่ า กับ 3US_max โดยมีรูปคล��นแรงดันขาเข้าและขาออกของวงจรแสดงในรู ปที� 6.9ข เช่นเดียวกับวงจรแรงดันสองเท่า กระแสโหลดเ�ลี�ย ( Il ) เท่ากับจํานวนประจุ q ที� ถ่ า ยโอนผ่ า นตัว เก็ บ ประจุ C1 และตัว เก็ บ ประจุ C 3 ไปยัง โหลดในแต่ ล ะคาบแรงดัน กระแสสลับ q =

แรงดันระลอกที�ตวั เก็บประจุ

C3

Il f

(6.19)

หาได้จาก

ΔU 3 =

q C3

(6.20)


- 256 - การสร้างแรงดันสูง R

A

-

UR

US_max

2q

+

C1

~

US

I1

q

+

B

C3

q

D1

-

2US_max

D2

D3

C2

-

+

2US_max

ก) 3US_max UR US 50 Hz US_max 0V -US_max

0

100

200

300

400

t , ms

ข) รูปท�� 6.� การต่อและรูปคล��นแรงดันขาออกของวงจรแรงดันสา�เท่า �นขณะท��ตวั เก็บประจุ C1 ถ่ายโอนประจุเท่ากับ q ไปยังโหลด และ q ไปยังตัวเก็บ ประจุ C 2 แรงดันระลอกท��ตวั เก็บประจุ C1 คํานวณได้จาก ΔU1 =

แรงดันระลอกรว�เป็ นดังน� �

2q C1

(6.21)

การสร้าางแรงดั งแรงดันนสูสูงง -- 257 257 -การสร้ ΔU = ΔU1 + ΔU 3 ΔU =

2q q + C1 C3

 2 1  ΔU = q  +  C3   C1 1   I  2 ΔU =  l   +  C3   f   C1

ประจุ q ที� �่าย�อนจากตัวเก็ บประจุ แรงดันตกเท่ากับ

C1

δU =

ไปยังตัวเก็บประจุ q C2

(6.22) C2

ในแต่ละคาบทําให้เกิ ด (6.23)

ดังนัน� แรงดันขาออกเ�ลี�ยของวงจรแรงดันสามเท่า ค�อ ΔU   U = 3U S_max -  δU +  2    1 1 1  U = 3U S_max - q  + +  C C 2C 1 3   2 1 1   I  1 U = 3U S_max -  l   + +  C1 2C 3   f   C2

(6.24)

และมีตวั ประกอบระลอกคล��นของวงจรเป็ น RF =

2δU + ΔU 6U S_max

(6.25)

6.3.4 วงจรทวีคณ ู แรงดัน �ดยอา�ัยหลักการของ ��-�� จะได้วงจรทวีคณ ู แรงดันดังรู ปที� 6.�� ใน ส่วนวงจรขัน� ที�หน��ง��งประกอบไปด้วยได�อดเรียงกระแสและตัวเก็บประจุอย่างละสองตัวรับ แรงดันไฟฟ้าจากขดลวดแรงสูงของหม้อแปลงในลัก�ณะเดียวกับวงจรแรงดันสองเท่าในรูปที� 6.�ค และใ�้วงจรเดียวกันนีต� ่อเป็ นขัน� บันไดเ��อให้ได้แรงดันขาออกที�มากข�น� วงจรในแต่ละ ขัน� จะสร้างแรงดันได้สองเท่าของแรงดันสุงสูด US_max ของหม้อแปลงไฟฟ้า ทําให้แรงดันขา ออกของวงจรทวีคณ ู แรงดันที�มี n มีค่าเท่ากับ 2nUS_max เม��อเทียบกับดิน �ดยที�ได�อดและ ตัวเก็บประจุตอ้ งทนแรงดันได้อย่างน้อยสองเท่า ( 2US_max ) ของค่าแรงดันสุงสูดหม้อแปลง ยกเว้นตัวเก็บประจุ C1 ที��กู อัดประจุดว้ ยแรงดันสูงสุดเ�ียง US_max เท่านัน�


- 258 - การสร้างแรงดันสูง D2n

An q

D2n-1

C2n-1 q

q

C2n

D2n-2 D2n-3 2q

C2n-3

I1

An-1 Cn-2

q An-2 3q

(n-3)q

C7

C8

D6

C6

6US_max

D5 D4

A2

(n-1)q

C3

C4

D3

C1

4US_max

A1 D2 2US_max

~

US

D1

nq

R

UR

A3

(n-2)q

C5

2nUS_max

C2

0

ก) รู�� การ��แ��รู��นแรงดัน�า��ก��ง�ง�ร�� ู แรงดัน

การสร้าางแรงดั งแรงดันนสูสูงง -- 259 259 -การสร้ U

2nUS_max

UR_peak

UR_av U

ข) รูปที� 6.10 การต่อและรูปคลื�นแรงดันขาออกของวงจรทวีคณ ู แรงดัน (ต่อ) 6.3.4.1 แรงดันระลอก จากวงจรทวี คูณแรงดัน จํา นวน n ขั�น ในรู ปที� 6.10ก ในแต่ละคาบแรงดัน ประจุ q ที�ถ่ายโอนจากตัวเก็บประจุ C 2n ไปยังโหลด ทําให้เก�ดแรงดันระลอกที�ตวั เก็บ ประจุ C 2n เท่ากับ ΔU 2n =

q C2n

ขณะเดียวกันตัวเก็บประจุ C 2n - 2 จะถ่ายประจุเท่ากับ q ไปยังโหลด และ เก็บประจุ C 2n - 1 เก�ดแรงดันระลอกที�ตวั เก็บประจุ C 2n - 2 เท่ากับ ΔU 2n - 2 =

2q C 2n - 2

(6.26) q

ไปยังตัว (6.27)

ในทํานองเดียวกันตัวเก็บประจุ C 2n - 4 จะถ่ายประจุเท่ากับ q ไปยังโหลด q ไปยัง ตัว เก็ บ ประจุ C 2n - 3 และ q ไปยัง C 2n - 1 เก� ด แรงดัน ระลอกที� ตัว เก็ บ ประจุ C 2n - 4 เท่ากับ ΔU 2n - 4 =

3q C 2n - 4

(6.28)

และเก�ดข�น� ลัก�ณะเดียวกันในทุก�ขัน� ของวงจร ทําให้แรงดันระลอกที�ตวั เก็บประจุ C 2 เท่ากับ ΔU 2n =

nq C2

(6.29)

แรงดันระลอกรวมของวงจร คือ  1 2 3 n  ΔU total = q     ...    C 2n C 2n - 2 C 2n - 4 C 2  

(6.30)



จากสมการที� 6.30 ตัวเก็บประจุท�ีอยู่ใกล้กบั จุดต่อลงดินจะมี�ลต่อแรงดันระลอกมาก ดังนัน� เพื�อให้แรงดันระลอกของวงจรมีคา่ ตํ�า จึงควรกําหนดให้ตวั เก็บประจุดา้ นล่างสุด ของวงจรมีขนาดใหญ่ท�ีสดุ และมีขนาดลดลงเมื�ออยูใ่ นขัน� ที�สงู ขึน� ถ้า กํา หนดให้ตัว เก็ บ ประจุทุก ตัว ในวงจรทวี คูณ แรงดัน มี ข นาดเท่ า กับ C สมการแรงดันระลอกรวมสามารถเขียนใหม่ได้เป็ น  q   n  n + 1  ΔU total =     2 C   I   n  n + 1  ΔU total =  l    2  fC   

(6.31)

6.3.4.2 แรงดันตก นอกจากแรงดันระลอกที�เกิดขึน� เนื�องจากการถ่ายเทประจุระหว่างตัวเก็บประจุ ในวงจรแล้ว ยังมีการลดลงของแรงดันขาออกในขณะจ่ายกระแสให้โหลดอีกด้วย จาก รู ปที� 6.10ก ตัวเก็บประจุ C 2 จะสูญเสียประจุในระหว่างคาบแรงดันเท่ากับ nq �ึ�ง ต้องได้รบั การเติมประจุจากตัวเก็บประจุ C1 ส่ง�ลให้แรงดันที�ตวั เก็บประจุ C1 และ ตัวเก็บประจุ C 2 มีแรงดันมีคา่ เพียง US_max

-

nq C

nq C 2nq C

และ 2US_max

เก็บประจุ C 3 จึงถูกอัดประจุจนมีแรงดันสูงสุดได้เพียง

2US_max

-

ตามลําดับ ตัว

การเกิดแรงดันตกดังที�ได้กล่าวในข้างต้นจะเกิดกับวงจรในทุก�ขัน� โดยแรงตก ที�เกิดกับตัวเก็บประจุกรองกระแส C 2 , C 4 , C 6 , …, C 2n คือ q n C q =  2n +  n - 1  C q =  2n + 2  n - 1   n - 2   C

δU 2 = δU 4 δU 6

.. . ..

δU 2n =

q  2n + 2  n - 1  2  n - 2   ...   2  3    2  2   1 C

แรงดันตกรวมของวงจร คือ

การสร้าางแรงดั งแรงดันนสูสูงง -- 261 261 -การสร้ 1 n  q  2 δU total =    n 3 + n 2 -  2 6  C  3 1 n  I  2  U total =  l   n 3 + n 2 -  fC 3 2 6  

(6.32)

ในกรณีท�ีวงจรมีจา� นวนขัน� มาก ( n � 5) สมการที� 6.32 สามาร�ประมาณได้เป� น  I  2  δU total =  l   n 3   fC   3 

(6.33)

แรงดันขาออกของวงจรโดยประมาณมีคา่ เท่ากับ  I  2  U peak = 2nU S_max -  l   n 3   fC   3 

(6.34)

จากรู ปที� 6.1� แรงดันขาออกของวงจรจะเ��มข�น� �ามจ�านวนขัน� ของเคร��องก�าเน�ด อย่ า งไรก� � ามจ�า นวนขั�น ที� ม ากเก� น ไปอาจท�า ให้ไ ม่ ไ ด้แ รงดัน ขาออกสูง �ามที� � ้อ งการ เน��องจากแรงดันที�ลดลงเม��อท�าการจ่ายโหลด จ�ง�้องมีจา� นวนขัน� ของวงจรที�เหมาะสม เ��อให้ ได้แรงดันขาออกที�มีค่ามากที�สด� ��งหาได้จากการด��เ�อเรน��เอทสมการที� 6.34 เทียบกับ n แล้วให้เท่ากับศูนย์ จะได้ 1

n opt

 US_max f C  2 =   Il  

(6.35)

โดยใ�้สมการที� 6.31 และ 6.32 แรงดันขาออกเ�ลี�ยของวงจรทวีคณ ู แรงดัน ค�อ U = 2nU S_max - δU total -

ΔU total 2

1 n   I   n  n + 1   I  2 U = 2nU S_max -  l   n 3 + n 2 -  -  l    2 6   fC   4  fC   3 

(6.36)

และมี�วั ประกอบระลอกคล��นของวงจรเป� น RF =

2δU total + ΔU total 4nU S_max

(6.37)

6.3.5 เคร�อ� งก�าเน�ดแรงดันไ��้าส�� 6.3.5.1 เคร�อ� งก�าเน�ดไ��้าแวนเดอกรา��์ เป� น เคร��องก�าเน� ดไ��้าที� สามาร�สร้างแรงดันสูงกระแส�รงได้�� ง 6 �� ที� กระแสขาออกในระดับไมโครแอมป์ ใ�้ในกระบวนการเร่งความเร�วของอน��าคที� มี



ประจุ �้��ด้�ปรี��ง��ร��งก�า�น�ด�น�ดนี � �� แรงดันกระแส�รง�ี��ด้จะ�ม�มีระ��ก ��น มี��ามแม�น��าแ�ะ��าม��ด��ุน� �นการ��้งานสูง

รูป�ี� 6.11 ��ร�� งก�า�น�ด��้าแ�น�ด�กรา�� แรงดัน 2 MV �ี�มา ��.li��.��.��i��ll��83-��3-�22-��-i�36 การ��างาน��ง��ร�� งก�า�น�ด��้าแ�น�ด�กรา�� ร�ม� จากการป��นุ�า��ี� มีประจุ จาก��ก��รด�ี�มีสนาม��้าแ��ม�สม��า�สม�สูง จากนัน� �นุ�า��ี�มีประจุ จะ�ูก �� า ��ป�ัง �� ก ��รดแรงสูง ด้� �สา��าน�น�น �ด��นุ � า��ี� ส ะสม��้ �ี��ก��รดแรงสูงจะ��า��้�ก�ดแรงดันสูง�ามสมการ lxxi

U =

lxxi

Q C

�น�ด��งประจุ�น� ��ู�� ั� ��งแรงดัน��้า�ี�ป�้ น��้ก�ั ��ก��รด

(6.38)

การสร้าางแรงดั งแรงดันนสูสูงง -- 263 263 -การสร้ เมื�อ

Q

คือ ประจุไฟฟ้าถูกสะสมไว้ (C)

C

คือ ความจุไฟฟ้าของอิเล็กโตรดแรงสูง (F)

แรงดันขาออกของเครื�องกําเนิดสามารถเ�ิ�ม�ห้สงู ข�น� ด้วยการติดตัง� อยู่�นถังท��อดั แก�ส �นวน เ�่น แก�ส�ัลเฟอร�เ�ก�ะฟลูออไรด�ท�ความดัน 6 �� เป็ นต้น โดยตัวอย่างเครื�อง กําเนิดไฟฟ้าแวนเดอกราฟฟ� แสดง�นรูปท�� 6.11 6.3.�.2 เครือ� งกําเนิด�นิดตัวเก็บประจุแบบปรับค่า เครือ� งกําเนิดแรงดันไฟฟ้าสถิต�นิดน�เ� ป็ นอุปกรณ�ท�เปล��ยน�ลังงานทางกลเป็ น �ลัง งานทางไฟฟ้ า โดย��้ก ารปรับ ค่ า ความจุ ไ ฟฟ้ า โครงสร้า งของเครื� อ งกํา เนิ ด ประกอบด้วย สเตเตอร�และโรเตอร�ท�ลกั �ณะเป็ น�บ�ัดวางสลับกัน (��) เป็ น ตัวเก็บประจุแบบปรับค่าได้ อยู�่ นตัวถังท��าย�นเป็ นสุ��ากา� ดัง�นรูปท�� 6.12 กําหนด�ห้ตวั เก็บประจุของเครื�องกําเนิดเท่ากับ C กระแสท��ไหล�่านตัวเก็บ ประจุคาํ นวณได้จาก dU dC I = C +U t d t d

(6.39)

กําลังป้อนเข้าเครือ� งกําเนิดเท่ากับ P = UI dU dC P = CU + U2 t d t d

ถ้า

dC dt

(6.40)

ม� ค่ า เป็ น ลบ �ลัง งานทางกลจะถูก เปล�� ย นเป็ น �ลัง งานไฟฟ้ า �นกรณ� ท�

แหล่งจ่ายเป็ นแบบแรงดันกระแสตรง

dU  0 dt

P = U2

dC dt

สมการท�� 6.40 เข�ยน�หม่ได้เป็ น (6.41)

ท��ความจุไฟฟ้าของเครื�องกําเนิดสูงสุด ( Cm ) ประจุท�อยู่ระหว่างสเตเตอร�และโรเตอร�ม� ค่าเท่ากับ Qm = Cm U

(6.42)

เมื�อโรเตอร�หมุนไปยังตําแหน่งอื�น ความจุไฟฟ้าจะม�ค่าลดลง ทํา�ห้แรงดันท��ตกคร่อม ตัวเก็บประจุ C เ�ิ�มข�น� เกิดกระแสไหลจากเครือ� งกําเนิดไปยังโหลด



Q

รูปที� 6.12 เครือ� งก�าเนิดชนิดตัวเก็บประ��ปรับค่าได้ แรงดันสายขาออก V แรงดันที�โรเตอร์ D1 , D2 ไดโอดเรียงกระแส 1 สเตเตอร์ 2 แกนโรเตอร์ 3 ใบพัดโรเตอร์

6.4 การสร้างแรงดันอิมพัลส์ แรงดันอิมพัลส์เป็ นแรงดันที��า� ลองแรงดันทรานเซีย� นต์ท�ีเกิด�ากปราก�การ�์�รรมชาติ เช่น การเกิดฟ้าผ่า �รือเกิด�ากการท�างานของอ�ปกร�์ตดั ต่อในระบบไฟฟ้า โดยรู ปคลื�นมาตรา�าน แรงดันอิมพัลส์ประกอบด้วยเทอมเอ็กซ์โปเนนเชียลสองเทอม (double exponential) ดังแสดงใน สมการที� 6.43 และรูปที� 6.13 U t

เมื�อ



= At e -α 2  e -α1 - t



(6.43)

คือ ค่าคงที� α1 , α2 คือ ค่าคงตัวเวลา ตามมาตรา�าน �� ubl.�o.60060 แรงดันอิมพัลส์แบ่งได้เป็ นสองรูปคลื�น ตามช่วงเวลาที� แรงดันเพิ�มข�น� �าก��นย์��งค่ายอด�รือเวลา�น้าคลื�น ( T1 ) และเวลาตัง� แต่แรงดันเพิ�มข�น� �าก�ูนย์�น ลดลงเ�ลือคร�ง� �น��งของค่ายอด�รือเวลา�างคลื�น ( T2 ) ซ�ง� มีขอ้ ก�า�นดดังนี � - แรงดันอิมพัลส์ฟา้ ผ่า เวลา�น้าคลื�น T1 = 1.2 s  30% เวลา�างคลื�น T2 = 50 s  20% - แรงดันอิมพัลส์สวิตชิ�ง เวลา�น้าคลื�น T1 = 250 s  20% เวลา�างคลื�น T2 = 2500 s  60% A


+A Ae- 1t 1

emax 0.5 emax

e(t) T1

0

t

tmax Ae- 2t 1

1 2 1 1

-A

T2

รู�� 6.1� รู��ล��นแรงดันอิมพัลส์ 6.4.1 วงจรสร้างแรงดันอิมพัลส์ แรงดันอิมพัลส์ตามสมการ�� 6.4� สามาร�สร้าง�ด้จากวงจร�ราน�� นต์ �� ร�อ �� ดังแสดง�นรู�� 6.14 G

R11

i1

i03

R12

i2 C1

U

R2

ก) รู�� 6.14 การต่อวงจรแรงดันอิมพัลส์แบบต่างๆ

C2

e(t)


- 266 - การสร้างแรงดันสูง G

C1

R1

U

R2

C2

e(t)

C2

e(t)

C2

e(t)

ข) G

C1

R1

U

R2

ค) G

C1

R1

R1

U

R2

ง) G

C1

L

U

R

e(t)

จ) รูป�� 6.�4 การต่อวงจรแรงดันอ��ัลส�แบบต่าง� (ต่อ) ค่ายอดแรงดันของวงจร ( Uˆ ) จะ��ขนาด��่เก�นแรงดัน��อดั ประจุ ( U 0 ) ให้กบั ตัวเก็บ ประจุ C1 เน��องจากการกระจายประจุระหว่างตัวเก็บประจุ C1 และตัวเก็บประจุโหลดlxxii C 2 โดยประส��า�ของเคร�อ� งก�าเน�ดแรงดันอ��ัลส�หา�ด้จาก η =

lxxii

ˆ U C1  U0 C1 + C 2

ตัวเก็บประจุ��ค�ดรว�ควา�จุ��้าของวัสดุ�ดสอบ��ตอ่ ขนานกับวงจรแล้ว

(6.44)

การสร้าางแรงดั งแรงดันนสูสูงง -- 267 267 -การสร้ เ�ื�อให้ได้ประสิท�ิ�า�ที�สงู ข�น� ตัวเก็บประจุของเครื�องก�าเนิด C1 ต้องมีขนาดใหญ่ กว่าตัวเก็บประจุโหลด C 2 หลายเท่า ( C1  10C 2 ) อย่างไรก็ตามการเลือกตัวเก็บประจุ � C 2 ที�มีขนาดใหญ่เกินไปจะส่งผลให้เวลาหางคลื�นของแรงดันอิม�ัลส์ยาวมากข�น �ลังงานของเครื�องก�าเนิดอิม�ัลส์หาได้จาก�ลังงานสะสมในตัวเก็บประจุ C1 ที�อดั ประจุดว้ ยแรงดัน U 0 ดังสมการ W =

1 C1U 02 2

(6.45)

6.4.1.1 การวิเคราะห์วงจร จากวงจรสร้างแรงดันอิม�ัลส์ในรู ปที� 6.14กlxxiii เมื�อสปาร์กแกป � ท�างาน ตัว เก็บประจุ C1 จะส่งผ่านประจุให้กบั วงจร U = -

1 i1 dt + U 0 C1 

(6.46)

1 i 3 dt C2 

(6.47)

UL =

i1 = i 2 + i 3

(6.48)

R U  =  12 i3 + L  + i3 R2   R2

แทนสมการที� 6.46 และ 6.47 ลงในสมการที� 6.48 ได้เป็ นความสัม�ัน�์ d2UL dU L A1 + A2 + A3 U L = 0 2 t d t d

เมื�อ

A1 , A2 , A3

ใ�้เงื�อนไขเริม� ต้น

คือ ค่าคงที�ของสมการ

dUL UL  t = 0  0 และ td

UL t  =

t =0

=

C1U0 A1

C1 U 0 t e -α 2  e-α1 - t A 1  α1 - α 2 



(6.49)

ดังนัน� (6.50)

รู ป คลื� น แรงดัน อิ ม �ัล ส์ข องวงจรสร้า งแรงดัน อิ ม �ัล ส์ต่ า ง�ในรู ป ที� 6.14 สามารถเขียนในรูปสมการทั�วไปได้ดงั นี �

lxxiii

วงจรในรู ปที� 6.14ข, 6.14ค และ 6.14ง เป็ นรู ปแบบ�ิเ��ของวงจรในรู ปที� 6.14ก ส่วนวงจรในรู ปที� 6.14จ สามารถวิเคราะห์ได้จากหลักการของวงจร RLC

1

จ

ง

2

1

1

1

2

2

1

1

1

1

2

2

2

1

2

1

1

2

1

+ 2R 2  2

 LC 

C C R  R

1

1

R 2 + R 2 R 12 + R 11 R 12   2

C C R R 

11

ค

R

C C R R 

2

θ

ข

ก C C

วงจร  1 + +

R2

+

1

-

  1   C1

C2

R2

R1

R2

R1

 + 1  

1

C1

C2

1

1

2

1

 C   C  1 +  

R1

C1

C2

1+

 1  

1+

R2

R 11

η

  

  

R2

R 12

  

2

1

C    L

1 2

4α

2θη

 R

1

R 2 C1

2θη

R 2 C1

2θη

R 2 C1

2θη

R 2 C1

α

2

2

 1 + 

α

2

1

α

1

-

C2

C1

C1

C2

C2

C1

  

  

  1 + 

 1 + 

 1 + 

-



C1

C2

1

L 

2

2

1

1 - 1 - λ    

1

2

C1



2

2αθ  1 - 1 - λ      C + C   

C2

αθ

1 αθ  1 - 1 - λ  2    C1 

-

R1

1

C

1

C

1

C

1

R 

C1

2

+ C2 

1 - λ 

2

1

2

1

1 + 1 - λ     

2

1 + 1 - λ     

2αθ

+ C2

αθ

+ C2

αθ

-

R2

�าราง�� 6�� ารา��ร� θ , η และ α และ�งค��ระก��ควา��้าน�านข�งวงจรสร้างแรงดัน��ัลส� �� นรู�� 6��



การสร้างแรงดัน- สู- ง269 - 269 --U L t



= η

αU 0

α

2

- 1

1 2

e

t -α1

-t e -α 2



(6.51)

1

��อ

α1 =

α -  α 2 - 1 2

α2 =

θ

1

α   α 2 - 1 2 θ

โดยค่า θ , η และ α ของวงจรแรงด��อ��ล�์แบบ�่าง� แ�ดง��าราง�� 6.1 6.4.1.2 การหาองค์ประกอบของวงจร จาก��ด�กล่าว�า��ข�าง�� ร� ปคล��แรงด��อ��ล�์�ก� ดจากการ�ปล��ย�แปลง แรงด��า��วลา��ประกอบด�วย��อ��อ�ก�์โป��ยล�อง��อ� �่วง�วลาห��าคล��และ �วลาหางคล��ควา��์ก�บค่าคง��ว�วลา α1 และ α2 ด�งแ�ดง��าราง�� 6.2 �อกจาก��ย� ง� ��องค�า��ง��งอ��รา�่ว�ระหว่าง��ว�ก�บประจ�

C1 C2

��่�า�าร�ปร�บ�ด�อย่าง

อ��ระ โดย��าะวงจร�ร�างแรงด��อ��ล�์��ร� ป�� 6.14ข และร� ป�� 6.14ค ��ขอ� จ�าก�ด ด�งแ�ดง��าราง�� 6.3 �าราง�� 6.2 ค่าคง��ว�วลาและค่าคง��า� หร�บร�ปคล��อ��ล�์�า�ร�า� �41� T1 / T2 (s)

1 (s) α1

1 (s) α2

α 2 T1

α1T2

1.2 / 5 1.2 / 50 1.2 / 200 250 / 2,500

3.48 68.2 284.0 2,877.0

0.8 0.405 0.381 104.0

1.49 3.06 3.15 2.4

1.44 0.73 0.7 0.87

�าราง�� 6.3 อ��รา�่ว��ว�ก�บประจ� วงจร

C1 C2

��าหร�บร�ปคล��อ��ล�์�า�ร�า� �41� T1 / T2 (s)

�ง��อ��ข

1.2 / 5

1.2 / 50

1.2 / 200

250 / 2,500

ข

Min(

C1 C2

)

1.57

0.025

0.0054

0.157

ค

Max(

C1 C2

)

-

40.0

185.19

6.37



T2 T1

T2

175

20

150

17.5

125

15

100

12.5



75

10

50

7.5

25

5

0 -25

T2 (lightning) T1

T2 

T2 (switching) T1

2.5 0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

T1 T2

รู�� า�สั��ัน��ระ��าง

10 11

และ

T2 θ

12



กับ α

�� 1  α < 12 T2

T2 T1



600 40 500 30

400

T2 

T2 (lightning) T1

20

300 200

10

T2 (switching) T1

100 0

0 0

2

4

6

8

10 12 14 16 18 20 22 24 26

รู�� า�สั��ัน��ระ��าง

T1 T2

�� 12  α  26

และ

T2 θ

กับ α



การสร้ การสร้าางแรงดั งแรงดันนสูสูงง -- 271 271 --

นอกจากน�� ังสามาร�คํานว�หา�่วง�วลาหน้าคล��นและ�วลาหางคล��น�ม��อ ทราบค่าองค์ประกอบของวงจรได้จากความสัมพันธ์ระหว่าง

T1 T2

และ

T2 θ

กับ α ดัง

แสดงในรูปท�� 1� และรูปท�� 1� ��1�� ลของความ�หน��วนําในวงจร ในทางป��บ�ั � ความ�หน��วนําในวงจร�ป� นส��งท��ไม่สามาร�หล�ก�ล��งได้lxxiv ทําให้ �ก� ด การแกว่ ง ของรู ป คล�� น แรงดัน �ด��พาะ�่ ว งหน้า คล�� น และค่ า �อดของแรงดัน อ�่างไรก��ามการ�่อ�ัว�หน��วนํา�พ��ม�ข้าไปในวงจร ��่น การ�่อขนานกับ�ัว�ก�บประจ� �หลด สามาร�ทํา ให้รู ป คล�� น แรงดัน �าวมากข�น� ดัง ในรู ป ท�� 17 ว� ธ� ก ารน� �� ูก นํา ไป ประ��ก�์ใ�้ในการแก้ปั�หาการสร้างแรงดันอ�มพัลส์หน้าคล��น�าว ��่น แรงดันอ�มพัลส์ สว��ง �ป� น�้น G

R1

C1

R2

e(t)

C2

L

e(t) small L emax

medium L

0.5 emax L =  t

R1 Large R1 Small

รูปท�� 17 �ลของความ�หน��วนํา�่อรูปคล��นแรงดันอ�มพัลส์ lxxiv

ความ�หน��วนําของสา��ัวนํา ขดลวดความ�้านทาน และการ�่อวงจรท��ม�ลกั ��ะ�ป� นวงรอบ



��2 ��ร�� งก�า�น�ดแรงดัน��ั�ส�แ��า��ัน� การสร้างแรงดัน��ั�ส��า��ดสูง� สา�าร��า�ด้ด�้ �การ��้��ร��งก�า�น�ดแ�� า��ัน� ��า�ั��ักการ��ง�ง�ร�าร�ก�� ดังแสดง�นรู�� Rse

e(t)

C2

nC1 R1 n G

Rs

R2 n

nC1 R1 n G

Rs

Re

R2 n

nC1

6 M

5

CRO 4

U

3 2 1

~

kV

รู�� ง�ร��ร�� งก�า�น�ดแรงดัน��ั�ส�แ�� n �ัน�

Cx

Test object


ในวงจร

1. หม้อแปลงควบคุมแรงดัน 2. หม้อแปลงแรงดันสูง 3. ชุดเรียงกระแส 4. โวลเตจดิไวเดอร์วดั แรงดันอัดประจุ 5. ไกสวิตช์ 6. สวิตช์ตอ่ ลงดิน GC

ชุดควบคุมแกปทรงกลม

R1 n

ความต้านทานหน้าคล��น

R2 n

ความต้านทานหางคล��น

Re

ความต้านทานคายประจุ

R se

ความต้านทานปรับหน้าคล��น�ายนอก

จากรูปที� 6.1� ชุดตัวเก็บประจุ nC1 �ูกอัดประจุดว้ ยแรงดันกระแสตรงในลัก��ะที� ต่อกันแบบ�นาน เม��อชุดตัวเก็บประจุมีแรงดันเท่ากับ U ไกสวิตช์ �� จะสั�ง ให้สปาร์กแกป G ทํางาน ตัวเก็บประจุ nC1 ทัง� หมดต่อกันแบบอนุกรมและ�่ายประจุผ่าน ความต้านทาน

R1 n

และ

R2 n

ไปยังวัสดุทดสอบ เน��องจากเวลาในการคายประจุ

R1C1

มี

ค่าน้อยมากเม��อเทียบกับเวลาอัดประจุ nC1R s จึงไม่เกิดการคายประจุผ่านความต้านทาน R s โดย�นาด�องเคร��องกําเนิดแรงดันอิม�ัลส์แบบหลาย�ัน � �ูกกําหนดจากแรงดัน�าออก จํานวน�ัน� และ�ลังงานที�ตอ้ งใช้ในการอัดประจุ 6.4.2.1 การควบคุมเคร�อ� งกําเนิดแรงดันอิม�ัลส์แบบหลาย�ัน� เ��อให้เคร��องกําเนิดแรงดันอิม�ัลส์สร้างแรงดัน�าออกได้�ูกต้องเป็ นทวีคู� �องจํา นวน�ั�น สปาร์ก แกปแต่ ล ะ�ั�น ต้อ ง�ูก จัด วางให้มี ร ะยะห่ า งที� เ หมาะสมใน ลัก��ะ�องรู ปตัววี ��-�� เรียงลําดับจากล่าง�ึน� บน ให้สปาร์กแกปใน�ัน� แรก ทํางานก่อนและเกิดสปาร์กในแกป�ัน� ต่อ� ไปตามลําดับ To CRO trip

main gap S HV DC

To generator 1st stage Trigger electrode Earth main electrode

รูปที� 6.1� วงจรจุด�นวนสปาร์กแกป สปาร์ก แกป�ั�น แรกจะ�ูก สั�ง ให้ท าํ งานผ่ า นไกสวิ ต ช์ มี ลัก ��ะเป็ น แกปที� ประกอบด้วยอิเล็กโตรดแรงสูงรูปทรงกลม และอิเล็กโตรดหลักครึง� ทรงกลมที�ต่อลงดิน



อิเล็กโตรดที�ทาํ หน้าที�จดุ ฉนวน �trigger electrode) �ีลกั �ณะเป็ นแท่งทรงกระบอกหุ�้ ด้วยฉนวนวางอยู่ดา้ นในอิเล็กโตรดหลักและรับสัญญาณพัลส์จากวงจรจุดฉนวนดัง แสดงในรู ปที� �� เ�ื�อสวิตช์ S ปิ ดวงจรจะทําให้เกิดแรงดันสูงระหว่างอิเล็กโตรดจุด ฉนวนกับอิเล็กโตรดหลัก เกิดเบรกดาวน์�า้ �ช่องว่างระหว่างอิเล็กโตรดทัง� สอง ประจุท�ี เกิด��น� ส่งผลกระทบต่อการกระจายสนา�ไฟฟ้า�องอิเล็กโตรดหลัก ทําให้สปาร์กแกป �ัน� แรกเบรกดาวน์และกระตุน้ ให้สปาร์กแกปใน�ัน� �ัดไปเกิดเบรกดาวน์ตา�ลําดับ 6.5 การสร้างกระแสอิมพัลส์ จากที�ได้กล่าว�าแล้วในบทที� � ปราก�การณ์ฟ้าผ่าเป็ นการ�่ายเทประจุท�ีสะส�อยู่ในก้อน เ��ไปยังพืน� ดิน หากเกิดฟ้าผ่าโดยตรงลงบนสายดินที��งอยู่เหนือสายส่งไฟฟ้า �overhead ground wire, OHGW) หรือฟ้าผ่าในบริเวณใกล้เคียงกับสายส่งไฟฟ้าlxxv จะทําให้เกิดแรงดันสูงและกระแส สูง��น� บนสายส่ง ดังนัน� การสร้างกระแสสูงที��ีรูปคลื�นเลียนแบบกระแสฟ้าผ่า เพื�อใช้ในการ��ก�า ทดสอบอุ ป กรณ์ป้ อ งกั น แรงดัน เกิ น เช่ น กั บ ดัก เสิ ร ์จ และวิ เ คราะห์ค วา�เสี ย หายที� เ กิ ด จาก ปราก�การณ์ฟ้ า ผ่ า จ� ง เป็ น สิ� ง จํา เป็ น ตา��าตรา�าน �� u�l��o��247�, High-current test techniques – Definitions and requirements for test currents and measuring systems [42] รู ปคลื�นกระแสอิ�พัลส์แบ่งออกได้เป็ นสองแบบ คือ แบบเอ็กซ์โปเน็นเชียล �ex�onential im�ulse current) และแบบสี�เหลี�ย� �rectangular im�ulse current) ดังในรูปที� ��2� i , kA

1.0 0.9

0.5

0.1 0

T1

t , s T2

ก) แบบเอ็กซ์โปเน็นเชียล รูปที� ��2� รูปคลื�นกระแสอิ�พัลส์

lxxv

การเหนี�ยวนํา�องคลื�นแ�่เหล็กไฟฟ้าที�แผ่ออก�าโดยรอบบริเวณที�เกิดฟ้าผ่า

การสร้ การสร้าางแรงดั งแรงดันนสูสูงง -- 275 275 -i , kA

1.0 0.9 T90% T10% 0.1 0

t , s

�) แบบสี�เหลี�ยม รูปที� 6.20 รูปคลื�นกระแสอิมพัลส์ (ต่อ) 6.5.1 กระแสอิมพัลส์แบบเอ็กซ์โปเน็นเชียล ในลัก��ะเดียวกับแรงดันอิมพัลส์ รู ปคลื�นกระแสอิมพัลส์แบบเอ็กซ์โปเน็นเชียลถูก กําหนดจากช่วงเวลาหน้าคลื�นและเวลาหางคลื�น T1 / T2 คือ 8/20 s และ 4/10 s วงจร การสร้างกระแสอิมพัลส์แสดงในรู ปที� 6.21 ซ�ง� มีความแตกต่างจากวงจรสร้างแรงดันอิมพัลส์ ในรู ปที� 6.1� ตรงที�ตวั เก็บประจุมี�นาดให�่กว่ามาก แต่ความต้านทานในวงจรมี�นาดเล็ก กว่า C

RS

L i

U HV DC

R2

G

R (test object)

รูปที� 6.21 วงจรสร้างกระแสอิมพัลส์แบบเอ็กซ์โปเน็นเชียล จากรู ปที� 6.21 เมื�อตัวเก็ บประจุ C ได้รบั การอัดประจุจากแหล่งจ่ายจนมีแรงดัน เท่ากับ U สปาร์กแกป G จะทํางาน ตัวเก็บประจุ C ถ่ายโอนประจุให้กับวงจร เกิดเป็ น กระแสทรานเซีย� นดังความสัมพัน�์ t i

โดยที�

γ =

R 2L



=

U -γt e sin  ωt  ωL

(6.52)


การสร้างแรงดันสูง - 276 1

 1 R2 2 ω =  - 2  LC 4L 

เพื�อ�ห้รู�คลื�นกระแสม�การแกว่งแบบหน่วง (��e� o��ill�tion) ความ�้านทาน 1

รวมของวงจร

 L 2 R < 2  C

และม�ช่วงเวลาท��กระแสอิมพัลส์เพิ�มข�น� จาก�ูนย์จน��งค่า

ยอดเท่ากับ 1 1   sin 1  ω  LC  2  ω  

T1 =

(6.53)

�นกร��ท�วสั ด�ท�นา� มาทดสอบเ�� นกับดักเสิรจ์ ค่ายอด ช่วงเวลาหน้าคลื�นและเวลา หางคลื�นของรู�คลื�นกระแสอิมพัลส์�ระมา��ด้จาก î =

เมื�อ

U res

 U - U res  1

 L 2   C

(6.54)

คือ แรงดันคงค้างของกับดักเสิรจ์ lxxvi (kV) 1

 L 2 T1  1.25   C

(6.55)

1

T2

 L 2  2.5   C

(6.56)

6.5.2 กระแสอิมพัลส์แบบส��เหล��ยม รู �คลื�นของกระแสอิมพัลส์แบบส��เหล��ยม�ูกก�าหนดจากช่วงเวลา T10% และช่วงเวลา T90% ดังความสัมพันธ์ T10% < 1.5T90%

(6.57)

กระแสอิ ม พัล ส์รู � คลื� น ส�� เ หล�� ย มสร้า งจากการดิ ส ชาร์จ วงจรข่ า ยพัล ส์ (��l�e network) หรือสายเคเบิลlxxviiท��อดั �ระจ�ดว้ ยแรงดันสูงกระแส�รง ดัง�นรู�ท�� 6.22

lxxvi

แรงดันค่ายอดท��เกิดข�น� ระหว่างขัว� �่อของกับดักเสิรจ์ ข�ะท��กระแสดิสชาร์จ�่าน

lxxvii

วงจรสมมูลของสายเคเบิลม�ลกั ��ะเ�� นวงจรข่ายของ�ัวเหน��ยวน�าและ�ัวเก�บ�ระจ�

การสร้ การสร้าางแรงดั งแรงดันนสูสูงง -- 277 277 -D

Ln

RL

Cn

Ln-1

U0

L2

Cn-1

SG

L1

C2

RT

C1 i(t)

RS

Measurement Circuit

รูปที� 6.22 วงจรสร้างกระแสอิมพัลส์แบบสี�เหลี�ยม ให้สายเคเบิลมีเสิรจ์ อิมพีแดนซ์ Zw

L C

=

ถูกอัดประจุจนมีแรงดันเท่ากับ

U0

เมื�อสปาร์กแกป G ทํางาน สายเคเบิลจะถ่ายประจุผ่านความต้านทานของวงจรไปยังวัสดุ ทดสอบ มีคา่ ยอดของกระแสเท่ากับ î =

ถ้าค่าความต้านทานของวัสดุทดสอบ สายเคเบิลที�มีความยาว l คือ

U0 2Z w RT

(6.58)

เท่ากับเสิรจ์ อิมพีแดนซ์ เวลาที�คลื�นเคลื�อนที�ใน 1

(6.59)

T = 2l  L C  2

แรงดันที�ตกคร่อมวัสดุทดสอบเท่ากับ   U0 U = RT    Zw + R T  U0 U = 2

(6.60)

พลังงานที�สะสมในสายเคเบิลหาได้จาก 1 ClU 02 2 1 W = Cl 4iˆ 2 Z 2w 2

W =



=

îTZ w

(6.61)

ในทางป�ิบตั ิการหาสายเคเบิลที�มีความเหนี�ยวนําและความจุไ��้าตามต้องการเป� นไปได้ ยาก วงจรข่ายพัลส์ดงั รู ปที� 6.22 เป� นอีกทางเลือกหน��ง �ดยองค์ประกอบของวงจรสามารถ ประมาณได้จาก 1  n + 1 2 T10%  2  LC     n 

(6.62)


การสร้างแรงดันสูง - 278 1  n - 1 2 T90%  2  LC     n 

�ด��

L =

n

L i =1

C =

i

n

C i =1

i

(6.63)


คําถามท้ายบทที� 6 6.1 เหตุใ ดหม้อ แปลงไฟฟ้า ทั�ว ไปจ�ง ไม่ เ หมาะสมในการสร้า งแรงดัน สูง กระแสสลับ ที� มี ข นาด แรงดันไฟฟ้ามากกว่า 300 kV 6.2 จงอธิบายความแตกต่างระหว่างหม้อแปลงทดสอบกับหม้อแปลงไฟฟ้ากําลัง 6.3 ตําแหน่งก��งกลางของขดลวดแรงสูงมีหน้าที�และประโย�น�อย่างไรต่อการออกแบบหม้อแปลง ทดสอบ 6.4 จงอธิบายหน้าที�ของขดลวดกระตุน้ ในการต่อหม้อแปลงแบบขัน� บันได 6.5 �ิกัดขดลวดแต่ละขดของหม้อแปลงในแต่ละขัน� มีผลอย่างไรต่อการออกแบบและสร้างหม้อ แปลงแบบขัน� บันได หม้อแปลงทดสอบแบบขัน� บันได 3 ขัน� ดังรู ป 6.6 ที� �6.1 มีแรงดันขาออกรวมเท่ากับ 1800 kVrms 6.6.1 จงวาดไดอะแกรมแสดงการต่อ หม้อ แปลงทดสอบ เมื�อหม้อแปลงแต่ละตัว มีอตั ราส่วนแรงดันดังนี � รูปที� �6.1 หม้อแปลงทดสอบแบบขัน� บันได

6.7

6.8 6.9 6.10 6.11 6.11

VL : VH : VE = 1 : 600 : 1

6.6.2 เหตุใดต้องมีทรงกลมบนส่วนยอดทางด้านขาออกของหม้อแปลงแต่ละตัว โดยทรงกลม แต่ละลูกมีขนาดไม่เท่ากัน และประกอบไปด้วยแผ่นวงกลมหลาย�อันแทนที�จะเป� นทรง กลมใหญ่อนั เดียว หม้อ แปลงทดสอบ 100 kV 5 kV� จํา นวน 3 ตัว ต่ อ แบบขั�น บัน ไดสามาร�นํา มาใ�้เ ป� น แหล่งจ่ายในการทดสอบความคงทนอยู่ได้ตอ่ แรงดันของสายเคเบิลแรงสูงที�ใ�้ระบบจําหน่าย ไฟฟ้า 115 kV ได้หรือไม่ จงอธิบายและให้เหตุผลประกอบ ข้อได้เปรียบของการทดสอบแรงดันสูงกระแสสลับด้วยหม้อแปลงเรโ�แนน��เมื�อเทียบกับหม้อ แปลงทดสอบทั�วไปคืออะไร วงจรเรโ�แนน��มีก�ีแบบ แต่ละแบบมีขอ้ ดี-ข้อเสียในการใ�้งานเป� นอย่างไร เหตุใดจ�งต้องมีการทดสอบอุปกร��ไฟฟ้าด้วยแรงดันไฟฟ้าสูงความ�ี�สงู จงอธิบายหลักการทํางานของหม้อแปลงเทสลา ตัวประกอบระลอกคลื�นคืออะไร และแหล่งจ่ายแรงดันสูงกระแสตรงที�นาํ มาใ�้ในการทดสอบ ต้องมีตวั ประกอบระลอกคลื�นเป� นอย่างไร



6.12 แรงดันกลับทางมีความสําคัญอย่างไรต่อการออกแบบและสร้างแหล่งจ่ายแรงดันสูงกระแส ตรงที�ใช้วงจรเรียงกระแสแบบคร�ง� คล��นและแบบเต�มคล��น 6.13 การกระเพ��อมของแรงดันที�ได้จากวงจรเรียงกระแสมีสาเหตุมาจากอะไร และมีวิธีการแก้ไข อย่างไร 6.14 จงอธิบายการสร้างแรงดันสูงด้วยวงจรแรงดันสามเท่า 6.15 ขนาดตัวเก�บประจุแต่ละตัวมี�ลอย่างไรต่อแรงดันขาออก ตัวประกอบระลอกคล��น และแรงดัน ตกวงจรทวีคณ ู แรงดันของ Cockroft-Walton 6.16 การเล�อกจํานวนขัน� ของวงจรทวีคณ ู แรงดันมีหลักการอย่างไร และมี�ลกระทบอย่างไรต่อขนาด แรงดันขาออก 6.17 จงอธิบายหลักการสร้างแรงดันสูงของเคร�อ� งกําเนิดไ��้าแวนเดอกรา��์ 6.18 เคร��องกําเนิดชนิดตัวเก�บประจุแบบปรับค่าสามารถเปลี�ยนพลังงานทางกลเป� นไ��้าแรงดันสูง ได้อย่างไร 6.19 แรงดันอิมพัลส์มีรูปคล��นมาตร�านกี�แบบ และแต่ละแบบมีขอ้ กําหนดรูปคล��นอย่างไร 6.20 ตัวเก�บประจุและความต้านทานมี�ลอย่างไรต่อขนาดและรูปคล��นที�ได้จากวงจรสร้างแรงดันอิม พัลส์ 6.21 ความเหนี�ยวนําในวงจรสร้างแรงดันอิมพัลส์เกิดจากอะไรและมี�ลอย่างไรต่อรูปคล��นแรงดัน 6.22 เหตุใดจ�งต้องมีการจัดวางสปาร์กแกปของเคร��องกําเนิดแรงดันอิมพัลส์แบบหลายชัน� เป� นแบบ รูปตัววี (v-shape) 6.23 จากรูปที� �6.2 กําหนดให้ R1

SG

R2

C1

R L = 25 kΩ

R1

C1 = 1 μF

R2

R 1 = 12 Ω

RL

SG

C1

C2 R1

RL

SG

R2

C1

R1

RL

SG

R2

RL

DC 50 kV

C1

รูปที� �6.2 หม้อแปลงทดสอบแบบขัน� บันได

, ,

C 2 = 10 nF R 2 = 62.5 Ω

จงหาว่าเคร�อ� งกําเนิดแรงดันอิมพัลส์ดงั กล่าว 6.23.1 สร้างแรงดันที�มีรูปคล��นเป� นแบบใด 6.23.2 มีขนาดแรงดันสูงสุดเท่าไหร่ 6.23.3 สามารถใช้ทดสอบฉนวนประเภทใด ได้บา้ ง


6.24 จงอธิบายความแตกต่างระหว่างวงจรสร้างกระแสอิมพัลส์แบบเอ็กซ์โปเนนเชียลกับวงจรสร้าง แรงดันอิมพัลส์


- 282 -

บทที� 7 การวัดทางไฟฟ้ าแรงสูง จากการสร้างแรงดันสูงและกระแสสูงในบทที��่านมา เพื�อให้สามารถสร้างรู ปคลื�นได้ตามที� มาตราฐานกําหนด ระบบวัดที�มีความถูกต้อง แม่นยํา และน่าเชื�อถือเป� นสิ�งที�มีความสําคั� การวัด ทางไฟฟ้าแรงสูงมีความแตกต่างจากการวัดไฟฟ้าแรงตํ�าอยูห่ ลายประการ เช่น แรงดันที�ใช้ �นาด�อง อุปกรณ์ การจัดวาง ระยะการ�นวน และระยะห่างที�ปลอด�ัยต่อ�ูท้ าํ การวัด เป� นต้น อีกทัง� ยังต้อง คําน�งถ�ง�้อจํากัดและ�ีดความสามารถ�องเครื�องมือวัดเพื�อไม่ให้เกิดความเสียหายแก่ระบบวัด �ดย เนือ� หาในบทนีจ� ะกล่าวถ�งวิธีการวัดแรงดันสูง กระแสสูง รวมไปถ�งสนามไฟฟ้าและดิสชาร์จบางส่วนที� เกิดในอุปกรณ์และระบบส่งจ่ายไฟฟ้าด้วยแรงดันสูง 7.1 แกปทรงกลม การวัดแรงดันสูงด้วยแกปทรงกลม เป� นวิธีการวัดที�งา่ ย มีความน่าเชื�อถือlxxviii และถูกนํามาใช้ ในการปรับ เที ย บ (�alibration) อุป กรณ์วัด แรงสูง ชนิ ด อื� น อย่ า งกว้า ง�วาง �ดยอาศัย การเบรก ดาวน์lxxixระหว่างอิเล�ก�ทรดทรงกลมที�ดา้ นหน��งต่อกับตําแหน่งที�ตอ้ งการวัดแรงดันสูงและอีกด้านหน��ง ต่อลงดิน ตามมาตรฐาน IEC Publ.No.60052, Voltage measurement by means of standard air ga�s ��3� การติดตัง� แกปทรงกลมแบ่งเป� นสองลัก�ณะ คือ การติดตัง� ในแนวนอน และการติดตัง� ใน แนวตัง� ดังแสดงในรูปที� 7.1 �นาดเส้น�่านศูนย์กลาง�องอิเล�ก�ตรดทรงกลมตามมาตรฐานมีตงั� แต่ 2 �m จนถ�ง 200 �m �ดยระยะรอบแกปทรงกลม�นาดต่าง� แสดงในตารางที� 7.1 เนื�องจาก�นวนที�อยูร่ ะหว่างอิเล�ก�ตรดทรงกลมเป� นอากาศ ดังนัน� แรงดันเบรกดาวน์�องแกป ทรงกลมจ�ง��น� กับส�าวะบรรยากาศดังที�ได้กล่าวมาแล้วในบทที� 3 Ub = k1k 2 U0

เมื�อ

U0 k1

lxxviii lxxix lxxx

(7.1)

คือ แรงดันเบรกดาวน์ท�ีส�าวะมาตรฐานlxxx คือ แฟกเตอร์ความหนาแน่นอากาศ มีค่าเท่ากับความหนาแน่นอากาศสัมพัทธ์ดงั สมการที� 3.58

ความถูกต้องเที�ยงตรง 3%

แรงดันสูงสุดหรือแรงดันค่ายอด

ความดัน 760 mm�g อุณห�ูมิ 20 �C ความชืน� สัมบูรณ์ 11 g�m3

การวั การวัดดทางไฟฟ้ ทางไฟฟ้าาแรงสู แรงสูงง -- 283 283 -k2

คือ แฟกเตอร์ความ�ืน� ม�คา่ เท่ากับ

 h  1 + 0.002  - 8.5   δ  

ก� การติดตัง� �นแนวนอน

ข� การติดตัง� �นแนวตัง� รูปท�� .1 การติดตัง� แกปทรงกลม �43� 1 ฉนวนรองรับ 2 ก้านยึดอิเล็กโทรด 3 ตัวปรับระยะแกป 4 สายตัวนําแรงสูงกับความต้านทานหน่วง 5. จุดต่อสายแรงสูง S คือ ระยะแกป D คือ เส้นผ่านศูนย์กลางของอิเล็กโตรด � ดิน P คือ ตําแหน่งท��เกิดเบรกดาวน์ A คือ ความสูงของตําแหน่ง P จาก�ืน ่ อกระนาบ X B คือ รัศม�ยา่ นปลอด�ัยโดยท��ตวั ต้านทานหน่วงต้องอยูน

- 284 - การวัดทางไฟฟ้าแรงสูง

การวัดทางไฟฟ้าแรงสูง - 284 -

�ารางท�� 7.1 ระยะปล�ด�ัยร��แกปทรงกลม เส้นผ่านศูนย์กลาง ทรงกลม D (cm)  6.25 10 - 15 25 50 75 100 150 200

ระยะห่าง A น้�ยท��สด� 7D 6D 5D 4D 4D 3.5 D 3D 3D

ระยะห่าง A มากท��สด� 9D 8D 7D 6D 6D 5D 4D 4D

ระยะห่าง B น้�ยท��สด� 14 S 12 S 10 S 8S 8S 7S 6S 6S

�ดยแรงดันเ�รกดาวน์��งแกปทรงกลม�นาด�่าง� ท��ส�าวะมา�รา�านได้แสดง�น�ารางท�� 7.2 และ �ารางท�� 7.3 �ามล�าดั� เน�� ง�ากแรงดันเ�รกดาวน์กระแส�รง��งแกปทรงกลมม�การกระ�าย�่�น�้างมาก�าก ��่ นหร��ส��งเปร�ะเป� ��นท��เกาะ�นผ�ว��เล�ก�ทรด มา�รา�าน �� .��.60052 ��งก�าหนด�ห้��้ แกปแ��แท่ง (��-�� ) �นการวัดแรงดันสูงกระแส�รง ��ง�ะกล่าวถ�งรายละเ��ยด�นหัว�้� ถัดไป

การวั การวัดดทางไฟฟ้ ทางไฟฟ้าาแรงสู แรงสูงง -- 285 285 --

ตารางท�� 7.2 แรงดันเ�รกดาวน์�่ายอด (��) ของแกปทรงกล�ท��ส�าวะ�าตรา�าน ส�า�รั�แรงดัน กระแสสลั� แรงดันอิ��ัลส์ขวั� ล� และแรงดันกระแสตรงทัง� สองขัว� �43� ระยะแกป (cm) 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25

เส้นผ่านศูนย์กลางของอิเล็กโตรด (cm) 12.5 15 25 50

2

5

6.25

10

0.30 0.40 0.50 0.60 0.70

11.2 14.4 17.4 20.4 23.2

11.2 14.3 17.4 20.4 23.4

14.2 17.2 20.2 23.2

16.8 19.9 23.0

16.8 19.9 23.0

16.8 19.9 23.0

0.80 0.90 1.0 1.2 1.4

25.8 28.3 30.7 (35.1) (38.5)

26.3 29.2 32.0 37.8 43.3

26.2 29.1 31.9 37.6 43.2

26.0 28.9 31.7 37.4 42.9

26.0 28.9 31.7 37.4 42.9

26.0 28.9 31.7 37.4 42.9

31.7 37.4 42.9

1.5 1.6 1.8 2.0 2.2

(40.0)

46.2 49.0 54.5 59.5 64.0

45.9 48.6 54.0 59.0 64.0

45.5 48.1 53.5 59.0 64.5

45.5 48.1 53.5 59.0 64.5

45.5 48.1 53.5 59.0 64.5

45.5 48.1 53.5 59.0 64.5

59.0 64.5

59.0 64.5

2.4 2.6 2.8 3.0 3.5

69.0 69.0 (73.0) 73.5 (77.0) 78.0 (81.0) 82.0 (90.0) (91.5)

70.0 75.5 80.5 85.5 97.5

70.0 75.5 80.5 85.5 98.0

70.0 75.5 80.5 85.5 98.5

70.0 75.5 81.0 86.0 99.0

70.0 75.5 81.0 86.0 99.0

70.0 75.5 81.0 86.0 99.0

86.0 99.0

4.0 4.5

(97.5)

109 120

110 122

111 124

112 125

112 125

112 125

112 125

(101) (108)

75

100

150

200



ตารางท�� 7.2 แรงดันเ�รกดาวน์�่ายอด (��) ของแกปทรงกล�ท��ส�าวะ�าตรา�าน ส�า�รั�แรงดัน กระแสสลั� แรงดันอิ��ัลส์ขวั� ล� และแรงดันกระแสตรงทัง� สองขัว� (ต่อ) �43� ระยะแกป (cm) 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 9.0

2

5

6.25 (115)

10 130 (139) (148)

75 138 151 164

100 138 151 164

150 138 151 164

200

(164) (173) (181) (189) (203)

168 178 187 (196) (212)

175 187 199 211 233

177 189 202 214 239

177 190 203 215 240

177 190 203 215 241

177 190 203 215 241

(215)

(226) (238) (249)

254 273 291 (308) (323)

263 287 311 334 357

265 290 315 339 363

266 292 318 342 366

266 292 318 342 366

266 292 318 342 366

15 16 17 18 19

(337) (350) (362) (374) (385)

380 402 422 442 461

387 411 435 458 482

390 414 438 462 486

390 414 438 462 486

390 414 438 462 486

20 22 24 26 28

(395)

480 510 540 570 (595)

505 545 585 620 660

510 555 600 645 685

510 560 610 655 700

510 560 610 660 705

(620) (640) (660) (680)

695 725 755 785

725 760 795 830

745 790 835 880

750 795 840 885

10 11 12 13 14

30 32 34 36

(156) (163) (170)

เส้นผ่านศูนย์กลางของอิเล็กโตรด (cm) 12.5 15 25 50 134 1336 138 138 145 147 151 151 155 158 163 164


ตารางท�� 7.2 แรงดันเ�รกดาวน์�่ายอด (��) ของแกปทรงกล�ท��ส�าวะ�าตรา�าน ส�า�รั�แรงดัน กระแสสลั� แรงดันอิ��ัลส์ขวั� ล� และแรงดันกระแสตรงทัง� สองขัว� (ต่อ) �43� ระยะแกป (cm) 38 40 45 50 55 60

2

5

6.25

10

เส้นผ่านศูนย์กลางของอิเล็กโตรด (cm) 12.5 15 25 50 75 (700) (810) (715)

65 70 75 80 85 90 100 110 120 130 140 150 ��ายเ�ต� แรงดันเ�รกดาวน์ไ�่�กู ต้องส�า�รั�แรงดันอิ��ัลส์ท��า่ ต��ากว่า 10 �� แรงดันเ�รกดาวน์ท�อยู่�าย�นวงเล็��า่ �วา��ูกต้องเท��ยงตรง�ากกว่า 3%

100 865

150 925

200 935

(835) 900 (890) 980 (940) 1,040 (985) (1,100) (1,020) (1,150)

965 1,060 1,150 1,240 1,310

980 1,090 1,190 1,290 1,380

(1,200) (1,240) (1,280)

1,380 1,430 1,480 (1,530) (1,580)

1,470 1,550 1,620 1,690 1,760

(1,630) (1,720) (1,7390) (1,860)

1,820 1,930 (2,030) (2,120) (2,200) (2,280) (2,350)



ตารางท�� 7.3 แรงดันเ�รกดาวน์�า่ ยอด (��) ของแกปทรงกล�ท��ส�าวะ�าตรา�าน ส�า�รั�แรงดันอิ� �ัลส์ขวั� �วก �43� ระยะแกป (cm) 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25

2 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25

5 2.8 4.7 6.4 8.0 9.6

6.25

0.30 0.40 0.50 0.60 0.70

0.30 0.40 0.50 0.60 0.70

11.2 14.4 17.4 20.4 23.2

11.2 14.3 17.4 20.4 23.4

14.2 17.2 20.2 23.2

16.8 19.9 23.0

16.8 19.9 23.0

16.8 19.9 23.0

0.80 0.90 1.0 1.2 1.4

0.80 0.90 1.0 1.2 1.4

25.8 28.3 30.7 (35.1) (38.5)

26.3 29.2 32.0 37.6 42.9

26.2 29.1 31.9 37.5 42.9

26.0 28.9 31.7 37.4 42.9

26.0 28.9 31.7 37.4 42.9

26.0 28.9 31.7 37.4 42.9

31.7 37.4 42.9

1.5 1.6 1.8 2.0 2.2

1.5 1.6 1.8 2.0 2.2

(40.0)

45.5 48.1 53.0 57.5 61.5

45.5 48.1 53.5 58.5 63.0

45.5 48.1 53.5 59.0 64.5

45.5 48.1 53.5 59.0 64.5

45.5 48.1 53.5 59.0 64.5

2.4 2.6 2.8 3.0 3.5

2.4 2.6 2.8 3.0 3.5

65.5 67.5 (69.0) 72.0 (72.5) 76.0 (75.5) 79.5 (82.5) (87.5)

69.5 74.5 79.5 84.0 95.0

70.0 75.0 80.0 85.0 97.0

4.0 4.5

4.0 4.5

(88.5) (95.0) (101)

105 115

108 119

10

เส้นผ่านศูนย์กลางของอิเล็กโตรด (cm) 12.5 15 25 50

75

100

150

45.5 48.1 53.5 59.0 64.5

59.0 64.5

59.0 64.5

70.0 75.5 80.5 85.5 98.0

70.0 75.5 81.0 86.0 99.0

70.0 75.5 81.0 86.0 99.0

70.0 75.5 81.0 86.0 99.0

86.0 99.0

110 122

112 125

112 125

112 125

112 125

8.0 9.6

200


ตารางท�� 7.3 แรงดันเ�รกดาวน์�า่ ยอด (��) ของแกปทรงกล�ท��ส�าวะ�าตรา�าน ส�า�รั�แรงดันอิ� �ัลส์ขวั� �วก (ต่อ) �43� ระยะแกป (cm) 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 9.0

2

5

6.25 (107)

10 123 (131) (138)

75 138 151 164

100 138 151 164

150 138 151 164

200

(154) (161) (168) (174) (185)

161 169 177 (185) (198)

173 184 195 206 226

177 189 202 214 239

177 190 203 215 240

177 190 203 215 241

177 190 203 215 241

(195)

(209) (219) (229)

244 261 275 (289) (302)

263 286 309 331 353

265 290 315 339 363

266 292 318 342 366

266 292 318 342 366

266 292 318 342 366

15 16 17 18 19

(314) (326) (337) (347) (357)

373 392 411 429 445

387 410 432 453 473

390 414 438 462 486

390 414 438 462 486

390 414 438 462 486

20 22 24 26 28

(366)

460 489 515 (540) (565)

492 530 565 600 635

510 555 595 635 675

510 560 610 655 700

510 560 610 660 705

(585) (605) (625) (640)

665 695 725 750

710 745 780 815

745 790 835 875

750 795 840 885

10 11 12 13 14

30 32 34 36

(144) (150) (155)

เส้นผ่านศูนย์กลางของอิเล็กโตรด (cm) 12.5 15 25 50 129 133 137 138 138 143 149 151 146 152 161 164



ตารางท�� 7.3 แรงดันเ�รกดาวน์�า่ ยอด (��) ของแกปทรงกล�ท��ส�าวะ�าตรา�าน ส�า�รั�แรงดันอิ� �ัลส์ขวั� �วก (ต่อ) �43� ระยะแกป (cm) 38

5

6.25

10

เส้นผ่านศูนย์กลางของอิเล็กโตรด (cm) 12.5 15 25 50 75 (655) (775)

150 915

200 930

(800) 875 955 (850) 945 1,050 (895) 1,010 1,130 (935) (1,060) 1,210 (970) (1,110) 1,280

975 1,080 1,180 1,260 1,340

65 70 75 80 85

(1,160) 1,340 (1,200) 1,390 (1,230) 1,440 (1,490) (1,540)

1,410 1,480 1,540 1,600 1,660

90 100 110 120 130

(1,580) (1,660) (1,730) (1,800)

1,720 1,840 (1,940) (2,020) (2,100)

40 45 50 55 60

2

(670)

140 150 ��ายเ�ต� แรงดันเ�รกดาวน์ท�อยู่�าย�นวงเล็��า่ �วา��ูกต้องเท��ยงตรง�ากกว่า 3%

100 845

(2,180) (2,250)


7.2 แกปแบบแท่ง �า��า�ร�า� �� 2 �� แก�แ��แท�ง��การ��ด�ัง� ส�ง�ัก��ด��วกั� แก�ทรงก�� การ��ด�ัง� ��แ�ว�� แ��การ��ด�ัง� ��แ�ว�ัง� ดังรู�ท�� 2

ก� การ��ด�ัง� ��แ�ว��

�� การ��ด�ัง� ��แ�ว�ัง� รู�ท�� 2 การ��ด�ัง� แก�แ��แท�ง ��



อ�เล�ก�ตรดแท่งทําจากเหล�กเหน�ยวหรือทองเหลืองท��ม�หน้าตัดเป� นส��เหล��ยมจต�รสั ม�ความ กว้างระหว่าง 1� mm ถึง 2� mm ปลายแท่งตัดเร�ยบตัง� �าก ปล่อย�ห้ม�ขอบคม เ�ื�อเป� นตําแหน่งเร�ม� เก�ดเบรกดาวน� ปลายแท่งท��ต่อกับแรงดันสูงต้องห่างจากวัสด�ท� ต่อลงด�นและ�นังอย่างน้อย � m แรงดันเบรกดาวน�กระแสตรงทัง� สองขัว� ท��ส�าวะมาตร�าน ( U0 ) คํานวณได้จาก (7.2)

U 0 = 2 + 0.534d

เมื�อ

คือ ระยะแกป (mm)

d

สมการท�� 7.2 ม�ความถูกต้องเท��ยงตรง 3� เมื�อระยะแกปอยู่ระหว่าง 2�� mm ถึง 2�� mm และ

ความ�ืน� ( h ) ระหว่าง 1 g/m3 ถึง 13 g/m3 δ

ความสัม�ัน��ระหว่างแรงดันเบรกดาวน�ท� ส�าวะทดลอง ( Ub ) กับแรงดันเบรกดาวน�ท� ส�าวะมาตร�านเป� นดังสมการท�� 7.1 �ดยท��แฟกเตอร�ความ�ืน� k 2 ของแกปแบบแท่งคือ  h  k 2 = 1 + 0.014  - 11  δ  

(7.3)

7.3 การวัดแรงดันค่ายอด วงจรท�� ้ � นการวั ด ค่ า ยอดแรงดั น กระแสสลั บ หรื อ ว� �� ข อง �� ประกอบด้วยได�อด ตัวเก�บประจ� และแอมป� ม�เตอร� ดัง�นรูปท��7.3 i1

C I = i1 + i2

U(t) i1

U

i2 D1

t

D2

mA U(t) t=0

ก)

T 2

T

ข) รูปท�� 7.3 การวัดค่ายอดแรงดันกระแสสลับ

จากวงจร�นรู ปท�� 7.3 กระแสเ�ล��ยท��แอมป� ม�เตอร�อ่านค่าได้จะแปร�ันกับการเปล��ยนแปลง แรงดันตามเวลาดังสมการ

การวั การวัดดทางไฟฟ้ ทางไฟฟ้าาแรงสู แรงสูงง -- 293 293 -T

12 I =  i1 dt T0 I =

ˆ +U

 C C T dU = U   - U  0    T -Uˆ T 2 

(7.4)

�้าแรงดั�ท��วดั ��า� ��ด�วกแ�ะ��า��ด��ท�ากั� ( +Uˆ = - Uˆ ) จะได้ ˆ 2UC T ˆ C I = 2Uf

(7.5)

I 2fC

(7.6)

I =

ดัง�ั�� า��ดแรงดั��า� �ท�ากั� ˆ = U

�วา��ูก�้�ง��งระ��การวัด�� ู�กั��วา��ูก�้�ง��ง��า�วา�จ�ไฟฟ้า �วา�� ง แรงดั� แ�ะ�วา��ท�� ง�รง��งแ�� ร� ��า งไรก� �า��า ��ดแรงดั� ท�� วัด ได้จ ากว� �� าจ ��ด��าดได้�าก��การ�ด�งแ�ะ�� งรู ��แรงดั��ระ�ว�าง�ร�ง� �า� (�� ) ��ราะ จะท�า��้กระแสท��า� �ได้จากแ�� ร��า� �ากกว�าท��วร�� ดังแสดง��รู�ท�� 7.4 U

Dip Voltage

U1sin(t) + U2sin(3t) U1sin(t) U2sin(3t)

t

i iC(t) Imeasured t

รู�ท�� 7.4 รู��แรงดั�ท�� แ�ะกระแสท��ไ��า�แ�� ร�



7.4 โวลต์มิเตอร์แบบไฟฟ้ าสถิต เ�็ �วิ��การวัดแรงดั�สูงระหว่างอิเล็กโตรดแ��ระ�า�คู�่ �า� โดยอา�ัยการเ�ล��ย��ลังงา� ทางไฟฟ้าเ�็ �งา�ทางกล จากรู �ท�� 7.� อิเล็กโตรดด้า�ห�ึ�ง�ูกยึดอยู่ก�ั ท�� ส่ว�อ�กด้า�ห�ึ�งเคลื�อ�ท�� ได้และยึดกั�ส�ริงไว้ เ�ื�อ�้อ�แรงดั� U ระหว่างอิเล็กโตรดท��คา่ ควา�จ�ไฟฟ้า C จะเกิดแรงดึง F ท�า�ห้อิเล็กโตรด�ยั� ส�ริงท��ยดึ กั�แ�่�กระจกยืดตัว แสงจากแหล่งก�าเ�ิดแสงสะท้อ�กั�กระจกเงา และไ��ค� า่ แรงดั��สเกลท��ตดิ ตัง� ไว้ HV U(t) Light Source

Mirror

Axis of Rotation Balancing Weight Scale

s

รู�ท�� 7.� โวลต��ิเตอร�แ��ไฟฟ้าส�ิต �ลังงา�ไฟฟ้าท��ตวั เก็��ระจ�หาได้จาก W =

1 CU 2 2

(7.7)

ระหว่างการเคลื�อ�ท��องอิเล็กโตรดจะ��การเ�ล��ย�แ�ลง�ลังงา� dW = - Fds

(7.8)

เ�ื�อ s คือ ระยะห่างระหว่างอิเล็กโตรด (m) ดัง�ั�� แรงดึงระหว่างอิเล็กโตรดคือ dW ds d 1 U 2 dC  F = -  CU 2  = ds  2 2 ds 

F = -

(7.9)


สําหรับอิเล็กโตรดแบบระนาบคูข่ นาน C =

เ��อ

εA s

(7.10)

A

ค�อ ��น� ท��ของอิเล็กโตรด

ε

ค�อ ส�า��อ�ทางไฟฟ้าของ�นวนท��อ�ูร่ ะหว่างอิเล็กโตรด

แทนส�การท�� 7.10 ลง�นส�การท�� 7.9 ได้แรงด�งระหว่างอิเล็กโตรดเท่ากับ F =

εAU 2 2s 2

(7.11)

โวลต��ิเตอร�แบบไฟฟ้าส�ิต��สา�าร�วัดแรงดันท��ควา�� ตงั� แต่ 0 �� น��งหลา� �� ขนาดแรงดันได้สูง��ง 500 �� ้กาํ ลังไฟฟ้าน้อ��ากเน��อง�ากระหว่างอิเล็กโตรดค�อ�นวน ��ง��้ กระแส�ากตําแหน่งท��วดั แรงดันน้อ��าก 7.5 หม้อแปลงวัดแรงดัน เ�็ น การวัด แรงดัน กระแสสลับ ด้ว �การลดระดับ แรงดัน สูง �ห้�� ข นาดตํ�า ลงเ�� ง�อกับ อ��กร��วดั แรงดันทั�วไ� และเ�็ นวิ��การวัดท��ห้กาํ ลังไฟฟ้าสูง แต่เน��อง�ากค��ส�บัติของห�้อแ�ลง ไฟฟ้าทํา�ห้แรงดันท��วดั ได้��ควา��ิด�ลาดทัง� ทางด้านขนาดและ��เฟส 7.5.1 ห�้อแ�ลงวัดแรงดันแบบควา�เหน��วนํา ห�้อ แ�ลงวัด แรงดัน แบบควา�เหน�� วนํา เ�็ นห�้อ แ�ลงแรงสู ง แบบ�ิ เ ��ท�� ระกอบด้ว�สองขดลวด ขดลวดแรงสูงต่อกับตําแหน่งท��ตอ้ งการวัดแรงดัน ส่วนขดลวดแรง ตํ�าต่อกับเคร�อ� งวัดแรงดัน ดังรู�ท�� 7.�

U1 U2

V

ก) รู�ท�� 7.� ห�้อแ�ลงวัดแรงดันแบบควา�เหน��วนํา



R1

R´2

X´2

X1 I0

U1

Ic

Iu

R0

X0

U´2

U0

ZB (Burden)

ข) รูปท�� 7.6 หม้อแปลงวัดแรงดันแบบความเหน��วนํา (ต่อ) แรงดันสูงท��ตอ้ งการวัดสามาร�คํานว�ได้�ากความสัมพัน�� U1 =

เมื�อ

N1 U2 N2

(7.12)

N1 , N 2

คือ �ํานวนรอบขดลวดแรงสูงและขดลวดแรงตํ�า

U1 , U 2

คือ แรงดันป้อนเข้าและแรงดันขาออกของหม้อแปลงวัดแรงดัน (V)

อ�่างไรก�ตามแรงดันท��คาํ นว�ได้�ากสมการท�� 7.12 �ังม�ความผิดพลาดของขนาด และมุ ม เฟส เนื� อ ง�ากแรงดั น ตก�นองค�ป ระกอบของหม้ อ แปลง�ากกระแสสร้า ง สนามแม่เ หล�ก กระแสกํา ลัง สู�เส�� กระแสท�� ไหลไป�ัง �หลดและเครื�องมื อวัดท�� ม� � าระ (burden) เท่ากับ ZB �ด�ม�แผน�าพเฟสเ�อร�ดงั รูปท�� 7.7

jI2X2 jI1X1

I1R1

I2R2

I1 U2

I2 Ic I0

Iu

U1 a

รูปท�� 7.7 แผน�าพเฟสเ�อร�ของหม้อแปลงวัดแรงดันแบบความเหน��วนําข�ะต่อ�หลด ตามมาตราฐาน IEC Publ.No.60044-2, Instrument transformers – Part 2: Inductive voltage transformer [44] ได้ก ํา หนดความผิ ด พลาดทางขนาด ( ε a ) ความ ผิดพลาดมุม ( ε ph ) และระดับ�ัน� ความ�ูกต้องเมื�อแรงดันม�ค่าระหว่าง �0� ��ง 120� ของ


แรงดัน��กดั และ�าระระหว�าง 25% ��ง 100% ของ�าระ��กดั ท��ตวั ประกอบก�าลัง 0.� แบบ ล้าหลัง ดังตารางท�� 7.4 ตารางท�� 7.4 ข้อก�าหนด�วาม��ด�ลาดของหม้อแปลงวัดแรงดันแบบ�วามเหน��วน�าตาม มาตราฐาน IEC Publ.No.60044-2 [44] ระดับ�ัน�

εa

0.1 0.2 0.5 1.0 3.0

(%)

0.1 0.2 0.5 1.0 3.0

ε ph .

minlxxxi 5 10 20 40 -

centiradianlxxxii 0.15 0.3 0.6 1.2 -

7.5.2 หม้อแปลงวัดแรงดันแบบตัวเก็บประจุ การวัดแรงดันสูงมากด้ว�หม้อแปลงวัดแรงดันแบบ�วามเหน��วน�าท�า�ห้เก�ดปั �หา เร��องการ�นวนท��ม��วาม�ับ�้อนและม��า��้จ�า�สูง เ��อเป็ นการแก้ปั�หาดังกล�าวจ�งเปล��น มา��้หม้อแปลงวัดแรงดันสูงแบบตัวเก็บประจุ ดังรูปท�� 7.� ตัวแบ�งแรงดันแบบตัวเก็บประจุทา� หน้าท��ลดแรงดันท��ตอ้ งการวัด�ห้ม�แรงดันอ�ู��น ระดับปานกลาง และท�า การแปลงแรงดัน ลงอ� ก�รัง� ด้ว�หม้อแปลงวัดแรงดันแบบ�วาม เหน��วน�าจนม�แรงดันต��า�อส�าหรับเ�ร�อ� งวัดแรงดัน เ��อ�ห้ตวั แบ�งแรงดันสามาร�รับ�าระ�นการวัดได้จะต้องท�า�ห้เก�ดเร��แนน��นส�วน วัดแรงดันปานกลางด้ว�การต�อ�วามเหน��วน�า�ดเ�� L อันดับกับขดลวดแรงสูงของหม้อ แปลงแรงดัน ��ง� ��านว�ได้จากสมการ L =

เม��อ

lxxxi lxxxii

ω

1  C1 + C2  ω2

��อ �วาม��เ��งมุมของแรงดัน (rad��)

1 min = 0.017 1 centiradian (crad) = 0.573

(7.13)



IC1

C1

U1

U

C1

U X

L

IB

IC2

VT OP

R

XB

C2

ZB

U2

C2

U2B RB

ก) ส่วนประกอบวงจร ข) วงจรสมมูล รูปท�� .8 หม้อแปลงวัดแรงดันสูงแบบตัวเก็บประจุ เช่ น เด�ยวกับหม้อแปลงวัดแรงดันแบบความเหน�� ยวนํา แรงดัน ท�� วัดได้ยังม�ความ ผิ ด พลาดของขนาดและมุ ม เฟส มาตราฐาน IEC Publ.No.60044-5, Instrument transformers Part 5: Capacitor voltage transformers [45] ได้ก ํา หนดความผิ ด พลาด และระดับชัน� ความ�ูกต้องในขณะใช้งานท��ทุกอุณห�ูมิ ความ��ใช้งานท��าระพิกดั ดังแสดง ในตารางท�� .5 ตารางท�� .5 ข้อ กํา หนดความผิ ด พลาดของหม้อ แปลงวัด แรงดัน แบบตัว เก็ บ ประจุ ต าม มาตราฐาน IEC Publ.No.60044-5 [45] ระดับชัน� 0.2 0.5 1.0 3.0

εa

(%)

0.2 0.5 1.0 3.0

ε ph .

min 10 20 40 -

centiradian 0.3 0.6 1.2 -

หม้อแปลงแรงดันแบบตัวเก็บประจุนอกจากใช้เป็ นอุปกรณ์วดั แรงดันไฟฟ้าแล้ว ยัง สามาร�ใช้เป็ นตัวกรองสั��าณ (coupling condenser) ของระบบส��อสารท��อยู่ในระบบส่ง จ่ายกําลังไฟฟ้าได้ดว้ ย


7.6 อิมพีแดนซ์ตอ่ อันดับ การวัด แรงดัน ด้ว ยอิ ม พี แ ดนซ์ต่ อ อัน ดับ เป็ น การวัด แรงดัน ทางอ้อ มโดยอาศัย กฎของ โอห์ม (7.14)

U = IZ

เมื�อ

I Z

�ือ กร�แสที�ไหล�่านอิมพีแดนซ์ Z (A) �ือ อิมพีแดนซ์ท�ีทราบ�่า ()

จากรู ปที� 7.9 กร�แสจ�ไหล�่านแอมป์ มิเตอร์ท�ีมี�่าอิมพีแดนซ์นอ้ ยมากสามารถล�เลยได้ เพื�อป้องกัน�วามเสียหายที�อาจเกิดกับแอมป์ มิเตอร์�นกร�ีเกิดเบรกดาวน์ขา้ มอิมพีแดนซ์ อ�ปกร�์ ป้ อ งกั น แรงดัน เกิ น (overvoltage protection) เช่ น หลอดแก๊ ส (gas tube) หรื อ วาริ ส เตอร์lxxxiii (varistor) จึงถูกต่อขนานไว้กบั แอมป์ มิเตอร์ I

Z U

A

OP

รูปที� 7.9 การวัดแรงดันด้วยอิมพีแดนซ์ตอ่ อันดับ �วามถูกต้องของการวัดแรงดันอยู่กับ �วามเที� ยงตรงของแอมป์ มิเตอร์ �วาม�งตัวของ อิมพีแดนซ์ท�ีไม่ขนึ � กับอ��ห�ูมิ ไม่เกิดโ�โรนา แล�กร�แสรั�วไหลตาม�ิว�นข��ท�าการวัดแรงดัน

lxxxiii

อ�ปกร�์สารกึ�งตัวน�าที�ยอม�ห้กร�แสไหล�่านเมื�อแรงดันไฟฟ้าที�ตก�ร่อมสูงกว่า�่าที�กา� หนด



7.6.1 ความต้านทานต่ออันดับ ความต้านทานท��นา� มา�ช้ต่ออันดับต้องม�ค่าสูง�อ เ��อ��้กระแสท��ไ��่านม�ค่าไม่ เกิน 1 mA เช่น 1 M�1 �� เป็ นต้น แต่กระแสก็ไม่ควรม�ค่าต��าจนเกินไปจนม��นาด�ก�้เค�ยง กับกระแสรั�วไ��ตาม�ิวตัวต้านทาน ค�อ ไม่นอ้ ยกว่า 0.1 mA �นทางป�ิบตั ิความต้านทาน ท��ช้อาจเป็ นการน�าตัวต้านทานย่อยมาต่ออันดับกัน�ร�อ�ช้�วดต้านทาน เช่น �วด �i-�rlxxxiv มา�ันแบบไร้ความเ�น��ยวน�า แช่�นน�า� มัน�นวนเ��อ�ดการเกิดดิสชาร์จตาม�ิวแ�ะช่วย�น การระบายความร้อน เม��อน�าความต้านทานต่ออันดับไปวัดแรงดันกระแสส�ับจะเกิดความ �ิด��าดด้าน�นาดแ�ะมุมเน��องจากค่าเก็บประจุสเตรย์lxxxv (stray capacitance) Ce ดังรู ป ท�� 7.10 ��ง� สามาร�ปรับแก้ความ�ิด��าด�อง�นาดด้วยการสอบเท�ยบ (cali�rati�n) แ�ะ�ด ความ�ิด��าดทางมุมเฟสได้�า้ ค่าตัวเก็บประจุ�ององค์ประกอบย่อยทัง� �มด C p มากกว่า ค่าเก็บประจุสเตรย์รวม C e ด้วยการติดตัง� ช��ด์อิเ�็ก�ตรด U

R´

C´p

R´

C´p

R´

C´p

R´

C´p

R´

C´p

Cé Cé Cé A

OP

รูปท�� 7.10 การวัดแรงดันสูงด้วยความต้านทานต่ออันดับ

lxxxiv lxxxv

�วด��ะ�สมม�ค� ุ สมบัติทนอุ��ูมิได้สงู ทนทานต่อความช�น� แ�ะสารเคม� สามาร�ดัด��น� รูปได้ง่าย ตัวเก็บประจุแ�งท��เกิดระ�ว่างสองต�าแ�น่งท��ม��ักย์ไฟฟ้าต่างกัน ม��นาด��น� กับรู ปร่าง�องอุปกร�์ เช่น ความสูง�อง�ัว� แรงดันสูงจาก��น� ดิน ม�คา่ ประมา� 10 p��m ��ง 1� p��m


7.6.2 ตัวเก็บประจุตอ่ อันดับ จาก�ลกระทบของ�่าเก็บประจุสเตร�์ในหัวข้อท��่านมา ทําให้การใช้�วามต้านทาน ต่ออันดับไม่เหมาะกับการวัดแรงดันกระแสสลับ ตัวเก็บประจุต่ออันดับจึงถูกนํามาใช้แทน และใช้แอมป์ มิเตอร์แบบ�่ารากเ�ล��กําลังสอง �� ) วัดกระแสท��ไหล �่านตัวเก็บประจุ ดังแสดงในรูปท�� 7.11

C

U

A

รูปท�� 7.11 การวัดแรงดันสูงด้ว�ตัวเก็บประจุตอ่ อันดับ 1

0

1 c10

1 2

c12 0 2

0 2

ก)

ข) รูปท�� 7.12 ตัวเก็บประจุแบบอัดแก�ส ท��มา ��.��l�.�� 0 อิเล็กโตรดการ์ดlxxxvi 1 อิเล็กโตรดแรงสูง 2 ขัว� ต่อสา�เ�เบิล lxxxvi

อิเล็กโตรดเ�ิ�มเติมท��ทาํ ให้สนามไฟฟ้าบริเว�ขอบของอิเล็กโตรดตรวจวัดม�การกระจา�แบบสมํ�าเสมอ



ความ�ูกต้อง�องการวัดแรงดันด้วยวิ�ีนี�� นอยู่กบั ความเที�ยงตรง�องแอมป์ มิเตอร์ ความ�ี��องแรงดัน ความจุไฟฟ้าที�ทราบค่าแน่นอนและมีแฟกเตอร์กา� ลังสู�เสียต��า ซ��งได้แก่ ตัวเก็บประจุแบบอัดแก�ส (�� ) ดังตัวอย่าง�นรูปที� 7.12 7.7 วงจรแบ่งแรงดันสําหรับแรงดันสูงกระแสตรงและกระแสสลับ การวัดแรงดันด้วยวงจรแบ่งแรงดันประกอบด้วยอิมพีแดนซ์สองชุด คือ อิมพีแดนซ์ภาคแรง สูง ( Z1 ) และอิมพีแดนซ์ภาคแรงต��า ( Z 2 ) ท�าหน้าที�แบ่งแรงดันที�ตอ้ งการวัด�ห้กบั เครื�องมือวัดที�ต่อ คร่อมอิมพีแดนซ์ภาคแรงต��า เช่น �วลต์มิเตอร์ หรือออสซิล�ลส�คป ผ่านสายเคเบิลแบบแกนร่วมที�มี ชี ลด์ (�� ) เพื� อหลีกเลี�ยงผล�องค่า เก็ บประจุสเตรย์ �นวงจรแบ่งแรงดันสูง อิมพีแดนซ์แต่ละชุดอาจเป็ นตัวต้านทานล้วน ตัวเก็บประจุลว้ น หรือการต่อผสมระหว่างตัวต้านทาน และตัวเก็บประจุ ��น� อยูก่ บั ชนิด�องแรงดันที�ทา� การวัด 7.7.1 วงจรแบ่งแรงดันแบบตัวต้านทาน การแบ่งแรงดันด้วยการ�ช้ตวั ต้านทานดังรูปที� 7.13 มีอตั ราส่วนการแบ่งแรงดัน คือ R U = 1+ 1 U2 R2

(7.15)

R1 U

U2

R2

EV

รูปที� 7.13 วงจรแบ่งแรงดันแบบตัวต้านทาน


เ�่ น เดี ย วกับ การวัด แรงดัน ด้ว ยตัว ต้า นทานต่ อ อัน ดับ กระแสที� ไ หล�่ า นความ ต้านทานควรมีค่าอยู่ใน�่วง 0.1 �� ึง 1 �� เมื�อคํานึง�ึง�ลของค่าเก็บประจุสเตรย์แล้ว การวัด แรงดัน สูง ด้ว ยวงจรแบ่ ง แรงดัน แบบตัว ต้า นทานจึ ง เหมาะกับ การวัด แรงดัน สูง กระแสตรง ในการวัดแรงดันกระแสสลับ ความเหนี�ยวนําแฝงที�อยู่ในวงจรจะ�ูกนํามาพ�จาร�า ทําให้อตั ราส่วนแรงดันของวงจรเท่ากับ 1

  R + R 2 +  X + X 2  2 U 2 1 2  =  1 2 2 U2    R 2 + X2 

เมื�อ

X1 , X2

แรงดันขาออก

U2

คือ รีแอกแตนซ์แฝงของตัวต้านทาน จะมีมมุ เฟสที�เลื�อนไปจากแรงดันสูง

U

U

R1

และ R 2 ()

เท่ากับ

 X + X2  -1  X 2  θ = tan -1  1  - tan   R + R  1  R2  2 

เพื�อให้แรงดัน U 2 มีมมุ เฟสตรงกันกับแรงดัน แตนซ์ของวงจรควรเป็ นดังนี �

(7.16)

(7.17)

ความสัมพันธ์ระหว่างตัวต้านทานกับรีแอก

X1 X = 2 R1 R2

(7.18)

�ดยทั�วไปตัวต้านทาน�าคแรงสูงจะประกอบด้วยตัวต้านทานย่อยต่ออันดับกัน เก�ด ค่าเก็บประจุสเตรย์ระหว่างจุดต่อกับส��งรอบข้างที�ต่อลงด�นดังแสดงในรู ปที� 7.1�ก �้าให้ค่า เก็บประจุสเตรย์รวมเท่ากับ C e กระแสที�จดุ ต่อแรงสูง i1 และที�จดุ ต่อลงด�น i0 มีคา่ เท่ากับ

เมื�อ

1

 U  ξ  i1 =      R1   sinh  ξ  

(7.19)

 U  ξ  i0 =      R1   tanh  ξ  

(7.20)

ξ =  ZY  2 =  R 1C e ω 


การวัดทางไฟฟ้าแรงสูง - 304 U

~

i1

HV Supply U

i1

Z1 =

U i1

Seen from the supply side

U

Z1 =

i0

U i0

i0 Seen from the earth side

ก) i1

i1

Shield

i

i i0

i0

One piece shield

Subdivided shield

ข) รูปท�� 7.14 ค่า�ก�บประจ�ส�ตรย�และการติดตัง� ��ลด�อิ�ล�ก�ตรดส�า�รับการวัดแรงดันสูง ด้วยวงจรแบ่งแรงดันแบบตัวต้านทาน และได้อตั ราส่วนแรงดันประสิทธผลของวงจร คือ U U = U2 i0 R 2  ξ2  R 2 + R1  1 + j  6 U  = U2 R2

(7.21)


��งจะเห็นว่ามีค่าเปลี�ยนแปลงตามความ�ี�ของแรงดัน ดังนัน� การวัดว��ีนีไ� ม่เหมาะกับแรงดัน กระแสสลับที�มีความ�ี�สงู การต� ด ตั�ง �ี ล ด์อ� เ ล็ ก �ตรดดัง รู ป ที� 7.��ข �่ ว ยให้ก ารกระจายแรงดัน ของวงจรมี ลัก ��ะเป็ น เ�� ง เส้น มากข�น� �่ ว ยลดความเสี� ย งการเก� ด วาบไฟตามผ� ว และทํา ให้ค วาม ผ�ด�ลาดเนื�องจากค่าเก็บประจุสเตรย์ลดลงอีกด้วย 7.7.2 วงจรแบ่งแรงดันแบบตัวเก็บประจุ การวัดแรงดันสูงด้วยวงจรแบ่งแรงดันแบบตัวต้านทานมีขอ้ เสียที�สาํ คัญสองประการ คือ กําลังสูญเสียในตัวต้านทาน และผลของค่าเก็บประจุสเตรย์ ทําให้ไม่เหมาะการวัดแรงดัน ที� มีขนาดและความ�ี� สูงมาก วงจรแบ่งแรงดันแบบตัวเก็บประจุจ�ง�ูกนํามาใ�้แทน ดังรู ป ที� 7.�5 �ดยมีอตั ราส่วนการแบ่งแรงดันเท่ากับ C U = 1 2 U2 C1

(7.22)

�ดยทั�วไปตัวเก็บประจุ�าคแรงตํ�าจะเลือกแบบที�มีกาํ ลังสูญเสียตํ�า เ�่น �น�ดไมก้า หรือ�น�ด ��ลีสไตรีน เป็ นต้น และอาจมีการขนาน�าคแรงตํ�าด้วยความต้านทานค่าสูง เ�ื�อลดความ ผ�ด�ลาดที�เก�ดจากประจุตกค้างในตัวเก็บประจุ C 2 หรือเครือ� งมือวัด

C´1

Cé

C´1

U

U2

I2

รูปที� 7.�5 วงจรแบ่งแรงดันแบบตัวเก็บประจุเมื�อค�ดรวมผลค่าเก็บประจุสเตรย์



ตัวเก็บประจุภาคแรงสูง��ใช้กันอยู่สองชนิด คือ ตัวเก็บประจุแบบอัดแก�สท��แฟก เตอร�กาํ ลังสู�เส�ยตํ�า ทําให้�ลการวัด��ควา��ิดพลาดน้อย และตัวเก็บประจุย่อยชนิดเ�รา �ิกส�หรือพอลิเ�อร�ต่ออันดับกัน สนา�ไฟฟ้าค่าสูงท��จุดต่อกับส่วนท��ต่อลงดิน ทําให้เกิดค่า เก็บประจุสเตรย��ง�ึ ส่ง�ลต่อค่าควา�จุไฟฟ้ารว�ของภาคแรงสูง ดังแสดงในรูปท�� 7.�5 อัตราส่วนการแบ่งแรงดันเ�ื�อคิดรว��ลค่าเก็บประจุสเตรย� หาได้จาก U = U2

เ�ื�อ

C1 =

C1 + C2  C  C1 1 - e   6C1 

(7.23)

C1 n

Ce = nCe

n

คือ จํานวนตัวเก็บประจุยอ่ ยต่ออันดับในภาคแรงสูง

เพื�อลด�ลของค่าเก็บประจุสเตรย� ตัวเก็บประจุภาคแรงสูงควร��ขนาดให�่ แต่ตอ้ งไ�่ให�่ จนเกินไปlxxxviiเพราะจะทําให้ระบบวัดกลายเป็ นโหลดของแหล่งจ่าย 7.8 วงจรแบ่งแรงดันสําหรับแรงดันอิมพัลส์ แรงดันอิ�พัลส�เป็ นแรงดันท��การเปล��ยนแปลงอย่างรวดเร็วและคงอยู่ในช่วงเวลาสัน� เพื�อให้ สา�ารถวัดขนาดและรู ปคลื�นของแรงดันได้อย่างถูกต้อง วงจรแบ่งแรงดัน�ึง� รว�ถึงการต่อสายตัวนํา จะต้องพิจาร�าถึงลัก��ะส�บัติการถ่ายโอน (�� i��) จากการป้อนแรงดันรู ปขัน� (��p v�l��) ท��ขวั� ต่อแรงสูงของวงจรแบ่งแรงดัน เ�ื�อแรงดันรูปขัน� ��ควา�สั�พัน��ดงั ส�การ 0 , t < 0 U step =  1 , t > 0

(7.24)

และวัดแรงดันขาออกท��ขวั� ต่อแรงตํ�าของวงจรแบ่งแรงดันหรือ�ลตอบสนองรู ปขัน� (��p ��p��) ได้เป็ น g  t แรงดันขาออก u 0  t  ของวงจรแบ่งแรงดันท��แรงดันป้อนเข้า u i  t  ใดๆ หาได้จาก u 0  t =

t

   t-λ  dλ  u  tg i

0

เ�ื�อ lxxxvii

g  t 

คือ อนุพนั ��อนั ดับหนึ�งของ�ลตอบสนองรูปขัน�

อยูใ่ นช่วง 200 pF ถึง 500 pF

(7.25)


�วา�� ด ��าด��งการวัด แรงดั� �� ู�กั� ว� า รู � �� ง��ส��งรู � �ั�� วา� ��กั�แรงดั�รู��ั�� ง�ด ��ง� ��าร�าได้�าก�� ท��ท��ูร� ��ว�าง��ส��งรู��ท��วดั ได้�ร�ง กั��ส��งรู��ด��lxxxviii ดังรู�ท�� 7.16 f(t)

b

1 a t

0 f(t) c

1

0

t

รู�ท�� 7.16 ��ส��งท�� ไ�ได้��งการวัดแรงดั��ั�ส�ดว้ �วง�รแ��งแรงดั� � วง�รแ��งแรงดั�แ��ัว�้า�ทา�ท��วา��ว��า��า�แรงสูง � วง�รแ��งแรงดั�แ��ัว�้า�ทา�ท��วา��ว��า��า�แรง��า � วง�รแ��งแรงดั�แ��ัว�ก��ร��ท��วา��ว��า��า�แรงสูง

lxxxviii

��ส��งท��รู��ด��วกั�สั��า�รู��ั�� ท�ก�ร�การ



เน��องจาก��น� ที�ท�ีได้จากรู �ที� 7.1� มี�น่วยเ�� นเวลา ทํา��้ถูกเรียกว่า เวลาตอบสนองของ วงจรแบ่งแรงดัน �� งควรมีค่าน้อยและมีการเข้าสู่�าวะอยู่ตวั น้อยกว่า�่วงเวลาขา ข�น� �� ของแรงดันไฟฟ้าที�ตอ้ งการวัด 7.8.1 วงจรแบ่งแรงดันแบบตัวต้านทาน ความจุสเตรย์ลงดิน C e ของวงจรแบ่งแรงดันมีผลต่อความถูกต้องของการวัด จาก สมการที� 7.1� และ 7.�0 เม�� อ

Z = R1

และ

dCe จะได้ เ วลาตอบสนองของ dt CR CR - e 1 และ e 1 ตามลําดับ ความ 3 6

Y=

กระแสไฟฟ้าที�ขวั� แรงสูงและที�จุดต่อลงดินเท่ากับ

ต้านทาน�าคแรงสูงไม่ควรมีคา่ สูงเกินไ�เ��อ��้เวลาตอบสนองของวงจรมีคา่ ตํ�ากว่าเวลาขา F(T) 2.2



2.0 1.8

b

1.6 1.4 1.2

c

1.0 0.8

i1

a

0.6

U Ce

0.4

i0

0.2 0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7CeR1

T

รู�ที� 7.17 ผลตอบสนองของวงจรแบ่งแรงดันแบบความต้านทานเม��อวัดแรงดันอิม�ัลส์ �ดยที� � กระแสที�จดุ ต่อลงดิน � กระแสที�ขวั� แรงสูง � แรงดันขาออก เม��อ

RC L = 1 e R2 6


��น� ��งแรงดัน��ัลส� เ��ต้�งการเวลาต�บ��งวงจรแบ่งแรงดันท��สนั� �า�แรงต��า�วรเล��ก �ง��ประก�บท��้เวลาต�บสน�ง�กล้เ��งกับเวลาต�บสน�ง��ง�า�แรงสูง �นกร��ท��วา� ต้านทาน�า�แรงต��า��า่ น้��lxxxix การเล��ก��้�า่ �งตัวเวลา��ง�า�แรงต��า��า่ เท่ากับ RC L = 1 e R2 6

(7.26)

จะสา�าร�ลดเวลาต�บสน�ง��งวงจรแบ่งแรงดันลงได้�ากดังแสดง�นรูปท�� 7.�7 7.8.2 วงจรแบ่งแรงดันแบบตัวเก็บประจุ ��จาร�าวงจรแบ่งแรงดัน�นรูปท�� 7.�8 r1

L1

C1

R1

U r2

L2

C2

U2 R2

รูปท�� 7.�8 วงจรแบ่งแรงดันแบบตัวเก็บประจุเ��วัดแรงดัน��ัลส� r1 , r2 �� วา�ต้านทาน��งตัวน�า�า�แรงสูงและแรงต��า L1 , L 2 �� วา�เ�น��วน�าแ�ง�น�า�แรงสูงและแรงต��า C1 , C 2 �� ตัวเก็บประจุ�า�แรงสูงและแรงต��า R 1 , R 2 �� วา�ต้านทานรั�วไ�ล��งตัวเก็บประจุ�า�แรงสูงและแรงต��า �ลต�บสน�ง��งวงจรแบ่งแรงดันจะ��การแกว่งแบบ�น่วงด้ว��วา��และ�่า�งตัว เวลาเท่ากับ lxxxix

�ง��ประก�บส่วน��่เป็ น�วา�เ�น��วน�า


การวัดทางไฟฟ้าแรงสูง - 310 1

2 C1 + C2 1  f =   2π   L1 + L 2  C1C2 

 =

(7.27)

L1 + L2 r1 + r2

(7.28)

ถ้าความต้านทานรั�วไหลไม่เ�� นสัดส่วนกับค่าความจุไฟฟ้า ( R1C1  R 2C2 ) แรงดันขาออก ที��าว�คงตัวจ�ลดลงตามเวลาด้วยอัตราส่วน

R 2C2 R1C1

การแกว่งของผลตอบสนองxcสามารถขจัดได้ดว้ ยการต่อความต้านทานอนุกรมกับ ตัวเก�บ�ร�จุ�าคแรงสูงเพ��อ�ห้ความต้านทานรวมของวงจรเท่ากับ 1

R damp

  L + L2  C1 + C1   2 = 2 1  C1C2  

(7.29)

ความต้านทานที�ได้จากสมการที� 7.29 อาจแบ่งออกเ�� นความต้านทานย่อยต่ออันดับกับตัว เก� บ�ร�จุ ท�า�ห้ได้วงจรแบ่งแรงดันแบบตัวเก� บ�ร�จุมีความต้านทานหน่วงกร�จาย ที� มี ลัก�ณ�เ�� นตัวแบ่งแรงดันแบบตัวต้านทานเม��อวัดแรงดันความถี�สงู แล�ตัวแบ่งแรงดันแบบ ตัวเก�บ�ร�จุเม��อวัดแรงดันความถี�ต�า 7.8.3 เคเบิลวัดสัญญาณ แรงดันขาออกของวงจรแบ่งแรงดันจ�ถูกส่งจาก�าคแรงต��าไ�ยังเคร��องม�อวัดผ่าน สายเคเบิลที�มีการลดทอนสัญญาณต��า เ�่น สายเคเบิลแบบแกนร่วม (coaxia� ca��e) แล� เพ��อ�้องกันการส�ท้อนกลับของสัญญาณต้องมีการ�ส่ความต้านทานที�มีขนาดเท่ากับเสิรจ์ อิม พี แดนซ์ของสายเคเบิล ( Zw )ร�หว่างวงจรแบ่งแรงดันกับเคร��องม� อวัด ซ��ง เรียกความ ต้านทานดังกล่าวว่า ความต้านทานสมคู่ (matching resistor) �นกรณีวงจรแบ่งแรงดันแบบตัวต้านทานจ�ต่อความต้านทานสมคู่ไว้ท�ี�ลายของ สายเคเบิลขนานกับเคร��องวัดดังรู �ที� 7.19ก ซ�ง� มีผลท�า�ห้อตั ราส่วนการแบ่งแรงดันของวงจร เ�ลี�ยนไ�ตามความถี�ของแรงดัน

xc

ผลตอบสนองมีการแกว่งแบบหน่วงวิกฤต

การวั การวัดดทางไฟฟ้ ทางไฟฟ้าาแรงสู แรงสูงง -- 311 311 -U

R1

Zw, Rw, Tw

R2

Zw

CRO

ก) U

U

R1

R1

Rw

R2

Zw

ข)

U2

R2

Zw

U2

ค)

รู�ท�� 1� การ��ด�ัง� ควา��้า�ทา�ส�คู�� ้ก�ั วง�รแ��งแรงดั�แ��ัว�้า�ทา� - ท��ควา��สงู สั��า��ค��วัด�� ัว�้า�ทา�ท��ข�าด�ท�ากั� ข�า�กั�ทาง�ข้าข�งสั��า� ดังวง�รส��ู��รู�ท�� 1�ข

Zw


การวัดทางไฟฟ้าแรงสูง - 312 R R U = 1 1  1 U2 Zw R 2

(7.30)

- ที�ความ�ี�ต�า สัญญาณจะเ��นเคเบิลวัดเ�� นตัวต้านทานที�มีขนาดเท่ากับ R w ต่อ อนุกรมกับความต้านทานสมคู่ท�ีมีความต้านทานเท่ากับ Zw ดังวงจรสมมูลใน รู�ที� 7.1�ค R RR R R U = 1+ 1 + 1 + w + 1 w U2 Zw R 2 Zw R 2 Zw

(7.31)

ส�า�รับวงจรแบ่งแรงดันแบบตัวเก�บ�ระจุ ความต้านทานสมคู่จะต่ออันดับที�ตน้ ทาง สายเคเบิลวัดดังรู �ที� 7.20 ท�าใ�้สญ ั ญาณที�เคล��อนเข้าไ�ในสายเคเบิลมีขนาดเ�ียงคร�ง� �น��ง จากการแบ่งแรงดันระ�ว่างความต้านทานสมคู่และเสิรจ� อิม�ีแดน�� เม��อสัญญาณเคล��อนที� ไ��ง�ลายสายเคเบิล��งต่อกับเคร��องวัดที� มีอิม�ี แดน��ขาเข้าสูงจะเกิ ดการสะท้อนกลับ เท่าตัว แรงดันรวมที� เคร��องวัดจ�งมี ขนาดเท่ากับแรงดันที� ตอ้ งการวัด และเม�� อสัญญาณที� สะท้อนกลับเคล��อนที�ไ��งต้นสายเคเบิลที�มีความต้านทานสมคู่ต่ออันดับอยู่ก�จะไม่เกิดการ สะท้อนของสัญญาณอีก U

C1

Zw

C2

Zw, Rw, Cw,Tw

CRO

รู�ที� 7.20 การติดตัง� ความต้านทานสมคูใ่ �้กบั วงจรแบ่งแรงดันแบบตัวเก�บ�ระจุ เม��อวัดแรงดันความ�ี�สงู �้าเวลาการคาย�ระจุของตัวเก�บ�าคแรงต��า C 2 น้อยกว่าเวลาใน การเคล��อนที� ของสัญญาณในสายเคเบิล Tw ความจุไฟฟ้าของสายเคเบิลจะไม่มีผลต่อ


อัตราส่วนการแบ่งแรงดัน แต่�า้ เวลาการคายประจุมากกว่าสองเท่าของเวลาในการเคลื�อนที� ของสั��า�ในสายเคเบิล อัตราส่วนการแบ่งแรงดันที�เปลี�ยนไปคือ C + Cw U = 1+ 2 t ;  2Tw U2 C1

(7.32)

เช่นเดียวกับวงจรแบ่งแรงดันแบบตัวเก็บประจุ วงจรแบ่งแรงดันแบบตัวเก็บประจุมีความ ต้านทานหน่วงจะติดตัง� ความต้านทานสมคู่อนั ดับที�ตน้ ทางสายเคเบิล �ดยความต้านทาน สมคู่ มี ข นาดเท่ า กั บ Z w - R 2 ขนาดแรงดั น ที� เ ข้ า ไปในสายเคเบิ ล มี ข นาดเท่ า กั บ  Zw  U2   ทํา ให้แ รงดัน ที� ว ัด ได้มี ค วามผิ ด พลาด ซึ�ง สามาร�ยอมรับ ได้ห ากความ  2Z w - R 2  ต้านทาน R 2 มีคา่ น้อย

7.9 การวัดกระแสทรานเซีย� นต์ กระแสทรานเซีย� นต์ท�ีเกิดขึน� ตาม�รรมชาติหรือที��กู สร้างขึน� เพื�อใช้ในการทดสอบอุปกร�์ ไฟฟ้าสามาร�วัดได้หลายวิ�ี �ดยที�นิยมใช้มีอยูด่ ว้ ยกันสองวิ�ี คือ 7.9.1 ความต้านทานชันท์ เป็ นการวัดกระแสผ่านแรงดันที�ตกคร่อมความต้านทานตํ�า รู ปที� 7.21 แสดงความ ต้านทานชันท์ท�ีมีส�ีขวั� กระแสทรานเซีย� นต์ I จะไหลผ่านขัว� X และ X  ทําให้เกิดแรงดัน U ระหว่ า งขั� ว Y และ Y  ภายใต้ แ รงดั น กระแสสลั บ ชั น ท์ จ ะมี อิ ม พี แ ดนซ์ เ ท่ า กั บ R + jωL เมื� อ R และ L คื อ ความต้า นทานและความเหนี� ย วนํา ประสิ ท �ิ ผ ล เพื� อ ให้ สามาร�วัดกระแสที�มีความ�ี�สูง ควรออกแบบให้ชันท์มีความต้านทานประสิท�ิ ผลเท่ากับ ความต้านทานกระแสตรงและค่า

ωL  1 R

ซึ�งขึน� อยู่กบั ความหนาของตัวต้านทานที�ตอ้ งมี

ค่าน้อยกว่าความลึกเชิงผิวxci (skin depth)

1

 ρ 2 ds =    πμf 

เมื�อ

xci

ρ

คือ สภาพต้านทานไฟฟ้าของวัสดุ (   m )

μ

คือ ความซาบซึมได้ของวัสดุ (H/m)

f

คือ ความ�ี�สงู สุดของกระแสที�วดั (H�)

(7.33)

ระดับความลึกจากผิวที�กระแสไฟฟ้ากระจายอยู่ภายในตัวนํา �ดยความหนาแน่นกระแสที�มากที�สดุ อยู่ใกล้กบั ผิวตัวนํา และลดลงตามระดับความลึกในตัวนําที�มากขึน�



�ด�ทั�วไ�ความต้านทานชัน� ท์แ�่งออกเ�� นสองรู�แ�� ค�อ ความต้านทานชัน� ท์แ�� เส้น คู่xcii (�i�i�� c�i�) ที� ใ ช้เ �� น ขดลวดท�ต� � �ูม� ข องหม้อ แ�ลงวัด กระแสและอ�� กร�์วัด กระแสทรานเ�ี �� นต์ท�ี มี พ� กั ด ไม่ สูง มาก และอี ก แ��หน�� ง ค� อ ความต้า นทานชั น ท์แ �� ทรงกระ�อก�้อนแกนร่วม (c��xi�� ) ที�มีความต้านทานต��าในระดั�ไม�คร�อห์มท�าให้ สามาร�วัดกระแสที�มีคา่ สูงมากได้ วง�รสมมูลของการวัดกระแสทรานเ�ี�� นต์�ด�ใช้ความต้านทานชันท์แสดงในรู �ที� 7.�1ก �ลของความเหนี��วน�า L ในการวัดกระแสสามาร��ระเม�นได้�าก�้อนกระแสรู�ขัน� (�� c��) แรงดันที�ตกคร่อมอ�มพีแดน�์ Z ที�คด� รวม�ลของสา�เคเ��ลวัดสั��า�และ ความต้านทานสมคู่ มีความสัมพันธ์ดงั สมการ ut

เม��อ

T



 R   Z  - Tt  = IZ  + e   R + Z   R + Z  

ค�อ ค่าคงตัวเวลา (�) ��ง� มีคา่ เท่ากั�

(7.34)

L R+Z

�ด��ลตอ�สนองของแรงดันที�ตกคร่อมความต้านทานชันท์แสดงในรู�ที� 7.�1ข

ก) รู�ที� 7.�1 วง�รสมมูลและ�ลตอ�สนองของการวัดกระแสทรานเ�ี�� นต์ดว้ �ความ ต้านทานชันท์

xcii

ขดลวดที�พนั ด้ว�ลวด�ักสองเส้นขนานกัน เว้นระ�ะอ�่างใกล้ช�ด �ด�ฟลัก�์แม่เหล�ก�ากขดลวด�ะข�น� กั�ท�� ทางการไหลของกระแสในขดลวดแต่ละเส้น

การวั การวัดดทางไฟฟ้ ทางไฟฟ้าาแรงสู แรงสูงง -- 315 315 -IZ

ZR I Z+R

t

ข) รู�ท�� 7.21 วง�รสมมูลแล�ผลตอ�สนองของการวัดกร�แสทรานเ��ย� นต์ดว้ ย�วาม ต้านทานชันท์ (ต่อ) 7.�.2 �รกอฟสก�� อยล์ �รกอฟสก�� อยล์ (�� ) เ�็ นการวัดกร�แสทรานเ��ย� นต์�ดย�ช้หม้อแ�ลง แ��เ��ท��ม�การ�ันลวด�นแกนแ��ทอร์รอยด์ (�� ) แล��ันย้อนกลั�เข้าไ� ภาย�นขดลวดอ� ก หน�� ง รอ�ดั ง แสดง�นรู � ท�� 7.22 ท�า �ห้ แ รงดั น เหน�� ย วน�า ท�� เ ก� ด �าก สนามแม่เหล็กภายนอกขดลวดหักล้างกัน

รู�ท�� 7.22 �รกอฟสก�� อยล์ แรงดันร�หว่างขัว� ของขดลวดท��เก�ด�ากการเ�ล��ยนแ�ลงสนามแม่เหล็กตามเวลาท�� อยูร่ อ�ตัวน�าท��กร�แสทรานเ��ย� นต์ไหลผ่านเ�็ นไ�ตาม�วามสัม�ัน�์ u t

เม��อ

M



= M

di dt

(7.35)

��อ �วามเหน��ยวน�าร่วมร�หว่างขดลวดวัดกร�แสกั�ตัวน�าท��กร�แสไฟฟ้า ไหลผ่าน (H)



กระแสทรานเซ�� น�์ท��อ้ งการวัดจะได้จากการอินทริเกร�สั��าณแรงดันในสมการท�� 7.3� 7.9.3 เซ็นเซอร์วดั กระแสแบบฮอลล์ เป็ นวิ��การวัดกระแสท��อา�ั�ปรากฏการณ์ฮอลล์ (�all e��ect) ท��กล่าวว่าเม��อนําแ�่น �ัวนําบางท��ม�กระแสไฟฟ้าไหล�่านไปวางไว้ในบริเวณท��ม�สนามแม่เหล็ก ประจ��า�ใน�ัวนํา จะเกิ ด การเบนไปจากแนวการเ�ล�� อ นท�� เ ดิ ม ทํา ให้เ กิ ด แรงดัน ไฟฟ้ า ในแนว�ั�ง �ากกั บ กระแสไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กดังแสดงในรูปท�� 7.23 -

+

VH

i

-

-

-

-

-

-

-

-

Bz

+

+

+

+

+

+

+

+

Z

Y i

X

รูปท�� 7.23 ปรากฏการณ์ฮอลล์ เม��อสนามแม่เหล็กม��นาด�งท�� แรงดันฮอลล์ (�all ��lta�e) เป็ นสัดส่วนกับกระแสท��ไหล�่าน �ัวนํา จากนัน� แรงดันจะ�ูก��า�และวัดด้ว�เ�ร�อ� งบันท�กสั��าณ เ�่น ออสซิล�ลส��ป �ด� �วาม��องกระแสท��วดั ด้ว�ฮอลล์เซ็นเซอร์จะอ�ูใ่ น�่วง � �� จน��ง �� 7.10 การวัดสนามไฟฟ้ า สนามไฟฟ้าเป็ น�ารามิเ�อร์ท�ม��วามสํา�ั�ในการออกแบบและสร้างอ�ปกรณ์ไฟฟ้าแรงสูง �ด�อา�ั��วามสัม�ัน�์ท��วามหนาแน่น�องฟลักซ์ไฟฟ้า D เป็ นสัดส่วนกับสนามไฟฟ้า E เม��อ �วามหนาแน่น�องฟลักซ์ไฟฟ้าเปล��น�ามเวลาเน��องจากปรากฏการณ์�รรม�า�ิหร�อการเ�ล��อนท�� ทางกลจะทําให้เกิดกระแสการกระจัด (displacement current)

การวั การวัดดทางไฟฟ้ ทางไฟฟ้าาแรงสู แรงสูงง -- 317 317 -  dD Jd = dt

(7.36)

7.10.1 โพรบวัดสนามไฟฟ้า ม� โ ครงสร้า งเป็ น ตัว เก็ บ ประจุไ ฟฟ้า ท�� ประกอบด้ว ยอิเ �็ก โตรดแ�่น ก�มท�� ว างอยู่ ภายในแ�่นอิเ�็กโตรดท��ตอ่ �งดิน โดยม�วงแหวน�นวนคั�นอยู่ระหว่างอิเ�็กโตรดทัง� สองดังรู ป ท�� 7.�� g

Probe

Electrode

Shielding box

Coaxial cable

Cm

รูปท�� 7.�� โพรบวัดสนามไฟฟ้า สนามไฟฟ้าจะทําให้เกิดประจุการกระจัด สมการ

เมื�อ

ε0 id

Qd

บนหัวอิเ�็กโตรดท��ม�พืน� �ิวxciiiเท่ากับ

E =

Qd D = ε0 ε0A

E =

1 i d dt ε0A 

A

ดัง

(7.37)

คือ สภาพยอมทางไฟฟ้าของสูญญากาศ (F/m) คือ กระแสการกระจัด (A)

การอินทริเกรตกระแสการกระจัดในสมการท�� 7.37 จะเป็ นสัดส่วนกับแรงดัน U ท��ตกคร่อม ตัวเก็บประจุ Cm ในรูปท�� 7.�� ทําให้สนามไฟฟ้าท��ตอ้ งการวัดสามาร�คํานว�ได้ดงั น� � E =

xciii

พืน� ท��ิวประสิท�ิ��ท��อยูร่ ะหว่างอิเ�็กโตรด

Cm U ε0A

(7.38)



7.10.2 วงล้อวัดสนามไฟฟ้า โครงสร้างของวงล้อวัดสนามไฟฟ้า (electric field mill) ประกอบด้วยโรเตอร์แบบ คร�บ (m�lti��e r�t�r) ท�� ต�อ ลงด� น ��ง �ม�น อยู�ด ้า น�น้า แ�� น เ�� น เ�อร์ดัง รู ป ท�� 7.2� คร�บ โรเตอร์ทา� �น้าท��เป� นก�าบังระ�ว�างสนามไฟฟ้าท��วดั กับแ��นเ��นเ�อร์ Sensor-plate segment Rotor

Electrostatic field, E

Rectifier

Impedance Z

Buffer amplifier

Meter (moving coil)

รูปท�� 7.2� วงล้อวัดสนามไฟฟ้า ประ��ท�เก�ดข�น� บนแ��นเ��นเ�อร์คา� นว�ได้�าก q =

  D  dA

q = ε 0 EA

เม��อ

A

(7.39)

ค�อ ��น� ท��ของแ��นเ��นเ�อร์แต�ละแ��น (m2)

กระแสเ�ล��ยท��เก�ด�ากการ�ม�นของโรเตอร์�าได้�าก T

2 2 dq dt = f  q max - q min  T 0 dt

เม��อ

f

ค�อ ความ��การ�ม�นของโรเตอร์ (��)

(7.40)


คือ ประจุสงู สุดและประจุต�าสุดบนแผ่นเซ็นเซอร์ (�)

q max , q min

กระแสท��ได้จากสมการท�� 7.4� เป็ นกระแสท��ม�ค่าสูงสุด ซ��งเข�ยนในเทอมของค่าความจุไฟฟ้า ได้ดงั น� � i max = Uf  Cmax - Cmin 

(7.41)

ก�า�นดใ�้พืน� ท��เซ็นเซอร์ท�ได้รบั สนามไฟฟ้าม�ความสัมพัน�์เป็ น 1 + sin  ωt   a = A 2

เมื�อ

ω

(7.42)

คือ ความเร็วเชิงมุมของโรเตอร์ (rad/s)

ประจุบนแผ่นเซ็นเซอร์ คือ 1 + sin  ωt   q = ε 0 EA  2

(7.43)

จากรูปท�� 7.25 แรงดันท��ตกคร่อมอิมพ�แดนซ์ Z เท่ากับ dq dt ε ωEAZ u t = 0 cos  ωt  2

u t

เมื� อ อิ ม พ� แ ดนซ์

Z



= Z

ประกอบด้ว ย ความต้า นทาน

R

(7.44) ขนานกั บ ตัว เก็ บ ประจุ

C

ถ้า

 ωRC  1 ค่ายอดแรงดันในสมการท�� 7.44 ม�คา่ ประมา� 2

ˆ = ε 0 EA U 2C

(7.45)

7.11 การวัดดิสชาร์จบางส่วน จากเนือ� �าเรื�องฉนวนประเภทต่าง�ในบทท��ผ่านมา ดิสชาร์จบางส่วนเป็ นสาเ�ตุ�น��งท��ทา� ใ�้ ฉนวนเสื�อมสภาพและเส�ย�าย การตรวจวัดดิสชาร์จบางส่วนจ�งเป็ น�น��งในวิ��สา� คั�ท��ใช้ประเมิน ความเป็ นฉนวนของวัสดุ เมื�อฉนวนอยู่ภายใต้แรงดันไฟฟ้าสูง ดิสชาร์จบางส่วนจะท�าใ�้เกิดพัลส์ กระแสท��ม�รูปแบบเฉพาะ 7.11.1 วงจรสมมูลดิสชาร์จบางส่วน การเกิดดิสชาร์จบางส่วนในฉนวนสามารถอ�ิบายได้ดว้ ยวงจรสมมูลในรู ปท�� 7.2� โพรงภายในฉนวนจะแทนด้วยตัวเก็บประจุ Cc ขนานกับสปาร์กแกป ฉนวนท��ต่ออนุกรมกับ



โพรงแทนด้วยตัวเก็บประจุ Cb และฉนวนสมบูร�์ท�ีลอ้ มรอบอยู่แทนด้วยตัวเก็บประจุ Ca เมื�อป้อนแรงดันกระแสสลับตัวเก็ บประจุ Cc ถูกอัดประจุจนมีแรงดันเท่ากับ U1 โพรง (สปาร์กแกป) เกิดเบรกดาวน์ทาํ ใ�้แรงดันที�ตกคร่อมโพรงยุบตัวลงเ�ลือ U2 เมื�อการเบรก ดาวน์�ยุดลง แรงดันของโพรงจะเพิ�มข�น� จนถ�ง U1 และเกิดเบรกดาวน์ในโพรงใ�ม่อีก�ํา� ต่อเนื�อง

รูปที� 7.26 วงจรสมมูลของการเกิดดิสชาร์จ�ายใน ดิสชาร์จบางส่วนในฉนวนวัดได้จากการถ่ายโอนประจุ q1 ในโพรง เนื�องจากโพรงมีขนาดเล็ก มากเมื�อเทียบกับวัสดุฉนวนที�ตรวจวัด จะได้วา่ q1 

เมื�อ

 Cb

+ Cc  ΔU

(7.46)

ΔU = U1 - U 2

อย่า งไรก็ ต ามประจุ q1 ที� เ กิ ด ในโพรงไม่ส ามารถวัด ได้โ ดยตรง แต่ใ นข�ะเกิ ด ดิสชาร์จจะมีประจุถ่ายเท�่านสายตัวนํา ประจุนีเ� รียกว่า ประจุปราก� (�� ) และถูกนํามาใช้ในการประเมินการเกิดดิสชาร์จบางส่วน โดยที� (7.47)

q  CbΔU

แรงดันที�วสั ดุฉนวนที�ลดลงจากการถ่ายเทประจุปราก� เท่ากับ  Cb δU =   Ca + Cb

  ΔU 

(7.48)

และกําลังของการเกิดดิสชาร์จบางส่วน คือ 1 Cc  U12 - U 22  2 1 P = Cc U  U1  U 2  2 P =

ถ้า

U2

มีคา่ น้อยมาก สมการที� 7.49 เขียนใ�ม่ได้เป็ น

(7.49)

การวั การวัดดทางไฟฟ้ ทางไฟฟ้าาแรงสู แรงสูงง -- 321 321 -P 

Ui

1 Cc U U1 2

(7.50)

แรงดันที��พรงเกิดเบรกดาวน์�าได้จากแรงดัน�ายนอกที�วสั ดุ�นวนเริ�มเกิดดิสชาร์จ ดังสมการ  Cb U1    Cb + Cc

  Ui 

(7.51)

ดังนัน� P =

เมื�อ C b

 Cc

 Cb  1 C c U   Ui 2  Cb + Cc 

(7.52)

จะได้วา่ 1 Cb U Ui 2 1 P  q Ui 2

P 

(7.53)

7.11.2 วงจรวัดดิสชาร์จบางส่วน วงจรพืน� �านส�า�รับวัดดิสชาร์จบางส่วนแสดง�นรูปที� 7.27 Z

Alternative position for A A Cpd

~U

Ck

OL

CC Zm

A

MI

รูปที� 7.27 วงจรพืน� �านการวัดดิสชาร์จบางส่วน คือ วัสดุท�ีทดสอบ C k คือ ตัวเก�บประจุคาบเกี�ยว Zm คือ อิมพีแดนซ์ขาเข้าของระบบวัด OL คือ การเชื�อมต่อด้วยเส้น�ยแก้วน�าแสง A คือ ตัวขยายสัญญาณ CC คือ สายเคเบิล ั Z คือ ตัวกรองความ�ี� MI คือ อุปกรณ์วด

Cpd

Ck



7.11.2.1 อิมพีแดนซ์วดั ดิสชาร์จบางส่วน อิมพีแดนซ์ท�ีใช้ในการวัดดิสชาร์จบางส่วนสามาร�ติดตัง� ได้สองลัก�ณะ คือ ต่ออันดับกับวัสดุท�ีตอ้ งการทดสอบหรือต่ออันดับกับตัวเก็บประจุคาบเกี�ยว อย่างไรก็ ตาม�้าวัสดุท�ีทดสอบมีขนาดใหญ่ เพื�อป้องกันไม่ให้กระแสอัดประจุของวัสดุทดสอบ Cpd ที�มีค่าสูงไหลผ่าน อิมพีแดนซ์ตรวจวัดจะ�ูกต่อกับตัวเก็บประจุคาบเกี�ยวดังรู ปที� 7.27 ให้อิมพีแดนซ์ตรวจวัด Zm ประกอบด้วยตัวต้านทานไร้ความเหนี�ยวน�า R m ขนานกับตัวเก็บประจุ Cm แรงดันตกคร่อมอิมพีแดนซ์ตรวจวัดที�เปลี�ยนแปลงตาม เวลา คือ u t

เมื�อ

q

α =



=

q C   Cpd + Cm + 1 + pd  Ck  

e

-

t αR m

(7.54)

คือ ประจุปรากฎ (C) Cpd Ck

Cpd + Ck

+ Cm

7.11.2.2 วงจรขยายสัญญาณ แรงดันที�ตกคร่อมอิมพีแดนซ์ตรวจวัดเป็ นสัญญาณความ�ี� สูงที�มีขนาดเล็ก ต้อง�ูกขยายให้มีขนาดใหญ่ก่อนเข้าเครื�องมือวัด วงจรขยายที�ใช้จ�งต้องมีแบนด์วิดท์ (��) ครอบคลุมความ�ี�การเกิดดิสชาร์จ อย่างไรก็ตามช่วงแบนด์วิดท์ท�ีกว้าง จะท�าให้สญ ั ญาณรบกวน�ูกขยายไปด้วย เพื�อให้สญ ั ญาณที�วดั มีความผิดพลาดน้อย ค่า คงตัว เวลาของวงจรขยายต้อ งมี ค่า เท่ า กับ ค่ า คงตัว เวลาของวงจรวัด ดิ ส ชาร์จ บางส่วนซ�ง� มีคา่ เท่ากับ  Cpd Ck  τm = R m  + Cm  C + C  k  pd 

(7.55)

7.11.3 การแสดงผลการวัดดิสชาร์จบางส่วน สั ญ ญาณแรงดั น ที� ผ่ า นวงจรขยายจะ�ู ก แสดงผลบนเครื� อ งมื อ วั ด เช่ น ออสซิล �ลส�คป ซ��ง แบ่ง ออกเป็ น สองแบบ คื อ พัล ส์ดิ ส ชาร์จ บน�านเวลารู ป วงรีท�ี แสดง ต�าแหน่งค่ายอดบวก ยอดลบ และต�าแหน่ง�ูนย์ของแรงดันทดสอบดังรูปที� 7.2�ก หรือแสดง ในรูปคลื�นพัลส์ดสิ ชาร์จบน�านเวลารูปคลื�นไซนูซอยด์ดงั รูปที� 7.2�ข


ก)

ข)

รูปที� ��2� การแสดง��ดิสชาร์จบางส่วน ที�มา �ttp��p�ate��ae�e��co��x��x�� ดิสชาร์จบางส่วนแ�่�ะประเภทจะมี�าํ แหน่งแ�ะขนาดข�ง�ั�ส์ท�ีมี�กั ��ะเ��าะ ทํา ให้ส ามารถนํา วิ ธี ก ารรู จ้ าํ แบบ xciv (pattern recognition) มาใช้ใ นการจํา แนกประเภท ดิสชาร์จบางส่วนได้

xciv

สาขาหน��งข�งวิท�าการ��ม�ิวเ��ร์ท�ีมีจด� ประสง�์ในการจําแนกวั�ถ��กเป� นประเภท�ามรู ปแบบข�งวั�ถ� �ด�ใช้เท�นิ�จากสาขา��น� เช่น การประมว��สั��า� ปั ��าประดิ��์ แ�ะสถิ�ิ



คําถามท้ายบทที� 7 7.1 จงอธิ บายลัก ��ะการติด ตั�ง และการจัดวางแกปทรงกลมเพื� อใ�้ในการวัดแรงดัน สูง ตาม มาตรฐาน IEC Publ. No. 60052 7.2 สภาวะบรรยากาศมีผลอย่างไรต่อการวัดแรงดันสูงด้วยแกปทรงกลม 7.3 เหตุใดการวัดแรงดันสูงด้วยแกปทรงกลมจ�งควรทําที�ระยะแกปน้อยกว่ารัศมีของอิเล็กโตรดทรง กลม 7.4 แกปแบบแท่งที�ใ�้ในการวัดแรงดันสูงกระแสตรงตามมาตรฐาน IEC Publ. No. 60052 ต้องมี รูปร่างของอิเล็กโตรดและการจัดวางเป็ นอย่างไร 7.5 ข้อจํากัดของการวัดค่ายอดแรงดันกระแสสลับด้วยวิธีของ Chubb and Fortescue คืออะไร 7.6 แรงดันสูงกระแสสลับมีรูปคลื�นดังแสดงใน รู ป ที� P7.1 แ ล ะ ส า ม า ร ถ อ ธิ บ า ย ก า ร เปลี�ยนแปลงแรงดันด้วยสมการ U = Um sin  ωt  + 0.3sin  3ωt  

รูปที� P7.1 รูปคลื�นแรงดันสูงกระแสสลับ

ถ้า ทํา การวัด ค่ า ยอดของแรงดัน ดัง กล่ า ว ด้วยวิธีของ Chubb and Fortescue จะทํา ให้เกิดความผิดพลาดมากกว่าหรือน้อยกว่า ค่ายอดจริงกี�เปอร์เซ็นต์

7.7 จงอธิบายหลักการทํางานของโวลต์มิเตอร์แบบไฟฟ้าสถิตย์ 7.8 รู ปร่างและลัก��ะการจัดวางอิเล็กโตรดมีความสัมพันธ์อย่างไรกับความเที�ยงตรงของการวัด แรงดันสูงด้วยโวลต์มิเตอร์แบบไฟฟ้าสถิตย์ 7.9 ข้อดีและข้อเสียของการวัดแรงดันสูงกระแสสลับด้วยหม้อแปลงวัดแรงดันคืออะไร 7.10 ภาระของเครื�องมือวัดคืออะไร และส่งผลกระทบอย่างไรต่อการวัดแรงดันสูงด้วยหม้อแปลงวัด แรงดันแบบความเหนี�ยวนํา 7.11 ทําไมต้องออกแบบให้เกิดการเรโซแนนซ์ในส่วนวัดแรงดันปานกลางของหม้อแปลงวัดแรงดัน สูงแบบตัวเก็บประจุ 7.12 การวัดแรงดันสูงด้วยอิมพีแดนซ์ตอ่ อันดับมีเงื�อนไขการเลือกองค์ประกอบที�นาํ มาใ�้อย่างไร 7.13 ค่าเก็บประจุสเตรย์คืออะไร และส่งผลกระทบอย่างไรต่อการวัดแรงดันสูง


7.14 วงจรแบ่งแรงดันสําหรับการวัดแรงดันสูงแบ่งเป็ นกี�ประเ�ท และมีหลักการเลือกใช้วดั แรงดันสูง กระแสตรง แรงดันสูงกระแสสลับ และแรงดันอิมพัลส์เป็ นอย่างไร 7.15 จงยกตัวอย่างวิธีลดผลค่าเก็บประจุสเตรย์ท�ีเกิดในระบบการวัดแรงดันสูง 7.16 ลักษณะสมบัติการถ่ายโอนของวงจรแบ่งแรงดันสําหรับการวัดแรงดันอิมพัลส์คืออะไร และมี ขัน� ตอนการหาอย่างไร 7.17 การแกว่งของผลตอบสนองของวงจรวัดแรงดันอิมพัลส์แบบตัวเก็บประจุเกิดจากอะไร และ สามารถขจัดออกได้ดว้ ยวิธีใด 7.18 ทําไมเคเบิลสั��าณที�ใช้ในการวัดแรงดันอิมพัลส์ตอ้ งเป็ นสายเคเบิลแบบแกนร่วม 7.19 การสะท้อนกลับของสั��าณที�เกิดในระบบวัดแรงดันอิมพัลส์มีสาเหตุมาจากอะไรและมี วิธีการแก้ไขอย่างไร 7.20

รูปที� P7.2 ระบบวัดแรงดันอิมพัลส์

7.21 7.22 7.23 7.24 7.25

ระบบวัดแรงดันอิมพัลส์ในรู ปที� P7.2 จะสามารถวัดค่าแรงดันได้ถูกต้องหรือไม่ จงอธิ บาย พร้อมให้เหตุผลประกอบ จงอธิบายวิธีการวัดกระแสทรานเซียนต์ดว้ ยความต้านทานชันท์ จงให้เหตุผลประกอบว่าทําไมโครงสร้างของความต้านทานชันท์จึงเป็ นแบบเส้นคู่หรือแบบ ทรงกระบอกซ้อนแกนร่วม โรกอฟสกีค� อยล์มีความแตกต่างจากหม้อแปลงวัดกระแสทั�วไปอย่างไร แผ่นอิเล็กโตรดที�ตอ่ ลงดินมีหน้าที�อะไรในการวัดสนามไฟฟ้าด้วยโพรบวัดสนามไฟฟ้า จงอธิบายหลักการทํางานของวงล้อวัดสนามไฟฟ้า



7.26 ��ด��งไ��สา�าร�วัด��า�ร��ไฟฟ้า�ร�งท��ก�ด�ากด�ส�าร��างส�ว�ท��ก�ด�า��ว�ได้ 7.27 �ัว�ก��ร��า��ก��วท�า��้าท��ไร��การ�รว�วัดด�ส�าร��างส�ว�

- 327 -

บทที� � การทดสอบไฟฟ้ าแรงสูง ระบบไฟฟ้าแรงสูงเป็ นตัวกลางสําคัญในการส่งกําลังไฟฟ้าจากแหล่งพลังงานไปยังผูใ้ ช้ ไฟฟ้า เพ��อให้ระบบไฟฟ้าทํางานได้อย่างถูกต้องและมีเสถียร�าพ อุปกรณ์ไฟฟ้าที�นาํ มาใช้จะต้อง ผ่านการทดสอบการทํางานและคุณสมบัตกิ ารเป็ นฉนวนเม��ออยูใ่ ต้ส�าวะการทํางานปกติหร�อส�าวะ ไม่ปกติ เช่น แรงดันเกินจากปรากฏการณ์ฟ้าผ่า แรงดันเกินจากการทํางานของอุปกรณ์ตดั ต่อ การ ทํางานเกินพิกดั หร�อในส�าพแวดล้อมที�มีมล�าวะ เป็ นต้น ในบทนีจ� ะกล่าวถ�งการทดสอบพ�น� �าน ทางไฟฟ้าแรงสูง ได้แก่ การทดสอบความคงทนอยู่ได้ต่อแรงดัน การทดสอบแรงดันไฟฟ้าคล��นวิทยุ และการทดสอบอุปกรณ์ท�ี สาํ คัญในระบบส่งจ่ายไฟฟ้า ได้แก่ การทดสอบหม้อแปลงไฟฟ้า การ ทดสอบสายเคเบิลแรงสูง และการทดสอบลูกถ้วยฉนวน โดยรายละเอียดของการทดสอบในแต่ละ หัวข้อมีดงั นี � 8.1 การทดสอบความคงทนอยู่ได้ตอ่ แรงดัน เป็ นการทดสอบพ�น� �านสําหรับฉนวนไฟฟ้าด้วยการป้อนแรงดันไฟฟ้าเพ��อสร้างความเค้น ให้กบั อุปกรณ์ในช่วงเวลาหน��งหร�อจนฉนวนเบรกดาวน์ วิ�ีการทดสอบและประเมินฉนวนจะข�น� กับ ชนิดของแรงดันที�ทาํ การทดสอบ ได้แก่ แรงดันสูงกระแสตรง แรงดันสูงกระแสสลับความถี�กาํ ลัง และ แรงดันอิมพัลส์ ระดับของแรงดันทดสอบถูกเล�อกจากแรงดันระบบที�นาํ อุปกรณ์ไปใช้งาน ดังแสดง ในตารางที� 1.3ก ถ�งตารางที� 1.3ค ��งจะเห็นว่าอุปกรณ์ท�ีมีพิกัดไม่เกิน 3�� จะถูกทดสอบด้วย แรงดันกระแสสลับความถี�ต�าํ และแรงดันอิมพัลส์ฟ้าผ่า ส่วนอุปกรณ์ท�ีมีพิกดั แรงดันสูงกว่า 3�� จะทดสอบด้วยแรงดันอิมพัลส์สวิตชิ�ง รายละเอียดในการทดสอบความคงทนอยู่ได้ต่อแรงดันของ แรงดันไฟฟ้าแต่ละชนิดเป็ นดังนี � 8.1.1 การทดสอบด้วยแรงดันสูงกระแสตรง แรงดั น สู ง กระแสตรงถู ก ใช้ ใ นการทดสอบอุ ป กรณ์ ท�ี ติ ด ตั� ง ในระบบสายส่ ง ไฟฟ้าแรงสูงกระแสตรง และยังใช้ในการทดสอบฉนวนที�มีคา่ ความจุไฟฟ้าสูง เช่น สายเคเบิล แรงสูง และตัวเก็บประจุแรงสูง แรงดันทดสอบกระแสตรงต้องมีตวั ประกอบระลอกคล��นไม่เกิน 3� การป้อนแรงดัน เริ�มต้นอาจเพิ�มข�น� อย่างรวดเร็วถ�งประมาณ 7�� ของแรงดันที� ตอ้ งการทดสอบ จากนั�น ค่อย�เพิ�มแรงดันข�น� ด้วยอัตรา 2� ต่อวินาที โดยต้องไม่เกิดการวาบไฟหร�อเบรกดาวน์บน อุปกรณ์ตลอดช่วงเวลา �� วินาที ที�ปอ้ นแรงดันทดสอบ

- 328 - การทดสอบไฟฟ้าแรงสูง

การทดสอบไฟฟ้าแรงสูง - 328 -

8.1.2 การทดสอบด้วยแรงดันสูงกระแสสลับ แรงดันกระแสสลับที�ใ�้ในการทดสอบต้องมีความ�ี�อยู่ใน�่วง �� ง �� มี รู ป คลื� น แบบไ�นู� อยด์ และอัต ราส่ว นค่า ยอดต่ อ ค่ า รากเ�ลี� ย กํา ลัง สอง (rms) เท่ า กับ 2  5% เพื� อ ไม่ ใ ห้เ กิ ด แรงดัน ตกเมื� อ เกิ ด ดิ ส �าร์จ แหล่ ง จ่ า ยแรงดัน จะต้อ งมี ค วามจุ ไฟฟ้าประมาณ 1,000 pF และกระแสลัดวงจรไม่นอ้ ยกว่า 1 A สําหรับการทดสอบในภาวะ แห้ง กระแสลัดวงจรของแหล่งจ่ายแรงดันในระดับ 0.1 A อาจเพียงพอ ส่วนการทดสอบ ภายใต้การจําลองสภาวะเปรอะเปื �อน กระแสลัดวงจรจะข�น� กับอัตราส่วน

R X

(  0.1)

วิธีการป้อนแรงดันทดสอบและเกณ�์การพิจารณาเป� นเ�่นเดียวกับที�กล่าวในการ ทดสอบความคงทนอยูไ่ ด้ตอ่ แรงดันด้วยแรงดันสูงกระแสตรง 8.1.3 การทดสอบด้วยแรงดันอิมพัลส์ แรงดันอิมพัลส์รูปคลื�นมาตรา�านแบ่งออกเป� นสองแบบ คือ รู ปคลื�นฟ้า�่า และ รูปคลื�นสวิต�ิ�ง ดังรายละเอียดที�แสดงไว้ในบทที� � เรือ� งการสร้างแรงดันอิมพัลส์ 8.1.3.1 วิธีการทดสอบ ในการทดสอบ�นวนที�ไม่สามาร�คืนสภาพได้ (�o�sel�-restori�g) แรงดันอิม พัลส์ท�ีมีขนาดและขัว� แรงดันตามที�มาตรา�านกําหนดจํานวนสามรู ปคลื�นจะ�ูกป้อน ติดต่อกัน โดยไม่เกิดการปล่อยประจุทาํ ลายxcv (�isruptive �isc�arge) บนอุปกรณ์ท�ี ทดสอบ ส่วนการทดสอบ�นวนที�สามาร�คืนสภาพได้ (sel�-restori�g) มีการทดสอบ สองวิธี คือ - ป้อ นแรงดัน อิ ม พัล ส์ท�ี มี ข นาดและขั�ว แรงดัน ให้กับ อุป กรณ์จ าํ นวน 1� รู ปคลื�นติดต่อกัน โดยสามาร�เกิดการปล่อยประจุทาํ ลายได้ไม่เกินสอง ครัง� - ทํา การหาค่ า แรงดัน อิ ม พัล ส์วิ ก ฤต xcvi (critical impulse voltage, U C ) ของอุปกรณ์ โดยอุปกรณ์จะ�่านการทดสอบเมื�อแรงดันอิมพัลส์วิกฤตมีคา่ น้อยกว่า

xcv xcvi

1 1 - 1.3σ

ของความคงทนไฟฟ้าแรงดันอิมพัลส์ท�ี มาตรา�าน

การดิส�าร์จหรือเบรกดาวน์ของอุปกรณ์ท�ีทาํ การทดสอบ แรงดันปล่อยประจุทาํ ลายที�ความน่าจะเป� น �0� ��งเป� นแรงดันไฟฟ้าที�ทาํ ให้จาํ นวนครัง� ที�เกิดวาบไฟหรือ เบรกดาวน์เป� นจํานวนคร�ง� หน��งของจํานวนครัง� ที�ปอ้ นแรงดันทัง� หมด

การทดสอบไฟฟ้ การทดสอบไฟฟ้าาแรงสู แรงสูงง -- 329 329 --

กําหนด เม��อ σ ��อส่วนเบี�ยงเบนมาตร�านที�ได้จากการทดสอบการปล่อย ประจุทาํ ลาย 8.1.3.2 แรงดันอิมพัลส์วิกฤต �ดยทั�วไปการวัดแรงดันอิมพัลส์วิกฤตสามาร�ทําได้สองวิธี ��อ วิธีเส้นกราฟ แรงดั น หลายระดั บ �� และวิ ธี ป รั บ �� น ลง �� ง� แต่ละวิธีมีรายละเอียดดังนี � - วิธีเส้นกราฟแรงดันหลายระดับ กํ า หนดระดั บ แรงดั น ที� � รอบ�ลุ ม แรงดั น อิ ม พั ล ส์ วิ ก ฤตที� �าดหมายอย่ า งน้อ ยสี� ร ะดับ แต่ ล ะระดับ จะมี แ รงดัน ไฟฟ้ า ต่ า งกั น ประมา� 3� �องแรงดัน อิ ม พัล ส์วิ ก ฤตที� � าดหมาย �ดยทํา การป้อน แรงดันอย่างน้อย 1� �รัง� ในแต่ละระดับแรงดัน นํา�ลการป้อนแรงดันที�ได้ เ�ียนลงในกราฟ�วามสัมพันธ์ระหว่าง�วามน่าจะเป� นที�จะเกิดการปล่อย ประจุทาํ ลายกับแรงดันในแต่ละระดับ ดังแสดงในรูปที� 8.1 %p 100

50 + p4 50 + p3 50 50 + p2 50 + p1

U U

UC

รูปที� 8.1 กราฟที�ใช้หา�่าแรงดันอิมพัลส์วกิ ฤต ด้วยวิธีเส้นกราฟแรงดันหลายระดับ - วิธีปรับ��น� ลง ทําการกําหนดระดับแรงดันเช่นเดียวกับในวิธีเส้นกราฟแรงดัน หลายระดับ ทําการป้อนแรงดันให้กับอุปกร�์ท�ี ทดสอบ �้าไม่เกิ ดการ



ปล่อยประจ�ทาํ ลายให้เพิ�มแรงดันขึน� หนึ�งระดับ หากเกิดการปล่อยประจ� ทําลายให้ลดแรงดันลงหนึ�งระดับ ทําขัน� ตอนนีต� อ่ เนื�องจนได้จาํ นวนครัง� ที� ป้อนแรงดันอย่างน้อย �0 ครัง� แรงดันอิมพัลส์วิก�ตหาได้จากสมการ k

UC =

n U

v =1 k

n

v =1

เมื�อ

k

nv

v

v

(8.1)

v

คือ จํานวนระดับแรงดัน คือ จํานวนครัง� ที�ปอ้ นแรงดันที�ระดับแรงดัน

Uv

8.2 การทดสอบแรงดันไฟฟ้ าคลื�นวิทยุ อ�ปกรณ์ไฟฟ้าหลายชนิด เช่น หม้อแปลงไฟฟ้า สายตัวนํา และเครื�องจักรกลไฟฟ้า อาจเป็ น แหล่งกําเนิดสัญญาณคลื�นวิทย�และสัญญาณความถี�สงู �ึ�งเกิดขึน� จากโคโรนาดิสชาร์จในอากา� การเกิดดิสชาร์จภายในฉนวนหรือการเกิดคอมมิวเตชันที�แปรงถ่านของเครื�องจักรกลหม�น เพื�อให้ มั�น ใจว่ า สัญ ญาณเหล่า นี ม� ี ค่า อยู่ใ นระดับ ที� ย อมรับ ได้ การทดสอบแรงดัน ไฟฟ้ า คลื� น วิ ท ย�จึ ง มี ความสําคัญ ขนาดแรงดันไฟฟ้าคลื�นวิทย�มีความสัมพัน�์กับสภาพพืน� �ิวตัวนําและสภาวะบรรยากา� ส่วนในกรณีลกู ถ้วยฉนวนพบว่าบริเวณรอยต่อระหว่างพอร์ชเลนxcviiกับก้านโลหะ สายรัดรอบคอลูก ถ้วย (tie �ire) และ�ิวในสภาวะเปรอะเปื �อน เป็ นแหล่งกําเนิดของคลื�นวิทย� สัญญาณรบกวนที�เกิดจากโคโรนาหรือดิสชาร์จบางส่วนบนอ�ปกรณ์ไฟฟ้าแรงสูงสามารถ ตรวจวัดได้สองแบบ คือ - การวัด ความถี� วิ ท ย�ท�ี ไ ด้จ ากการป้ อ นแรงดัน ระหว่ า งสายกับ ดิ น หรื อ ที� รู ้จั ก ในชื� อ แรงดันไฟฟ้าคลื�นรบกวนวิทย� (radio infl�ence voltage, RIV) เป็ นการทดสอบที�ทาํ ใน ห้องปฏิบตั กิ าร - การวัดสนามแม่เหล็กไฟฟ้าด้วยสายอากา� หรือที�รูจ้ กั ในชื�อ แรงดันไฟฟ้าแ�่คลื�นวิทย� รบกวน (radiated radio interference voltage, RI) เป็ นการตรวจวัดภาคสนามโดยใช้ เครือ� งวัดสัญญาณแบบพกพา xcvii

เ�รามิกชนิดหนึ�งที�มีส่วน�สมของดินขาว แร่ควอท�์ และเฟลด์สปาร์ เ�าด้วยความร้อนสูง มีความแข็งแรง ทนทานต่ อ การขูด ขี ด และการกัด กร่อ นจากสารเคมี มี ค วามคงทนฉนวนไฟฟ้ า ประมาณ 4 kV/mm ถึ ง 10 kV/mm


เคร��องวัดสั��า�รบกวนปร�กอบด้วย �าครับสั��า�วิทย� �าค�ยายสั��า� �าค �สมสั��า� �าค�ยายสั��า�ความถี�กลาง แล��าคตรวจจับสั��า�ความถี��นช่วง 15� �� ถึง 3� �� มีการแสดงค่าแรงดันที�วดั ได้เป� นค่าเ�ลี�ยแรงดัน ค่ายอดแรงดัน แล�ค่ายอดเสม�อน แรงดันxcviii โดยโวลตมิเตอร์ท�ีตอ่ กับ�าคตรวจจับสั��า�ควรมีอิมพีแดนซ์�าเ�้าอยู่�นช่วง 5�  ถึง 75  วงจรที��ช้�นการทดสอบแรงดันไฟฟ้าคล��นรบกวนวิทย�แสดง�นรู ปที� �� นการติดตัง� วงจร ทดสอบ ชิ �น ส่ ว นทั�ง หมดที� เ กี� ย ว�้อ งกั บ วงจรทดสอบต้อ งไม่ ท ํา �ห้เ กิ ด การรบกวนคล�� น วิ ท ย� ท�ี แรงดันไฟฟ้า 11�� องแรงดันไฟฟ้าที�ทดสอบ

L T

C V

F

L1

M

S1 Test Object

R1 CA

F L M

S1

R

G

รูปที� �� วงจรทดสอบแรงดันไฟฟ้าคล��นรบกวนวิทย� แหล่งจ่ายแรงดันปรับค่าได้ V โวลต์มิเตอร์ T หม้อแปลงแรงดันสูง ตัวเหนี�ยวนํากรองความถี� C ตัวเก�บปร�จ�คาบเกี�ยว R 1 อิมพีแดนซ์�าเ�้าเคร�อ� งวัด CA สายเคเบิลแบบแกนร่วม เคร�อ� งวัดสั��า�รบกวน G แกปป้องกัน L1 ตัวเหนี�ยวนํากรองความถี�ปรับค่าได้ สวิตช์ลดั วงจร ั แรงดัน R อิมพีแดนซ์วด

เม��อป้อนแรงดันที�กาํ หนด�ห้กบั อ�ปกร�์ทดสอบ แรงดันไฟฟ้าสั��า�รบกวนวิทย�จ�ต้องมีคา่ ไม่เกิน ที� ร�บ�ไว้�นมาตรา�าน�องแต่ล�อ�ปกร�์ หากการทดสอบไม่ได้ทาํ ที� ส�าว�มาตร�าน แรงดันที� ตรวจวัดได้จ�ต้องถูกปรับแก้ดว้ ยแฟกเตอร์ส�าว�บรรยากา�ที��ึน� กับอยู่กับชนิด�องอ�ปกร�์ท�ีถูก นํามาทดสอบ

xcviii

ค่ารากเ�ลี�ยกําลังสอง�องสั��า�ไซนูซอยด์ท�ีความถี�กลาง�องแถบ�่าน �� ที�ทาํ �ห้เคร��องวัด แสดงค่าเดียวกับสั��า�พัลส์ท�ีวดั ได้



8.3 การทดสอบหม้อแปลงไฟฟ้ า �ม้อ แปลงไฟฟ้า เป� น อ�ป กร�์ท�ี มี ร าคาสูง และมี ค วามส�า คั� มากในระบบส่ง จ่ า ยไฟฟ้า ใน��ะใช้งาน�ม้อแปลงไฟฟ้าอาจได้รบั ความเสีย�ายจากแรงดันเกินทรานเ�ีย� นต์ เช่น แรงดันฟ้า�่า และแรงดันเกินสวิตชิ�ง เป� นต้น ท�าใ�้ไม่สามาร�ส่งจ่ายก�าลังไฟฟ้าได้และอาจเกิดไฟฟ้าดับเป� นวง กว้าง ดังนัน� การทดสอบ�ม้อแปลงไฟฟ้าด้วยแรงดันสูงจ�งเป� นสิ�งจ�าเป� นเพ��อใ�้มีความมั�นใจว่า�ม้อ แปลงไฟฟ้าสามาร�คงทนต่อแรงดันเกิน ไม่เป� นต้นเ�ต��องความ�ิดพร่องที�สง่ �ลกระทบต่อระบบส่ง จ่ายก�าลังไฟฟ้า โดย�ัว�้อการทดสอบที�จะกล่าว��งใน�ัว�้อนี � ได้แก่ การทนต่อแรงดันเ�นี�ยวน�าเกิน ดิสชาร์จบางส่วน และความคงทนอยู่ได้ต่อแรงดันอิมพัลส์ ตามมาตราฐาน IEC Publ.No.60076-3, Power transformers – Part 3: Insulation levels, dielectric tests and external clearances in air [46] แล ะ ม า ตรา ฐ า น IEC Publ.No.60076- 11, Power transformers – Part 11: Dry-type transformers [47] 8.3.1 การทดสอบการทนต่อแรงดันเ�นี�ยวน�าเกิน ท�าการป้อนแรงดันไฟฟ้าที�มี�นาดเป� นสองเท่า�องแรงดันพิกัด U r ที�ความ�ี�พิกดั f rated ใ�้กับ�ดลวดแรงต��า�อง�ม้อแปลงไฟฟ้าเป� นระยะเวลา 60 วินาที ในกร�ี ท�ีเกิ ดการ อิ�มตัว�องแกนเ�ล�ก�ร�อกระแสการกระต�น้ มีค่าสูง สามาร�ป้อนแรงดันที�ความ�ี�สงู กว่าสอง เท่า�องความ�ี�พิกดั ได้ โดยช่วงเวลาในการป้อนแรงดันเป� นไปตามความสัมพัน�์ f  t = 120  rated   f test 

เม��อ

f test

(8.2)

ค�อ ความ�ี�ท�ีใช้ในการทดสอบ (��)

โดยมีระยะเวลาในการป้อนแรงดันไม่นอ้ ยกว่า 15 วินาที �ม้อแปลงไฟฟ้าจะ�่านการทดสอบการทนต่อแรงดันเ�นี�ยวน�าเกินเม��อไม่เกิดการ ย�บตัว�องแรงดันตลอดช่วงเวลาที�ทา� การทดสอบ 8.3.2 การทดสอบดิสชาร์จบางส่วน เป� นการทดสอบเพ��อประเมินการเกิดดิสชาร์จและระดับคล��นรบกวนวิทย��อง�ม้อ แปลงไฟฟ้า มีการต่อวงจรตรวจวัดดิสชาร์จบางส่วนดังในรูปที� 8.3 ระยะเวลาในการทดสอบ��น� อยู่กบั ระดับแรงดันสูงส�ด U m �องอ�ปกร�์และความ�ี� �องแรงดันที�ทดสอบ ดังแสดงในตารางที� 8.1


C 3 1

2

Zm

ก) หม้อแปลงไฟฟ้าหน��งเฟส

1

C

Zm

C

Zm

C

Zm

S

3

2

ข) หม้อแปลงไฟฟ้าสามเฟส รูปที� 8.3 วงจรตรวจวัดดิสชาร์จบางส่วนในหม้อแปลงไฟฟ้า 1 ขดลวดแรงต��า � ขดลวดแรงสูง 3 อ�ปกร�์วดั S สวิตช์เลือกขดลวด C ตัวเก�บปร�จ��าบเกี�ยว Zm อิมพีแดนซ์วด ั แรงดัน ตารางที� 8.1 ร�ย�เวลาป้อ นแรงดัน ทดสอบดิส ชาร์จ บางส่ว นของหม้อ แปลงไฟฟ้า ตาม มาตราฐาน IEC Publ.No.60076-3 [46] Um

f. f rated

 2f rated

 800 kV

60 s

f  120  rated   f test 

, ไม่นอ้ ยกว่า 15 s

> 800 kV

300 s

f  600  rated   f test 

, ไม่นอ้ ยกว่า 75 s

ล�าดับเวลาในการป้อนแรงดันทดสอบเป� นไปตามรูปที� 8.4



Ur

Enhancement voltage 1.8Ur 3 1.58Ur

One hour PD measurement voltage

3 1.2Ur 3

Minimum 5 min Minimum 1 min Minimum 1 min

0.4Ur 3

t

รูปท�� 8.4 การป้อนแรงดันในการทดสอบดิสชาร์จบางส่วนของหม้อแปลงไฟฟ้า การวัดดิสชาร์จบางส่วนม�หน่วยวัดเป� น �� ท��แสดง��งค่าสูงสุดของสั��าณพัลส์ ประจุในส�าวะอยูต่ วั �ดยอุปกรณ์จะผ่านการทดสอบก�ตอ่ เมื�อ - ไม่พบการยุบตัวของแรงดันทดสอบ - ระดับของดิสชาร์จบางส่วนในช่วงแรงดันหน��งชั�ว�มงต้องไม่เกิน �� - ไม่แสดงแนว�น้มการเพิ�มข�น� และไม่เพิ�มข�น� ทันท�อย่างต่อเนื�องในช่วง �� นาท� สุดท้ายของการทดสอบ - การเพิ�มข�น� ของระดับดิสชาร์จในช่วงแรงดันหน��งชั�ว�มงต้องไม่เกิน �� - ระดับดิสชาร์จท��แรงดัน 1.2 Ur หลังช่วงแรงดันหน��งชั�ว�มงต้องไม่เกิน �� 3

8.3.3 การทดสอบความคงทนอยูไ่ ด้ตอ่ แรงดันอิมพัลส์ จากท�� ไ ด้ก ล่ า วมาในข้า งต้น หม้อ แปลงไฟฟ้ า ม� � อกาสได้ร ับ แรงดัน เสิ ร ์จ จาก ปรากฏการณ์ฟ้า ผ่ า หรือ จากการทํา งานของอุป กรณ์ตัด ต่อ ในระบบไฟฟ้า ทํา ให้แ รงดัน กระจายบนขดลวดไม่ส มํ�า เสมอ ขดลวดด้า นบนใกล้กับ ขั�ว ต่อ แรงสูง ได้ร ับ ความเคร�ย ด สนามไฟฟ้าสูงจนอาจเกิดเบรกดาวน์ของฉนวนในบริเวณดังกล่าว วงจรสมมูลขดลวดหม้อ แปลงเมื�อได้รบั แรงดันเสิรจ์ เป� นดังรูปท�� 8.�

การทดสอบไฟฟ้ การทดสอบไฟฟ้าาแรงสู แรงสูงง -- 335 335 -L

Cs

Cg

รูปท�� 8.5 วงจรสมมูลของขดลวดหม้อแปลงเม��อได้รบั แรงดันเสิรจ์ L ความเหน��ยวนําของขดลวดหม้อแปลง C s ค่าเก็บประจุไฟฟ้าอนุกรม C g ค่าเก็บประจุสเตรย์ หม้อ แปลงไฟฟ้า จะถูก ป้อ นด้ว ยแรงดัน อิ ม พัล ส์รู ป คล�� น เต็ ม และแรงดัน อิ ม พัล ส์ รู ปคล��นตัดท��สร้างจากแกปแบบแท่งท��ปรับระยะ�ห้เหมาะสม �ห้ได้คล��นตัดท��อยู่�น�่วง 3 s ถึง 6 s �ดยขดลวดท��ไม่ได้ทดสอบต้องถูกลัดวงจรและต่อลงดินเพ��อป้องกันการเกิดแรงดัน เหน��ยวนําเกิน�นขดลวดเหล่าน� � 8.3.3.� ขัน� ตอนการทดสอบ การต่อ วงจรสํา หรับ การทดสอบความคงทนอยู่ไ ด้ต่อ แรงดัน อิ ม พัล ส์แ ละ รูปคล��นท��้ทดสอบแสดง�นรูปท�� 8.6 และรูปท�� 8.� ตามลําดับ Rsi

Rse HV

C1 Cg

Rp

LV

CG

CL C2

CRO voltage

CRO Rsh current

Csh

ก) หม้อแปลงไฟฟ้าหนึ�งเฟส Rsi

Rse

CRO current HV

C1 Cg

Rp

CG

CL C2

CRO voltage

Csh

Rsh

LV

ข) หม้อแปลงไฟฟ้าสามเฟส รูปท�� 8.6 วงจรทดสอบความคงทนอยูไ่ ด้ตอ่ แรงดันอิมพัลส์สาํ หรับหม้อแปลงไฟฟ้า



U, kV CW

FW

RW

t , s

รูปที� 8.7 รูปคลื�นแรงดันอิมพัลส์สาํ หรับทดสอบความคงทนอ�ูไ่ ด้ ต่อแรงดันอิมพัลส์ของหม้อแปลงไฟฟ้า RW = reduced wave FW = full wave CW = chopped wave ลําดับขัน� �นการป้อนแรงดันทดสอบเป� นดังนี � - ทดสอบที�แรงดันอิมพัลส์ลดระดับ (reduced wave) ที� มีค่า�น�่วง �0% ถึง 70% ของแรงดันทดสอบxcix - ทดสอบที�แรงดันอิมพัลส์รูปคลื�นเต�ม �00% ของแรงดันทดสอบ - ทดสอบที�แรงดันอิมพัลส์รูปคลื�นตัด ��0% ของแรงดันทดสอบสองครัง� - ทดสอบที�แรงดันอิมพัลส์รูปคลื�นเต�ม �00% ของแรงดันทดสอบสองครัง� โด�ทําการบันทึกรู ปคลื�นแรงดันและกระแสที�ไหลผ่านขดลวดหม้อแปลงทุกครัง� ด้ว� ออสซิลโลสโคป 8.3.3.2 การวิเคราะห์และระบุตาํ แหน่งของความผิดพร่อง นําออสซิลโลแกรมที�ได้�ากการป้อนแรงดันอิมพัลส์รูปคลื�นเต�มมาเปรี�บเที�บ กับออสซิลโลแกรมของแรงดันอิมพัลส์ลดระดับ โด�มี เกณ�์ว่ารู ปคลื�นแรงดันและ กระแสต้องมีลกั ษณะเหมือนกันทุกประการ

xcix

แรงดันทดสอบความคงทนต่อแรงดันอิมพัลส์ฟ้าผ่า (basic lightning impulse insulation level, BIL) หรือ แรงดันทดสอบความคงทนต่อแรงดันอิมพัลส์สวิต�ิ�ง (basic switching impulse insulation level, B�L) ตาม ระดับแรงดันของระบบที�นาํ หม้อแปลงไฟฟ้าไป��้งาน


ในกร�� ท� ม� ค วามผิ ด พร่อ ง ออส�ิ ล �ลแกรมของแรงดัน จ�เกิ ด การย�บ ตัว บางส่วนหร�อทัง� หมดข�น� กับลัก��ความผิดพร่องของหม้อแปลงไฟฟ้า ดังตัวอย่างใน รูปท�� 8.8 U, pu

RW

FW

t , s

ก) การลัดวงจรขดลวดลงดิน U, pu

RW

FW t , s

ข) การลัดวงจรขดลวดบางส่วน รูปท�� 8.8 ออส�ิล�ลแกรมแรงดันของหม้อแปลงไฟฟ้าท��เกิดการผิดพร่อง การตรวจจับความผิดพร่องขนาดเล็ก เช่น ดิสชาร์จบางส่วนภายในหม้อแปลง ไฟฟ้า �ดยใช้ออส�ิล�ลแกรมแรงดันท�าได้ยากแล�ม�ความไวไม่พอ ในกร��น�การใช้ ออส�ิล�ลแกรมกร�แสจ�ให้รายล�เอ�ยดของการเปล��ยนแปลงได้มากกว่า ตัวอย่างออส �ิล�ลแกรมของการเกิดดิสชาร์จภายในบนขดลวด แสดงในรูปท�� 8.�

- 338 - การทดสอบไฟฟ้าแรงสูง I, pu

การทดสอบไฟฟ้าแรงสูง - 338 FW

RW

t , s

รู�ท�� 8.9 ออส��ล�ลแกรมกระแสของ�ม้อแ�ลงไฟฟ้าท��ก�ดด�ส�าร��บางส่วน�าย�น 8.4 การทดสอบสายเคเบิลแรงสูง สายส่งแบบ�ค�บ�ล�� นอ��กร��ท�ทา� �น้าท��ส่ง�่านก�าล�งไฟฟ้า��านวนมาก ม�การต�ดต�ง� ��้งาน �ลายล�ก��ะ ��่น �นอากา� �� ง�ต้ด�น �ร�อวาง�ต้ทอ้ งทะ�ล ��อ��้การท�างานของระบบส่ง�่าย ไฟฟ้าม��ระส�ท�� า�และ�ส�� ย ร�า� การตรว�สอบและบ�า ร� ง ร�ก�าสาย�ค�บ�ล��ง�� นส��ง ส�า ค�� อย่างไรก�ตามล�ก��ะทาง�ครงสร้างและการต�ดต�ง� ท�า��้การตรว�สอบความ��ด�ร่องท��ก�ด�าย�น สาย�ค�บ�ล�� นไ�ได้ยาก ด�งน�น� การทดสอบสาย�ค�บ�ลก่อนการต�ดต�ง� และตามระยะ�วลาท��กา� �นด��ง ม�ความ��า�� นอย่างย��ง �น��วข้อน�� ะขอกล่าว��ง�ฉ�าะการทดสอบทางไฟฟ้าท��สา� ค��ตามมาตรฐาน IEC Publ.No.60502-1, Power cables with extruded insulation and their accessories for rated voltages from 1 kV (Um = 1,2 kV) up to 30 kV (Um = 36 kV) – Part 1: Cables for rated voltages of 1 kV (Um = 1,2 kV) and 3 kV (Um = 3,6 kV) [48] มาตราฐาน IEC Publ.No.605022, Power cables with extruded insulation and their accessories for rated voltages from 1 kV (Um = 1,2 kV) up to 30 kV (Um = 36 kV) – Part 2: Cables for rated voltages from 6 kV (Um = 7,2 kV) up to 30 kV (Um = 36 kV) [49] และมาตราฐาน IEC Publ.No.60840, Power cables with extruded insulation and their accessories for rated voltages above 30 kV (Um = 36 kV) up to 150 kV (Um = 170 kV) – Test methods and requirements [50] ได้แก่ การทดสอบความ ทนทานของฉนวนสายไฟ การว�ดแฟก�ตอร�กา� ล�งสู��ส�ย และการทดสอบด�ส�าร��บางส่วน ��งม� รายละ�อ�ยดด�งน� � 8.4.1 การทดสอบความทนทานของฉนวนสายไฟ �� นการทดสอบด้วยแรงด�นไฟฟ้ากระแสสล�บความ��กา� ล�งท��สงู กว่า��กด� ของสายไฟ �น��วระยะ�วลา�น��ง ท�าการทดสอบก�บสายไฟฟ้า�ระ��ท��ม้ ฉนวน ได้แก่ สาย��ม้ ฉนวน


บางส่วน (patial insulated cable, PIC) สายหุม้ ฉนวนไม่เต็มพิกัด (spaced aerial cable, SAC) สายหุ้ม ฉนวนเต็ ม พิ กัด (preassembly aerial cable, PAC) และสายไฟฟ้ า ใต้ดิ น (continuous vulcanizing cable, CV) โดยต้องไม่เกิดการเบรกดาวน์ของฉนวนไฟฟ้าภายใน ระยะเวลาที�มาตรา�านกําหนด 8.4.2 การวัดแฟกเตอร์กาํ ลังสูญเสีย แฟกเตอร์กาํ ลังสูญเสียเป็ นค่าที�ใช้ในการตรวจสอบคุ�ภาพฉนวน ปริมา�โพรงแก�ส ความช� น� สิ�งเจ� อปน หร�อรอยแตกที� อยู่ภายในฉนวน อีกทั�งยังมีความสัมพันธ์กับปริมา� ความร้อนของฉนวนในระหว่างการใช้งาน ถ้าอัตราการระบายความร้อนออกน้อยกว่าอัตรา การเพิ�มข�น� ของความร้อน อุ�หภูมิของฉนวนจะเพิ�มข�น� ตามเวลาจนถ�งค่าที�ทาํ ให้เกิดการ เบรกดาวน์ของฉนวน การวัดแฟกเตอร์กาํ ลังสูญเสียทําได้โดยใช้วิธีบริดจ์ ดังแสดงในรู ป ที� 8.10 U

Test object

I

II

CN

II

a

b T2 G

I

R5

R4

S s

R3

C4

N v

T1 II I

III

IV

รูปที� 8.10 วงจร Schering bridge ในการวัดแฟกเตอร์กาํ ลังสูญเสีย



สา��บิลจะถูกจ่า�กระแสไฟฟ้าจนกระท��งต�วน�ามีอณ � ��ูมิสงู กว่าอ�ณ��ูมิในขณะ ใช้งานปกติประมาณ 5 C ถึง 10 C จากน�น� ท�าการปลดการจ่า�กระแสและแ�กปลา�สา� ��บิลแต่ละด้านออกจากก�น ป้อนแรงด�นทดสอบที�มีขนาด�ท่าก�บแรงด�น�ิก�ด แฟก�ตอร์ ก�าล�งสู��สี�ที�วด� ได้ตอ้ งมี�า่ ไม่�กินตามมาตร�านก�า�นด 8.4.3 การทดสอบดิสชาร์จบางส่วน �ป� นการทดสอบว�ด�่าดิสชาร์จที��กิด�า�ใน�น�อ� ฉนวนของสา��บิล ระด�บของ�่า ดิสชาร์จที�วด� ได้จะแสดงถึง��ณ�า�ฉนวนและสิ�งบก�ร่องในฉนวนที��กิดจาก�ลา�สา��ต� �ร�อ�ลา�ล�ก�ณะ �51� ด�งแสดงในรูปที� 8.11 1 7 6

2

1

8

2

3

9 9 5 4 9

รูปที� 8.11 ล�ก�ณะของสิ�งบก�ร่องที��กิดในช�น� ฉนวนของสา��บิล 1 ส่วนนูนบนช�น� กึ�งต�วน�าไฟฟ้า � ช่องว่างจากการ�ล�ดลอกบนช�น� กึ�งต�วน�าไฟฟ้า 3 �วามช�น� 4 สิ�ง�จ�อปน 5 ช่องว่างใน�น�อ� ฉนวน � Water tree จากชีลด์ของต�วน�า 7 Water tree จากชีลด์ของฉนวน 8 Electrical tree ผลมาจากดิสชาร์จ � ล�ก�ณะการดีสชาร์จที�ทา� ใ�้�กิดรูปแบบที��รี�กว่า ��-tie tree �� อใ�้ผลการว�ดมี�วามถูกต้อง ระบบการว�ดต้องได้รบ� การตรวจสอบ�ป� นอ�่างดี จ�าก�ด ส��าณรบกวนที�แทรก�ข้ามารวมถึงผลการ�กิดดิสชาร์จตามผิวและ��รนาดิสชาร์จ


F

รูปท�� 8.1� วงจรส��ูลของสายเคเบิลท��ดสิ ชาร์จ�าย�� F ต�าแ��่งท��เกิดดิสชาร์จ

C

HV

F

DD

ก) C

HV

F

DD

ข) C

รูปท�� 8.13 การต่อสายเคเบิลกับอุปกรณ์ตรวจวัดดิสชาร์จ ตัวเก�บปร�จุคาบเก��ยว D D อุปกรณ์ตรวจวัดดิสชาร์จ

วงจรส��ูลของสายเคเบิลท��การเกิดดิสชาร์จ�าย��แล�การต่ออุปกรณ์ตรวจจับ ดิสชาร์จแสดง��รู ปท�� 8.1� แล�รู ปท�� 8.13 ตา�ล�าดับ ��การทดสอบสายเคเบิลจ��ูกป้อ� ด้วยแรงดั�ท��สูงกว่า�ิกัดตา�ท�� าตรา�า�ก�า��ด เ��อเกิ ดดิสชาร์จสั��าณ�ัลส์ทรา� เ��ย� �ต์จากจุดท��เกิดดิสชาร์จเคล��อ�ท��ไปยังปลายทัง� สองของสายเคเบิลแล��ูกตรวจจับด้วย เคร�อ� งวัดสั��าณ ร�ดับของดิสชาร์จท��เกิดข�� เท่ากับ�ลรว�ของ�ัลส์ทรา�เ��ย� �ต์ท�ตรวจวัด ได้ �ดยจ�ต้อง��คา่ ไ�่เกิ�ร�ดับตา�ท��าตร�า�ก�า��ดไว้



8.5 การทดสอบลูกถ้วยฉนวน ลูก ถ้ว ยฉนวนเป� น อุป กร�์ไ ฟฟ้า ทํา �น้า ที� เ ป� น ฉนวนไฟฟ้า และรองรับ สายไฟฟ้า เ�� อส่ง จํา�น่ายกําลังไฟฟ้าไปยัง��น� ที�ต่าง� การชํารุ ดของลูกถ้วยฉนวนอาจส่งผลกระทบต่อการส่งจ่าย ไฟฟ้าและมีผลเสียต่อความน่าเช��อถ�อของระบบไฟฟ้า การทดสอบลูกถ้วยฉนวนก่อนนําไปใช้งานจ�ง เป� นสิ�งจําเป� น เ��อใ�้เกิดความมั�นใจว่าลูกถ้วยฉนวนที�นาํ ไปใช้มีค� ุ สมบัติตรงตามมาตรฐานและไม่ เป� นสาเ�ตุของการเกิดความผิด�ร่องในระบบไฟฟ้า ใน�ัวข้อนีจ� ะกล่าวถ�งการทดสอบทางไฟฟ้าที� สําคัญของลูกถ้วยฉนวนตามมาตรฐาน IEC Publ.No.60383-1, Insulators for overhead lines with a nominal voltage above 1000 V - Part 1: Ceramic or glass insulator units for a.c. systems Definitions, test methods and acceptance criteria [10] มาตรฐาน IEC Publ.No.60507, Artificial pollution tests on high-voltage ceramic and glass insulators to be used on a.c. systems [52] และมาตรฐาน IEC Publ.No.60815-1, Selection and dimensioning of highvoltage insulators intended for use in polluted conditions – Part 1: Definitions, information and general principles [53] ได้แก่ การทดสอบความคงทนแรงดันไฟฟ้าในภาวะเปี ยก การทดสอบ แรงดันไฟฟ้าเจาะผ่าน และการทดสอบภาวะเปรอะเป� �อน 8.5.1 การทดสอบความคงทนแรงดันไฟฟ้าในภาวะเปี ยก การทดสอบในภาวะเปี ยกมีวตั ถุประสงค์จาํ ลองผลกระทบของฝนตามธรรมชาติต่อ ฉนวนที�ตดิ ตัง� ใช้งานภายนอก

รูปที� 8.14 มุมตกของฝนในการทดสอบความคงทนแรงดันไฟฟ้าในภาวะเปี ยก


จากรู ปที� 8.14 �นเทียมที�ทาํ การจําลองต้องตกลงบนลูกถ้วยฉนวนทํามุมกับแกน ของลูกถ้วยประมาณ 45c ความนําไฟฟ้าของนํา� �นมีคา่ ประมาณ 10015 S/cm อุณหภูมิ แตกต่างจากอุณหภูมิหอ้ งไม่เกิน 15C และมีอตั ราการตกในช่วง 1 mm ต่อนาที ถึง 2 mm ต่อนาที ลูกถ้วยจะถูกทําให้อยู่ในภาวะเปี ยกก่อนการป้อนแรงดันเป็ นเวลา 15 นาที และ ปล่อยให้�นตกจนกระทั�งจบการทดสอบ ลูกถ้วยฉนวนจะถูกป้อนแรงดันตามที�มาตร�านกําหนดเป็ นเวลา 60 วินาที และต้อง ไม่เกิดวาบไฟตามผิว แต่หากเกิดวาบไฟตามผิวระหว่างการทดสอบ ให้สามารถทดสอบใหม่ ได้อีกครัง� แต่จะต้องไม่เกิดวาบไฟตามผิวขึน� อีกจึงถือว่าผ่านการทดสอบ ถ้าการทดสอบไม่ถูกทําที�สภาวะมาตร�านต้องทําการปรับค่าแรงดันทดสอบด้วย แฟกเตอร์ความหนาแน่นอากาศ 8.5.2 การทดสอบแรงดันไฟฟ้าเจาะผ่าน เป็ นการทดสอบด้วยแรงดันกระแสสลับความถี�กาํ ลังเ�ื�อตรวจสอบว่าเนือ� ฉนวนทน ต่อแรงดันไฟฟ้าได้เท่าใด โดยปกติลกู ถ้วยฉนวนจะถูกออกแบบให้เกิดวาบไฟตามผิวง่ายกว่า การเจาะผ่าน ดังนัน� เ�ื�อให้เกิดการเจาะผ่านเนือ� ลูกถ้วยฉนวนจึงต้องนําลูกถ้วยฉนวนจุ่มลง ในนํา� มันฉนวนci ให้นา�ํ มันฉนวนท่วมลูกถ้วยฉนวนทัง� หมด ป้อนแรงดันไฟฟ้าให้กบั ลูกถ้วย ฉนวนจนถึงค่าที�กาํ หนดและต้องไม่�บการเจาะผ่านเนือ� ฉนวน 8.5.3 การทดสอบภาวะเปรอะเปื �อน การใช้งานลูกถ้วยฉนวนใน�ืน� ที�มลภาวะ สิ�งเปรอะเปื �อนที�เกาะบนผิวลูกถ้วยฉนวน จะทําให้ผิวลูกถ้วยฉนวนมีสภา�นําไฟฟ้ามากขึน� ในภาวะเปี ยกจากหมอก ความชืน� หรือ�น ตกปรอย� เป็ นสาเหตุหนึ�งที� ทาํ ให้แรงดันไฟฟ้าวาบไฟตามผิวลดลง ตามมาตร�าน ��C Publ.No.60507 [52,54] มลภาวะแบ่งได้เป็ นสองชนิด คือ - มลภาวะที� สามารถละลายนํา� ได้ เป็ นมลภาวะที� เคลือบติดกับผิวของลูกถ้วย ฉนวน เช่น คราบชัน� เกลือ เกิดขึน� กับลูกถ้วยฉนวนที�ตดิ ตัง� บริเวณชาย�ั� งทะเล - มลภาวะที�ไม่ละลายนํา� เช่น เขม่าจากการเผาไหม้ เกิดขึน� กับลูกถ้วยฉนวนที� ติดตัง� ในเขตอุตสาหกรรมและชุมชนขนาดให�่ การทดสอบภาวะเปรอะเปื �อนมีดว้ ยกันสองวิ�ีตามชนิดของมลภาวะ ได้แก่

c ci

นํา� �นที�ตกกระทบในแนวดิ�งและแนวนอนมีคา่ เท่ากัน นํา� มันฉนวนมีความคงทนทางไฟฟ้ามากกว่า 125 ��/cm



8.5.3.1 Salt fog method เป็ นการทดสอบส�าหรับมล�าวะที�สามารถละลายน�า� ได้ในลัก��ะเดียวกับ การทดสอบใน�าวะเปี ย ก โดยใช้ส ารละลายเกลื อ ที� มี ค วามเค็ ม cii (salinity) ตาม เงื�อนไขระดับมล�าวะที�ตอ้ งการ ��ง� มีขนั� ตอนในการทดสอบดังนี � 1) ฉีดสารละลายเกลือบนลูกถ้วยฉนวน (ฝนเทียม) เป็ นเวลามากกว่า 20 นาที 2) ป้อนแรงดันจนเกิดวาบไฟตามผิวลูกถ้วยเป็ นจ�านวน 8 ครัง� และตรวจสอบ ว่าไม่เกิดความเสียหายบนผิวลูกถ้วยฉนวน 3) ท�าความสะอาดลูกถ้วยฉนวนด้วยน�า� สะอาด 4) น�าลูกถ้วยไปฉีดสารละลายเกลืออีกครัง� 5) ป้อนแรงดันกระแสสลับที�มีขนาดเท่ากับแรงดันเฟสของระบบที�นา� ลูกถ้วย ไปใช้งาน (

Um 3

) เป็ นเวลาหน��งชั�วโมง

�) ท�า��า� ขัน� ตอนที� 3) ถ�งขัน� ตอนที� 5) อีกสองครัง� ลูกถ้วยฉนวนจะผ่านการทดสอบเมื�อไม่เกิดวาบไฟตามผิวในระหว่างการป้อน แรงดัน ในขั�น ตอนที� 5) ทั�ง สามครั�ง ถ้า หากเกิ ด วาบไฟตามผิ ว หน�� ง ครั�ง ให้ท า� การ ทดสอบครัง� ที�ส�แี ละต้องไม่เกิดวาบไฟตามผิวข�น� อีก 8.5.3.2 Solid layer method เป็ นการทดสอบส�าหรับมล�าวะไม่ละลายน�า� โดยการจ�าลองชัน� มล�าวะที�มี ส่ ว นผสมของเกลื อ และวัส ด�เ ฉื� อ ย เช่ น ดิ น ขาว (�aolin) ดิ น เบา (�ieselg�hr หรื อ diatomite) หรื อ ดิ น เผาสี เ หลื อ ง (tono�o) บนผิ ว ลูก ถ้ว ยฉนวน โดยมี ขั�น ตอนการ ทดสอบดังนี � 1) ทาผิวลูกถ้วยฉนวนด้วยชัน� มล�าวะที�เตรียมไว้ ให้มีระดับมล�าวะตามที� ต้องการโดยวัดจากค่าความหนาแน่นของเกลือciii (salt deposit density, ESDD) 2) ติดตัง� ลูกถ้วยฉนวนในห้องหมอก (fog cham�er) 3) ป้อนแรงดันกระแสสลับที�มีขนาดเท่ากับแรงดันเฟสของระบบที�นา� ลูกถ้วย ไปใช้งาน 4) �่นหมอกเ�ื�อให้ความชืน� กับผิวลูกถ้วยฉนวนเป็ นเวลา 100 นาที cii ciii

ปริมา�เกลือที�อยูใ่ นน�า� (�g�m3) ปริมา�โ�เดียมคลอไรด�ตอ่ หน่วย�ืน� ที�บนผิวฉนวนที�กา� หนด (mg�cm2)


5� ท�า��า� �� อ�ท�� ง�� อ�ท�� 4� อ�กสอง�ร�ง� �ูก�้��า�การทดสอบ��อไ��ก�ด�าบไฟ�า��ร��างการ��า� ��อก�� อ�ท�� 4� �้า�าก�ก�ด�าบไฟ�า��ง�ร�ง� ��้ทา� การทดสอบ�� อ�ท�� 4� แ��้องไ��ก�ด�าบไฟ�า�� อ�ก



คําถามท้ายบทที� 8 8.1 ระดับแรงดัน ไฟฟ้า ที� น าํ อุปกรณ์ไ ปใช้ง านมี ผ ลอย่า งต่อการเลื อกชนิ ด แรงดัน ไฟฟ้า ในการ ทดสอบความคงทนอยูไ่ ด้ตอ่ แรงดัน 8.2 จงอธิ บายเงื� อนไขของแหล่งจ่ายแรงดันสูงกระแสตรงและแรงดันสูงกระแสสลับที�ใช้ในการ ทดสอบความคงทนอยูไ่ ด้ตอ่ แรงดัน 8.3 การทดสอบความคงทนอยู่ได้ต่อแรงดันอิมพัลส์ใน�นวนที�สามารถคืนสภาพได้และ�นวนที�ไม่ สามารถคืนสภาพได้มีความแตกต่างกันอย่างไร 8.4 แรงดันอิมพัลส์วิกฤตคืออะไร และมีวิธีการหาอย่างไร 8.5 คลื� น วิ ท ยุ แ ละสั� �าณความถี� สูง บนอุป กรณ์ไ ฟฟ้ า แรงสูง มี ส าเหตุม าจากอะไร และมี ผลกระทบต่อการทํางานของอุปกรณ์ไฟฟ้าและระบบไฟฟ้าอย่างไร 8.6 รู ปแบบการวัดสั��าณรบกวนบนอุปกรณ์ไฟฟ้าแรงสูงแบ่งเป� นกี�รูปแบบ พร้อมยกตัวอย่าง ประกอบ 8.7 ถ้าการทดสอบแรงดันไฟฟ้าคลื�นรบกวนวิทยุไม่ได้กระทําที�สภาวะมาตร�าน ผูท้ าํ การทดสอบ จะต้องทําอย่างไรกับผลการวัด 8.8 การอิ�ม ตัว ของแกนเหล�ก ที� อาจเกิ ดในขณะการทํา ทดสอบการทนต่อแรงดัน เหนี� ยวนําเกิ น สามารถแก้ไขได้ดว้ ยวิธีใด 8.9 จงเปรียบเทียบการต่อวงจรทดสอบดิสชาร์จบางส่วนระหว่างหม้อแปลงไฟฟ้าหน��งเฟสและหม้อ แปลงไฟฟ้าสามเฟส 8.10 เหตุใดขดลวดของหม้อแปลงไฟฟ้าที�ไม่ได้ทดสอบความคงทนอยู่ได้ต่อแรงดันอิมพัลส์ตอ้ งถูก ลัดวงจรและต่อลงดิน 8.11 จงอธิบายวิธีการวิเคราะห์ออส�ิลโลแกรมของหม้อแปลงไฟฟ้าที�ได้จากการทดสอบความคงทน อยูไ่ ด้ตอ่ แรงดันอิมพัลส์ 8.12 สายเคเบิลที�ตอ้ งทําการทดสอบความทนทานของ�นวนสายไฟเป� นสายประเภทไหน และมี ขัน� ตอนการทดสอบเป� นอย่างไร 8.13 ความเสียหายของ�นวนสายเคเบิลเนื� องจากความร้อนมี สาเหตุมาจากอะไรและสามารถ ประเมินได้ดว้ ยการทดสอบอย่างไร 8.14 จงอธิบายลัก�ณะของสิ�งบกพร่องที�เกิดใน�นวนของสายเคเบิลแรงสูง 8.15 การเกิดดิสชาร์จตามผิวและโคโรนาดิสชาร์จส่งผลอย่างไรต่อการทดสอบดิสชาร์จบางส่วน ภายในเนือ� �นวนของสายเคเบิล 8.16 �นเทียมที�ใช้ในการทดสอบความคงทนแรงดันไฟฟ้าในภาวะเปี ยกของลูกถ้วย�นวนต้องมี คุณสมบัตแิ ละขัน� ตอนการเตรียมการเป� นอย่างไร


8.17 วัตถุประสงค์ของการทดสอบแรงดันไฟฟ้าเจาะผ่านในลูกถ้วยฉนวนคืออะไร 8.18 เ�ตุใดต้องน�าลูกถ้วยฉนวนจุ่มลงในน�า� มันฉนวนในข�ะท�าการทดสอบแรงดันไฟฟ้าเจาะผ่าน 8.19 สิ�งเปรอะเปื �อนท��จับเกาะบนผิวลูกถ้วยฉนวนแบ่งออกเป็ นก��นิด และม�ผลอย่างไรต่อส�า� ความเป็ นฉนวนและแรงดันวาบไฟตามผิวของลูกถ้วยฉนวน 8.20 จงอ�ิบายความแตกต่างของการทดสอบ�าวะเปรอะเปื �อนบนลูกถ้วยฉนวนระ�ว่างวิ�� salt �o� method และ solid layer method


- 348 -

บทที� 9 ฟ้ าผ่าและการป้ องกัน �� ือ��ค�� ือ�� อ��อื�� อ�� อ� ��อ�� อ�� อ�� อ�� อ�� อ�อ� �� อ�� อ�� ค�� 9.1 กลไกการเกิดฟ้ าผ่า �� อ �� อ�� อ �� ค��อ� �� ือ�� อ�� ค��

�� ค�� 4��4��-�� อ�� อ�� คือ - ��อ� � �� อ��อ�อ�อ�� อ��อ�� ื�� อ�� อ� ��อ�ื�

ฟ้ฟ้าาผ่ผ่าาและการป้ และการป้อองกังกันน -- 349 349 --

- ลม�ายุแนวปะ�ะอากาศ �� m� เกิดจากกลุม่ เม�ในอากาศ�ี�เย�นกว่า เ�ล��อน ตัวไปยังบริเวณ�ี�มีอณ ุ ห�ูมิ�งู �ําให้เกิดเป� นลม�ายุ�ดูรอ้ น�ลับกันไป ในก้อนเม�จะมีประจุไฟฟ้าอยู่�ดยเ��าะบริเวณ�านมีละอองนํา� �ี�จบั ประจุลบได้มาก และ �่วนบนของก้อนเม�มีละอองเกล�ดนํา� แข�ง�ี�รบั ประจุบวกได้มากกว่า ดังรู ป�ี� 9�� ในขณะเกิด�ายุฟา้ �ะนอง อากาศมี�วามแปรปรวน ประจุในก้อนเม�เกิดการถ่ายเ�เ��อลด�วามเ�รียด�นามไฟฟ้า มี การเ�ีย��า�ของอากาศ เกิดเป� นช่องฟ้าผ่า�ี�มี��า�เป� นตัวนํากระแ�ไฟฟ้าชั�วขณะ�ี�เกิดฟ้าผ่า

รูป�ี� 9�� ประจุในก้อนเม��ิวมู�ลนิมบั� �ี�มา ��//��v/��m�i��c�m��3��4�� ฟ้าผ่าเริ�มเกิดจากการไอออไนเ�ชันของอากาศเม��อ�วามเ�รียด�นามไฟฟ้า�ี�กอ้ นเม�มี�่า อยูใ่ นช่วง 10 kV/cm ถึง 30 kV/cm อากาศเกิดการแตกตัวให้ประจุไฟฟ้า และในขณะเดียวกันประจุ ลบ�ี�อยู่บริเวณ�านก้อนเม�จะเหนี�ยวนําให้เกิดประจุบวกบน��น� ดินหร�อ�ิ�งปลูก�ร้าง�ี�อยู่ใต้กอ้ น เม� เกิด�วามเ�รียด�นามไฟฟ้า�ี�บริเวณดังกล่าวดังรู ป�ี� 9�3 กลไกการฟ้าผ่าเริ�ม�ดยหัวนําร่อง �� จากก้อนเม��ี�มี�วามยาวประมาณ 50 mciv รอบๆหัวนําร่องมีการแตกตัวของอากาศในเขต รัศมีประมาณ 30 cm ชักนําให้เกิดหัวนําร่องใหม่ใน�ิศ�าง�ี�อากาศแตกตัวได้ง่าย�ี��ดุ ในลัก�ณะ จังหวะก้าว �� แต่ละก้าวจังหวะใช้เวลาในระดับไม��รวินา�ี เม��อหัวนําร่องขยายตัวเข้า ใกล้��นดิน �ยอดอา�าร� �วามเ�รียด�นามไฟฟ้า�่า�ูง�ําให้เกิด�ตรีมเมอร��่งุ ขึน� จาก��น� ดินเข้าหา หัวนําร่อง เกิดเป� นลําฟ้าผ่ามีเ�ียงดังและแ�งจ้าจาก��น� �ลกขึน� ไป�ู่กอ้ นเม�ด้วย�วามเร�วประมาณ 50103 km/� การไหลของประจุขวั� ตรงข้ามขึน� ไปยังก้อนเม�นีเ� รียกว่า ลําฟ้าผ่าย้อนกลับ ��

civ

�่าเ�ลี�ย�วามยาวหัวนําร่อง

- 350 - ฟ้าผ่าและการป้องกัน

ฟ้าผ่าและการป้องกัน - 350 -

��k�) แนว�่องที�มีการไหลของประจุ�นอากา�ยังคงมีความนําไฟฟ้าสูง การไหลของประจุสามารถ เกิดขึน� ได้อีกเ��อถ่ายเทประจุจากก้อนเมฆลงสู�่ �นดินเกิดเป� นลําฟ้าผ่า�ํา� ��k�) ระยะก้า ว�ามสุดท้ายก่ อนหัวนํา ร่องจากก้อนเมฆกระ�ดดเข้าหาส�รีม เมอร�จาก��น� ดิน เรียกว่า ระยะฟ้าผ่า ��k�� ) มีระยะเ�ลี�ยประมาณ 50 �

---- -- --

ก) ความเครียดสนามไฟฟ้าระหว่าง ก้อนเมฆกับอาคาร

--

+ + + +

-- - - -- - + + ++ ++

ข) จังหวะก้าวของหัวนําร่อง

I0

ง) ฟ้าผ่าด้านข้างอาคาร ค) ลําฟ้าผ่าย้อนกลับ รูปที� ��3 การเกิดฟ้าผ่าจากก้อนเมฆมายังอาคาร ฟ้าผ่ามีแรงดันไฟฟ้าและกระแสไฟฟ้าสูงได้ถึง 100 MV และ 250 kA ลําฟ้าผ่ามีอณ ุ หภูมิสงู ประมาณ 30,000 K ผลกระทบของฟ้าผ่าจึงมีหลายด้าน ได้แก่


- ผลกระทบด้านความร้อน �้าสิ�งที��กู ฟ้าผ่าไม่สามาร��่ายเท�ลังงานลงสู�่ �นดินได้ใน�่วงเวลาสัน� � ความ ร้อนที�เกิดจากลําฟ้าผ่าที�มีอณ ุ ห�ูมิสงู ทําให้เกิดไฟไหม้อย่างรวดเร็ว เ�่น การลุกไหม้ของ ต้น ไม้เ ม�� อ�ูก ฟ้าผ่า �้า ตํา แหน่ง ที� ฟ้า ผ่า เป็ น�ลหะ ความร้อนจะทํา ให้เ กิ ดการหลอม ละลายและเกิดการระเบิดได้ เ�่น ฟ้าผ่าลงที��งั เก็บเ��อ� เ�ลิง - ผลกระทบด้านแรงทางกล กระแสฟ้าผ่าทําให้เกิดแรงคูลอมบ์ในตัวนําไฟฟ้าที�กระแสฟ้าผ่าไหลผ่าน เม��อ คิดรวมผลของความร้อนทําให้เกิดการขยายตัวเป็ นแรงระเบิดได้ - ผลกระทบด้านไฟฟ้า ก่อนเกิดฟ้าผ่า สนามไฟฟ้ามีค่าสูงมากจนอาจรบกวนการทํางานของอุปกรณ์ ไฟฟ้าและระบบส��อสาร เม��อเกิ ดฟ้าผ่าจะมีสนามแม่เหล็กไฟฟ้าแผ่ออกรอบลําฟ้าผ่า รบกวนคล��นสั��าณต่าง� เหนี� ยวนําให้เกิ ดแรงดันไฟฟ้าบนวัต�ุท�ี อยู่ขา้ งเคียง �้า ฟ้าผ่าลงที�ระบบไฟฟ้า กระแสฟ้าผ่าจะทําให้เกิดแรงดันเกินเสิรจ์ ในสายส่งจนอาจเป็ น สาเหตุให้ฉนวนและอุปกรณ์ไฟฟ้าเสียหายได้ �้าหากย�ดหลักว่าฟ้าผ่าเป็ นการเ��อม�ยงบริเวณสองแห่งที�มีประจุไฟฟ้าต่างกัน จะสามาร� แบ่งลัก�ณะการเกิดฟ้าผ่าได้เป็ นสี�แบบ ดังนี � 1) ฟ้าผ่า�ายในก้อนเม� เป็ นการเ��อมต่อประจุลบที��านของเม�กับประจุบวกในส่วนบน ของก้อนเม�เข้าด้วยกัน เป็ นฟ้าผ่าแบบที�เกิดมากที�สดุ �) ฟ้าผ่าระหว่างก้อนเม� เป็ นการ�่ายเทประจุลบจากก้อนเม�หน��งไปยังประจุบวกในอีก ก้อนเม�หน��ง �) ฟ้าผ่าจาก�านเม�ลงสู่��นดิน เป็ นการ�่ายเทประจุลบจากก้อนเม� จ�งเรียกว่า ฟ้าผ่า แบบลบ (negative lightning) �) ฟ้าผ่าจากยอดเม�ลงสู่��นดิน เป็ นการ�่ายเทประจุบวกจากก้อนเม� จ�งเรียกว่า ฟ้าผ่า แบบบวก (positive lightning) นอกจากฟ้าผ่าตามลัก�ณะข้างต้น��งสามาร��บได้ท� ัวไปแล้ว ยังมีการเกิ ดฟ้าผ่าในอีก ลัก�ณะหน��งที�เกิดข�น� น้อย ค�อ ฟ้าผ่าจาก��น� ดินข�น� ไปหาก้อนเม�หร�อฟ้าผ่าข�น� ที�จะเกิดในที��ล่งและ อยูส่ งู จาก��น� ดินมาก เ�่น ยอด�ูเขาสูงหร�อหอคอยสูง �ดยสามาร�เกิดได้ทงั� ประจุบวกและประจุลบ



ก) ฟ้าผ่าภายในก้อนเมฆ

ข) ฟ้าผ่าระหว่างก้อนเมฆ

ค) ฟ้าผ่าลง

ง) ฟ้าผ่าข�น�

ร�ป�� 9.4 ลักษณะการเกิดฟ้าผ่า ��มา https://www.nssl.noaa.gov/ed�cation/svrw��/lightning/t�pes/ https://www.canada.ca/en/environment-climate-change/services/ lightning/science/how-lightning-works.html 9.2 กระแสฟ้ าผ่า กระแ�ฟ้าผ่าม�ร�ปคล��นเป� นแ��อิม�ัล��ก� ก�าหนดด้วยค่า�ารามิเ�อร��างเวลา�องค่า ค�อ เวลาหน้า คล��น T1 และเวลาหางคล��น T2 เ�่ น เด�ย ว�� ก ล่า ว�� ง ใน�� เร��องการ�ร้า งกระแ� อิม�ัล�� ัวอย่างของร�ปคล��นกระแ�ฟ้าผ่าแ�ดงในร�ป�� 9.5


0

0

25

50

75

100

125

t , s

-10 -20 -30 -40

T1 T2

I, kA

ร�ป�� 5 กระแ�ฟ้าผ่า�ั�� ล� �นา�กระแ�ฟ้าผ่า��ง��และ�อกา��กระแ�ฟ้าผ่า�ะ��ลา�น้า�ล��นและ�าง�ล��น�่า�� แ��ง�นร�ป�� และร�ป�� า�ล�า�ั�

ร�ป�� า�น่า�ะ�ป� น�ะ��อง�นา�กระแ�ฟ้าผ่า�้อนกลั��ง�� 5�� ล�าฟ้าผ่าแรก�ั�� ล� � ล�าฟ้าผ่า�า��ั�� ล� 3 ล�าฟ้าผ่า�ั�� ก



ก� ��ลา�น้า�ล��น

�� ลา�าง�ล��น ร�ป�� ปอร��น��อง��ลา�น้า�ล��นและ��ลา�าง�ล��น�องกระแ�ฟ้าผ่า �5�� ล�าฟ้าผ่าแรก�ั�� ล� � ล�าฟ้าผ่า�า��ั�� ล� 3 ล�าฟ้าผ่า�ั�� ก


�ากข้อมูลทาง�ถ�ต�� ะเ�็น�่าขนาดและ�่�งเ�ลาของรูป�ล��นกระแ�ฟ้าผ่าม�การกระ�าย�น�่า ต่าง� �อ�ม��ร ��ง� ม��าเ�ต�มา�าก�ถานท��และ��ท��้�นการเก็�ข้อมูลท��แตกต่างกัน �ดยท��อกา��น การเก� ด 50� กระแ�ฟ้ า ผ่ า ม� ข นาด 30 kA เ�ลา�น้า �ล�� น 5.5 s และเ�ลา�าง�ล�� น �5 s �่าเ�ล่าน�� ะม�แน��น้มลดลง�ํา�รั�ฟ้าผ่าท��เก�ดตามมา�นภาย�ลังcv 9.3 อันตรายของฟ้ าผ่า �น�ร�อ��งม��ตม��ามต้านทานต่อการไ�ลของกระแ�ไฟฟ้า เม��อไป�ัมผั�กั�ตําแ�น่งท��ม� แรงดันไฟฟ้า�ะม�กระแ�ไฟฟ้าไ�ลผ่าน�ร�อท��เร�ยก�่าถูกไฟฟ้าดูด (elec��ic s��ck� ระดั�อันตรายท�� เก�ดข�น� ม�ตงั� แต่ทาํ ��้รู�้ ก� เ�็�เล็กน้อยท��ผ��นัง ทํา��้รา่ งกาย�าดเ�็� �ร�ออา�ถ�ง��ตได้�น�างกร�� ดยทั��ไปการถูกไฟฟ้าดูดแ�่งเป็ น�องประเภท ��อ ไฟฟ้าดูดขั�นท�� 1 (��ima�� s��cks� เก� ด�าก กระแ�ไฟฟ้า �ํา น�นมากทํา ��้เ ก� ด ��ามเ�� ย �ายอย่า งร� น แรงต่อ ร่า งกาย และไฟฟ้ า ดูด ขั�น ท�� (sec��a�� s��cks� เก� ด�ากกระแ�ไฟฟ้า ท�� ม��่าตํ�าทํา ��้เก� ด��ามเ�็�ป�ด�ร�อ�าดแผลเ��ยง เล็กน้อย กระแ�ไฟฟ้าท��ไ�ลผ่านร่างกาย�ะทํา��้เก�ด��ามร้อน�ูง �่งผล��้เ�ลล��นร่างกายถูกทําลาย เก�ดการไ�ม้ทงั� �ากภายนอกและภาย�นของเ�ลล� นอก�ากน�ก� ระแ�ไฟฟ้าอา�ไปร�ก�น�ัง��ะการ ทํางาน�ร�อการ�่ง�ั��า��มไปยังอ�ัย�ะต่าง� เ�่น �ั�� ปอด และกล้ามเน�อ� ปั � �ัย ท�� เ ป็ น �าเ�ต�� าํ �ั� ของการเก� ด อัน ตรายต่ อ ผู้ท� ถูก ไฟฟ้ า ดูด ประกอ�ด้� ยขนาด กระแ�ไฟฟ้าท��ไ�ลผ่านร่างกาย ระยะเ�ลาท��ถูกไฟฟ้าดูด และเ�้นทางท��กระแ�ไฟฟ้าไ�ลผ่าน �ดย ปร�มา�กระแ�ไฟฟ้าท��ทาํ ��้เก�ดอันตรายม�ขนาดไม่แน่นอนข�น� อยู่ก�ั ลัก��ะทางกายภา�ของแต่ละ �น เ�่น �นท��ม�รูปร่างอ้�น�ะ�ามารถรั�ปร�มา�กระแ�ไฟฟ้าได้มากก�่า�นท��ม�รูปร่างผอม เป็ นต้น 9.3.1 ประเภทของการถูกไฟฟ้าดูด �ดยอา�ัยผลกระท��ร�ออันตรายท��เก�ด�ากการถูกไฟฟ้าดูด�ามารถแ�่งประเภท การถูกไฟฟ้าดูดได้ดงั น� � - รู �้ ก� เ�็�เล็กน้อย เป็ นระดั�กระแ�ไฟฟ้าท��ทาํ ��้รู�้ ่าม�กระแ�รั��ไ�ลcvi (leakage c��e�� อยู่�ร�เ��ท��ไป�ัมผั� กระแ�ไฟฟ้าม�ปร�มา�น้อย ปกต�ม�ขนาดตํ�าก�่า 0.5 mA

cv cvi

ลําฟ้าผ่าตาม กระแ�ไฟฟ้าท��ไ�ล�าก�ง�รไฟฟ้าไปท��ผ��ของ�ายไฟฟ้า ��รงของอ�ปกร��ไฟฟ้า ผ��ของ��รง�ร�อผนังของ��ด ต�ดตัง� ระ��ไฟฟ้า



- รับรู ว้ ่าถูกไฟดูด กระแสไฟฟ้าไหลผ่านร่างกายขนาดประมาณ 1 mA ถึง 2 mA �ดยไม่เกิดความเจ็บปวดหร�อสู�เสียความสามารถในการควบคุมกล้ามเน�อ� - ไฟฟ้าดูดระดับที� 1 มีกระแสไฟฟ้าไหลผ่านน้อยกว่า 10 mA ไหลผ่านร่างกาย ทํา ให้เ กิ ด ความเจ็ บ ปวดคล้า ยกั บ การถู ก ตี ด ้ว ยค้อ น แต่ ยัง สามารถควบคุ ม กล้ามเน�อ� ให้ปล่อยม�อออกจากจุดที�สมั ผัสได้ - ไฟฟ้าดูดระดับที� 2 มีกระแสไฟฟ้าประมาณ 15 mA ถึง 23 mA ไหลผ่านร่างกาย ผูถ้ ูกไฟฟ้าดูดส่วนให�่ไม่สามารถคลายม�อจากจุดที�สมั ผัสได้ ทําให้เกิดความ เจ็ บ ปวดอย่า งรุ น แรงและอาจทํา ให้ร ะบบทางเดิ น หายใจขัด ข้อ ง หายใจได้ ลําบาก - ไฟฟ้าดูดระดับที� 3 มีกระแสไฟฟ้าประมาณ 75 mA ไหลผ่านร่างกาย ผูถ้ กู ไฟฟ้า ดูด อาจเกิ ด ภาวะหัว ใจเต้น ผิ ด จัง หวะ cvii (ventricular fibrillation) สมองขาด ออก�ิเจน ถ้าหากอยู่ในภาวะนีเ� �ียงไม่ก�ีวินาทีอาจกลายเป็ นภาวะหัวใจหยุด เต้นและเสียชีวิตได้ - ไฟฟ้าดูดระดับที� 4 มีกระแสไฟฟ้าประมาณ 200 mA ไหลผ่านร่างกาย การถูก ไฟฟ้าระดับนีด� ูดเ�ียง 5 วินาที ก็ สามารถทําให้เกิดภาวะหัวใจเต้นผิดจังหวะ อย่างรุนแรงได้ - ไฟฟ้าดูดระดับที� 5 มีกระแสไฟฟ้าประมาณ 4 A ไหลผ่านร่างกาย การถูกไฟฟ้า ระดับนีด� ดู จะทําให้หวั ใจหยุดเต้นอย่างเ�ียบ�ลันได้ ตามมาตรฐาน IEEE Standard 524a, IEEE guide to the installation of overhead transmission line conductors [57] และ มาตรฐาน IEEE Standard 1048, IEEE guide for �rotective grounding of �o�er lines [58] สถิติของการถูกไฟฟ้าดูดในขัน� ที� 1 และขัน� ที� 2 แสดงในตารางที� ��1 และตารางที� ��2 ตามลําดับ จากตารางที� ��1 และตารางที� ��2 จะเห็นว่าผูห้ �ิงมีความไวต่อการถูกไฟฟ้าดูดcviii มากกว่ า ผู้ช าย เน�� อ งจากร่ า งกายของผู้ห �ิ ง มี ม วลน้อ ยกว่ า ผู้ช าย และการถู ก ไฟฟ้ า กระแสสลับดูดมีอนั ตรายมากกว่าการถูกดูดด้วยไฟฟ้ากระแสตรง

cvii cviii

การหดตัวของกล้ามเน�อ� หัวใจห้องล่างไม่สมั �ัน��กนั ทําให้การไหลเวียนของเล�อดหยุดชะงัก ขนาดกระแสไฟฟ้าน้อยกว่า


ตารางที� 9.1 ขนาดกระแสไฟฟ้าและผลกระทบที�เกิดจากการถูกไฟฟ้าดูดในขัน� ที� 2 �59� กระแสไฟฟ้า (mA) ผลกระทบ ไม่มีความรูส้ กึ ที�มือ รับรูว้ า่ ถูกไฟฟ้าดูด รู ส้ ึกไม่สบายและไม่สามารถ ควบค�มกล้ามเนือ� ได้ รู ส้ ึก เจ็ บ ปวดและไม่สามารถ ควบค�มกล้ามเนือ� ได้

ไฟฟ้ากระแสตรง

ไฟฟ้ากระแสสลับ

ผูช้ าย

ผูห้ ญิง

ผูช้ าย


1.0 5.2 9.0

0.6 3.5 6.0

0.4 1.1 1.8

0.3 0.7 1.2

62.0

41.0

9.0

6.0

ตารางที� 9.2 ขนาดกระแสไฟฟ้าและผลกระทบที�เกิดจากการถูกไฟฟ้าดูดในขัน� ที� 1 �59� กระแสไฟฟ้า (mA) ผลกระทบ ไม่สามารถคลายมือออกจาก จ�ดที�สมั ผัสได้ การหายใจติดขัด ภาวะหัวใจเต้นผิดจังหวะ

0.5% ของประชากร ทัง� หมด

50% ของประชากร ทัง� หมด

ผูช้ าย


ผูช้ าย


9.0

6.0

16.0

10.5

100.0

67.0

23.0 -

15.0 -

9.3.2 ปั จจัยที�มีผลต่อความร�นแรงจากการถูกไฟฟ้าดูด ความร� นแรงของการถูกไฟฟ้าดูดขึน� อยู่กบั หลายปั จจัย �ึ�งสามารถแบ่งออกเป็ นหก ปั จจัยหลักดังนี � 9.3.2.1 ระดับแรงดันไฟฟ้า ไฟฟ้าดูดเกิดจากการไหลของกระแสไฟฟ้าผ่านเนือ� เยื�อ ปริมา�กระแสไฟฟ้า ขึน� อยูก่ บั ความต่าง�ักย�ท�ีตกคร่อมระหว่างสองจ�ดที�กระแสไฟฟ้าไหลผ่าน การถูกไฟฟ้า ดูดที�แรงดันสูงจะทําให้เกิดอันตรายร�นแรงเนื�องจากมีกระแสไฟฟ้าจํานวนมากไหลผ่าน ร่างกาย อาจทําให้เกิดการหดตัวของกล้ามเนือ� ร่างกายเกิดอาการเกร็ง การหายใจ ติดขัด ทําให้หมดสติหรือเสียชีวิตได้



9.3.2.2 ปริมาณกระแสไฟฟ้า กระแสไฟฟ้าท��ไหลผ่านร่างกายสามาร�ร�กวนการทํางานของอวัยวะ�าย�น ร่างกาย ��่น ทํา�ห้หวั ��ต้นผิ��ังหวะหรือปอ�ทํางานผิ�ปกติ นอก�ากน�� นขณะท�� กระแสไฟฟ้าไหลผ่าน�นือ� �ยื�อ�ะ�กิ�ความร้อนข�น� �นร่างกาย ทํา�ห้ผิวหนังไหม้และ�กิ� แผลไ�้ ความร้อนท��กิ�ข�น� สามาร�คํานวณไ�้�ากสมการ�ลังงาน E = Pt = I 2 Rt

�มื�อ

P I R

t

(9.1)

คือ กําลังไฟฟ้า (W) คือ กระแสไฟฟ้าท��ไหลผ่านร่างกาย (�) คือ ความต้านทานของร่างกาย () คือ ระยะ�วลาท��ก� ไฟฟ้า�� (�)

9.3.2.3 ความต้านทานของร่างกาย ความต้า นทาน�ป� น ปั ��ัย สํา คั�ท�� ก าํ หน�ปริม าณกระแสไฟฟ้า ท�� ไหลผ่ า น ร่างกาย ��งสามาร�อ�ิ �ายไ�้�ากก�ของ�อห�ม อย่างไรก�ตามร่างกายม��ครงสร้าง �ั��้อน ม�ทางผ่านของกระแสไฟฟ้า�ป� น�ํานวนมาก ทัง� ท��ม�ความสัม�ัน��ของกระแส และแรง�ัน ไฟฟ้า �ป� น แ��ไม่� �ิ ง �ส้น หรื อ ความต้า นทาน�ปล�� ย นแปลงตามส�า� ร่างกาย�นขณะ��กไฟฟ้า�� ความต้านทานของทางผ่านกระแสท��หมือนกัน ��่น �าก มือ�้ายไปยัง�ท้าทัง� สองข้างของคนแต่ละคนยังม�ค่าไม่�ท่ากัน ��ยข�น� อย�่กั��งื�อนไข หลายประการ ไ�้แก่ นํา� หนัก ขนา�ร่างกาย ปริมาณนํา� และแร่�าต��นร่างกาย ส�า� ผิ ว หนัง �ป� น ต้น นอก�ากน� ค� วามต้า นทานของร่า งกายยัง ข�น� กั� ระ�ั� แรง�ัน และ ความ�� ังนัน� ทั�วไปความต้านทานของร่างกาย�ะแส�ง�นร� ปของ�ิสยั (��) ความ ต้า นทานของคน�นแต่ล ะ�่ ว งอาย�� าย�ต้� งื� อ นไขท�� ก าํ หน� ��่ น ลัก �ณะของงาน อ�ปกรณ�ท��้ และส�า�แว�ล้อม�นการทํางาน การหาความต้า นทานของร่ า งกาย �ริ� ม ต้น �ากการกํา หน��ส้น ทางท�� กระแสไฟฟ้าผ่าน �ากนัน� ทําการรวมความต้านทานของอวัยวะต่าง�ท��อย�่�นทางผ่าน ของกระแสไฟฟ้า ��งสามาร�แ�่งกล�่มความต้านทานส่วนต่าง�ของร่างกายไ�้�ป� นหก กล�ม่ คือ ผิวหนัง หน้าอก ลําตัว แขน ขา และรอง�ท้าท��สวม�ส่ �ส้นทางของกระแสไฟฟ้ากําหน��ากตําแหน่งท��กระแสไฟฟ้าไหล�ข้าร่างกาย �น��งตําแหน่งท��กระแสไฟฟ้าไหลออก�ากร่างกาย ��่น การ��กไฟฟ้า��ระหว่างมือทัง� สองข้าง ทางผ่านของกระแสไฟฟ้า คือ มือทัง� สองข้าง แขนทัง� สองข้าง ผิวหนัง และ หน้าอก


มาตรฐาน IEEE Standard 1048 [58] ได้ก ํา หนดช่ ว งความต้า นทานของ ร่างกา�ไว้ในตารางที� 9�3 เ�ื�อใช้ในการประมาณขนาดกระแสไฟฟ้าที�ไหลผ่านร่างกา� แต่เ นื� อ ง�ากร่า งกา�ของแต่ล ะคนมี ค วามแตกต่า งกัน เ�ื� อ ความปลอด�ั� �ึง ควร เลือกใช้ความต้านทานที�มีคา่ ตํ�าสุดในการคํานวณ ตารางที� 9�3 ความต้านทานร่างกา�คน [58] ความต้านทาน () ค่าสูงสุด ค่าตํ�าสุด ค่าเ�ลี��

มือถึงมือ

มือถึงเท้า

ผิวหนังแห้ง

ผิวหนังเปี �กชืน�

ผิวหนังเปี �กชืน�

13,500 1,500 4,838

1,260 610 865

1,950 820 1,221

รู ปที� 9�8 แสดงความต้านทานแต่ละส่วนของร่างกา�คน เ�ื�อในการหาความ ต้านทานรวมของทางผ่านกระแสไฟฟ้า กําหนดให้แขนแต่ละข้างมี ความต้านทาน 500  ขาแต่ละข้างมีความต้านทาน 500  ลําตัวมีความต้านทาน 100  และมี ข้อแนะนําในการนําไปใช้ดงั นี � - ขณะที�ถกู ไฟฟ้าดูด ความเสี�หา�ที�เกิดกั�เนือ� เ�ื�อ�า�ในและผิวหนัง�ะ ทําให้ความต้านทานร่างกา�ลดลง ส่งผลให้ปริมาณกระแสไฟฟ้าที�ไหล ผ่านเ�ิ�มมากขึน� - ไม่คิดผลของความต้านทานรองเท้า เนื�อง�ากความไม่แน่นอนของชนิด รองเท้าและความต้านทานมีค่าตํ�ามากในกรณีตวั รองเท้าเปี �กหรือ�ืน� รองเท้าเป็ นเหล็ก - ความต้านทาน�่ ามือที�เปี �กมีคา่ ตํ�ามาก ละเล�ได้ - ความต้านทานอวั�วะสําคั�ส่วนให�่มีคา่ ตํ�า เช่น หัวใ�มีความต้านทาน ประมาณ 25  ความต้านทานของทางผ่านกระแสไฟฟ้าทั�วไปในขณะถูกไฟฟ้าดูดสามารถประมาณได้ ดังนี � - ระหว่างมือทัง� สองข้างมีความต้านทานประมาณ 1,000  - ระหว่างมือและเท้ามีความต้านทานประมาณ 1,000  - ระหว่างเท้าทัง� สองข้างมีความต้านทานประมาณ 1,000 



500 

500 

100 

500 

500 

ร�ปที� 9.� ความ�้านทานส่วน�่าง�ของร่างกายคน 9.3.2.4 ทางผ่านกระแสไฟฟ้า อั น �รายที� เ กิ ด จากกระแสไฟฟ้ า ไหลผ่ า นผิ ว หนั ง จะน้อ ยกว่ า ในกร�ี ท�ี กระแสไฟฟ้าไหลผ่านอวัยวะสําคัญของร่างกาย เช่น หัวใจ เส้นประสาทไขสันหลัง ปอด และสมอง เน��องจากเกิดการเผาไหม้อย่างร� นแรงของเน�อ� เย��อ จากการทดลองพ�ว่า กระแสไฟฟ้าขนาดเพียง 10 � ที�ไหลผ่านหัวใจของสั�ว�ทดลองก�สามารถทําให้ระ�� ทางเดินหายใจเกิดการขัดข้องได้ ทางผ่านของกระแสไฟฟ้าที�เกิดกั�คนที�ย�นอย��่ นพ�น� ที�ท�ีมีกระแสไฟฟ้าไหลอย�่ �ามผิว ค�อ ระหว่างขาทัง� สองข้าง ถ�งแม้ว่ากระแสไฟฟ้าไม่ได้ไหลผ่านหัวใจ ปอด หร�อ สมอง กระแสไฟฟ้าที�ไหลผ่านก�อาจทําให้รา่ งกายเสียสมด�ลและล้มลง�นพ�น� เป� นผล ให้กระแสไฟฟ้าสามารถไหลผ่านอวัยวะสําคัญของร่างกายได้ 9.3.2.� ระยะเวลาที�ถก� ไฟฟ้าด�ด ความเสียหายของร่างกายจะเพิ�มข�น� �ามระยะเวลาที�ถก� ไฟฟ้าด�ด เน��องจาก ความร้อน�ายในเน�อ� เย��อจากพลังงานของกระแสไฟฟ้าเป� นสัดส่วนกั�ระยะเวลาดัง แสดงในสมการที� 9.1 หากกระแสไฟฟ้าไปร�กวนการทํางานของหัวใจและปอด ยิ�ง เวลาที�ถก� ไฟฟ้าด�ดนานข�น� ความน่าจะเป� นที�ผถ�้ ก� ไฟฟ้าด�ดจะเสียชีวิ�ก�เพิ�มส�งข�น� �าม ไปด้วย ความสัมพัน��ระหว่างปริมา�กระแสไฟฟ้า �ในหน่วย �� ที�ทาํ ให้เกิด�าวะ หัวใจเ�้นผิดจังหวะกั�ระยะเวลาที�ถก� ไฟฟ้าด�ด เป� นดังนี �

ฟ้ฟ้าาผ่ผ่าาและการป้ และการป้อองกังกันน -- 361 361 -I VF =

เม��อ

K

t shock

K

(9.2)

1

 t shock  2

ค�อ ค่าคงท�� ึง� �ึน� กับนํา� หนัก�องคนท��ถกู ไฟฟ้าดูด ค�อ ระยะเวลาท��ถกู ไฟฟ้าดูด (�)

ตารางท�� 9.4 ค่าคงท��

K

ในแต่ละ�่วงนํา� หนัก �59� 1

นํา� หนักร่างกาย (kg) คนกลุม่ อ่อนไหว (5%) 20 50 70

78 185 260

  mA 2  2 K   s 

คนกลุม่ ทั�วไป (50%) 177 368 496

ค่าสูงสุดท��ไม่ทาํ ให้ เกิดภาวะหัวใจเต้น ผิดจังหวะcix 61 116 157

ตารางท�� 9.5 �ลังงานจากการถูกไฟฟ้าดูดและผลกระทบต่อร่างกาย �59� ผลกระทบ �ลังงานเริม� ต้น (�) รูส้ กึ เล็กน้อย

410-6

เกิดความเจ็บปวด

5010-3

ทําให้เกิดอัตราย

40810-3 13

เกิดภาวะหัวใจเต้นผิดจังหวะ

�ลังงานความร้อนท��เกิด�ึน� ในร่างกาย��ะถูกไฟฟ้าดูดเป็ นสิ�งสําคั�ในการ กําหนดระดับความรุนแรงสามารถหาได้จาก E =

t shock



P dt

0

E =

t shock

 0

cix

Maximum nonfibrillation current, NMC

I2 R b dt = I2 R b t

shock

(9.3)


เมื�อ

P I

Rb

ฟ้าผ่าและการป้องกัน - 362 คือ กําลังไฟฟ้าในขณะถูกไฟฟ้าดูด (W) คือ กระแสไฟฟ้าท��ไ�ลผ่านร่างกาย (�) คือ ความต้านทานของร่างกาย ()

9.3.2.6 ความถ��ของกระแสไฟฟ้า ความถ��ท�สง่ ผลกระทบต่อคนสามารถแบ่งได้เป� นสอง�่วงความถ�� คือ ความถ��ท� ไม่ทาํ ใ�้เกิดการแตกตัว (��z�� ) ม�ความถ�� ตงั� แต่ � Hz �นถ�ง 1�15 Hz และความถ��ท�ทาํ ใ�้เกิดการแตกตัว (��z�� ) ม�ความถ��ตงั� แต่ 1�15 Hz ข�น� ไป �ดยขนาดของกระแสไฟฟ้าท��ทาํ ใ�้เกิดอาการกล้ามเนือ� กระต�กม�ความสัม�ัน�� กับความถ��ของกระแสไฟฟ้าดังแสดงในรูปท�� 9.9 80

Let-go current, mA

70 60 50 40 30 20 10 0

0

50

100

1,000

10,000

f, Hz

รูปท�� 9.9 ความสัม�ัน��ระ�ว่างความถ��กระแสไฟฟ้ากับการเกิดอาการ กล้ามเนือ� กระต�ก 9.3.3 ผลของกระแสฟ้าผ่า �ากการ��ก�าของ �� ด้วยการ�ําลองกระแสฟ้าผ่าท��ได้�ากการ ปลดปล่อย�ลังงานท��สะสมในตัวเก�บประ��ใ�้กับวัสด��นวน �ะทําใ�้เกิดลวดลายทางเดิน กระแสไฟฟ้าข�น� ในเนือ� �นวนดังรู ปท�� 9.1� ��งถูกเร�ยกว่า �า� �� ม�ลกั �ณะเป� น กิ�งก้านสาขาคล้ายกับรากไม้และม��านอยูท่ �ตาํ แ�น่งป้อนกระแสไฟฟ้า


ร�ป�� 9.1� ภาพ Lichtenberg ��า http�//��.capture�lightning.com/frames/�pecialLichs.html �น��อง�ากผิวหนัง�องคน�ป� น�นวน�ฟฟ้าอ�่างหน��ง ��อ��กกระแ�ฟ้าผ่า�หลผ่าน ผิวหนัง��ง�า�าร��กิ�ภาพ Lichtenberg ��น� ��้ �ัง�นร�ป�� 9.11

ร�ป�� 9.11 ภาพ Lichtenberg บนผิวหนังคน ��า https�//��.re��it.com/r/�oah�u�e/comments/1fg�mn/lichtenberg_ figure_scar_from_lightning_strikepic/



ความเสี ย หายและอาการบาดเจ็ บ ที� เ กิ ด �ึ น� กั บ คนที� ถูก กระแสฟ้ า ผ่ า ไหลผ่ า น สามารถแบ่งตามระดับพลังงานดังแสดง�นตารางที� 9.6 ตารางที� 9.6 ผลกระทบจากพลังงาน�องกระแสฟ้าผ่า �59� พลังงาน (J)

ความเสียหาย

429

เกิด�าพ �ic�te��er� กล้ามเนือ� หดตัวอย่างร�นแรง เป็ นอัมพาต ชั�วคราว หมดสติและเป็ นอัมพาตชั�วคราว หมดสติ มีบาดแผลที�มือและแ�น สูญเสียการมองเห็น เกิดความเจ็บปวด แต่ไม่มีรอ่ งรอยการดิสชาร์จ บนร่างกาย เกิด�าพ �ic�te��er� กล้ามเนือ� หดตัว และเจ็บปวดอย่างร�นแรง ทางผ่านกระแสไฟฟ้าเป็ นรอยไหม้ลกึ จากลําตัวไปยังเท้า เป็ นอัมพาต ชั�วคราว

520 720 5,000 25,000

9.3.4 ลักษณะการถูกฟ้าผ่า คนหรือสิ�งมีชีวิตสามารถถูกฟ้าผ่าได้ หากยืนอยู่�นที�โล่งแจ้ง�นช่วงที�มีพาย��นฟ้า คะนอง แต่เนื�องจากระยะฟ้าผ่ามีคา่ ประมาณ 50 � ทํา�ห้โอกาสที�จะถูกฟ้าผ่าโดยตรงนัน� มี น้อยมาก ความเสียหายจากฟ้าผ่าที�พบส่วน�หญ่จึงเป็ นความเสียหายทางอ้อม โดยลักษณะ การถูกฟ้าผ่าแบ่งออกเป็ น 4 ลักษณะ คือ 9.3.4.1 การถูกฟ้าผ่าโดยตรง (direct strike) เช่น กรณีฟ้าผ่าลงที�ผูเ้ ล่นกอล์ฟผ่านเหล็กตีส่มู ือและลงพืน� ดิน ถ้าร่างกายมี ความต้านทาน 1,000  และกระแสฟ้าผ่ามี�นาดประมาณ 1,000 � แรงดันไฟฟ้าที� ตกคร่อมคนที�ถูกฟ้าผ่าตรง�ีรษะจะมีค่าเท่ากับ 1,000 k� เกิดวาบไฟตามผิวหรือ�น อากา� อาร์กที�เกิด�ึน� ทํา�ห้แรงดันไฟฟ้าที�ตกคร่อมคนมีคา่ ลดลง ถ้าร่างกายยังมีความ ต้านทานเท่าเดิม กระแสไฟฟ้าที�ไหลผ่านร่างกายจะลดลงอย่างรวดเร็ว และอาจทํา�ห้ คนที�ถกู ฟ้าผ่าไม่เป็ นอันตรายถึงชีวิต 9.3.4.2 การสัมผัสกับวัตท� �ีถกู ฟ้าผ่า หรือที�เรียกว่า แรงดันสัมผัส (c��t�ct ��t��e) เช่น คนยืนพิงต้นไม้ท�ีถกู ฟ้าผ่า คนจับรัว� เหล็ก�ณะเกิดฟ้าผ่า และมีกระแสไหลลงสู่ดินดังรู ปที� 9.12 ถ้าแรงดัน U มี ค่าสูงก็จะมีกระแสไฟฟ้าแบ่งไหลผ่านร่างกายลงสูด่ นิ


รูป�ี� 9.�� แรงดันสัมผัส 9.3.4.3 การเกิดประกายฟ้าผ่าด้านข้าง (side flash) เ�่ น �น�ี� ย� น �กล้� น้ ไม้��ี �ูก ฟ้า ผ่ า ดัง �นรู ป �ี� 9.�3 เน�� อ ง�าก�้น ไม้มี � �าม �้าน�านสูง �นข�ะ�ี�ฟ้าผ่าลง�้นไม้ �น�ี�ย�น�กล้ยงั มีแรงดันเป� นศูนย�เ�่ากับพ�น� ดิน แรงดันไฟฟ้าบน�้นไม้��ี�กล้กับศีรษะอา�มี�่าสูงเพียงพอ�ี� �า� �ห้อากาศเสียส�าพ ฉับพลัน เกิดประกายฟ้าผ่าด้านข้างไปยังศีรษะ มีกระแสไฟฟ้าไหลผ่านร่างกายลงสูด่ นิ

รูป�ี� 9.�3 ประกายฟ้าผ่าด้านข้าง



9.3.4.4 แรงดันช่วงก้าว (step voltage) กระแสฟ้าผ่าท�� ลลงดินท�า��้��ควา�ต่าง�ัก��ภา��นดินและผิวดินรอ�� ต�าแ�น่งท��ก� ฟ้าผ่าดัง�นร�ปท�� 9.14 ระ�ว่าง�ท้า�ะ��ควา�ต่าง�ัก��กิดข�น� �ท่ากั� U =

��ื�อ

I0 ρ d

s

 I0 ρ  s   2π  d  d + s 

(9.4)

คือ กระแสฟ้าผ่า (A) คือ สภาพต้านทานของดิน (  m ) คือ ระ�ะ�่าง�ากต�าแ�น่งท��ก� ฟ้าผ่า (�) คือ ระ�ะระ�ว่าง�ท้าทัง� สองข้าง (�)

ร�ปท�� 9.14 แรงดันช่วงก้าว 9.4 รากสายดิน รากสา�ดิน (ea�t� ele�t�o�e) �ป� น �ล�ะ�ปลือ�ท�� ัง �รือตอกลง�ป�นดิน �พื� อท�า �น้าท�� ่า��ทกระแสฟ้าผ่าลงดินก่อน�ะ�กิดอันตรา�ต่อคนและอ�ปกร��ฟฟ้าต่าง� วัสด�ท��ช้ทา� รากสา�ดิน ต้อง�ป� นวัสด�ท�ทนต่อการผ�กร่อนและ��่�ป� นสนิ� �ช่น แท่งทองแดง แท่ง��ล�กช��รือ��้ ด้ว�ทองแดง �ป� นต้น �้า�ป� น��ล�ก��้ ด้ว�ทองแดงต้อง��ควา��นาของทองแดง��่ต�ากว่า �.�� และ��่�� ปลา��ล�ก�ผล่ออก�าสั�ผัสกั�ดิน การต่อสา�ดิน�ข้ากั�รากสา�ดินควร�ช้วสั ด�ชนิด�ด��วกัน�พื�อ


ไม่ให้มีปั�หาการกัดกร่อน เ�่น รากสายดินทองแดงต่อกับสายที�ทาํ ด้วยทองแดง ควรใ�้วิ�ีเ�ื�อมต่อ ด้วยผงทองแดงโดยเผาให้หลอมละลาย �e�othermic welding) หรือใ�้วิ�ียึดทางกลด้วยหัวต่อที�มี ส่วนผสมของทองแดง เนือ� ดินบริเว�ที�ตอกหลักดินควรเป็ นดินแท้� ไม่�ูกกั�นหรือล้อมรอบด้วยหิน กรวด ทราย คอนกรีต เพราะเป็ นอุปสรรคต่อการกระจายของประจุไฟฟ้าลงสู่ดิน ทําให้ความต้านทานการต่อลง ดินมีค่าสูง ขนาดของสายต่อหลักดินต้องไม่เล็กกว่า 10 mm2 โดยมีท่อหรือฉนวนหุม้ การวางราก สายดินควรวางให้ลกึ ที�สดุ �้าเป็ นการต่อสายด้วยการยึดทางกลควรให้หวั ต่อโผล่พน้ พืน� ดินหรือระดับ นํา� ท่วมเพื�อหลีกเลี�ยงการผุกร่อน หัวต่อ�นิดหลอมละลายสามาร��ั งในดินได้แต่ตอ้ งใ�้สายที�มีการ หุม้ ฉนวนเพื�อป้องกันการผุกร่อน

ก) แบบยึดด้วยแรงกล

ข) แบบหลอมละลาย

รูปที� 9.1� การต่อสายดินเข้ากับรากสายดิน ที�มา https://www.powermeterline.com/2019/0�/14/การต่อสายดิน-ground/ https://www.reddit.com/r/electricians/comments/74quj4/electric_cad_welding/ 9.4.1 แท่งหลักดิน แท่งหลักดินเป็ นแท่งโลหะยาวหรือท่อที�วางในแนวตัง� ในดิน เพื�อให้ผ่าน�ัน� ดินลึกที�มี ความ�ืน� สูง เป็ นรากสายดินที�ตอ้ งการพืน� ที�ติดตัง� น้อย จึงเหมาะที�จะใ�้ในพืน� ที�ท�ีมีส�ิงปลูก



สร้างหนาแน่นหรือผิวดินปกคลุมด้วยด้วยแอสพัลท์cx (asphalt) หรือคอนกรีต ความต้านทาน ดินของแท่งหลักดินเดี�ยวหา�ด้จาก R =

เมื�อ

L

r ρ

ρ   4L   ln   - 1  2πL   r  

(9.5)

คือ ความยาวแท่งหลักดิน (m) คือ รัศมีแท่งหลักดิน (m) คือ สภาพต้านทานของดิน (  m )

รูปที� 9.16 แท่งหลักดิน เมื�อใช้แท่งหลักดินเดี�ยวแล้วความต้านทานดินที��ด้ยงั มีค่าสูงเกินค่าที�กาํ หนด ทําให้ ต้องใช้แท่งหลักดินหลายแท่งต่อขนานกันcxi กรณีแท่งหลักดินจํานวน n แท่ง ติดตัง� ในแนว ตรงโดยมีระยะห่างระหว่างแท่งเท่ากันดังรู ปที� 9.1� ความต้านทานดินของแท่งหลักดินหลาย แท่งที�ขนานกันเท่ากับ R // =

เมื�อ

Ri k

cx

cxi

1  1  k   i = 1 Ri  n

(9.6)

คือ ความต้านทานดินของหลักดินแต่ละแท่ง () คือ ตัวคูณความต้านทาน (filling factor) เท่ากับ 1.25 สําหรับ a >> 2L เท่ากับ 1 สําหรับ a >> 4L

วัสดุท�ีเกิดใน�รรมชาติและเป็ นผลพลอย�ด้จากการกลั�นนํา� มัน มีสีดาํ มีลกั �ณะเหนียวและความหนืดตํ�า นิยม ใช้ในงานก่อสร้างถนน โดยใช้เป็ นวัสดุผิวหน้า แนวเส้นตรง รูปสามเหลี�ยม รูปสี�เหลี�ยม หรือรูปวงกลม


a R1

a R2

R3

L

R4

รูปท�� 9.�7 แท่งหลักดินท��วางขนานกัน 9.4.2 รากสายดินฝั งแนวนอน การนําแท่งโลหะ แถบโลหะ หรือท่อโลหะ วางแนวนอนใต้ผิวดิน โดยความยาวของ รากสายดิ น ต้อ งมากกว่ า ความล�ก ท�� ฝั ง ดิ น ความต้า นทานดิ น ของท่ อ โลหะท�� ว างในดิ น สามารถคํานวณได้จาก R =

เมื�อ

L D h

 L2  ρ ln   2πL  hD 

(9.7)

คือ ความยาวรากสายดิน (m) คือ เส้นผ่านศูนย์กลางของรากสายดิน (m) คือ ความล�กท��ฝังรากสายดิน (m)

h L

L

t D

b

รูปท�� 9.�� รากสายดินฝั งแนวนอน



สํา หรับรากสายดินที� ทาํ จากแถบตัวนําที� มี �ืน� ที� หน้าตัดเป� นสี�เหลี�ยม เส้น ผ่าน��นย�กลาง ประสิทธิผลของแถบตัวนํามีคา่ เท่ากับ De =

เมื�อ

b

t

2  b + t π

(9.8)

คือ ความกว้างแถบโลหะ (m) คือ ความหนาแถบโลหะ (m)

9.4.3 รากสายดินวงแหวน ความต้านทานของรากสายดินร� ปวงแหวนที�มีเส้นผ่าน��นย�กลาง D ทําจากแถบ โลหะที�มีความหนา t วางที�ความล�ก�ต้ผิวดินเท่ากับ 1 m สามารถคํานว��ด้จาก R =

เมื�อ

k

ρ k 2π 2 D

(9.9)

คือ แฟกเตอร�ท�ีแสดง�นร�ปที� 9.�0

D

h t

ร�ปที� 9.19 รากสายดินวงแหวน

ฟ้ฟ้าาผ่ผ่าาและการป้ และการป้อองกังกันน -- 371 371 -k 25

20

15

10

10

102

103

104

105

D t 2

รูปที� 9.�0 แฟก�ตอร� k สําหรับรากสายดินวงแหวน สําหรับรากสายดินวงแหวนที� ไม่�ป� นวงกลม ความต้านทานดินคํานวณได้โดย��้�ส้นผ่าน ศูนย�กลางของวงกลมที�มี�ืน� ที��ท่ากับ�ืน� ที�ท�ีลอ้ มรอบโดยรากสายดิน 9.4.4 รากสายดินแบบโครงตาข่าย รากสายดินแบบโครงตาข่าย��้�นระบบการต่อลงดินของ�ืน� ที�ขนาด�ห�่ ตะแกรง (��i�) ของรากสายดินจะสร้าง�ห้มีขนาด�ท่ากับ�ืน� ที�ติดตัง� ��ื�อ�ห้แน่�จว่าศักย�ไฟฟ้ามีการ กระจายสมํ�า�สมอcxii โดยความต้านทานของรากสายดินแบบโครงตาข่ายคํานวณได้จาก R =

�มื�อ

re Lt

cxii

ρ ρ + 4re Lt

คือ รัศมีสมมูล (m) คือ ผลรวมความยาวของตัวนําที��ป� นรากสายดิน (m)

ความต่างศักย�ระหว่างสองจ�ดที�อยู�่ นโครงตาข่ายมีคา่ น้อยที�สด�

(9.10)



ส�า�รั��ืน� �ี�ร�ปสี��ลี�ยม�ต�รสั �ืน� �ี�ร�ั มีสมม�ล คือ �ืน� �ี�วงกลม�ี�มี�ืน� �ี��่ากั��ืน� �ี� �ริง �นกร�ี��ี�ืน� �ี��ป� นร� ปสี��ลี�ยผืนผ้ายาว รั�มีสมม�ล��่ากั�ผลรวมของด้าน�ายนอก�าร ด้วย π และ L t ��่ากั�ผลรวมความยาวด้านข้างของตาข่าย�ัง� �มด�าย�นตะแกรง

ร�ป�ี� 9.21 รากสายดินแ��ครงตาข่าย 9.4.5 รากสายดินฐานราก ความต้าน�านของรากสายดินฐานรากสามาร�ค�านว��ด้�ดย�ปลี�ยนปริมาตรของ คอนกรีต�ี�มีลกั ��ะ�ป� นปริมาตรล�ก�า�ก��้�ป� นคร�ง� �รงกลม�ี�มีปริมาตร��่ากัน R = 0.2

�มื�อ

V

ρ 1

 V 3

คือ ปริมาตรของคอนกรีต (m3)

ร�ป�ี� 9.22 รากสายดินฐานราก�น�ครงสร้าง�ี��ป� นคอนกรีต�สริม��ล�ก

(9.11)


9.5 สภาพต้านทานของดิน ��ลัก��ะทาง�ฟฟ้าของดินแสดงด้วยส�าพ�้านทานที��ด้�ากการวัด�วาม�้านทาน�ร่อม ผิวหน้าล�ก�า�ก�ดินที�มีขนาด 1 �3 ดังร� ปที� ��3 �วาม�้านทานดินที�วดั �ด้�ะเป็ นสัดส่วน�ดย�รง กั�ส�าพ�้านทานและ�วามยาวล�ก�า�ก�และเป็ นสัดส่วนผกผันกั�พืน� ที�ของล�ก�า�ก� 1m

1m

Earth

1m

ร�ปที� ��3 �วาม�้านทานของล�ก�า�ก�ดนิ เนื� อง�ากพืน� ดิน มี � �รงสร้าง�ม่เป็ นเนื อ� เดียวและส�าพ�้านทานของดินแ�่ละชนิ ดมี �่า แ�ก�่างกัน ��รงสร้างดินอา�เป็ นดินชัน� เดียว �� ) ที�มีส�าพ�้านทานสม��าเสมอหรือมี�่า �่างกันเป็ นชัน� �เรียกว่า ดินหลายชัน� �� ) �ดยทั�ว�ป�ะก�าหนด��รงสร้างของดินเป็ นชัน� เดียว เพื�อ�ห้ง่าย�่อการ��านว� แ�่อา�เกิด�วามผิดพลาด�ด้ หาก�้องการผลการ��านว�ที�มี�วาม��ก�้อง มากข�น� �ะก�าหนด��รงสร้างของดินเป็ นแ��สองชัน� ท�า�ห้�อ้ งมีการประเมิน�่าพารามิเ�อร�ของดินที� เป็ นดินสองชั�น��งประกอ�ด้วยส�าพ�้านทานของดินชั�น�น ส�าพ�้านทานของดินชั�นล่าง และ �วามล�กของดินชัน� �น ��5�1 ปั ��ัยที�มีผล�่อส�าพ�้านทานของดิน ส�าพ�้า นทานของดิ น �ะข� น� กั � �วามล� ก ของดิ น ส�าพ�� มิ ป ระเท� ส�าพ ��มิอากา� �วามชืน� �าย�นดิน อ��ห��มิ และสารเ�มี�นดิน ��งส�าพ�้านทานของดินชนิด �่าง� แสดง�น�ารางที� ��7 �ารางที� ��7 ส�าพ�้านทานของดิน �5�� ชนิดของดิน

ส�าพ�้านทานเ�ลี�ยของดิน �  m )

ดินผสมวัชพืชเปี ยก ดินชืน� ดินแห้ง ทราย หินแข็ง

10 100 1,000 500 – 1,000 10,000



��า��น� �า��น��น�ะ��น� กั��นา�อน��า��อง�น�อ� ��นและ��า��นาแน่น�อง��น �้า ��น��า��น� น้อ�ก�่า 15% �องน�า� �นัก��น ��า��้าน�าน��น�ะ��น� �ังร� ป�� 9.24 แ�่ �� า��น� �น��น�ากก�่า 22% �องน�า� �นัก��น ��า��้าน�าน��น�ะล�ลง��ง�ล�กน้อ� ��่านัน� Resistivity, m 5,000

1,000 500

100 50 0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

Moisture, %

ร�ป�� 9.24 ผล�อง��า��น� ��อ่ ��า��้าน�าน�อง��น ��ออ��อง��น��าก�่า � � น�า� �า��น��น�ะกลา��ป� นน�า� แ��ง ��า��้��า��้าน�าน��น ��น� อ�่างร��ร�� ังแ��ง�นร�ป�� 9.25 Resistivity, m 5,000

1,000 500

100 50 -25

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

25

Temperature, C

ร�ป�� 9.25 ผล�องอ��อ่ ��า��้าน�าน�อง��น��า��น� 15.2% �องน�า� �นัก��น


โดยทั�วไปสารเคมีภายในดินเป็ นสารประกอบของเกลือ กรด หรือโลหะ �ึ�ง�่วยให้สภาพ ต้านทานของดินต��าลงได้ ดังในรูปที� 9.2� Resistivity, m 5,000

1,000 500

100 50 1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

Salt, %

รูปที� 9.2� ผลของสารเคมีภายในดินต่อสภาพต้านทานของดินที�ความ�ืน� 3�� ของน�า� หนักดิน 9.5.2 การวัดสภาพต้านทานของดิน จากปั จ จัย ต่ า งๆภายในดิ น ส่ ง ผลให้ส ภาพต้า นทานของดิ น ในแต่ ล ะแห่ ง มี ค่ า แตกต่างกัน จึงควรมีการวัดสภาพต้านทานดินทุกครัง� ก่อนท�าการวางรากสายดิน การวัด สภาพต้านทานของดินสามาร�ท�าได้หลายวิ�ี �ึ�งในหัวข้อนีจ� ะกล่าว�ึงเ�พาะที�นิยมใ�้สอง วิ�ี ดังนี � 9.5.2.1 การวัดแบบสามจุด (three point method หรือ driven rod method) เป็ นการวัดสภาพต้านทานของดินด้วยการวัดกระแสไฟฟ้าและแรงดันไฟฟ้า จากการปั กอิเล็กโตรดที�ความลึกต่างๆ ดังในรู ปที� 9.27 โดยสภาพต้านทานของดินหา ได้จาก ρ =

เมื�อ

R L d

2πRL  8L  ln   - 1  d 

คือ ความต้านทานของดินที�วดั ได้ () คือ ความลึกของอิเล็กโตรดจากผิวดิน (m) คือ เส้นผ่านศูนย์กลางของอิเล็กโตรด (m)

(9.12)


ฟ้าผ่าและการป้องกัน - 376 I V

L

ร�ปท�� 9.�7 การวัดสภาพต้านทานดินด้วยวิ��วดั แ��สามจ�ด การวัดด้วยวิ��น�เป็ นการวัดสภาพต้านทานดิน�นระยะ � ถึง 1� เท่า �องความ ยาวอิเล็กโตรด ดังนัน� จะต้อง��้อิเล็กโตรดท��ม�ความยาวมากเพื�อวัดสภาพต้านทานดิน �องพืน� ท��ท�ม��นาด��่�รือ��้การวัด�ลาย�จ�ดทั�วทัง� พืน� ท��เพื�อ�าค่าสภาพต้านทาน ดินท��กล้เค�ยงความเป็ นจริงมากท��สด� 9.�.�.� การวัดแ��ส��จด� (�� m��) เป็ น การวัด สภาพต้า นทานดิ น ด้ว ยการวัด กระแสไฟฟ้ า และแรงดัน ไฟฟ้ า เ�่นเด�ยวกั�การวัดแ��สามจ�ด แต่ต่างกันท��ม�การปั กอิเล็กโตรดส��แท่ง�นการวัด โดยม� ระยะ�่างระ�ว่างอิเล็กโตรดเท่ากันดังร� ปท�� 9.�� และสามารถค�านว�สภาพต้านทาน ได้จาก ρ =

เมื�อ

R A B

1+

2A

A

2

4πR 1

+ 4B 2  2

-

(9.13)

A

A

2

1

+ B2  2

คือ ความต้านทาน�องดินท��วดั ได้ () คือ ระยะ�่างระ�ว่างอิเล็กโตรดท��อย�ต่ ดิ กัน (m) คือ ความลึกอิเล็กโตรดจากผิวดิน (m)

ถ้า B

วิศวกรรมไฟฟ้าแรงสูง 9786164881938

Recommend Documents