??????? ? Breakdown in solid by 02aYHwR

VIEWS: 274 PAGES: 20

									                                               บทที่ 5
                                            การเบรคดาวน์
5.1 การเบรคดาวน์
                                                                              ั
            ในทางไฟฟ้ านั้น หมายถึง การที่เราป้ อนแรงดันไฟฟ้ าที่ค่าๆหนึ่งให้กบฉนวน
ซึ่งมีค่าเกินความสามารถของฉนวนที่จะทนแรงดันไฟฟ้ านั้นๆหรื อทนต่อสนามไฟฟ้ านั้นได้
จึงจะเกิดกระแสไฟฟ้ าไหลผ่านฉนวนอย่างรุ นแรงจนกระทังฉนวนนั้นๆทนไม่ไหวจึงเกิดการเบรกดาวน์ไปในที่สุ
                                                         ่
                   ั        ่ ั
ด การเบรกดาวน์น้ นขึ้นอยูกบชนิดหรื อฉนวนที่ใช้ทาเป็ นอุปกรณ์ไฟฟ้ า
ดังนั้นถ้าแบ่งการเบรคดาวน์ตามชนิดของฉนวนทางไฟฟ้ าแล้ว จะแบ่งออกได้ 3 แบบคือ
            ก. การเบรคดาวน์ ในก๊าซ (Breakdown in gas)
            ข. การเบรคดาวน์ ในของเหลว (Breakdown in Liquid)
            ค. การเบรคดาวน์ ในของแข็ง (Breakdown in solid)

5.2 การเบรคดาวน์ ในก๊ าซ (Breakdown in gas)
      การเบรคดาวน์ของ Gap ที่ก๊าชความดันต่าและแคบนั้น ศักย์ดาไฟฟ้ าเบรกดาวน์ของ Townsend
ที่ได้จากการทดลองและทางทฤษฎีมีค่าใกล้เคียงกัน จาก Graph รู ปที่ 5.1 เป็ นการเบรกดาวน์ของก๊าช ซึ่งเกิดขึ้น 3
ระยะคือ

                     Current
                                                                                     Break
                                                                                     down
                                        Self Sustaining
                                        Discharge
                                       Non-Self Sustaining
                                       Discharge




                      io1

                               To                  T1                       T3

                                                     V                             Vs


                                     รู ปที่ 5.1 graph แสดงการเบรคดาวน์ของก๊าช

         ระยะเริ่ มต้น, ระยะปานกลาง และระยะสุดท้าย
                    - ที่ระยะเริ่ มต้น (To) จะเห็นว่ากระแสเพิ่มขึ้นอย่างช้าๆ เพราะว่าเกิดกระแสรั่วไหล
                    - ที่ระยะปานกลาง (T1) กระแสที่ไหลค่อนข้างคงที่ เพราะว่าเกิดขบวนการ Ionization
                         กับขบวนการรวมตัวของ electron (T2) สมดุลย์กน    ั
                   -   ที่ระยะสุดท้าย กระแสจะไหลอย่างรวดเร็ วและมากมาย
                       และในที่สุดก็จะเกิดการเบรกดาวน์ อย่างสมบูรณ์ (Completely Breakdown)
        เพื่อให้เข้าใจขบวนการ Breakdown ของ Townsend ระยะ T1 และ T2 ( 1st และ 2nd ) Coefficient
townsend mechanism เราจะอธิบายโดยใช้สมการที่ 4.51 เฉพาะเทอม

                                               (eX  1)  1                                      (5.1)
         หรื อเขียนใหม่เป็ น
                                              ex  1       เทอม ex 1                         (5.2)

         จากความสัมพันธ์ของ  ,  และ E/P สามารถเขียนเป็ นสมการได้เป็ น

                                                         f E 
                                              /p                                                 (5.3)
                                                           p

                                                         g E 
                                                                                                 (5.4)
                                                           p


                   และ gradient E มีค่า
                                                    E  v/d                                        (5.5)

                                                                  ั
       สมการที่ 5.5 นี้ ใช้ในกรณี ที่สนามไฟฟ้ าเป็ นแบบสม่าเสมอมีศกย์ดาไฟฟ้ า V มีระยะช่องว่าง d
       ทาการแทนค่า E จากสมการที่ (5.5) และ  / p และ  จาก สมการที่ (5.2) และ
ลงในสมการที่ (5.3) และ (5.4)

                                             V 
                                           g  e ( f (V / p.d ). pd )  1                         (5.6)
                                              pd 

        จากสมการที่ (5.6) เขียนใหม่
                                               Vs  f ( pd )                                       (5.7)

         จากสมการ (5.7) แสดงถึง ศักย์ดาไฟฟ้ าเบรกดาวน์เป็ น Function ของความดัน p และระยะช่องว่าง d
สมการนี้เราเรี ยกว่า (Paschen’s law)
         จากกฎของ Paschen’s law การหาศักย์ดาไฟฟ้ าเบรกดาวน์สาหรับช่วงที่มีสนามไฟฟ้ าเป็ นแบบสม่าเสมอ
ในก๊าซที่มีผลคูณของความดันและระยะห่าง (Pd) สาหรับอากาศ (air) , Cabondioxide (CO2) และ Hydrogen (H2)
แสดงไว้ในกราฟรู ปที่ 5.2
  รู ปที่ 5.2 แสดงความสัมพันธ์ระหว่างศักดาไฟฟ้ า Breakdown Vs กับผลคูณของความดันและระยะห่าง (Pd)
                                           ของการ CO2 , air , H2

       จากรู ปที่ 5.2 จะเห็นว่าศักดาไฟฟ้ า Breakdown จะมีค่าลดลงเมื่อเพิ่ม Pd จนกระทังได้ศกย์ดาไฟฟ้ า
                                                                                     ่ ั
Breakdown ต่าสุด Vs min และศักดาไฟฟ้ ากลับเพิ่มขึ้นอีกเมื่อทาการเพิ่ม Pd ให้มากขึ้นไปอีก

ตารางที่ 5.1 ศักดาไฟฟ้ า Breakdown ต่าสุดของก๊าซชนิดต่างๆ

               Gas                                VB(min)                           Pd at VB (min)
                                                   Volts                              (Toir-cm)
              Air                                  327                                  0.567
             Argou                                 137                                    0.9
               H2                                  273                                   1.15
             Helium                                 156                                  4.0
              CO2                                   420                                  0.51

               N3                                   251                                  0.67

              N2O                                   418                                  0.5

               O2                                   450                                  0.7

              SO 2                                  457                                  0.33

              H2S                                   414                                  0.6
           กฏของ Paschen นี้ใช้ได้ดีสาหรับอุณหภูมิสูงจนถึง 1100 ºC
      ้
แต่ถาเพิ่มอุณหภูมิสูงขึ้นมากกว่านี้แล้ว การ Breakdown จะไม่เป็ นไปตามกฎของ Paschen เนื่องจากการ
Breakdown จะเกิด Ionization จากความร้อนที่มีอุณหภูมิมากกว่า 2000ºk หรื ออาจเกิดจากผลของ
Thermonic emission
           Paschen ได้ทดลองช่องว่างที่กว้างกว่า 0.01 cm ที่ (n,t,p) (normal temperature pressure) มีค่า pd
ไปทางขวามือของจุดต่าสุดของ Paschen และศักย์ดาไฟฟ้ า Breakdown จะเพิ่มขึ้นเป็ นสัดส่วนกับ Pd
                         ั
ซึ่งเขียนเป็ นสมการได้ดงนี้

                                 293( pd )         293( pd )
                       V  24.22              6.08           KV                                      (5.8)
                                 760T              760T


                                                                         1
                                                                              
                                      293  P             293   P  2 1 
         หรื อ    E  V / d  24 .22            6.08                                           (5.9)
                                      760  T            760   T  d 
                                                                   
                                                                             
         เมื่อ P  เป็ นความดันของอากาศ หน่วยเป็ น mmHg
                T  อุณหภูมิ หน่วย ºK
                d  ระยะ gap หน่วยเป็ น cm
         จากสมการที่ 5.9 ถ้าที่ความดัน 1 บรรยากาศ คือ 760 mmHg อุณหภูมิ 293ºK
                                    6.08
                    E  24 .22              Kv/cm                                                   (5.10)
                                      d
         จากสมการที่ 5.10 ถ้า gap(d) มีค่ามากๆ สนามไฟฟ้ าจะมีค่าเท่ากับ 24.22 Kv/cm
                                                                                    ั
         สาหรับอากาศทัวๆไป ที่ระยะ gap 1 cm ความดัน 760 mmHg ที่อุณหภูมิ 20 ºC จะมีศกย์ดาไฟฟ้ า
                        ่
                                               293  P 
Breakdown 30 Kv/cm ซึ่งหมายความว่าเทอม                  .d  1
                                               760  T 
                                                    
ตัวอย่ างที่ 5.1 จากรู ปที่ 5.3 เป็ นกราฟแสดงความสัมพันธ์ระหว่าง LogI / I o กับระยะกับ gap (mm)
จากการศึกษาปรากฏการณ์ของ Townsend ให้คานวณหาค่า
          ก) Townsend’s Primary Coefficient
          ข) Townsend’s Secoundary Coefficient
          เมื่อกาหนดศักย์ดาไฟฟ้ า E1  20 Kv / cm
                                    E2  10 Kv / cm
         และ I o เป็ นกระแสต่าสุดมีค่า 5 1014 A
                                                                        E ‫٭‬
                                                                        1
                                                                            E
                      LOG                                                 º
                                                                            2
                      I/IO
                                                                 ‫٭‬
                                                                 º
                                                      B
                                                       ‫٭‬
                                                       º
                                   A         ‫٭‬
                                              º
                                   ‫٭‬                                        Gas distance
                                   º
                                                                               (mm)
                                   1              2          3          4
                                  5
                            รู ปที่ 5.3 แสดงความสัมพันธ์ระหว่าง LogI / I o กับระยะ gap
วิธีทา
         คานวนหาค่า  1 ที่ E1 ( 20 Kv / cm)  Slope ของ E1
                                          2 .9
                             1 
                                       2.5  10 1


                                      11.6 / cm
         ค่า  2 ที่  1 ที่ E2 ( 10 Kv / cm)  Slope ของ E 2
                                         1.3
                               1 
                                       2 10 1


                                    6.5 / cm
        ขณะที่เกิดศักย์ดาไฟฟ้ า Spark (Sparking potential) เรามาทราบว่าระยะ Critical gap มีค่าเท่าใด
แต่จากการสังเกตุ เพื่อที่จะทาให้การหาค่าของ  สาหรับระยะ gap 5 mm ที่ 20 Kv/cm
        จากสมการที่ 3.51
                                   I o e x
                            I
                               1  (ex  1)
         หรื อ
                              I      I o ex
                                
                             I o 1  (ex  1)

                                                          I
         แทนค่า 1  11 .6 / cm, d  0.5cm และ                510 7
                                                          Io


                                               e 5.8
                            5  10 7 
                                         1   (e 5.8  1)
                                               330 .29
                                     
                                         1   (330 .29  1)


                                     3.0367 10 3 / cm ที่ E1  20 Kv / cm
ตรวจสอบค่านี้จากการสังเกตุเมื่อ
                                  E2  10 Kv / cm


                                   2  605 / cm


                                          0.5cm

                                    I
                                        210 5
                                    Io


                                               e 3.25
                            2  10 5 
                                         1   (e 3.25  1)

                                               25 .79
                                     
                                         1   (25 .79  1)


                                       4.03 10 2 / cm ที่      E2  10 Kv / cm


ตัวอย่ างที่ 5.2 หลอดเรื องรอง (Glow Discharge tube) ถูกออกแบบให้เบรกดาวน์เกิดขึ้นที่ค่าต่าสุดของ แรงดัน
Paschen จากรู ปที่ 5.2 ให้คานวนหาระยะ gap และแรงดันที่เหมาะสมที่จะใช้หลอดเรื องรอง
เมื่อในหลอดบรรจุดวย   ้
          ก) Hydrogen
          ข) Air
วิธีทา จากรู ปที่ 5.2
                      ค่าผลคูณของ pd ต่าสุดของ

                            ( Pd ) H 2  7.5torr  cm
                            ( Pd ) Air  4.5torr  cm
         แต่เนื่องจาก gap ที่ใช้สาหรับหลอดเรื่ องรองนั้นปกติจะมีค่าต่าประมาณ 3 mm
จะต้องเลือกแรงดันของก๊าซ ในหลอดดังนี้
                                  7.5
                  (p) ของ H 2         25torr
                                  0.3
                                   4.5
                  (P) ของ Air          15torr
                                   0.3

ตัวอย่ างที่ 5.3 ให้คานวนหาค่า Breakdown Strength ของอากาศ (Air) สาหรับช่องว่าง (Gap) ขนาด 1 mm และ 20
                                      ่
mm ภายใต้สนามไฟฟ้ าสม่าเสมอและอยูใน Standard atmosphere
วิธีทา จากสมการที่ 5.9
                                                                 1
                                                                      
                                      293 P            293 P  2 1 
                  E  V / d  24 .22           6.08  
                                      760 T 
                                                       760 T  d 
                                                                
                                                                     
ที่ Standard atmosphere คือที่ความดัน 1 บรรยากาศ 760 mmHg อุณหภูมิ 293 º k
                                           6.08
                  จะได้ E  24 .22             Kv / cm
                                             d
         สาหรับ gap 1 mm
                                   6.08
                  E  24 .22              1
                                                43 .45 Kv / cm
                                           2
                                  (0.1)
         และ gap 20 cm
                                   6.08
                  E  24 .22              1
                                                25 .58 Kv / cm
                                           2
                                  (20 )


ตัวอย่ างที่ 5.4 ในการทดลองเกี่ยวกับก๊าซอย่างหนึ่งที่มีระยะห่างระหว่าง Plane electode 0.4 cm ในกรณี ของ
steady state วัดกระแสได้ 5.5 108 A ที่ 8 Kv ถ้าหากเราให้ field มีค่าคงที่ แต่ทาการลดระยะ gap ลงเหลือ
0.1 cm จะทาให้กระแสลดลงเป็ น 5.5 109 A ให้คานวณหา
          ก) ค่าของ Townsend’s Primary ionization Coefficient
          ข) จานวน Electron ที่ถูกปล่อยออกจาก Cathode ต่อวินาที เมื่อกระแส I 1 มีค่าเท่ากับ
              3.8 108 A
วิธีทา
         ก) กระแสที่ Anode I หาได้จาก
                            I  I o  x
                  เมื่อ I o เป็ นกระแสเริ่ มต้น
                         x เป็ นระยะห่ างของ gap
                                       รู ปที่ 5.4 แสดงระยะ gap ระหว่าง plate
โจทย์กาหนดให้

                                      X 1  0.4cm, X 2 cm
                                      I1  5.5 10 8 A, I 2  5.5 10 9 A
                                      I1    ( X1  X 2 )
                                      1    0.3


                                                     0.32  ln 10
                                                      7.676 / cm

        ข) จาก I 1 I o ex 1

                 I o  I 1 / e x 1


                     3.8 108 / e 7.670.4


                      1.76 109 A

                 จาก I o  no e
                 จานวน electron ที่ปล่อยออกจาก Cathode ต่อวินาทีมีค่าเท่ากับ
                       no  I o / e


                             1.76 10 9 / 1.6 10 19


                             1.11010

5.2 การเบรกดาวน์ ในของเหลว (Breakdown in liquid)
          เนื่องจากจากฉนวนไฟฟ้ าที่เป็ นของเหลว เช่น น้ ามัน ปกติจะเป็ นสารประกอบของ Hydrocabon
และเป็ นสารที่ทาให้เกิด Polarized น้อยมาก จึงทาให้มีค่า Dielectric สูง
และคุณสมบัติของน้ ามันบริ สุทธิ์ที่ใช้เป็ นฉนวนนั้น การเบรกดาวน์น้ นไม่ข้ ึนกับสารที่นามาใช้ทาเป็ น electrode
                                                                    ั
มากนักแต่ถาฉนวนน้ ามันปนเปื้ อน ความชื้นหรื อ สาร Oxidized element แล้วจะทาให้ค่า Dielectric
            ้
ของฉนวนนั้นๆลดลง ตัวอย่างเช่น Insulating oil เมื่อมีน้ าปนเปื้ อนหรื อเจือปนในปริ มาณ 0.01 % จะทาให้
Dielectric ลดลงจากค่า Dielectric สูงสุดถึง 20 %
          กลไกที่ใช้เบรกดาวน์ของๆเหลวแบ่งได้เป็ นสองแบบคือ
          ก) การเบรกดาวน์แบบเดียวกับในการเบรกดาวน์ของก๊าซ
          ข) การเบรกดาวน์โดยอาศัยหลักการของสารไม่บริ สุทธิ์ (Impurities)
                เจือปนหรื อมีฟองอากาศเจือปนในของเหลว

5.2.1 ทฤษฎีการเบรกดาวน์ แบบเดียวกับการเบรกดาวน์ ในก๊ าซนั้น
                                                                                                    ั
     จะเกิดการ Ionization ของ Atom ภายใต้สนามไฟฟ้ าซึ่งทฤษฎีน้ ีใช้อธิบายปรากฏการณ์ที่เกิดในทางปฏิบติได้
แต่ไม่แพร่ หลาย ทฤษฏีน้ ีส่วนใหญ่จะใช้อธิบาย การเบรกดาวน์ของๆเหลวบริ สุทธิ์ (Breakdown in pure liquid)
-         การเบรกดาวน์ของของเหลวบริ สุทธิ์น้ ี สามารถอธิบายได้ดงนี้ กรณี ที่สนามไฟฟ้ าของ Electrode
                                                                ั
      ่
แช่อยูในของเหลวบริ สุทธิ์มีค่าความเข้มสนามไฟฟ้ าสูงมากกว่า 100 Kv/cm
กระแสที่ไหลผ่านฉนวนเหลวจะไม่สูงขึ้นอย่างรวดเร็ ว แต่จะเกิดเบรกดาวน์ เมื่อเพิ่มศักย์ดาไฟฟ้ าถึงจุด ๆ
หนึ่งในเวลาต่อมาดังรู ปที่ 5.5
           CONDUCTION CURRENT
           (ARBITRARY UNITS)




                                                                                  FIELD
                                                                                  AIDED




                                      SATURATION
                       IONIC
                                                                                 T2
                          T0                      T1


                   0         0.2          0.4           0.6              0.8

                                     ELECTRIC
                                     FIELD(MV/CM)
                 รู ปที่ 5.5 แสดงความสัมพันธ์ระหว่างกระแสและ Electric field ในฉนวนเหลว
         จากรู ปที่ 5.5 การ Breakdown ในฉนวนเหลวบริ สุทธิ์ จะมีกระแสไหลแบ่งได้เป็ น 3 ระยะคือ
                                                                         ่ ั
                    - ระยะ ionic ในระยะนี้กระแสมีค่าสูงขึ้น ซึ่งขึ้นอยูกบ Dissociation ของ Ion
                    - ระยะอิ่มตัว Saturation นั้นกระแสจะมีค่าคงที่
                         เนื่องจากเกิดการสมดุลกันระหว่างขบวนการ Ionization กับ Recombination ของประจุ
                    - ระยะสุดท้าย กระแสจะมีค่าสูงขึ้นอย่างมากมายจนกระทัง Breakdown
                                                                                ่
                         เนื่องจากประจุส่วนเกินถูกเร่ งให้เคลื่อนที่ในสนามไฟฟ้ าจนเกิด Ionization ไปในที่สุด

5.2.2 ทฤษฎีการเบรกดาวน์ โดยอาศัยหลักการของสารไม่ บริสุทธิ์ (impurities) เจือปน
     หรื อมีฟองอากาศเจือปนในของเหลว ทาให้เกิดการเบรกดาวน์ซ่ ึงทฤษฎีน้ ีไม่สามารถอธิบายการ Breakdown
     เนื่องจากของเหลวให้ชดเจนเลย แต่อย่างไรก็ตาม breakdown ในสารไม่บริ สุทธิ์น้ ี พอสรุ ปได้คือ เกิดจาก
                            ั
     Electron ,ฟองก๊าซ,จากหยดของเหลวอื่นจาก molecule
     ของๆแข็ง,ผลจากความชื้ น,อุณหภูมิ,ความดัน,การแปรเปลี่ยนศักดาไฟฟ้ า
                          ่
5.2.2.1 การเบรกดาวน์ เนืองจาก Electron
                                                                                      ่
           Schottky ได้ทาการทดลองโดยปล่อยศักย์ดาไฟฟ้ าเข้าระหว่าง Electrode ที่จุ่มอยูในของเหลว
แล้วเกิดกระแสไหล เนื่องจากขบวนการปล่อย Electron ออก
จากผลของสนามไฟฟ้ าและความดันซึ่งเขียนเห็นสมการได้ดงนี้ ั
                                       4.4 ME 
                             J  J t 
                                      
                                                A / cm 2
                                                                                              (5.11)
                                          T   
         และ
                   J t  AT 2 (  / KT ) A / cm 2
                   J  ความหนาแน่นของกระแส
                  M  ค่าคงที่สาหรับผิว Electrode แบบต่างๆกัน
                   E  สนามไฟฟ้ าที่ป้อน
                   J t  ความหนาแน่นของกระแสเนื่ องจากความดัน
                   A  ค่าคงที่
                  T  อุณหภูมิ
                    work function
                   KT  พลังงานความร้อน


                                     ่ ั
            จะเห็นว่ากระแสจะขึ้นอยูกบอุณหภูมิ ในสมการที่ 5.11 และ 5.12
                                  ่ั
แต่การเบรกดาวน์จึงไม่ได้ข้ ึนอยูกบอุณหภูมิ ดังนั้นการ Breakdown จึงเกิดจากขบวนการ Thermonic emission
คือ เมื่อเกิด electron ขึ้นโดยได้รับพลังงานจากสนามไฟฟ้ า เมื่อ electron มีพลังงานสูงพอ และไปชนกับ
molecule ของของเหลว จะเกิด ionization และเกิด avalanche และเกิด Breakdown ขึ้นในที่สุด

                        ่
5.2.2.2 การเบรกดาวน์ เนืองจากฟองก๊ าซ
                                                   ่ ้             ่
           ปกติแล้วฉนวนเหลวจะมีก๊าซชนิดอื่นปนอยูดวย แต่ไม่ได้อยูในรู ปของฟองก๊าซ
แต่เมื่อมีการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิทาให้เกิดฟองก๊าซขึ้นได้ในรู ปต่างๆคือ
     ก) เกิดขึ้นเนื่องจากการชนกันของ Electron กับ Molecule
     ข) เกิดจาก Corona Discharge ทาให้เกิดการระเหยของๆเหลว
     ค) เกิดจาก Space charge ผลักกันจนมากพอที่จะชนะแรงตึงของผิวน้ ามัน
     ง) ฟองก๊าซที่ผิวของ Electrode

                          ่
5.2.2.3 การเบรกดาวน์ เนืองจากของเหลวอืนๆ่
           เมื่อฉนวนเหลวถูกหยดของเหลวอื่นเจือปน
         ่
และอยูใต้สนามไฟฟ้ าจึงทาให้รูปร่ างของหยดของเหลวที่ถูกเจือปนเปลี่ยนไปจากรู ปทรงกลม
เป็ นรู ปทรงกลมยาวตามแนวของสนามไฟฟ้ า จนกระทังเกิดการเบรกดาวน์ ดังรู ปที่ 5.4
                                                ่




                         รู ปที่ 5.6 แสดงขบวนการ Breakdown ของหยดน้ ามันภายในฉนวน

                        ่
5.2.2.4 การเบรกดาวน์ เนืองจากอนุภาคของๆแข็ง
        ฉนวนเหลวไม่บริ สุทธิ์อาจมีอนุภาคของของแข็งเล็กๆกระจายอยูเ่ มื่อใส่สนามไฟฟ้ าแบบสม่าเสมอเข้าไ
ป จะทาให้เกิดแรงกระทาต่ออนุภาคดังนี้
                                               K  K0 
                                   F   3 Ko  1         EgradE                             (5.13)
                                               K  2K o 
                 เมื่อ  เป็ นรัศมีของทรงกลม
                       K Permittivity ของของเหลว
                                                         ่
                      K o Permittivity ของอนุภาค เมื่ออยูในฉนวนเหลว
                ถ้า K  K o จะเกิดแรงขึ้นมีทิศทางไปยังบริ เวณที่มีสนามไฟฟ้ าสูง
                       K  K o จะเกิดทิศทางตรงข้ามกันกับ K  K o
                 รู ปที่ 5.7 แสดงการเรี ยงตัวของอนุภาคของแข็งในน้ ามันก่อนป้ อน HV และหลังป้ อน HV

          เมื่อป้ อนศักย์ดาไฟฟ้ าเข้า ถ้าอนุภาคมี Permittivity
สูงกว่าของน้ ามันทาให้เกิดความเข้มของฟลักที่ผิวของอนุภาค
                                              ๊
จึงดึงอนุภาคอื่นๆเข้าไปยังบริ เวณที่มีฟลักสูงเกิดเป็ น ลูกโซ่เรี ยงกันระหว่างผิวของ Electrode
                                          ๊
เมื่อสนามไฟฟ้ าที่ผิวหน้าของอนุภาคมีค่ามากกว่าอนุภาคของแข็งจึงเกิดการ Breakdown ขึ้น

                               ่                                                       ้            ั
ตัวอย่ างที่ 5.5 จากการทดสอบเพือที่จะหาค่า Breakdown Strength ของน้ ามันหม้อแปลงซึ่งมีขอมูลต่างๆได้ดงนี้
          ระยะ Gap(mm)                        4      6         10       12
          แรงดัน Breakdown (Kv)               90     140       210      255
         ให้คานวณหาค่าคงที่และ Slope ของสมการ แรงดัน Breakdown กับระยะ gap จากสมการ V= Kdn

         เมื่อ V เป็ นแรงดัน Breakdown

               K ค่าคงที่

               n เป็ น Slope

               d เป็ นระยะ Gap

วิธีทา

         จาก                                     V  Kd n

                                        log V  log K  n log d

                                        log V  log K  n log d

                                             log V  log K
                                        n
                                                 log d

                                         Slope ของเส้นตรง
         500

         250
         200




         100




           50


        24.5




                                 1          2      3      4   5 6 7 8 9 10        14         20

            รู ปที่ 5.8 แสดงความสัมพันธ์ของระยะ Gap กับแรงดัน Breakdown ของน้ ามันหม้อแปลง

         จากรู ป 5.8 ได้ค่า
                              K  24.5
                              V  24.5d 0.947

         เมื่อ
                              V หน่วยเป็ น Kv
                              d หน่วยเป็ น mm
Check ที่ ระยะ gap เท่ากับ 4 mm ได้
                              V  24 .5(4) 0.947  91Kv




5.3 การเบรกดาวน์ ในของแข็ง (Breakdown in Solid)
                                  ั
    การเบรกดาวน์ในของแข็งนั้นมีลกษณะแตกต่างจากของเหลวและก๊าซคือของแข็ง เมื่อเกิดการ Breakdown
จะแตกสลายทันที ไม่สามารถนากลับมาใช้งานได้อีก แต่ของเหลวหรื อก๊าซ เมื่อ
เบรคดาวน์แล้วสามารถนากลับมาใช้ได้อีกเมื่อผ่านกระบวนการทาให้บริ สุทธิ์ ดังนั้นฉนวนแข็ง เช่นลูกถ้วย
                       ั
จะต้องมีคุณสมบัติที่ดีดงนี้
                  - มีค่าสูญเสี ยใน dielectric ต่า (Low dielectric loss)
              - ไม่มีรูพรุ นหรื อความชื้น (Gaseous Cavity and moisture)
              - ทนต่อแรงดึงทางกลได้สูง (High mechanical strength)
              - ไม่แตกร้าว
              - ทนทานต่ออุณหภูมิ (Thermal Resistance)
              - ทนต่อการเปลี่ยนแปลงแรงดันของระบบ
              - ทนต่อสารเคมี (Chemical deterioration)
       การเบรกดาวน์ของของแข็งมีขบวนการกลไกการเบรกดาวน์อยู่ 8 ลักษณะคือ
              ก. ขบวนการเบรกดาวน์ เนื่องจากเนื้อสาร (Intrinsic breakdown)
              ข. ขบวนการเบรกดาวน์ เนื่องจากแรงทางกล (Electromechanical Breakdown)
              ค. ขบวนการเบรกดาวน์ แบบ Streamer (Streamer Breakdown)
              ง. ขบวนการเบรกดาวน์ เนื่องจากความร้อน (Thermal breakdown)
              จ. ขบวนการเบรกดาวน์ เนื่องจาก Tracking (Tracking breakdown)
              ฉ. ขบวนการเบรกดาวน์ เนื่องจากปฎิกริ ยาเคมี(Chemical breakdown)
              ช. ขบวนการเบรกดาวน์ เนื่องจากเคมีไฟฟ้ า(Electrochemical breakdown)
              ซ. ขบวนการเบรกดาวน์ เนื่องจากโพรงภายใน (Cavity breakdown)
                 ั                           ั
กลไกการเบรกดาวน์ลกษณะต่างๆสามารถแสดงได้ดงรู ปที่ 5.6

        BREAKDOWN STRENGTH


                        INTRINSIC,ELECTRO-MECHANICAL



                                   STREAMER



                                                   THERMAL

                                                                   EROSION AND ELECTRO
                                                                   CHEMICAL




                                           LOG
                                           TIME
รู ปที่ 5.9 แสดงลักษณะการ Breakdown แบบต่างๆ ของฉนวนแข็งซึ่ง Plot ระหว่างศักย์ดาไฟฟ้ า Breakdown
กับเวลา

5.3.1                                ้
        ขบวนการเบรกดาวน์ เนื่องจากเนือสาร (Intrinsic breakdown)
     การเบรกดาวน์แบบนี้เมื่อดูจากกราฟรู ปที่ 5.6 จะเห็นว่าจะต้องใช้สนามไฟฟ้ าสูงมาก
วัสดุใดที่มีเนื้อสารที่มีคุณสมบัติเป็ นเนื้อเดียวกันและทนต่อแรงทางกลได้มากกว่า 100 Kg/cm
                                  ่ ั                              ่
มีความนาไฟฟ้ าต่าและไม่ข้ ึนอยูกบอุณหภูมิที่ใช้ทดลอง และเมื่ออยูภายใต้สนามไฟฟ้ าสูงๆ
                           ่ ั                             ่
การเบรกดาวน์ไม่ข้ ึนอยูกบเวลาเราเรี ยกการเบรกดาวน์น้ ีวา เป็ นการเบรกดาวน์แบบ Intrinsic
จากการทดลองฉนวนของแข็งที่ใช้ ในด้านอุตสาหกรรมจะมีค่า intrinsic Breakdown สูงสุดประมาณ 0.2 Mv/cm

5.3.2 ขบวนการเบรกดาวน์ แบบทางกล(Electromechanical Breakdown)
     การเบรกดาวน์แบบนี้เกิดขึ้น เมื่อแรงกดที่เกิดจากไฟฟ้ าสถิตบนฉนวนแข็งมีค่ามากกว่าแรงกดทางกล
     แรงกดที่กระทาบนฉนวนแข็งเกิดจากแรงดึงระหว่างผิวเมื่อป้ อนไฟฟ้ าเข้าไป
                                                                                ่ ั
ถ้าเราไม่คิดถึงความไม่เสถียรภาพที่เกิดจาก Stress และ Young’s modulus ที่ข้ ึนอยูกบเวลาจะได้ค่าเบรกดาวน์
ดังสมการที่ 5.14
                                                          V
                                            Bb , m ax                                               (5.14)
                                                          do
                  และ
                            V  0.6 y


                            d  KK o
                  เมื่อ
                            d  ความหนาแน่นของฉนวน เมื่อถูกแรงกดเนื่องจากไฟฟ้ าสถิตย์
                            d o  ความหนาแน่นของฉนวนก่อนป้ อนแรงดันไฟฟ้ า
                            y  yong ‘s modulus ของฉนวน
                            K  Permittivity สัมพันธ์
                            K o  Dielectric Constant 8.84 1014 F / m
                         รู ปที่ 5.10 แสดงขบวนการเบรกดาวน์เนื่องจากเนื้อสาร

5.3.3 ขบวนการเบรคดาวน์ แบบ Streamer
         การเบรคดาวน์แบบ Streamer จะเกิดกับ electrode
                                                                                             ่
และฉนวนที่เป็ นของแข็งภายใต้สนามไฟฟ้ าสม่าเสมอ สาหรับการยึด Electrode กับฉนวนของแข็งมีอยูสองวิธีคือ
                 ก. ยึด electrode โดยฝังลงในชนวนแข็งดังรู ปที่ 5.11 ฉนวนแข็งที่ใช้อาจจะเป็ น

                                                                Electrode




                                                                        ฉนวนแข็งเช่น
                                                                        แก้ว หรื อ Proclain




                                     รู ปที่ 5.11แสดงการเดิด Streamer ในฉนวนแข็ง
        Proclain หรื อแก้ว หรื อวัสดุอื่น การ Breakdown อาจจะเกิดขึ้นได้หลังจากเกิด avalanche เมื่อ Electron
                                            ่
จาก Cathode ไปยัง Anode การเบรกดาวน์ผานฉนวนแข็งนี้มีทิศทางการ discharge ได้หลายทางเช่นเดียวกับก๊าซ
                  ข. การวาง Electrode บนฉนวนของแข็งดังรู ปที่ 5.11 การเบรกดาวน์เกิดขึ้นได้


                                                  dA
                         Ambient


                                                            X
                 ε1           d1

                 ε2           d2                                                                  Solid




                                                       กข
                                        รู ปที่ 5.12 แสดงการวาง Electrode บนฉนวนของแข็ง

สองกรณี คือ
                         ่
        ก. เกิดเบรกดาวน์ผานอากาศผ่านจุด ก. ก่อนเนื่องจาก Permittivity ของอากาศมีค่าต่ากว่าของแข็ง
                           ่
        ข. เกิดเบรกดาวน์ผานฉนวนแข็งที่จุด ข. โดยตรง

5.3.4    ขบวนการเบรกดาวน์ เนื่องจากความร้ อน (Thermal Breakdown)
                                    ั
         เมื่อป้ อนศักย์ดาไฟฟ้ าให้กบฉนวนแข็ง ถ้าเป็ นศักย์ดาไฟฟ้ าแบบกระแสสลับจะเกิด Dielectric Loss
                                                 ั
มากกว่าแบบกระแสตรง เมื่อป้ อนศักย์ดาไฟฟ้ าให้กบฉนวนแข็งทาให้เกิดการนากระแสในฉนวนได้
ทาให้อุณหภูมิของฉนวนมีค่าสูงขึ้น ถ้าหากอัตราความร้อนที่เกิดขึ้นมีค่ามากกว่าอัตราความร้อนที่ถูกพาออกไป
จะทาให้ฉนวนมีอุณหภูมิสูงขึ้นจนมีอุณหภูมิสะสมจนเกิด Breakdown ได้ ซึ่งเราเรี ยกว่า Thermal Breakdown
ค่าพลังงานความร้อนที่ทาให้อุณหภูมิสูงมีค่าดังสมการที่ 5.15
                                    dT
                               Cv       div(Tc T )  E 2                                          (5.15)
                                    dt
         เมื่อ
                      C v Specific heat/volume
                      Tc Thermal Conductivity
                       Electrical Conductivity
                      E Electric field
                  T อุณหภูมิของฉนวน
                                                                                                dT
         กรณี ที่ความร้อนเกิดขึ้นภายใน = ความร้อนที่ถูกพาออกไปจาก Dielectric ฉนวนนั้นคือ Cv        0
                                                                                                dt
        ั
  จะได้ศกย์ดาไฟฟ้ าเบรกดาวน์ต่าสุด ดังสมการ
                                     dv(Tc T )  E 2                                            (5.16)

         กรณี ที่ความร้อนภายในทั้งหมดไปทาให้อุณหภูมิของ Dielectric สูงขึ้น เช่น
  กรณี แปรเปลี่ยนสนามไฟฟ้ าให้สูงขึ้นจากรวดเร็ วมาก (กรณี impulse)
  จนความร้อนไม่สามารถพาออกไปข้างนอกได้ นันคือ div(Tc gradT )  0) จะได้ค่าเบรกดาวน์ดงสมการที่
                                                ่                                   ั
  5.17
                                          dT
                                     Cv       E 2                                               (5.17)
                                          dt
5.3.5    ขบวนการเบรกดาวน์ เนื่องจาก Tracking
         Tracking คือ การสร้างทางเดินบนผิวฉนวนให้เป็ นตัวนาอย่างถาวร (Permanent Conducting path )
การเกิด Tracking นั้นเกิดจากการที่ฉนวนเสื่ อมคุณสมบัติลง ในการเกิด Tracking จะมีปรากฏการณ์เกิดขึ้นดังนี้
                  ก.          เกิด Conducting film บนผิวของฉนวนทาให้เกิดกระแส Leakage ไหลผ่านได้
                              และในที่สุดกระแสรั่วจะหยุด และเกิดการ Spark
                  ข.          ทาให้ฉนวนเกิดการเสื่ อมคุณสมบัติ degradation จากผลของการ Spark
                                                                                        ้
                              Conducting film นี้เกิดจากความชื้นของบรรยากาศถูกดูดไว้ดวยสารที่
                              เกาะยึดบนผิวของฉนวน เช่น ฝุ่ นเกลือ ผงถ่าน หยดน้ า เป็ นต้น
                              ดังนั้นวิธีป้องกันการเกิด Tracking จะต้องทาให้ฉนวนสะอาด ไม่เกิดความชื้น
5.3.6 ขบวนการเบรกดาวน์ เนื่องจากโพรงภายในฉนวนแข็ง (Cavitation Breakdown)
         ฉนวนไฟฟ้ าที่มีในการผลิตฉนวนแข็ง เช่น Insulator ลูกถ้วยนั้นจะต้องไม่ให้เกิดโพรงอากาศภายใน
เนื่องจากอากาศภายในมีค่า Dielectric ต่ากว่า การเบรกดาวน์จึงเกิดขึ้นได้ง่าย
ขณะเกิดเบรกดาวน์จะทาให้ฉนวนแข็ง บริ เวณรอบโพรงอากาศเสียสภาพการเป็ นฉนวน
ทาให้เกิดฟองอากาศเพิ่มขึ้นและเกิด Punching ในที่สุด




                                                                             V1
                    t          C1                                     C1

                                                 d                                         C3
                               C2         C3                          C2




                             (ก)                                            (ข)
                                     รู ปที่ 5.13 ก) แสดงโพรงอากาศภายในฉนวนแข็ง
                                                  ข) วงจรเทียบเคียงวงจรรู ป ก.

                                                     vd1
                                         V1                                                   (5.18)
                                                      
                                                d1   o  d 2
                                                      
                                                      1

          ถ้า d1  d 2 และโพรงถูกเติมด้วยก๊าซจะได้

                                                   d 
                                         V1  v r  1 
                                                   d                                        (5.19)
                                                    2




                             รู ปที่ 5.14 แสดงศักย์ดาไฟฟ้ าและกระแสที่เกิดขึ้นภายในฉนวนแข็ง
                                 ก) ศักย์ดาไฟฟ้ าคร่ อมโพรงอากาศในฉนวน
                                 ข) กระแส Discharge เนื่องจากการเบรกดาวน์ในโพรงอากาศ
                                                 ่
                                 ค) กระแสที่ผานรวมทั้งหมด

ตัวอย่ างที่ 5.6
          Specimen ซึ่งเป็ นของแข็ง มีค่า Dielectric Constant ดังรู ปที่ 5.14




                                                                 C2

        D=10mm                                                                       Va =80KV(rms)
                                                                                C3

            1mm                                                  C1
                                                                      V1




                         รู ปที่ 5.15 แสดงขนาดของโพรงอากาศและขนาดของ Specimen
          รู ปที่ 5.14 มีโพรงอากาศหนา 1 mm แต่ Specimen มีความหนา 1 cm ถ้าเราใส่แรงดันระหว่าง Specimen
                                                      ่
ที่มีขนาด 80Kv(rms) และสมมติให้โพรงอากาศมีอากาศอยูภายใน โดยกาหนดให้อากาศภายในโพรงมีค่า
Breakdown Strength 30 Kv peak/cm ให้คานวณหาแรงดันที่ทาให้การ Discharge เกิดขึ้นภายใน
วิธีทา
                                                      Vd1
               จาก                       V1 
                                                        
                                                ( d1   o  d 2 )
                                                        1 
                     เมื่อ
                             d1  1mm
                             d 2  9mm
                              o  8.89 10 12 F / m
                              1   r  o  4.0 o

                                                  V 1       4V
                                         V1               
                                                (1  9 / 4) 13
        ค่าแรงดันที่โพรงอากาศหนา 1 mm มีแรงดัน Breakdown 3 (Kv/mm)X1mm
                                      3Kv

                                             13V1
                                     V
                                               4

                                             13  3 39
                                                      9.75Kv( peak )
                                               4     4
                 ค่า Internal Discharge จะปรากฏขึ้นเมื่อใส่แรงดัน Sinusoidal 80sin tKv จนมีค่าถึง 9.75
        Kv




…………………………………………………………………………………………………………………

								
To top