ความเป็นมาของเครื่องทดสอบ

ฉนวนไฟฟ้าเป็นสิ่งที่มีความสำคัญมากในระบบไฟฟ้า เนื่องจากจะเป็นตัวป้องกันการเกิดการลัดวงจร และการเกิดปัญหาไฟฟ้าดับ ดังนั้นหากต้องการให้ระบบไฟฟ้ามีความเชื่อถือสูง จึงจำเป็นต้องใช้ฉนวนที่ดี และควรมีการทดสอบก่อนนำไปใช้งาน วิธีการหนึ่งที่ใช้เป็นมาตรฐานการทดสอบฉนวนในปัจจุบันคือ การทดสอบด้วยไฟฟ้าแรงดันสูงความถี่สูง ซึ่งเป็นวิธีการที่สะดวกและประหยัดเวลาในการทดสอบมาก

ในปัจจุบันมักใช้หม้อแปลงเทสล่าซึ่งก็เป็นแหล่งกำเนิดรูปคลื่นไฟฟ้าแรงดันสูงความถี่สูง เนื่องจากหม้อแปลงเทสล่าแบบเดิมมักมีปัญหาในเรื่องขนาดใหญ่ น้ำหนักสูงมาก ไม่สะดวกต่อการใช้งาน อีกทั้งลำอาร์กที่ได้ไม่ต่อเนื่อง

ดังนั้นเพื่อเป็นการแก้ปัญหาของหม้อแปลงเทสล่าแบบเดิม จึงได้ทำการวิจัย ออกแบบ และจัดสร้างหม้อแปลงเทสล่าขึ้นใหม่ โดยใช้ความรู้ด้านอิเล็กทรอนิกส์กำลัง (Power Electronics) มาประยุกต์เพื่อแก้ไขปัญหาดังกล่าวข้างต้น

โดยเครื่องจะเป็นตัวสร้างไฟฟ้าแรงดันสูงความถี่สูง พิกัด 200 kV 100 kHz ซึ่งจะมีอำนาจในการทะลุทะลวงสูง ทำให้สามารถสังเกตเห็นการวาบไฟตามผิวได้ง่าย และทำการทดสอบได้แบบต่อเนื่อง

เครื่องทดสอบลูกถ้วยที่ออกแบบขึ้นนี้เป็นการออกแบบขึ้นมาใหม่ โดยอาศัยความรู้ทางวิศวกรรมด้าน Power Electronics, High Voltage, Electronic Control, Circuit Design ฯลฯ อุปกรณ์ส่วนใหญ่ที่ใช้เป็นอุปกรณ์ Power Electronics ทำให้เครื่องทดสอบที่สร้างขึ้นนี้ มีน้ำหนักเบา ขนาดกะทัดรัดกว่าเครื่องทดสอบลูกถ้วยแบบเดิมที่มีอยู่มาก (เครื่องแบบเดิมหนักประมาณ 500 kg เครื่องที่ออกแบบขึ้นใหม่ หนักประมาณ 50 kg และขนาดเล็กกว่าเครื่องเดิมประมาณ 2 เท่า) ซึ่งจะสะดวกในการขนย้ายทำให้สามารถให้งานได้ทุกที่ ทั้งในร่มและกลางแจ้ง

รายละเอียดคุณลักษณะ

เครื่องทดลูกถ้วยด้วยไฟฟ้าแรงดันสูงความถี่สูงที่ออกแบบ มีพิกัดแรงดันเอาต์พุตประมาณ 200 kV 100 kHz 3.5 kVA ใช้กับแรงดันไฟฟ้า 1 Phase 220 V โดยมีภาพแสดงการทำงานดังนี้

                   รูปแสดงวงจรการทำงานของเครื่อง

ส่วนประกอบต่างของเครื่อง

1.Rectifier ทำหน้าที่แปลงแรงดันไฟฟ้า AC 220 V 50 Hz เป็น แรงดันไฟฟ้า DC 310 V

2.Converter ทำหน้าที่แปลงแรงดันไฟฟ้า DC 310 V เป็น แรงดันไฟฟ้า AC 5 kV 20 kHz โดยอาศัยการ Switching ของอุปกรณ์ Power Electronics และหม้อแปลงความถี่สูง แล้วจึงแปลงให้เป็นแรงดัน DC 5 kV อีกครั้ง

3.Control Circuit ทำหน้าที่ควบคุมการ Switching ของอุปกรณ์ Power Electronics และควบคุมแรงดัน Output

4.Spark Gap ได้ทำการออกแบบใหม่ให้มีประสิทธิภาพในการดับอาร์กได้ดีกว่าเดิม

5.Air Core Transformer ทำหน้าที่แปลงแรงดัน 5 kV DC ที่ผ่านการ Switch จาก Spark Gap ให้เป็นแรงดัน AC แบบ Damped High Frequency Oscillation 200 kV 100 kHz

                                               ภาพแสดงส่วนประกอบต่าง ๆ ของเครื่องทดสอบลูกถ้วย

วิธีการใช้งาน

1.ต่อแท่ง Electrode เข้ากับหม้อแปลงแกนอากาศ แล้วปรับระดับให้พอดีกับลูกถ้วยที่วางอยู่บนแท่นลำเลียง

2.เสียบปลั๊กเครื่องทดสอบเข้ากับเต้ารับไฟฟ้า 1 Phase 220 V เปิดเบรกเกอร์ที่เครื่องทดสอบ แล้วค่อย ๆ หมุน Volume เพิ่มระดับแรงดัน จนกระทั่งสามารถสังเกตการวาบไฟบนผิวลูกถ้วยได้ชัดเจน

3.ยกลูกถ้วยใส่บนแท่นลำเลียง แล้วหมุนแท่นลำเลียงให้ลูกถ้วยวิ่งเข้าหา Electrode หากเป็นลูกถ้วยที่ดีจะเกิดการวาบไฟตามผิวลูกถ้วย หากเป็นลูกถ้วยที่เสียจะลำอาร์กจะหายไป โดยจะผ่านเข้าไปในผ่านรอยแตก หรือรูทะลุของลูกถ้วย

การบำรุงรักษา

ตรวจสอบ ทำความสะอาด Spark Gap และปรับระยะ Gap ให้ห่างอย่างเหมาะสม

ความปลอดภัยในการใช้งาน

ในการออกแบบได้เน้นให้มีความปลอดภัยในการใช้งานสูง โดยในส่วนที่เป็นไฟฟ้าแรงดันสูง DC ออกแบบให้อยู่ในกล่องที่ผู้ใช้งานไม่สามารถสัมผัสได้โดยตรง และเป็นกล่องใสทำให้สามารถสังเกตเห็นความผิดปกติที่อาจเกิดขึ้นได้ง่าย ในส่วนสร้างแรงดัน 200 kV 100 kHz ได้ออกแบบให้มี Ground Ring และ Gradient Ring เพื่อป้องกันให้ไฟฟ้าแรงดันสูงไม่สามารถอาร์กลงมายังวงจรหลักได้ และเนื่องจากไฟฟ้าแรงดันสูง 200 kV 100 kHz เป็นแรงดันไฟฟ้าที่มีความถี่สูงมาก หากเกิดอุบัติเหตุเกิดการอาร์กเข้าตัวผู้ใช้งานก็จะไม่เป็นอันตราย เนื่องจากความถี่สูงมากจะทำเกิดผลของ Skin Effect ทำให้ไฟฟ้าไหลตามผิว ไม่ไหลผ่านร่างกาย และแรงดันไฟฟ้าจะลดลงเองอัตโนมัติเนื่องจากเสียสภาพการ Resonance ไป ทำให้หม้อแปลงแกนอากาศไม่สามารถส่งพลังงานผ่านได้ นอกจากนี้ยังมีวงจร Line Filter ซึ่งจะสามารถแก้ปัญหาสนามแม่เหล็กรบกวน (EMC) เครื่องใช้ไฟฟ้าอื่น ๆ ขณะทำการทดสอบ

ค่าใช้จ่ายในการจัดทำ

1.วงจร Control                                                                                                                         6,000      บาท

2.วงจร Power  Electronic                                                                                                  23,000      บาท

3.หม้อแปลงแกนอากาศ                                                                                                              12,000      บาท

4.ค่าจ้างจัดทำโครงสร้าง                                                                                                              8,000      บาท 

                รวมค่าวัสดุในการจัดสร้าง (ไม่รวมค่าแรงและการวิจัย)                                 49,000      บาท

เมื่อเทียบกับราคาเครื่องทดสอบแบบเดิมที่เคยจัดซื้อ (ประมาณ 400,000 บาท) จะเห็นว่าเครื่องใหม่ที่ออกแบบขึ้นราคาถูกกว่ามาก เนื่องจากเลือกใช้อุปกรณ์ที่หาได้ง่ายในเมืองไทย

ประโยชน์ของเครื่องทดสอบลูกถ้วยฯ

1.ทำให้ลูกถ้วยเก่า ลูกถ้วยรื้อถอนที่มีอยู่เป็นจำนวนมาก สามารถนำกลับมาให้ได้ใหม่

2.ช่วยให้ประหยัดงบประมาณในการจัดซื้อลูกถ้วยใหม่ได้

3.ช่วยลดปัญหาการเกิดไฟฟ้าดับจากปัญหาลูกถ้วยชำรุดได้ โดยการก่อนจะนำลูกถ้วยไปติดตั้งให้ทำการทดสอบก่อน ซึ่งจะทำให้ลดค่า SAIFI, SAIDI ได้

4.เพิ่มความสะดวกในการใช้งาน ลดความยุ่งยากในการทดสอบเนื่องจากเครื่องมีขนาดเล็กลงมาก และออกแบบใหใช้งานได้ง่ายขึ้น

5.แก้ปัญหาการรบกวนทางสนามแม่เหล็กขณะทำการทดสอบได้

6.ลำอาร์กที่ได้สามารถเห็นได้ชัดเจน และต่อเนื่องกว่าเครื่องทดสอบแบบเดิม

                                ภาพแสดงการทดลองใช้งานเครื่องทดสอบลูกถ้วย

รายละเอียดการประดิษฐ์

1.Rectifier ทำหน้าที่แปลงแรงดันไฟฟ้า AC 220 V 50 Hz เป็น แรงดันไฟฟ้า DC ประมาณ 310 V ซึ่งสร้างโดยใช้ไดโอดแบบ Bridge สามารถรองรับแรงดันและกระแสได้ แล้วทำการกรองแรงดันไฟฟ้าให้เรียบโดยใช้ตัวเหนี่ยวนำและตัวเก็บประจุที่มีค่าสูง โดยตัวเหนี่ยวนำที่ใช้พันอยู่บนแกน Ferrite ซึ่งจะทำให้แรงดันไฟฟ้าที่ได้เรียบมากพอ

2.Converter ภายในภาคนี้จะประกอบด้วยวงจร Inverter ซึ่งจะเป็นตัวแปลงแรงดันไฟฟ้า DC 310 V ให้เป็น แรงดันไฟฟ้า AC 310 V ความถี่สูง 20 kHz โดยวงจร Inverter ที่ใช้เป็นแบบ Full Bridge ซึ่งใช้ Power MOSFET ที่มีพิกัดแรงดัน 500 V พิกัดกระแส 45 A เป็นตัวสวิตช์ ซึ่งจังหวะการสวิตซ์ถูกควบคุมโดยวงจร Control หลังจากได้แรงดัน AC 310 V ความถี่ 20 kHz แล้วจะนำยกระดับแรงดันให้เป็นแรงดันสูงประมาณ 5 kV โดยใช้หม้อแปลงความถี่สูง ซึ่งมีอัตราส่วนรอบ 1:70 พันอยู่บนแกน Ferrite แล้วจึงนำไปอาบน้ำยาวานิชแล้วเททับด้วยเรซิน เพื่อป้องกันการเบรกดาวน์ที่ความถี่สูง

3.Control Circuit ทำหน้าที่ควบคุมการ Switching ของ Power MOSFET และป้องกันส่วนต่าง ๆ โดยจะมีวงจรตรวจจับกระแสเกิน วงจรตรวจจับแรงดัน วงจรป้องกันอุณหภูมิเกิน ซึ่งใช้ IC เฉพาะทางเป็นส่วนใหญ่ วงจรส่วนนี้วางอยู่บนแผ่นลายวงจรพิมพ์ และเชื่อมต่อเข้าด้วยกันโดยการบัดกรี และทำหน้าที่ควบคุมระดับแรงดัน Output โดยการหมุนลูกบิดที่ต่ออยู่กับตัวต้านทานที่ปรับค่าได้ ซึ่งจะเป็นตัวไปควบคุม Duty Cycle ของวงจรสร้างสัญญาณ PWM (Pulse Width Modulation)และสัญญาณ PWM ที่ได้นี้จะเป็นตัวควบคุมการเปิดปิดของ Power MOSFET

4.Spark Gap ได้ทำการออกแบบใหม่ให้มีประสิทธิภาพในการดับอาร์กได้ดีกว่าเดิม โดยมีลักษณะขั้วโลหะ 2 ขั้ว ขั้นด้วยแผ่นจานหมุนที่มีแท่ง Electrode ซึ่งจะเป็นตัวตัดต่อการกระโดดของกระแสไฟฟ้า แผ่นจานหมุนทำด้วยวัสดุที่เป็นฉนวนและยึดติดอยู่กับมอเตอร์ ซึ่งเป็นมอเตอร์ชนิด DC ทำให้สามารถควบคุมความเร็วในการดับอาร์กได้ โดย Spark Gap นี้จะทำหน้าที่เป็นตัวสร้างความถี่สูง และเป็นตัวป้องกันกระแสและแรงดันเกินที่อาจจะไปทำให้ตัวเก็บประจุแรงสูงหรือ Air Core Transformer เสียหาย

5.ตัวเป็นประจุแรงสูง ทำหน้าที่เก็บพลังงานที่รับมาจากแรงดัน DC 5 kV และทำให้เกิดการ Resonant กับขดลวด Primary ของ Air Core Transformer ซึ่งสร้างโดยใช้ตัวเก็บประจุชนิด Milar ต่ออนุกรมและขนานกันหลาย ๆ ชั้นเพื่อให้ได้อัตราการทนแรงดัน, กระแสและ ค่าความเก็บประจุที่เหมาะสม โดยจัดวางอยู่บนแผ่น PCB เชื่อมเข้าด้วยกันโดยการบัดกรี

6.Air Core Transformer เป็นหม้อแปลงที่ใช้ยกระดับแรงดันที่ตกคร่อมขดลวดด้าน Primary ที่มีจากการ Resonant กับตัวเก็บประจุแรงสูง ให้เป็นแรงดันสูงประมาณ 100–400 kV มีขนาดเล็กไม่ ไม่จำเป็นต้องอัดก๊าซชนิดพิเศษเพื่อเพิ่มความเป็นฉนวนทำให้ง่ายต่อการดูแล โดยเป็นหม้อแปลงแบบแกนอากาศ ขดลวดด้าน Secondary พันอยู่บนท่อ PVC เส้นผ่าศูนย์กลาง 6 นิ้วยาวประมาณ 1 เมตร ใช้ลวดทองแดงอาบน้ำยาพันรอบแกน โดยมีเทคนิคการพันแบบพิเศษคือช่วงที่ขดลวดอยู่ใกล้กับขดลวด Primary แรงดันที่เกิดขึ้นต่อรอบมีค่าสูง ดังนั้นจึงพันขดลวดโดยมีเอ็นใสสำหรับตกปลาเป็นฉนวนขั้นซึ่งจะช่วยป้องกันการลัดวงจรระหว่างขดลวดได้ สำหรับส่วนที่ห่างจากขดลวด Primary พันโดยไม่มีฉนวนขั้นระหว่างรอบเนื่องจากแรงดันที่เกิดขึ้นต่อรอบในช่วงนี้น้อย ในส่วนขดลวดด้าน Primary จะแบ่งลักษณะการพันออกเป็น 2 ส่วน ส่วนแรกเป็นส่วนที่อยู่ใกล้ขดลวด Secondary จะพันเป็นลักษณะกรวยหงายโดยพันจากด้านล่างขึ้นบนซึ่งการพันแบบนี้จะช่วยกระจายความเครียดสนามไฟฟ้าที่เกิดขึ้นได้ดี ส่วนที่ 2 จะอยู่ด้านนอกพันเป็นลักษณะทรงกระบอกพันจากบนลงล่างซึ่งส่วนนี้จะเป็นตัวเพิ่มจำนวนรอบและค่าความเหนี่ยวนำให้สูงขึ้นได้ แล้วนำขดลวด Primary และขดลวด Secondary มาสวมเข้าด้วยกัน โดยจัดระดับขดลวดด้าน Primary ให้อยู่สูงประมาณ 1/3 ของความสูงขดลวดด้าน Secondary ซึ่งการจัดระดับแบบนี้จะทำให้ค่าการส่งผ่านแรงดันและพลังงานดีขึ้นกว่าแบบเดิมมาก ทำให้ประสิทธิภาพของเครื่องสูงขึ้น ในส่วนบนสุดของขดลวดด้าน Secondary ซึ่งเป็นตัวจ่ายแรงดัน Output จะมี Gradient Ring เป็นตัวช่วยกระจายความเครียดสนามไฟฟ้าอีกด้วย และยังมี Ground Ring ด้านบนสุดของขดลวดด้าน Primary เพื่อป้องกันการ Breakdown จากแรงดันสูงด้าน Secondary ลงขดลวดด้าน Primary ซึ่งอาจจะทำให้เกิดการเสียหายกับวงจรได้

หากท่านผู้อ่านมีความสนใจหรือต้องการทราบรายละเอียดเพิ่มเติมกรุณาติดต่อผู้จัดทำครับ

ชัยรัตน์ แซเนี้ยว และ ฐิติพงศ์ สมัครพงศ์ กองวิศวกรรมไฟฟ้าและทดสอบ การไฟฟ้าส่วนภูมิภาค (titipong@pea.or.th)

อารีย์  หวังศุภผล นักศึกษาปริญญาโท สถาบันเทคโนโลยีพระจอมเกล้า เจ้าคุณทหารลาดกระบัง (areeceic@yahoo.com)