generation of high voltage - khon kaen...

Generation of High Voltage (การสรางไฟฟาแรงสง)

1

BYBYAmnart SuksriAmnart Suksri(LECTURER)(LECTURER)

Department of Electrical Engineering, Department of Electrical Engineering, FACULTY OF ENGINEERINGFACULTY OF ENGINEERING

KHON KAEN UNIVERSITYKHON KAEN UNIVERSITYTHAILANDTHAILAND

HIGH VOLTAGEHIGH VOLTAGE ENGINEERINGENGINEERING

ไฟฟาแรงสงมความสำาคญตอวศวกรไฟฟา และผสนใจทางดาน Applied physics

- ทางการแพทย

1. ใชในการ x-ray ซงตองการกระแสไฟฟาตรง แรงสงขนาด 100 kV หรอมากกวา

2. ใชในการสลายนว ซงตองการ HV. Impulse ขนาด 10 –20 kV อยางตอเนองหลายครงใน 1 นาท

- ทาง Physics ใช Electrostatic precipitation particle acceleration- ทางดานวศวกรรม ใชในการทดสอบอปกรณไฟฟาซง

ตองการทง AC , DC และ impulse แรง

2

สง เพอใชทดสอบฉนวนในสวนตางๆของอปกรณไฟฟา ดงนนการสรางไฟฟาแรงสง เพอใชทดสอบอปกรณไฟฟา

ในหองปฏบตการนน จะประกอบดวย

เครองกำาเนดไฟฟาแรงสง แบบตางๆ ดงน(1) Electrostatic Generator(2) Generation of High DC. Voltage(3) Generation of High AC. Voltage(4) Generation of Impulse Voltage

(1) Electrostatic generator

3

ใชหลกการการเปลยนพลงงานกล เปนพลงงานไฟฟาโดยใชสนามแมเหลกเปนตวเกบสะสมประจไวทผวโลหะทตดกบฉนวน เมอใสพลงงานกล เขาไปแลวทำาการเคลอนยายไปรวมกนในททกำาหนดไวใหไดมากๆ ทจดจดหนงจะทำาใหจดนนมศกดาไฟฟาสงขน

การสรางไฟฟาสถตยแรงดนสงม 3 แบบ คอ

- การสรางไฟฟาสถตยแบบแผน Capacitor

- การสรางไฟฟาสถตยแบบ Van de Graff

- การสรางไฟฟาสถตยแบบ Trommel

- การสรางไฟฟาสถตยแบบแผน Capacitor

4

การทำางาน- แผนโลหะ A และ B ยดตดกบฐานทเปนฉนวน- แผนโลหะ A ยดตดอยกบท- แผนโลหะ B สามารถปรบเคลอนทได- ทำาการใสแรงดนไฟตรงเขาระหวางแผนโลหะ A และ B ซงวางหางกนเปนระยะ d1- ทำาการเคลอนแผนโลหะ B ใหหางจาก A เปนระยะทาง d2

5

- ถาประจไมเกดการสญหายจะทำาให V2 มากกวา V1

จาก Q = CV-------(1)

เมอประจ Q คงท-ทตำาแหนง B ไดพลงงานเปน

W1 ----------(2)

เมอ d = d1 , C = C1, V= V1

-ทตำาแหนง Bx ไดพลงงานเปน

W2 ----------(3)

เมอ d = d2 , C = C2, V= V2แต Q = C1 V1 = C2 V2----------(4)

6

V2 = (C1/C2)*V1

----------(5)

จะเหนวา V2 มากกวา V1 C2 ลดลงสำาหรบพลงงานกลทปอนเขาไปจะมคาเทากบ

----------(6)การสรางไฟฟาสถตยแบบ Van de Graffเนองจากการสรางไฟฟาสถตยแบบแผน capacitor มขอเสย

1. ใชงานไมคอยสะดวก

7

2. ไดแรงดนคอนขางตำาVan de Graff จงไดสรางเครองกำาเนดไฟฟาสถตยขนมาโดยใชวธการเกบสะสมประจไฟฟาบนผวโลหะ ดงรป

8

ตวเครองประกอบดวย1) Electrode A จะเปนตวสราง

สนามไฟฟาแบบไมสมำาเสมอ ชนดมความเขมของประจสง (highly non-uniform)ซงจะทำาใหเกด Corona นจะแยกประจออกเปน 2 สวน คอ ประจบวก และ ประจลบ

- ประจลบ ซงมมวลนอยกวาจะวงทะลผานสายพานไปยงแผน electrode E แลวกลบเขาสจด A

- ประจบวก ซงมมวลมากกวา จะตดอยกบสายพานลำาเลยงทำาหนาทลำาเลยงผาน

9

collector ไปเกบสะสมเอาไวบนผวโลหะ C ทำาใหเกดประจสะสมเอาไวทโลหะ C อยางมากมาย จงทำาใหทจด C มศกดาไฟฟาสงขน

เครองกำาเนดไฟฟาแบบ Van de Graff มขอจำากด คอ

1. มความหนาแนนของประจบนสายพาน ประมาณ 1.6 nano culomb/cm2

2. แรงดนบนสายพานมคานอยกวา 10 kV/cm เนองจากความเครยดของสนามไฟฟาตามแนวยาวถาตองการใหสงกวานจะตองบรรจในถงกาซความดน

3. สายพานมความเรวตำา นอยกวา 40 m/s

10

การสรางไฟฟาสถตยแบบ Trommel

สรางโดย Felici เพอลดขอเสยของสายพานทเกดจากการสนเมอใชความเรวสง และการกระจายของ electric field strength ทไมสมำาเสมอตามแนวสายพานของเครองกำาเนด ไฟฟาแบบ Van de Graff

เครองกำาเนดชนดน ประกอบดวยกระบอกฉนวนรวม 2 ชน

กระบอกฉนวนไฟฟา A ยดอยกบทโดยมแกนรวมกบกระบอกฉนวนไฟฟา B

11

กระบอกฉนวนไฟฟา B จะหมนดวยความเรวคงท ดงนนประจทสรางขนจะเคลอนทผานกระบอกฉนวนไฟฟา B ไปเกบสะสมไวทตวเกบประจ แลวนำาออกไปส electrode แรงสง HV.Generation of High DC Voltage

- ใชเครองกำาเนดไฟฟากระแสตรงแรงสง

- ใชหลอดสญญากาศ ปจจบนใช Diode แทน เปนตว rectifier ซงมวงจรพนฐาน 4 แบบ

1.วงจร rectifier แบบ Half wave2.วงจร rectifier แบบ Full wave

12

3.วงจร rectifier แบบ แรงดน 2 เทา (Voltage double rectifier)

4.วงจร rectifier แบบขนบนได (Cascade circuit for dc. High Voltage)

วงจร Rectifier แบบ Half wave

13

วงจรประกอบไปดวย HV transformer T, Diode แรงสง D และ Filter แรงสง แบบ Capacitor CEx. ใหคำานวณหาคา Ripple factor ของการ rectifier แบบ halfwave เมอ ripple factor ;

และกำาหนดใหแรงเคลอนทออกจากหมอแปลง มคา

VT = VmsintSoln หากระแสทไหลในวงจรจากรป

----------(1)

14

เมอ Rt = RD + RL ท 0 t 2

จะไดกระแส Idc เฉลย คอ ----------(2)

----------(3)

แรงดน ครอม load ----------(4)

แต ----------(5)

15

ดงนน ----------(6)

จากสมการท 3 และ 6 จะได

----------(7)

แต

----------(8)

(8) แทนใน (7) ได

16

ดงนน Ripple factor ของ Half-Wave rectifier มคา = 1.21

วงจร Rectifier แบบ Full wave

17

การทำางาน1. เมอม sine ออกจากหมอแปลง diode D1 จะทำาหนาท rectifier แรงดนชวงรปคลน +2. Diode D2 จะทำาหนาท rectifier แรงดนชวงรปคลน -3. ขณะทแรงดนครอม diode D1 เปน + จะมกระแส I1 ไหลผาน diode แตเมอแรงดนครอม D1 เปนลบ D1 จะไมนำากระแส

18

4. แตขณะนนแรงดนครอม D2 เปน + D2

จงนำากระแส5.ทำาใหกระแสทไหลผาน load มคา IL = I1+I2

จาก (3) ----------(9)

จาก(8) ----------(10)

คา ripple factor เมอตอ rectifier แบบ full wave จะมคา

19

วงจร Rectifier แบบ แรงดน 2 เทา

( Voltage doubler rectifier)

20

การทำางาน1. เมอมแรงดนออกจากหมอแปลงเปน

VT ทจด a สมมตวามแรงดนในครง cycle ลบกอน

2. ตว Capacitor จะเกบสะสมประจจนมแรงดนตกครอมเทากบแรงดนสงสดทออกจากหมอแปลง VT = VC

3. เมอแรงดนออกจากหมอแปลง VT ทจด a มแรงดนอยในครง cycle บวก จะทำาใหแรงดนตกครอม diode D1 ทจด b มคาเทากบ VC + VT แลว capacitor C2 สะสมทประจเทากบ VC + VT คอมคาเทากบ 2 VT

4. จะเหนวา diode D2 จะตองทนแรงดนไดเปน 2 เทา ของแรงดนไฟฟาสงสด

5. เมอแรงดนทออกจาก D2 ซงเปนการ rectifier จะมแรงดนไมเรยบ จง

21

ตอง filter โดยใช C2 จงทำาใหแรงดนไฟฟากระแสตรงทจด c มคาเปน 2 เทาของแรงดนสงสดทออกจากหมอแปลง VT

วงจร rectifier แบบขนบนได(Cascade circuit for dc. High

Voltage)ในกรณทตองการศกดาไฟฟากระแส

ตรงสงมากๆ เราจะสรางโดยใชวงจรพนฐานของวงจรแรงดน rectifier แบบสองเทา นำามาตอกนเปนแบบขนบนได ซงนยมใชอย 2 ชนด คอ

1. แบบ Cockroft Walton

22

2. Voltage multiplier with cascade transformer

1. แบบ Cockcroft Waltonใชหลกการของ n – stage single phase cascade

การ ทำางาน ของ Cockcroft Walton ขณะ no load

23

จะใชวงจร rectifier แบบแรงดน 2 เทามาตออนกรมกน nth ชน โดยแตละชนประกอบดวย

- diode 2 ตว- capacitor 2 ตว ตวแรกเปนตวเกบ

พกประจ ตวท 2 ทำาหนาทเปน filtercapacitor ททำาหนาทพกประจไดแก

C1, C2, C3, C4,capacitor C1, C2, C3, C4, ทำา

หนาท filterdiode D1, D2, D3, D4 จะนำา

กระแสในชวงคลนบวกdiode D1, D2, D3, D4 จะนำากระแส

ในชวงคลนลบ

24

วงจรสรางแรงดนแตละครงจะสรางแรงดนเปน 2 เทาของคาแรงดนสงสด คอ 2Vm

เมอเทยบกบ ground แรงดนครอมท จด b = 2Vm

จด c = 4 Vm , จด d = 6 Vm, จด e = 8 Vm

ขอสงเกตCapacitor และ diode แตละตวจะ

ตองทนแรงดนได 2 เทาของคาสงสด ยกเวน capacitor C4 เทานนททนแรงดนสงสดไดเพยง 1Vm

เมอตองการแรงดนสงๆ จะตองนำามาตอเปนขนบนไดหลายๆชน ซงจะมคา = 2.n.Vmax เมอ n = จำานวนชน

25

แรงดนทจดตางๆ ของ Cockcroft Walton ขณะ no load

2. การทำางานของวงจร Cockcroft Walton ขณะตอ load

ขณะ no load วงจรขนบนไดของ Cockcroft Walton จะมแรงดน output เปน 2 เทาของคาแรงดนสงสดทใสเขามา คณดวยจำานวนชน แตเมอ load

26

จะมแรงดนตกครอม C และ D ทำาใหแรงดน output ทจด C นอยกวา 8Vmax

การคำานวณแรงดนตก U

พจารณาท Stage n ; คาปาซเตอร Cn จะถก Charge จนกระทงแรงดนมคาเทากบ Vmax ถาไมมการสญหายของประจ Cn จะมคาแรงดนท

27

ถา คาปาซเตอรทกตวในชดของวงจร มคา

ดงนน Voltage Drop ในแตละ Stage คอ

By Summation และ

28

การคำานวณหาแรงดนระลอก (Ripple)แรงดนระลอกของวงจรขนบนไดกอาจ

หาไดเชนเดยวกบวงจรทมไดโอดและตวเกบประจกรองกระแสอยางละตวซงมความสมพนธคอ

จะได

เมอ Idc คอ กระแสตรงทจายใหโหลด29

f คอ ความถของแรงดนกระแสสลบทจะแปลงเปน กระแสตรง

C คอ ความจไฟฟาของตวเกบประจกรองกระแส

แรงดนระลอกทงหมด

ถา C1 = C2 = C3 = C แลว

ถาวงจรม n ชน จะได Total Ripple

30

จำานวนขนบนไดทพอเหมาะ n - Optimum

การสรางแรงดนกระแสตรงดวยวงจรขนบนได เราอาจสรางแรงดนใหสงขนไดโดยการเพจำานวนขน ในทางปฏบตถาหากกำาหนดคากระแสโหลด Id ให จากคาความจไฟฟาทมความถของตวจายทกำาหนด จะพบ

31

วาถายงเพมจำานวนขนสงมากเกนไป จะทำาใหแรงดนตกมาก แรงดนทไดออกมาทโหลดกลบตำาลง แสดงวาจำานวนขนของวงจรมขดจำากด หรอ มคาพอเหมาะทสามารถสรางแรงดนไดสงสดคอ

n ทจะทำาให Vd สงสด

เมอ Vd เปนแรงดนกระแสตรงทโหลดจำานวนชนทพอเหมาะ n – Optimum คอ

และ

แรงดนกระแสตรงทสรางไดจะมคาเพยง 67% ของคาทางทฤษฎเทานน

32

การสรางแรงดนกระแสตรงแรงสงโดยใชหมอแปลงตอเปนขนบนได (Voltage multiplier with cascade transformation)

เนองจาดวงจรของ Cockcroft Walton มขอเสย คอ เมอนำามาตอกนหลายชน ทำาใหแรงดน output ตก ซงจะไดแรงดน output สงสดเพยง 67% เมอตอจำานวนขนมากๆ แรงดนยงตกลงอก เนองจากเกดแรงดนตกครอม diode และ capacitor และยงมขอจำากดเกยวกบ supply หมอแปลงตวเดยว Allibone จงไดแกไขใหมโดยใชวงจรดงรป

33

วงจร Allibone ประกอบไปดวย- หมอแปลง T, T1 , T2

- Diode D1 , D2 , D3 , D4

- Capacitor C1 , C2 , C3 , C4

ในแตละ stage ประกอบดวยหมอแปลงแรงสงตอผานไปยง diode D1

และ D2 ซง rectifier เปนแบบ half wave แลวตอไปยง storage capacitor C1 และ C2 ทำาใหแรงดนครอม C1 และ C2 มขนาด = Vm แตเนองจาก C1

34

และ C2 ตออนกรมกนจงทำาใหแรงดนทจด ก มขนาดเปน 2Vm

สำาหรบ stage ท 2 นนประกอบดวยหมอแปลง T ซงตอ supply ใหกบ T2 และ diode D3 , D4 , capacitor C3 , C4 จงทำาใหแรงดนทจด ข เมอตออนกรมกบ stage แรกแลว ไดแรงดนเปน 4 Vm

ขอเสยของ Allibone คอ จะตองม supply จากหมอแปลง T ไปเขาหมอแปลง T2 จงทำาใหเปลองหมอแปลงเพมขนอกตวในแตละ stage เพอแกปญหาดงกลาวจงใหหมอแปลงทเปน supply ใหกบขนบนไดเปนหมอแปลงแบบ tertiary

35

DC Cascade circuit with cascade transformer(tertiary windings)

The “Engelton” or Deltatron principle

36

Generation of High AC Voltage

หมอแปลงไฟฟาแรงสงทใชในปจจบนม 2 ชนด คอ1. หมอแปลงไฟฟาแรงสงกระแสสลบในระบบสงจายไฟฟา2. หมอแปลงไฟฟาแรงสงกระแสสลบทใชในหองปฏบตการ

1.หมอแปลงไฟฟาแรงสงกระแสสลบในระบบสงจายไฟฟา

หมอแปลงชนดนใชเปลยนระดบแรงดนใหสงขนเพอใชในการสงจายกำาลงไฟฟา หมอแปลงมกมขนาดใหญและเปนชนด 3 phase

37

2. หมอแปลงไฟฟาแรงสงกระแสสลบทใชในหองปฏบตการ

หมอแปลงชนดนใชเปนหมอแปลงทดสอบ ซงจะใชทดสอบฉนวน อปกรณไฟฟาแรงสงตางๆ และยงใชทดสอบปรากฏการณ Discharge ตางๆในลกถวยฉนวน, cable, switch gear และอปกรณอนๆ

หมอแปลงทดสอบจะมลกษณะเฉพาะเปนชนด 1 phase ซงผลตแรงสงเทยบกบ ground ขนาดของแรงดนทดสอบ กำาหนดตามมาตรฐาน IEC 60-2/1973 กำาหนดใหเปนคาแรงดนจดยอด (peak) ดวย 2 ไมตองวดเปนคา RMS โดยตรง

หมอแปลงทใชทดสอบในหองปฏบตการ จะตองสามารถปรบแรงดนตงแตคาตำาๆ

38

ไปจนถงคาสงๆ ตามทเราตองการ การปรบจะใช variac หรอ regulator เปนตวปรบ

- หมอแปลงจะตองมการฉนวนทด ทนตอแรงดนสงๆได ไมเกดการ breakdown

- จะตองสามารถจายกระแสไดสงพอ เพอใหสามารถสงเกตเหนความบกพรองของอปกรณทใชทดสอบไดชดเจน

หมอแปลงแรงดนไฟฟาแรงสงกระแสสลบใชในหองปฏบตการ

39

ขนาดของหมอแปลงคำานวณจาก

= ความถของแรงดนทใชเปน HzC = ความจ หนวยเปน pFVt = แรงดนทตองการใชทดสอบ KVrms

การตอ Inductive reactor ขนานดาน primary

เขากบหมอแปลงทดสอบหมอแปลงแรงสงขณะ no load จะม

กระแส exciting current ซ งจะท ำา ให output ม Harmonics ป น อ ย ท ำา ใ ห waveform ผ ด เ พ ย น ไ ป จ า ก sine

40

wave จงตอง filter harmonics เหลานออกไป

ทแรงดนไฟฟาสง หมอแปลงจะแสดงคา output เปน capacitor load ทำาใหกระแสนำาหนาแรงดน (leading Power factor) จงทำาใหแรงดนไฟฟา output ม คาตำากวาแรงดนทค ำานวณไวจาก ratio ของหมอแปลงนนๆ

41

(a) ขณะ no load หมอแปลงแรงสงทำาตวเปน capacitive load(b) Vector diagram ของแรงดนไฟฟาสงๆขณะ no load

เพอแกปญหาทเกดขน จงท ำาการตอ Inductive reactor ขนานกบหมอแปลงทดสอบทด าน primary เพ อทำาการแก Power factor

แสดงการตอขนาน reactor เพอแก P.f ของหมอแปลงแรงดนสง

42

การสรางหมอแปลงในหองปฏบตการ เมอแยกตามความถจะมอย 2 ชนด คอ

ก. หมอแปลงความถตำาข. หมอแปลงความถสง

1. การสรางหมอแปลงไฟฟาแรงสงความถตำาหมอแปลงไฟฟาความถตำาจะหมายถง

ความถของระบบไฟฟาทใช คอ 50 –60 Hz หมอแปลงชนดนใชไดเฉพาะไฟฟากระแสสลบเทานน ใชไฟกระแสตรงไมได หมอแปลงชนดนแบงตามลกษณะการตอสายได 3 แบบ คอ

1. หมอแปลงชนดฉนวนแขง (Resin insulated transformer)

43

2. หมอแปลงชนดจมในนำามน (Oil immersed transformer)

3. หมอแปลงชนดฉนวนขนบนได (Cascade transformer)

1.หมอแปลงชนดฉนวนแขง (Resin insulated transformer)

หมอแปลงชนดนแกนเหลกจะตองตอลง ground ขดลวดแรงตำาจะพนตดกบแกนเหลกและตอ supply แรงดนเขาประมาณ 100-120 V สวนขดแรงสงจะพนทบแรงตำาอกครงหนง เพอเปนการ

44

ฉนวนขดแรงสงอกขนหนง ดานแรงสงไดแรงดน ประมาณ 1kV – 10 kV

2. หมอแปลงชนดจมในนำามน (Oil immersed transformer)

หลกการคอ แกนเหลกและขดลวดรวมทงสวนประกอบอนๆทงหมดจะนำามาจมในถงนำามนทเปนโลหะหรอฉนวนกได

กรณทเปนถงโลหะ จะตองม bushing เพอนำาเอาสายไฟแรงสงออกจากถงมาใช

45

กรณทถงเปนฉนวน ไมจำาเปนตองม bushingหมอแปลงชนด oil immersed มอย 2 ชนด คอ

ก. แบบแกนเหลกตอลงดนข. แบบแกนเหลก core type

1. แกนเหลก2. ขดลวดแรงตำา3. ขดลวดแรงสง4. นำามนเปนฉนวนหม5. ปลายขวแรงสง6. Bushing(ปลอกฉนวนนำาสายแบบ

condensor)7. ถงโลหะ8. ถงฉนวน

46

ก. แบบแกนเหลกตอลงดน

ก. แบบถงโลหะ ข. แบบถง

ฉนวน

แกนเหลกทใชเปนแบบ UI โดยพนขดลวดแรงตำาบนขาตว U แลวจงพนแรงสง

47

ทบอกครงหนง แกนเหลกถกตอลงดนแลวนำาไปบรรจในถงนำามนประกอบขวแรงสงออกจากถง หมอแปลงชนดนสามารถสรางแรงดนไดสงถง 500 kV

ก. แบบแกนเหลก core typeใชแกนเหลกทแบบ UI มขดลวด 2 ชด

พนจำานวนรอบชดละเทาๆกน คอ ขดลวดแรงสง ขดลวดแรงตำา ขด compensate และขด excite

วธพนจะพนขด compensate กอน แลวพนขดแรงสงตามดวยขดแรงตำาและขด excite เพอใหเสนแรงแมเหลกรวมคาตำา

48

1. แกนเหลก 2. ขดแรงตำา 3. ขดแรงสง 4. ขด tertiary 5. ขด excite

หมอแปลงชนดขนบนได (cascade transformer)กรณทตองการใชไฟแรงสงกวา 600

kV ขนไปนยมใชหมอแปลงชนด 3 ขด (tertiary winding) ตอเสรมกนหลายตวตอเสรมกนแบบขนบนได

49

1. ขดแรงตำา2. ขดแรงสง3. ขดแรงตำาตอใหกบหมอแปลงตว

ตอไป

ขอสงเกต จะตองออกแบบใหหมอแปลงตวแรกมกำาลงไฟมากพอทจะตอกำาลงไฟใหกบหมอแปลงทนำามาตอเปนขนบนไดและจะตองมการฉนวนดพอ

Ex. สมมตใหหมอแปลงแตละตวม ratio ของแรงดนดงน และถาตองการแรงดน

50

output 400 kV/160 KVA ใหคำานวณหา 1. ratio ของหมอแปลงแตละตว2. กำาลงไฟของหมอแปลงแตละตวทจะตองจายได (แตละขด)

Solution Turn Ratio each :

Total Turn Ratio :

Total VA each :

I ในแตละตว

51

เขยนวงจรการตอหมอแปลงแบบขนบนไดดงน

52