การตรวจหาตำแหน่ง Partial Discharge ในสายเคเบิลแรงดันสูง ด้วยวิธี Time-of-Flight

สายเคเบิลใต้ดินแรงดันสูง (High Voltage Underground Cable) เป็นส่วนสำคัญของระบบจ่ายพลังงานไฟฟ้า หากเกิดความเสื่อมสภาพของฉนวนหรือมีการคายประจุบางส่วน (Partial Discharge: PD) อาจนำไปสู่ความเสียหายของสายเคเบิล จุดต่อสาย หรือ Cable Terminator ซึ่งส่งผลกระทบต่อความต่อเนื่องในการจ่ายไฟและกระบวนการผลิตได้

การตรวจสอบ Partial Discharge จึงเป็นอีกหนึ่งวิธีสำคัญในการประเมินสภาพฉนวนของสายเคเบิล โดยนอกจากการตรวจจับสัญญาณความผิดปกติแล้ว การระบุตำแหน่งที่เกิด PD ยังช่วยให้สามารถวางแผนตรวจสอบและบำรุงรักษาได้อย่างตรงจุดมากขึ้น

1. หลักการตรวจหาตำแหน่ง Partial Discharge

Partial Discharge คือการคายประจุไฟฟ้าบางส่วนที่เกิดขึ้นภายในหรือบริเวณฉนวนของระบบไฟฟ้า ซึ่งอาจเป็นสัญญาณบ่งชี้ถึงความเสื่อมสภาพของฉนวนที่กำลังเกิดขึ้น

การตรวจจับสัญญาณ PD สามารถใช้ High Frequency Current Transformer (HFCT) เพื่อตรวจวัดสัญญาณพัลส์แม่เหล็กไฟฟ้าที่เกิดจากการคายประจุได้ อย่างไรก็ตาม การตรวจจับสัญญาณเพียงอย่างเดียวไม่ได้ระบุตำแหน่งที่เกิดความผิดปกติภายในสายเคเบิลโดยตรง

การทดสอบด้วยระบบ OWTS (Oscillating Wave Test System) จึงถูกนำมาใช้เพื่อวิเคราะห์ตำแหน่งของแหล่งกำเนิด PD โดยอาศัยหลักการวัดความแตกต่างของเวลาการเดินทางของพัลส์ หรือ Time-of-Flight

ภาพระบบ Oscillating Wave Test System สำหรับตรวจหาตำแหน่ง Partial Discharge

2. การทำงานของระบบทดสอบ TV35 DAC

ระบบ TV35 DAC ใช้สร้างแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับแบบลดทอน (Damped AC) เพื่อกระตุ้นให้เกิดสัญญาณ Partial Discharge และตรวจวัดสัญญาณที่แพร่กระจายภายในสายเคเบิล

ระบบประกอบด้วยชุดสร้างแรงดันไฟฟ้า ชุดเหนี่ยวนำสั่น (Reactor) สวิตช์แรงดันสูง ชุดคัปเปลอร์สำหรับตรวจวัด PD ระบบกรองสัญญาณ และคอมพิวเตอร์ควบคุม

เมื่อระบบจ่ายแรงดันและหยุดการจ่ายไฟ สวิตช์แรงดันสูงจะทำให้ประจุไฟฟ้าในสายเคเบิลคายประจุผ่าน Reactor เกิดเป็นแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับแบบ Damped ซึ่งอาจกระตุ้นให้เกิด Partial Discharge ในตำแหน่งที่มีความผิดปกติ

ภาพแผนผังการต่อวงจรและองค์ประกอบของระบบ TV35 DAC

3. การวิเคราะห์ตำแหน่ง PD ด้วยวิธี Time-of-Flight

เมื่อเกิด Partial Discharge ภายในสายเคเบิล พลังงานจากการคายประจุจะสร้างพัลส์ที่เดินทางไปยังปลายสายทั้งสองทิศทาง โดยสามารถแบ่งสัญญาณที่ตรวจวัดได้เป็น 2 ชุด ได้แก่

Incident Wave: พัลส์ที่เดินทางจากจุดกำเนิด PD มายังเครื่องวัดโดยตรง
Reflected Wave: พัลส์ที่เดินทางไปยังปลายสายอีกด้านหนึ่ง เกิดการสะท้อนกลับและเดินทางมายังเครื่องวัด

ผลต่างเวลาระหว่างพัลส์ทั้งสองสามารถนำมาใช้คำนวณระยะทางจากเครื่องวัดถึงตำแหน่งที่เกิด PD ได้ โดยใช้สมการ

x = ℓ − (Δt × v) / 2

โดยที่

x = ระยะจากปลายสายที่ต่อเครื่องวัดถึงตำแหน่ง PD (เมตร)
ℓ = ความยาวสายเคเบิลทั้งหมด (เมตร)
v = ความเร็วการแพร่กระจายของพัลส์ในสาย (เมตร/ไมโครวินาที)
Δt = ผลต่างเวลาระหว่าง Reflected Wave และ Incident Wave (ไมโครวินาที)

เส้นทางของพัลส์ตรงและพัลส์สะท้อนที่ใช้คานวณตาแหน่ง PD

4. การวัดความยาวสายเคเบิลด้วย TDR

การคำนวณตำแหน่ง PD จำเป็นต้องทราบความยาวสายเคเบิลและความเร็วการแพร่กระจายของพัลส์อย่างถูกต้อง จึงใช้เครื่องมือ Time Domain Reflectometer (TDR) ในการวัดความยาวสายจากเวลาที่พัลส์เดินทางไปยังปลายสายและสะท้อนกลับมายังเครื่องวัด

จากผลการทดสอบ กำหนดความเร็วพัลส์เท่ากับ 172 เมตรต่อไมโครวินาที และอ่านเวลาการสะท้อนกลับได้ 3.20 ไมโครวินาที สามารถคำนวณความยาวสายได้ดังนี้

ℓ = (v × t) / 2

ℓ = (172 × 3.20) / 2 = 275.20 เมตร

ดังนั้น สายเคเบิลที่ใช้ในการทดสอบมีความยาวประมาณ 275 เมตร ซึ่งเป็นค่าที่นำไปใช้ในการคำนวณตำแหน่ง PD ในขั้นตอนต่อไป

ผลการวัด TDR ที่แสดงความยาวสายประมาณ **275.2 เมตร**

5. กรณีศึกษาการทดสอบหาตำแหน่ง Partial Discharge

จากการทดสอบด้วยระบบ TV35 DAC และ OWTS บนสายเคเบิลความยาวประมาณ 275 เมตร มีการจำลองตำแหน่ง PD จำนวน 2 กรณี เพื่อศึกษาความสัมพันธ์ระหว่างผลต่างเวลาของพัลส์กับระยะทางที่เกิดความผิดปกติ

กรณีที่ 1 การทดสอบจากปลายสายด้านแรก

กำหนดตำแหน่งจำลอง PD ไว้ที่ระยะประมาณ 200 เมตรจากต้นสาย และติดตั้งเครื่องวัดไว้ที่ปลายสายด้านเดียวกัน จากผลการอ่านสัญญาณพบว่า

Incident Wave (t₁) = 1.03 μs
Reflected Wave (t₂) = 1.78 μs
ผลต่างเวลา (Δt) = 0.75 μs

เมื่อนำค่าที่ได้เข้าสู่สมการ Time-of-Flight จะสามารถคำนวณระยะทางจากเครื่องวัดถึงตำแหน่ง PD ได้ประมาณ 210.5 เมตร

การแสดงผลการวัดของเครื่อง OWTS เพื่อหา PD LOCATION AT 200 METER

กรณีที่ 2 การทดสอบจากปลายสายด้านตรงข้าม

ในการทดสอบครั้งที่ 2 ได้เปลี่ยนตำแหน่งติดตั้งเครื่องวัดไปยังปลายสายอีกด้านหนึ่ง โดยกำหนดจุดจำลอง PD ให้อยู่ห่างจากเครื่องวัดประมาณ 70 เมตร

จากผลการอ่านสัญญาณพบว่า ผลต่างเวลาระหว่างพัลส์เท่ากับ 2.31 μs เมื่อนำมาคำนวณด้วยความยาวสาย 275 เมตร และความเร็วพัลส์ 172 เมตรต่อไมโครวินาที พบว่าระยะทางจากเครื่องวัดถึงตำแหน่ง PD อยู่ที่ประมาณ 76 เมตร

ผลการทดสอบจากปลายด้านที่สองและผลต่างเวลาโดยประมาณ 3.34-1.03 = 2.31 μs

6. ข้อควรพิจารณาในการวิเคราะห์ผล

การระบุตำแหน่ง Partial Discharge ให้มีความแม่นยำ จำเป็นต้องพิจารณาปัจจัยที่อาจส่งผลต่อผลการวัด ได้แก่ ความเร็วการแพร่กระจายของพัลส์ ซึ่งขึ้นอยู่กับชนิดสาย โครงสร้างฉนวน อุณหภูมิ และค่าที่กำหนดในเครื่องมือทดสอบ

นอกจากนี้ จุดต่อสายและปลายสายอาจทำให้เกิดสัญญาณสะท้อนที่มีลักษณะคล้ายสัญญาณ PD จึงควรเปรียบเทียบผลกับข้อมูล TDR และโครงสร้างของสายเคเบิล รวมถึงตรวจสอบสัญญาณหลายครั้งเพื่อเพิ่มความน่าเชื่อถือ

การทดสอบจากปลายสายทั้งสองด้านและการตรวจสอบยืนยันด้วย HFCT ยังเป็นขั้นตอนสำคัญที่ช่วยให้การระบุตำแหน่งความผิดปกติมีความน่าเชื่อถือมากขึ้น

บทสรุป

การตรวจหาตำแหน่ง Partial Discharge ด้วยวิธี Time-of-Flight เป็นแนวทางที่ช่วยให้สามารถวิเคราะห์ตำแหน่งความผิดปกติภายในสายเคเบิลแรงดันสูงได้ โดยอาศัยผลต่างเวลาระหว่าง Incident Wave และ Reflected Wave ร่วมกับข้อมูลความยาวสายและความเร็วการแพร่กระจายของพัลส์

จากกรณีศึกษาการทดสอบด้วยระบบ TV35 DAC และ OWTS แสดงให้เห็นว่าหลักการดังกล่าวสามารถนำมาใช้คำนวณตำแหน่ง PD จากสัญญาณที่ตรวจวัดได้ ซึ่งเป็นประโยชน์ต่อการตรวจสอบสภาพสายเคเบิลและการวางแผนบำรุงรักษาระบบไฟฟ้าอย่างมีประสิทธิภาพ

อ่านเอกสารเพิ่มเติมได้ที่นี่

https://drive.google.com/file/d/1Iy7kmYRMhUzp0rwqCeVC4y8adJHvqOH_/view?usp=sharing

กลับหน้าหลัก