การวัดไฟฟ้าแรงสูง
การวัดไฟฟ้าแรงสูง
- ผู้อ่าน Meter จะต้องอยู่ห่างจากจุดที่วัดมากพอที่จะไม่เกิดอันตราย
- ต้องมีการฉนวนถูกต้องเหมาะสม
- การวัดต้องใช้อุปกรณ์อื่นช่วยวัด ไม่สามารถวัดได้โดยตรง
การวัดแรงดันไฟฟ้าแรงสูง ขึ้นอยู่กับชนิดของแรงดันแบ่งออกเป็น 3 ชนิด คือ
1. แรงดันกระแสสลับ
2. แรงดันกระแสตรง
3. แรงดัน impulse
การวัดแรงดันไฟฟ้าแรงสูงกระแสสลับและกระแสตรง
การวัดในห้องปฏิบัติการอาจวัดได้ดังนี้
1. Electrostatic voltmeter
2. Sphere gap
3. Series Impedance
4. Voltage divider
1.Electrostatic volt-meter
ใช้หลักการเกิดแรงของสนามไฟฟ้า (electric field) ระหว่างแผ่นโลหะ 2 แผ่นที่วางขนานกัน ปกติแล้วแผ่นโลหะทั้งสองจะต้องทำขอบให้มีค่า uniform field ตลอดหน้าแผ่นโลหะ
แรงที่เกิดขึ้นคำนวณจาก นิวตัน
เมื่อ E แรงดันที่ป้อนเข้าไประหว่างแผ่นระนาบที่มีค่า
Capacitance = C
คุณลักษณะของ Electrostatic volt-meter
- ความถูกต้องเที่ยงตรง : 0.5 –1.0%
- ย่านความถี่แรงดันที่วัด 0 – MHz
- ย่านแรงดันที่วัด : ขึ้นกับระยะห่างของแผ่น plate
- พลังงานที่ใช้มีค่าน้อยมาก ฉะนั้น Impedance ขาเข้าจะสูงมากกว่า 1013 มีค่ามากกว่า Capacitance 5-50
จึงทำให้ดึงกระแสจากแหล่งที่วัดน้อยมาก
- ชนิดของแรงดันที่จะวัด : วัดได้ทั้ง AC และ DC AC วัดเป็น RMS
- วัดแรงดัน AC ได้สูงถึง 500 kV, DC ไดสูงถึง 600 kV
หลักการของโวลต์มิเตอร์แบบอิเล็กโตรสแตติกส์
2.การวัดด้วย Sphere gap
เป็นวิธีที่ง่ายมีความเชื่อถือได้ ใช้หลักการเกิด Spark หรือ Breakdown ระหว่าง Sphere โลหะที่วางอยู่ในอากาศหรือก๊าซ การ Breakdown จะเกิดขึ้นเมื่อแรงดันสูงถึงค่าหนึ่ง ซึ่งเป็นแรงดัน Statistic Breakdown Voltage ที่ทราบค่าความคลาดเคลื่อนแน่นอนทำซ้ำเติมได้ ค่าแรงดัน Breakdown นั้นขึ้นอยู่กับ
D = ขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของทรงกลม
Vb = แรงดันที่ทำให้เกิดสปาร์ก
d = ระยะช่องว่างของทรงกลม
( = ความหนาแน่นสัมพัทธ์ของอากาศซึ่งขึ้นกับความดันบรรยากาศ และอุณหภูมิ เขียนเป็นสมการ คือ
จาก IEC no.52 กำหนดค่า breakdown voltage ที่ความดันอากาศ 760 mmHg และอุณหภูมิ 20 (C ไว้เป็น ตารางมาตรฐาน ดังนั้นเมื่อทำการวัดแรงดัน breakdown voltage ที่ความดันที่วัดได้ในขณะนั้น จะต้องแปลงไปยังสภาวะมาตรฐาน คือ
เมื่อ Vbn = เป็นค่ามาตรฐานที่อ่านได้จากตาราง
Vb = ค่าที่วัดได้ที่อุณหภูมิและความดันในห้อง
kd = ตัวประกอบแปลงผันความหนาแน่นของอากาศ ขึ้นอยู่กับ (
เมื่อ P = ความดันของอากาศหน่วยเป็น mmHg (barometer)
t = อุณหภูมิห้องขณะที่วัดได้ หน่วย (C
kd จะเท่ากับ ( เมื่อ ( มีค่าอยู่ระหว่าง 0.9 - 1.05
|Relative air density |Correction favtoe (kd) |
|0.70 |0.72 |
|0.75 |0.78 |
|0.80 |0.82 |
|0.85 |0.86 |
|0.90 |0.91 |
|0.95 |0.95 |
|1.00 |1.00 |
|1.05 |1.05 |
|1.10 |1.09 |
|1.15 |1.13 |
ข้อพึงปฏิบัติในการใช้ Sphere gap
= ความหนาแน่นสัมพัทธ์ของอากาศซึ่งขึ้นกับความดันบรรยากาศและอุณหภูมิเขียนเป็นสมการ คือ
เมื่อ P = ความดันอากาศ หน่วยเป็น mmHg(จากbarometer)
T = อุณหภูมิของห้องขณะที่วัดได้ หน่วย C
จาก IEC no 52 กำหนดค่า breakdown voltage ที่ความดันอากาศ 760 mmHg และอุรหภูมิ 20 C ไว้เป็นต่รางมาตรฐาน ดังนั้นเมื่อทำการวัดแรงดัน breakdown voltage ที่ความดันที่วัดได้ขณะนั้น จะต้องแปลงไปยังสภาวะมาตรฐาน คือ
เมื่อ Vbn = เป็นค่ามาตรฐานที่อ่านได้จากตาราง
Vb = ค่าที่วัดได้ที่อุณหภูมิและความดันในห้อง
Kd = ตัวประกอบแปลงผันซึ่งอ่านจากตาราง Kd ,
| | |
|0.70 |0.72 |
|0.75 |0.78 |
|0.80 |0.82 |
|0.85 |0.86 |
|0.90 |0.91 |
|0.95 |0.95 |
|1.00 |1.00 |
|1.05 |1.05 |
|1.10 |1.09 |
|1.15 |1.13 |
การติดตั้งและการยึดควรปฏิบัติตาม IEC no.52
ถ้าทรงกลมมีเส้นผ่านศูนย์กลางใหญ่กว่า 25 cm. ให้ติดตั้งในแนวตั้งดังรูป
ถ้าทรงกลมมีเส้นผ่านศูนย์กลาง ( 25 cm. ให้ติดตั้งในแนวนอน ดังรูป
- ในรัศมี 3.5 เท่าของเส้นผ่านศูนย์กลางของทรงกลม (D) โดยวัดจากจุดผิวพื้นทรงกลมที่มีความเครียดสนามไฟฟ้าสูงสุด จะต้องไม่มีโลหะหรือตัวนำใด
- ระยะห่างระหว่างทรงกลมจะค้องไม่เกินครึ่งหนึ่งของเส้นผ่านศูนย์กลางของทรงกลม ( d = D/2)
- กระแสที่เกิดจากการ spark ไม่ควรเกิน 1 A. โดยต่อความต้านทาน series ไว้กับทรงกลม (Rd = 0.1 – 1M )
- ควรจะมีวงจรป้องกัน ให้ตัดไฟที่ป้อนให้กับทรงกลมทันทีเมื่อเกิดการ spark
- ค่าที่ถูกต้อง จะได้จากการหาค่าเฉลี่ยจากการวัดหลายๆครั้ง ประมาณ 5 ครั้ง เพราะค่าที่วัดได้ครั้งแรกจะมีค่าต่ำ เนื่องจากมีฝุ่นละอองที่ผิวของทรงกลม ดังนั้นก่อนใช้จึงควรขัดทำความสะอาดพื้นผิวทรงกลมก่อนเสมอ
วิธีการวัดแรงดันสูงโดย sphere gap
เป็นการวัดด้วยอุปกรณ์ไฟฟ้าที่ไม่มีตัวชี้ ไม่ทราบว่าขณะนี้แรงดันที่ป้อนเข้าไปมีค่าเท่าใด จนกว่าจะเกิดการ spark ในช่อง gap ดังนั้นเพื่อที่ทราบค่าของแรงดันที่ป้อนเข้าไปได้ตลอดเวลา จะต้องทำการแบ่งเทียบ Volt meter ที่วัดทางด้านแรงต่ำก่อน
- ที่ระยะช่องว่างหนึ่งจะได้แรงดัน spark ทางแรงสูง VH ค่าหนึ่ง ซึ่งขณะนั้น voltmeter แรงต่ำ จะอ่านค่าเป็น VL เมื่อเปลี่ยนระยะช่องว่างหลายๆค่า ก็จะทำให้ได้เส้นกราฟแบ่งเทียบ ( Calibration curve ) VH กับ VL
- ค่า VH ที่ระยะช่องว่างของทรงกลมใดที่ standard condition หาได้จาดตารางที่เป็น standard ต่างๆที่เกี่ยวข้องกับการวัดแรงดันด้วย ช่องว่าง sphere เช่น IEC standard no.52 ดูได้จากตารางหรือเส้นกราฟมาตรฐานดังรูป ถ้านำเอาค่า VH
จาก standard (ที่ 20 C ,760 mmHg) มาเขียนเส้นกราฟ VH , VS และ VL ก็จะได้เส้นกราฟ calibrate ที่ค่า standard ดังรูป
Ex. ในการวัดแรงดันด้วย Sphere gap ขนาด 100 cm. ที่ระยะห่าง 150 mm. ถ้าขณะที่เกิด breakdown อ่านค่า P = 735 mmHg อ่านค่า t = 32 (C ให้คำนวณหาค่า Vb ขณะที่ทำการวัดขณะนั้น
Soln จากตาราง IEC , IEE ที่ standard pressure 760 mmHg 20 (C ที่ลูก sphere ขนาด 100 cm. Gap 150 mm. อ่านค่า Vbn = Vbreakdown ที่ normal T , P ได้ Vbn = 390 kV คำนวณหาค่า RAD จาก
จากตาราง RAD และ Kd correction factor
RAD = 0.929 ประมาณ 0.93
จาก
3.การวัดแรงดันสูงด้วย Series Impedance
การวัดใช้หลักการวัดโดยใช้กฎของโอห์ม V = IZ
เมื่อ V = แรงดันที่ต้องการวัด
I = กระแสที่ไหลผ่าน impedance วัดด้วย ammeter
Z = impedance ที่ทราบค่ามีค่าเป็น ( จะต้องมีค่าสูงมากพอเพื่อ limit กระแสที่ไหลไม่ให้สูงเกินไป impedance นี้อาจจะเป็นความต้านทาน หรือ capacitor ก็ได้
OP = อุปกรณ์ป้องกันแรงดันเกิน เช่น Zener diode หรือหลอด neon
เมื่อทราบค่า I และ Z ก็จะคำนวณหาค่า V ได้
จาก V = IZ
Impedance จะต้องมีค่าคงที่ไม่ขึ้นกับอุณหภูมิ ปราศจาก corona และกระแสที่รั่วตามผิวของฉนวนรองรับจะต้องน้อยที่สุด
ความต้านทานต่ออนุกรม (High ohmic series resistors)
กรณีที่ใช้ความต้านทานต่ออนุกรม ความต้านทานจะต้องมีค่าสูงมากพอที่จะจำกัดกระแสที่ไหลผ่านไม่ควรเกิน 1mA ความต้านทาน (R) ที่ใช้มีขนาด 1 M(1W (1M( /kV) ใน
ทางปฏิบัติจะใช้ความต้านทาน (R) ชนิด คาร์บอน หรือ ฟิล์มโลหะ หรือใช้ลวดความต้านทานทนความร้อนสูง เช่น ลวด Ni-Cr พันเป็นแบบไร้ค่าเหนี่ยวนำ (non-inductive resistance) ยึดอยู่บนฉนวนจุ่มลงในน้ำมันหม้อแปลง เพื่อเป็นการระบายความร้อน เพิ่มการฉนวนที่ผิวของฉนวน
แรงดันตกคร่อมจะต้องไม่เกิน 2 kV/cm. ในอากาศ หรือ 15 kV/cm ในน้ำมัน
เนื่องจากผลของ stray capacitance ทำให้เกิดความผิดพลาดของมุมและขนาดที่วัด ผลกระทบนี้จะลดลงเมื่อความต้านทานลดลง
ถ้า Cp มากกว่า Cc มากๆ จะทำให้เกิดความผิดพลาดของมุมลดลง ทำได้โดยใช้ shielding electrode ที่หัวความต้านทาน
Capacitance ต่ออนุกรมวัดค่า RMS
เนื่องจากการวัดแรงดันด้วยความต้านทานสูงต่ออนุกรมกับ Ammeter จะมีข้อเสียจาก stray capacitance ทำให้ขนาดและมุมในการวัดผิดพลาดได้ ดังนั้นวิธีดังกล่าวจึงไม่นิยมใช้วัด A.C แต่นิยมใช้วัดกับ DC. แต่ถ้าต้องการวัดแรงดัน AC จะใช้วัดด้วย capacitance จะดีกว่า
Ammeter วัดกระแส IC = j(CV ที่ผ่าน capacitance เป็นค่า RMS
(แรงดัน V ที่อ่านได้เป็นค่า RMS
ความเที่ยงตรงจะขึ้นอยู่กับ
- ความเที่ยงตรงของ Ammeter
- ค่า capacitance ที่ทราบค่าแน่นอนชนิด Compressed
gas capacitor จะได้ค่าถูกต้อง ไม่มีผลกระทบจากสนามไฟฟ้า
ภายนอก
- ค่าที่วัดได้ขึ้นกับความถี่และมีความผิดพลาดเนื่องจาก
Harmonics แก้ไขโดยใช้การวัดแบบ Voltage divider
วิธีของ Chubb and Fortescue
เป็นการใช้ Capacitor ต่ออนุกรมวัดค่า peak ของแรงดัน
A.C. โดยการวัดกระแสที่ไหลผ่าน capacitor แรงสูง เช่นดียวกับการวัดค่า RMS แต่จะ rectifier กระแสก่อนเข้า ammeter จะเห็นว่า ammeter จะวัดกระแสตรง เพื่อวัดค่าเฉลี่ย ซึ่งค่ากระแสเฉลี่ยที่วัดได้จะเป็นอัตราส่วนโดยตรงกับความต่างระหว่างค่า peak บวกกับค่า peak ลบของแรงดัน
C = capacitor แรงสูง
D = เป็น rectifier
OP = อุปกรณ์ป้องกันแรงดันเกิน
A = ammeter ชนิด moving coil
(ค่าเฉลี่ยของกระแสที่ meter อ่านได้มีค่า
เมื่อ f = ความถี่ของวงจรที่วัด
= ค่า peak บวก
= ค่า peak ลบ
จะเห็นว่า ค่า peak บวกและ peak ลบไม่เท่ากันค่าที่วัดได้ก็ยังคงถูกต้อง กรณีที่ค่า peak + และ – เท่ากัน แรงดันที่วัดได้จะมีค่า
ความเที่ยงตรงขึ้นกับ Ammeter , f และ C
จากรูปแสดงให้เห็นว่าถึงแม้รูปคลื่นที่วัดไม่เป็นรูป sine ค่าที่วัดได้ก็ยังคงถูกต้องตราบเท่าที่รูปคลื่นและแรงดันไม่มีค่า peak ขึ้นอีกในระหว่างครึ่งคาบ T/2 มิฉะนั้นจะผิดพลาดเพราะ ammeter วัดกระแสไหลทางเดียว
4.Voltage divider วัดแรงดันสูง
เป็นอุปกรณ์วัดแรงดันโดยการแบ่งทอนแรงดันสูงๆออกเป็นส่วนให้แรงดันต่ำพอที่จะใช้ voltmeter วัดได้ โดยการนำเอา impedance ค่าสูงๆต่อขนานกับแรงดันที่จะวัด แล้วแบ่งเอา impedance ที่มีแรงดันตกคร่อมส่วนน้อยออกมาวัด ซึ่งมีวงจรดังรูป
โวลต์มิเตอร์ที่ใช้วัดจะต้องมี Zin สูงมากๆ เช่น Electrostatic Voltmeter
กำหนดให้
Z1 = impedance ภาคแรงสูง
Z2 = impedance ภาคแรงต่ำ
V1 = แรงดันที่ต้องการวัด
V2 = แรงดันที่แบ่งออกมาวัดซึ่งเป็นแรงดันภาคแรงต่ำเป็นแรงดันตกคร่อม Z2
EV = เป็น voltmeter ที่ใช้วัด มีค่า impedance สูง
เมื่อทราบค่า V2 จาก voltmeter จึงสามารถคำนวณค่า V ด้านแรงสูงที่วัดได้จาก
Z1 , Z2 ควรเป็น impedance ที่ทำจาดวัสดุชนิดเดียวกัน (R หรือ C) เพื่อลดการเปลี่ยนของ impedance เนื่องจากอุณหภูมิ
➢ Voltage divider แบบความต้านทาน นิยมใช้วัดไฟฟ้าแรงสูงกระแสตรง
➢ Voltage divider แบบตัวเก็บประจุ นิยมใช้วัดไฟฟ้าแรงสูงกระแสสลับ
1.Resistive Voltage divider
แรงดันที่วัดได้ V
หรือ
เนื่องจากความเครียดสนามไฟฟ้าที่ผิวเนื่องจากศักย์สูง ดังนั้นฉนวนที่หุ้มจะต้องทนต่อแรงดันสูงๆได้
ขณะเดียวกันกระแสรั่วที่ไหลตามผิวจะทำให้การวัดผิดพลาดได้ ถ้าภาคความต้านทานด้านแรงสูงมีค่ามากไป ดังนั้น ค่า ความต้านทานด้านบนจะต้องไม่สูงเกินไปจนทำให้กระแสวัดได้มีค่าต่ำกว่า 0.1 mA ( I ( 1mA ( R ( 10M( /kV
2.Capacitive voltage divider
Voltage divider ประกอบด้วย capacitor ภาคแรงสูง C1 และ capacitor ภาคแรงต่ำ C2
หลักการ ถ้า กระแส Im ( 0 , I ( I2
เมื่อ C1 >> C2
Capacitor แรงสูง C1 ที่ใช้ในห้องปฏิบัติการมีอยู่ 2 ชนิด คือ
ก. Compressed gas capacitor
ข. Capacitor ย่อยต่ออนุกรมกัน
ก. Compressed gas capacitor
Capacitor แรงสูงแบบนี้ มีรูปแรงแบบ (coaxial cylinder) เพื่อทำให้มีขนาดเล็กๆ แต่ทนแรงดันได้สูงๆ จึงต้องมีการฉนวนด้วยก๊าซอัดความดันสูงที่ความดัน 1...20 bar ก๊าซที่ใช้ ได้แก่
N2 , CO2 ที่ความดัน 10 – 20 bar
SF6 ที่ความดัน 1 - 3 bar
Compress gas capacitor นี้มีข้อดี คือ
- มีพลังงานสูญเปล่า loss factor tan( ต่ำ คือน้อยกว่า 10-5
- ไม่มีสนามไฟฟ้ารบกวนจากภายนอกเนื่องจากทางด้านแรงต่ำได้ใส่ shield ring และ electrode ด้านภาคแรงสูงเป็นแบบ coaxial cylinder
ข.Capacitor ย่อยต่ออนุกรมกัน
ได้จากการเอา Capacitor ย่อยประเภท Ceramic หรือ Capacitor กระดาษ ชุบน้ำมันจำนวนหลายตัวมาต่ออนุกรมกัน
ค่า Capacitance แรงสูงรวม Clres ไม่สามารถคำนวณจาก C แต่จะคำนวณจากกระแส I2 ที่ไหลผ่าน capacitor แรงต่ำ C2 ที่มีแรงดันคร่อม V2
จาก Zaengl อัตราส่วนแรงต่ำต่อแรงสูงหาได้จากสมการ
เมื่อ n = จำนวน Capacitor ย่อย
N = จำนวน Capacitor แรงสูงต่ออนุกรมกัน
Error ทำให้น้อยลงได้โดยทำให้ค่า Ce / C1 มีค่าต่ำ
คือ จะต้องทำให้ Cl มีค่าสูงขึ้น ปกติ Cl ( 10-40 pF ต่อความสูง 1 เมตร
การวัดค่า Peak ของแรงดัน
วงจรเรคติไฟเออร์
พิจารณาวงจรตามรูป เริ่มแรกไม่มี Rm และ R2
Cm จะเก็บอัดประจุ ขณะที่ เพิ่มขนถึงค่ายอด Cm จะอัด
ประจุเท่ากับ Vm เป็นเครื่องวัดที่จะอ่านได้ ขั้วแรงดันขึ้นอยู่กับ Diode เนื่องจาก D รับแรงดันได้ไม่สูงนัก
จึงใช้ดิไวเดอร์แบบ C หรือ R ลดแรงดัน Rm ต่อไว้ให้ Cm คายประจุเพื่อที่มิเตอร์ Vm สามารถวัดค่ายอดใหม่ได้ทันที
เมื่อมีการเปลี่ยนค่ายอด แรงดันคร่อม Cm จะลดลงแบบ Exponential คือ
T = 1 / f เป็นช่วงคาบของกระแสสลับ
ค่าคงที่ของเวลา CmRm ( 0.5 – 1 วินาที CmRm >> T เพื่อให้สามารถวัดการเปลี่ยนแปลงได้ทันที
ข้อผิดพลาดจากการวัด
1.ถ้าแรงดัน U ที่ป้อนเข้ามามีค่าคงที่ Vm ที่วัดได้จะค่อยๆลดลง เพราะ C2 และ Cm จะดิสชาร์จผ่าน Rm ตลอดเวลา ดังนั้น V2(t) จะเพิ่ม Negative DC Component เพื่อรักษาแรงดันให้คงที่คือ +V2max ตลอดเวลา โดยการนำ R2 มาต่อขนานกับ C2 เพื่อ Equalize กระแส Negative นี้
2.แรงดันผ่าน Diode มี Ripple ทำให้ค่าการวัดผิดพลาด ค่าผิดพลาดนี้จะเป็นสัดส่วนโดยตรงกับ Ripple และขึ้นอยู่กับ Time Constant ของเวลา Discharge ที่ RmCm = 1 sec
ความถี่ 50 Hz จะผิดพลาด ~ 1%
ความถี่ 150 Hz จะผิดพลาด ~ 0.33%
ความถี่ 300 Hz จะผิดพลาด ~ 0.17%
3.ขณะที่ไดโอดนำกระแส Cm และ C2 จะขนานกัน ทำให้การ Charge และ Discharge Error Cm ควรจะมีค่าน้อยเมื่อเทียบกับ C2 คือ Cm < C2 และ R2 < Rm
R2 ต่อไว้เพื่อให้ ดีซีพัลส์ที่ปนเข้ามากับ AC ไหลผ่านลงดิน การใช้ R2 ทำให้อัตราส่วนของดิไวเดอร์เปลี่ยน แรงต่ำจะกลายเป็น Complex Impedance ทำให้ค่าที่วัดได้ผิดพลาด สามารถลดความผิดพลาดลงดดยใช้ Cm ค่าต่ำๆ
ปกติการทำให้ค่าผิดพลาดมีค่าน้อยๆ จะใช้วงจรเรียงกระแส 2 ทาง ดังรูป
ความผิดพลาดจากการใช้ R2 จะหมดไป ความผิดพลาดจากการดิสชาร์จ แก้ไขโดยการใช้วงจรช่วย แทน R2 ประกอบด้วย Ds , Cs และ Rs ประจุที่ Cm จะดิสชาร์จได้ช้า เพราะ Cs ก็อัดประจุเท่ากับ V2 เหมือนกัน ทำให้วัดค่า Vm ได้ถูกต้อง กระแสตรงในแต่ละแขนงจะมีทิศทางตรงข้ามกัน จึง Equalize ซึ่งกันและกัน
หม้อแปลงวัดแรงดัน
1.แบบอินดักทีฟ
สมการนี้มีข้อผิดพลาดเนื่องจากมีแรงดันตกคร่อม R’2 และ X’2 ส่วน R1 และ X1 ทำให้ผิดพลาดทั้งขนาด (a และ (ph
2.แบบคาปาซิเตอร์
สามารถแก้ไขความผิดพลาดของการวัดแรงดันแบบอินดักทีฟได้ โดยนำคาปาซิเตอร์มาร่วมด้วย ทำให้การฉนวนทำได้ง่าย เพราะมี C แรงสูงอยู่แล้ว และแรงดันกระจายดีกว่าหม้อแปลงแบบอินดักทีฟ แต่ความถูกต้องไม่แน่นอนขึ้นกับอุณหภูมิและความถี่
การวัดแรงดัน Impulse
การวัดแรงดัน impulse เป็นการวัดค่า peak ในกรณี full wave และ chopped wave สำหรับกรณี front wave จะวัดค่า peak ของwave ที่เหลือ วิธีวัด impulse voltage ในห้องทดลองไฟฟ้าแรงสูงมี 2 วิธี คือ
1. วัดด้วย sphere gap
2. วัดด้วย voltage divider
1. การวัดแรงดัน impulse ด้วย sphere gap
หลักการวัดแรงดัน impulse ด้วย sphere gap ก็ใช้หลักการวัดแรงดันกระแสสลับและกระแสตรง วิธีการวัดแรงดัน impulse ด้วย sphere gap จะต่างจาดการวัดแรงดันกระแสสลับและกระแสตรง คือ
การวัดแรงดัน impulse นั้นไม่สามารถใช้วิธีค่อยๆเพิ่มแรงดันสูงขึ้นจนกระทั่งเกิด breakdown หากแต่ต้องใช้การอัดประจุให้กับ capacitor แรงสูงของเครื่องกำเนิด impulse ให้ได้แรงดันอัดประจุตามที่ต้องการก่อน แล้วจึงทำการปล่อยการ discharge ไปที่ sphere gap ซึ่งอาจจะเกิด breakdown หรือไม่ก็ได้ ทั้งๆที่แรงดันสูงพอ ทั้งนี้จะขึ้นอยู่กับ probability และ ขนาดของแรงดัน
➢ ถ้าแรงดันอัดประจุต่ำเกินไป จะไม่เกิด breakdown ที่ sphere gap
➢ ถ้าแรงดันอัดประจุเพิ่มสูงมากพอ ก็จะทำให้มีโอกาสเกิด breakdown มากขึ้น
➢ ถ้าแรงดันอัดประจุสูงเกินไป ก็จะเกิดการ breakdown ทุกครั้งที่ discharge ออกไป
ดังนั้นแรงดัน impulse จึงกำหนดเป็นค่าแรงดัน breakdown 50% Vb 50% หมายถึงค่า peak เป็นค่าปานกลาง และ เป็นค่า ที่ทำให้จำนวนครั้งที่เกิด breakdown ที่ sphere gap เป็น
จำนวนครึ่งหนึ่ง ของจำนวนครั้ง ที่ปล่อย discharge ออกไป
เช่น ป้อน 10 ครั้ง เกิดเบรคดาวน์ 5 ครั้ง เป็นต้น ในทางปฏิบัติ
จะให้เกิดเบรคดาวน์ 50% พอดีได้ยากและเสียเวลา จึงใช้วิธี
- เส้นกราฟแรงดันหลายระดับ ( Multiple level voltage method )
- วิธีปรับขึ้นปรับลง ( Up and Down method )
ดังนั้นการหาค่า Vb 50% จึงหาได้โดยการ discharge ออกไป เป็นจำนวนหลายๆครั้ง จนกระทั่งจำนวนครั้งที่เกิดการ breakdown เป็นจำนวนครึ่งหนึ่งของจำนวนครั้งที่ discharge ออกไป เช่น discharge 10 ครั้ง breakdown 5 ครั้ง = Vb50%
วิธีเส้นกราฟแรงดันหลายระดับ
ป้อนแรงดันอย่างน้อย 10 ครั้งที่แรงดันแต่ละค่าหรือแต่ละระดับ (V ประมาณ 3% ของค่าแรงดันดิสชาร์จเบรคดาวน์
50% ที่คาดไว้ ลองทำที่แรงดันหลายระดับทั้งสูงและต่ำกว่าค่าที่เกิดเบรคดาวน์ 50%
วิธีปรับขึ้น – ลง
โดยเลือกแรงดัน Vk ที่คาดว่าจะเป็นแรงดันเบรคดาวน์ 50% ป้อนเข้าไปในช่องว่างทรงกลม ถ้าไม่เกิดเบรคดาวน์ ให้เพิ่มแรงดันขึ้นเป็น (V มีค่าประมาณ 3% ของแรงดันเบรคดาวน์ 50% นั่นคือ ป้อน Vk + (V หากเกิดเบรคดาวน์ที่แรงดัน Vk แล้วทำการลดแรงดันให้เหลือ Vk - (V ทำจนได้จำนวนครั้งที่ป้อนแรงดันมากพอ กำหนดให้ Nv = จำนวนครั้งที่ป้อนแรงดันที่ระดับแรงดันนั้นๆ
(Nv > 20 ครั้ง
2.การวัดแรงดันด้วย Impulse Voltage Divider
วงจรประกอบด้วยส่วนต่างๆ 4 ส่วน คือ
- สายตัวนำแรงสูง
- Divider Z1 , Z2 สูงประมาณ 2.5 m/MV
- เคเบิลวัดแบบแกนร่วม
- Cathod Ray Oscillator (CRO)
คุณสมบัติของวงจรวัดแรงดัน Impulse
- Bandwidth
- Response Time หรือ Rise Time
Bandwidth
สเปกตรัมของรูปคลื่นมาตรฐาน 1.2/50 (s เมื่อเทียบกับขนาดแรงดันที่ f = 0 ( Normalized Amplitude )
โดยที่
แรงดันอิมพัลส์มีช่วงคลื่นสั้นมากขึ้น กรณีเกิดคลื่นตัดที่ช่วงหน้าคลื่น
Tc = 0.5…………0.1 (s จะมี Bandwidth ช่วง 20 – 100MHz
Tc > 0.5 (s จะมี Bandwidth ช่วง 10 – 50 MHz
- รูปคลื่นอิมพัลส์ยิ่งสั้น ความถี่ที่เกิดจะยิ่งสูง จึงจำเป็นที่ต้องใช้ระบบการวัดที่มี Bandwidth กว้างมากขึ้น
- เพื่อให้ความคลาดเคลื่อนในการวัดเกิดน้อยที่สุดควรใช้ระบบการวัดที่มีความถี่และแอมปลิจูดดีกว่าสเปคตรัมของแรงดันที่วัด
- ไม่จำเป็นต้องใช้ระบบการวัดที่มีความถี่สูงนักหากทำการวัดแรงดันอิมพัลส์รูปคลื่นเต็ม
- เราอาจใช้เครื่องวัดที่มี Bandwidth 10 – 50 MHz สำหรับวัดแรงดันอิมพัลส์รูปคลื่นตัดที่มีค่า Tc > 0.5 (s ได้
Response Time หรือ Rise Time
จากในรูปแสดงผลตอบสนองรูปขั้นนอมัลไลซ์ g(t) เทียบกับค่าคงตัว 1 เวลาตอบสนอง หมายถึง เวลาที่ช้าไปโดยเฉลี่ย หาได้จากสมการ
จากนิยามของ g(t) และ T จะได้ผลแสดงออกมาเป็นกราฟดังนี้
จะเห็นว่าการเพิ่มแรงดันเชิงเส้นหรือค่าลดลงของ V1(t) ผลตอบสนองของ V2(t) จะมีรูปคลื่นในลักษณะเดียวกับ V1(t) เพียงแต่เวลาตอบสนอง T ช้ากว่า ดังนั้นแอมปลิจูดของแรงดันอิมพัลส์จะต้องมีการแก้ความผิดพลาดด้วย T
ในกรณืที่ช่วงแรงดันเพิ่มขึ้นเป็นเชิงเส้นและเกิดคลื่นตัดในช่วงหน้าคลื่น แรงดันเอาท์พุท u2(t) จะมีค่าต่ำกว่าแรงดันอินพุท u1(t) คือ
ความคลาดเคลื่อนของแรงดันอิมพัลส์ที่วัดค่า peak ของคลื่นตัดหาได้จาก
ความคลาดเคลื่อนสัมพันธ์ของขนาดแรงดันที่วัดหาได้จาก
เมื่อ Tc = เวลาช่วงคลื่นตัด
T = Response time ของระบบ
S = ความชันของแรงดันในช่วงที่เพิ่มขึ้น
ซึ่งสมการนี้ใช้ได้เฉพาะกรณีที่แรงดันช่วงหน้าคลื่นเป็นเชิงเส้นเท่านั้น
เวลาตอบสนอง ของระบบวัด จะตอบสนองช้ากว่าเป็นจริง มาตรฐานสากลได้กำหนดเวลาตอบสนอง T และความผิดพลาดของระบบวัด ซึ่งขึ้นกับลักษณะรูปคลื่นไว้ใน IEC Pub. No. 60-1973 ดังแสดงในตาราง
|แรงดันอิมพัลส์ |เวลาตอบสนองที่ต้องการ T |ค่าคลาดเคลื่อนของการวัดค่ายอด (V |
|รูปคลื่นเต็ม 1.2/50 และรูปคลื่นตัดที่หางคลื่น |(T(( 0.2 (s |รูปคลื่นเต็ม (V ( 3 % |
| | |ถ้า Tc ( 2 (s |
| | |(V ( 3 % |
| | |ถ้า 0.5 ( Tc ( 2 (s |
| | |(V ( 5 % |
| | |Tc (0.5 (s |
| | |(V ( 5 % |
|ช่วงหน้าคลื่นตัดเพิ่มเป็นเชิงเส้น เวลาขึ้น Ti |(T(( 0.5 Ti | |
| |( 0.2 (s | |
|ช่วงหน้าคลื่นเพิ่มไม่เป็นเชิงเส้น และตัดที่ Tc |(T(( 0.5 (Vcr/S) (s | |
|คลื่นอิมพัลส์สวิตชิ่ง |(T(( 0.03 (s Tc | |
| |( 0.03 Tcr (s | |
Vcr = ค่าแรงดันสูงสุดที่ปรากฎ S = ความชันของช่วงที่เพิ่ม
Tcr = เวลาที่แรงดันมีค่าสูงสุด Tc = เวลาช่วงคลื่นตัด
โวลเตจดิไวเดอร์โดดๆ
ปัญหาเบื้องต้น ของโครงสร้าง ของโวลเตจดิไวเดอร์สำหรับวัดแรงสูงคือ การฉนวนและสนามไฟฟ้าที่เกิดขึ้นโดยรอบองค์ประกอบย่อย หรือการฉนวนภายนอกของโวลเตจดิไวเดอร์ ซึ่งขึ้นอยู่กับชนิดของแรงดัน การฉนวนด้วยอากาศตามความยาวของโวลเตจดิไวเดอร์ที่สภาวะของห้องอาจหาได้โดยประมาณดังนี้
ความยาวตามผิวฉนวนที่ใช้ภายใน ถ้าเป็นผิวเรียบ (ไม่มีครีบ) ใช้ความยาวจำเพาะดังนี้
ความยาวตามผิวฉนวนสำหรับแรงดัน AC 5 m/MV
ความยาวตามผิวฉนวนสำหรับแรงดันอิมพัลส์ 2.5 m/MV
ถ้ากระบอกฉนวนเป็นครีบ ความยาวฉนวนวัดในอากาศต้องมีความยาวอย่างน้อยเท่ากับระยะช่องว่างในอากาศ (Clearance) การออกแบบที่ดีจะต้องทำให้เกิดวาบไฟตามผิวง่ายกว่าที่จะผ่านทะลุ
ระยะช่องว่างในอากาศอาจหาได้จากความสัมพันธ์
เมื่อ s เป็นระยะช่องว่างในอากาศอย่างต่ำ หน่วย m
V เป็นแรงดันสูงที่ฉนวนรองรับ
a เป็นแฟกเตอร์คูณมีค่าเท่ากับ 4 สำหรับแรงดัน AC และมีค่าท่ากับ 2 สำหรับแรงดันอิมพัลส์
ความต้านทานแมชชิ่งสำหรับเคเบิลวัด
ในการต่อสายเคเบิลเข้ากับเครื่องวัดแรงดันซึ่งอาจเป็นโวลท์มิเตอร์ หรือออสซิลโลสโคป อาจเกิดคลื่นสะท้อนกลับทำให้เกิดความผิดพลาดของค่าแรงดันที่วัด จึงต้องใส่ความต้านทานแมชชิ่งของดิไวเดอร์แบบความต้านทานและแบบตัวเก็บประจุไม่เหมือนกันดังรูป
การวัดดิสชาร์จบางส่วน (PD)
การค้นคว้าวิจัยพบว่า โพรง รอยร้าว รอยแตก หรือ การ
ฉนวนที่ไม่สมบูรณ์ภายในจะทำให้เกิดดิสชาร์จบางส่วนขึ้น
ดิสชาร์จบางส่วนอาจทำให้เกิดผลได้หลายอย่าง เช่น แสง เสียง รังสี ปฏิกิริยาเคมี และผลทางไฟฟ้า เป็นต้น ผลของดิสชาร์จทำให้เกิดพลังงานสูญเปล่าและยังก่อให้เกิดความเสียหายต่อระบบการฉนวน ทำให้ฉนวนเสื่อมสภาพเร็ว อายุการใช้งานของอุปกรณ์สั้นลง และนำไปสู่การเบรคดาวน์ในที่สุด
ในการออกแบบฉนวนอุปกรณ์ไฟฟ้าแรงสูง จึงถือเอา PD เป็นปัจจัยสำคัญ ที่บอกถึงคุณภาพของอุปกรณ์ จึงพยายามหลีกเลี่ยงไม่ให้เกิด PD ขึ้น
การตรวจจับ PD โดยอาศัยผลทางไฟฟ้าจะให้ผลความถูกต้องดีกว่าวิธีอื่น คือ ผลของดิสชาร์จทำให้เกิดกระแสพัลส์ไหลผ่านวงจร สามารถตรวจจับกระแสพัลส์ได้ 2 วิธีคือ
1.วิธีตรง
2.วิธีวงจรสมดุล
1.วิธีตรง กระแสพัลส์จากโพรงในฉนวนทำให้เกิดแรงดันตกคร่อมอิมพีแดนซ์ ซึ่งจะถูกขยายต่อเข้าเครื่อง CRO ดังแสดงในรูป
G = ตัวจ่ายแรงดันสูง F = ตัวกรองความถี่สูง
Ck = คัปปลิ้งคาปาซิเตอร์ P = วัสดุทดสอบ
Z = อิมพีแดนซ์วัด M = เครื่องวัด PD
CRO = ออสซิลโลสโคป
ตัวจ่ายแรงดันสูง ควรเป็นตัวจ่ายที่ปลอด PD ตัวกรอง
ความถี่สูง F ทำหน้าที่ป้องกันมิให้ PD จากหม้อแปลง หรือตัว
จ่ายแรงสูงเข้าไปในวงจรวัด และป้องกัน PD ที่เกิดจาก P ไหลกลับไปยัง G ส่วน Ck ทำหน้าที่คัปปลิ้งแรงดันทดสอบแรงสูง
ที่ป้อนให้กับ P กับอิมพีแดนซ์วัด ภาคแรงต่ำ Ck มีค่าไม่น้อย
กว่า 1000 pF
2.วิธีวงจรสมดุล ปัญหาอย่างหนึ่งในการทดสอบและวัด PD ก็คือ มีคลื่นรบกวน เนื่องจากวงจรภายนอก ซึ่งอาจเกิดจากตัวจ่ายแรงสูง สายนำแรงสูงก็ได้ วิธีสมดุลจึงช่วยแก้ปัญหานี้ได้ โดยใช้ Schering Bridge วัด ดังรูป
ความต้านทานวงจรบริดจ์เป็นตัวจับดิสชาร์จเช่นเดียวกับตัวอิมพีแดนซ์ในวิธีตรง คือ กระแสดิสชาร์จ ทำให้เกิดแรงดันคร่อมความต้านทาน R3 คลื่นรบกวนจากภายนอกที่ทำให้เกิดแรงดันตกคร่อมความต้านทานทั้งสองข้าง มีค่าต่ำกว่าอิมพัลส์ที่เกิดจากดิสชาร์จในฉนวนจะหักล้างกันด้วยอาร์มสองข้าง
ค่า PD อาจวัดได้ด้วยมิเตอร์ความถี่สูง มีหน่วยวัดเป็น (V หรือ pC ซึ่งทราบเพียงขนาดเท่านั้น วิธีที่นิยมคือ ใช้ CRO แสดงรูปคลื่นพัลส์บนฐานเวลารูปอิลิปส์ แสดงยอด (
หรือแสดงรูปคลื่นพัลส์ในฐานเวลาดังรูป
ผลดีของการแสดงรูปคลื่นพัลส์บนฐานเวลารูปอิลิปส์ คือ แยกได้ว่า PD เกิดจากสาเหตุอะไร และสามารถวัดขนาดได้ถูกต้อง
Ex.การทดลองวัดอิมพัลส์ ในห้องปฏิบัติการโดยใช้เครื่องกำเนิดอิมพัลส์ ดังรูปที่ 1
ก) ให้เขียนวงจรแสดงการต่อ R และ C ของเครื่องกำเนิด Impulse 4 Stage ที่ Gap ต่างๆ พร้อมกัน
ข) ให้คำนวณหาค่า C , Rs , Rp และ Cp จากรูปที่ 2 ให้ Equivalent กับวงจร Impulse ในรูปที่ 2 พร้อมคำนวณหาค่า V(t) โดยการ Plot Graph
-----------------------
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
................
................
In order to avoid copyright disputes, this page is only a partial summary.
To fulfill the demand for quickly locating and searching documents.
It is intelligent file search solution for home and business.