คู่มือสายเคเบิลหุ้มฉนวนแกนอลูมิเนียมอัลลอยด์

เหตุใดแกนอะลูมิเนียมอัลลอยด์จึงมีประสิทธิภาพเหนือกว่าอลูมิเนียมธรรมดาในแนวเหนือศีรษะ

การเลือกใช้วัสดุตัวนำถือเป็นการตัดสินใจที่เป็นผลสืบเนื่องมากที่สุดประการหนึ่งในวิศวกรรมสายเคเบิลหุ้มฉนวนเหนือศีรษะ อลูมิเนียมธรรมดา (เกรด EC หรือซีรีส์ 1350) มีการใช้กันอย่างแพร่หลายมานานหลายทศวรรษ เนื่องจากมีต้นทุนต่ำและมีค่าการนำไฟฟ้าที่เพียงพอ แต่มีจุดอ่อนที่ทราบกันดี นั่นคือ ความต้านทานแรงดึงที่จำกัด ภายใต้ภาระทางกลที่ยั่งยืน — การทอดข้าม ลม และน้ำแข็ง — ตัวนำอะลูมิเนียมธรรมดาจะเสียรูปอย่างถาวร ทำให้เกิดการลดลงอย่างต่อเนื่อง ซึ่งในที่สุดจะละเมิดขีดจำกัดระยะห่างจากพื้นดิน และทำให้เกิดการบำรุงรักษาฉุกเฉินที่มีค่าใช้จ่ายสูง

แกนอลูมิเนียมอัลลอยด์ ตัวนำที่ผลิตจากส่วนประกอบโลหะผสมซีรีส์ 6000 หรือ 8000 จะช่วยแก้ไขข้อบกพร่องนี้โดยไม่สูญเสียข้อได้เปรียบด้านน้ำหนักซึ่งทำให้อลูมิเนียมเป็นที่นิยมมากกว่าทองแดงในการใช้งานเหนือศีรษะ การเติมแมกนีเซียม ซิลิคอน เหล็ก และธาตุที่มีการควบคุมอื่นๆ จะช่วยเพิ่มความต้านทานแรงดึงได้ 30–50% เหนืออะลูมิเนียมบริสุทธิ์ ในขณะที่ยังคงรักษาค่าการนำไฟฟ้าไว้ได้ประมาณ 88–92% ซึ่งหมายความว่าตัวนำแกนอะลูมิเนียมอัลลอยด์สามารถพันได้ที่ช่วงเสาที่กว้างขึ้น รับโหลดกระแสไฟฟ้าที่เท่ากัน และรักษาระยะห่างที่ออกแบบไว้ตลอดอายุการใช้งานโดยวัดเป็นทศวรรษแทนที่จะเป็นปี

การต้านทานการคืบคลานเป็นอีกหนึ่งความแตกต่างที่สำคัญ คืบหมายถึงการยืดตัวของตัวนำโลหะที่ช้าและไม่สามารถกลับคืนสภาพเดิมได้ภายใต้ความเค้นดึงคงที่ มันเกิดขึ้นแม้ที่อุณหภูมิแวดล้อมต่ำกว่าจุดครากของวัสดุและสะสมอย่างต่อเนื่องตลอดอายุการใช้งานของสายเคเบิล วิศวกรรมโลหะผสมช่วยลดอัตราการคืบคลานนี้ลงได้อย่างมาก ตัวอย่างเช่น อะลูมิเนียมอัลลอยด์ซีรีส์ 8000 มีพฤติกรรมการคืบใกล้เคียงกับทองแดงมากกว่าอะลูมิเนียมบริสุทธิ์ ทำให้เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการติดตั้งสายไฟฟ้าเหนือศีรษะแบบถาวร ซึ่งการยุบตัวในช่วงกลางชีวิตจะทำไม่ได้หรือมีราคาแพงมาก

ระบบฉนวนที่ใช้ในสายเคเบิลหุ้มฉนวนเหนือศีรษะ

ฉนวนที่ใช้กับตัวนำแกนอะลูมิเนียมอัลลอยด์จะกำหนดระดับแรงดันไฟฟ้าของสายเคเบิล ความทนทานต่อสิ่งแวดล้อม และช่วงอุณหภูมิการทำงานที่ปลอดภัย สายเคเบิลหุ้มฉนวนเหนือศีรษะสมัยใหม่ใช้เทคโนโลยีฉนวนหลักสองเทคโนโลยี ซึ่งแต่ละเทคโนโลยีเหมาะกับระดับแรงดันไฟฟ้าและเงื่อนไขการใช้งานเฉพาะ

โพลีเอทิลีนแบบครอสลิงค์ (เอ็กซ์แอลพีอี)

เอ็กซ์แอลพีอี เป็นฉนวนมาตรฐานสำหรับสายเคเบิลฉนวนเหนือศีรษะแรงดันปานกลาง (โดยทั่วไปคือ 10 kV ถึง 35 kV) และมีการใช้มากขึ้นที่แรงดันไฟฟ้าต่ำเช่นกัน กระบวนการเชื่อมโยงข้ามแปลงโซ่โพลีเอทิลีนเชิงเส้นให้เป็นเครือข่ายเทอร์โมเซ็ตสามมิติ ทำให้เกิดฉนวนที่ทนทานต่ออุณหภูมิการทำงานต่อเนื่องที่ 90°C จุดสูงสุดของการลัดวงจรที่ 250°C และการสัมผัสความชื้นเป็นเวลานานโดยไม่บวมหรือสลาย XLPE ยังแสดงความเป็นฉนวนที่ดีเยี่ยม — โดยทั่วไปจะเกิน 20 kV/mm — ทำให้เชื่อถือได้ตลอดช่วงแรงดันไฟฟ้าปานกลางเต็มรูปแบบ

โพลีเอทิลีน (PE) และสารประกอบที่มีความเสถียรต่อรังสี UV

ที่แรงดันไฟฟ้าต่ำ (0.6/1 kV) โพลีเอทิลีนความหนาแน่นสูงหรือสารประกอบ PE สีดำที่มีความเสถียรต่อรังสี UV ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายเพื่อความสมดุลของต้นทุน ความยืดหยุ่น และความต้านทานต่อสภาพอากาศ สำหรับสายไฟเหนือศีรษะโดยเฉพาะ การทำให้รังสี UV เสถียรไม่ใช่ทางเลือก แต่เป็นข้อกำหนดด้านโครงสร้าง ฉนวนที่ไม่เสถียรซึ่งสัมผัสกับแสงแดดโดยตรงจะเริ่มเกิดรอยชอล์กที่พื้นผิวและรอยแตกขนาดเล็กภายในสองถึงสามปี ซึ่งเป็นโหมดความล้มเหลวที่ดำเนินไปด้านในจนกระทั่งความต้านทานของฉนวนลดลงถึงระดับที่ไม่ปลอดภัย การโหลดคาร์บอนแบล็กที่ 2–3% โดยน้ำหนักให้การคัดกรอง UV ที่มีประสิทธิภาพด้วยต้นทุนที่ต่ำ และเป็นมาตรฐานอุตสาหกรรมสำหรับเกรดสายเคเบิลหุ้มฉนวนเหนือศีรษะกลางแจ้งทั้งหมด

อัตราแรงดันไฟฟ้าและสถานการณ์การใช้งานโดยทั่วไป

สายเคเบิลหุ้มฉนวนเหนือศีรษะพร้อมตัวนำแกนอะลูมิเนียมอัลลอยด์ผลิตขึ้นในช่วงแรงดันไฟฟ้าที่กว้าง ตารางด้านล่างสรุปหมวดหมู่หลัก พิกัดแรงดันไฟฟ้า ประเภทของฉนวน และบริบทการใช้งานทั่วไป:

ที่ระดับแรงดันไฟฟ้าต่ำ การกำหนดค่าสายเคเบิลทางอากาศ (ABC) ที่แถมมาจะจัดกลุ่มเฟสและตัวนำที่เป็นกลาง — ทั้งหมดที่มีแกนอะลูมิเนียมอัลลอยด์ — ให้เป็นชิ้นส่วนประกอบที่รองรับตัวเองได้เพียงชิ้นเดียวที่บิดเป็นเกลียวรอบๆ สายส่งสารเปลือย รูปแบบนี้เป็นโซลูชันที่โดดเด่นสำหรับการกระจายสินค้าในชนบทในระยะสุดท้ายในตลาดที่กำลังพัฒนาและเครือข่าย infill ในเมือง ซึ่งสายตัวนำเปล่าแบบเดิมจะต้องมีการเคลียร์ทางขวาที่มีราคาแพงและก่อกวน สายเคเบิลหุ้มฉนวนเหนือศีรษะที่แถมมาช่วยลดเวลาในการติดตั้งได้อย่างมาก กำจัดความผิดพลาดในการติดต่อแบบเฟสต่อเฟส และช่วยให้สายผ่านหรือติดกับพืชพรรณโดยไม่มีความเสี่ยงในการปฏิบัติงาน

ที่แรงดันไฟฟ้าปานกลาง สายเคเบิลหุ้มฉนวนเหนือศีรษะช่วยให้สามารถปรับใช้ในสภาพแวดล้อมที่สายตัวนำเปลือยอาจประสบปัญหาไฟดับบ่อยครั้ง: พื้นที่ป่าที่มีการสัมผัสกับพืชพรรณอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ พื้นที่ชายฝั่งทะเลที่มีการกัดกร่อนของสเปรย์เกลือ และพื้นที่ภูเขาที่มีการสะสมของหิมะเปียก โครงสร้างที่หุ้มฉนวนช่วยลดกลไกที่ปัจจัยด้านสิ่งแวดล้อมเหล่านี้ทำให้เกิดข้อผิดพลาดบนเส้นเปลือย และแกนอะลูมิเนียมอัลลอยด์ให้ความแข็งแรงทางกลในการทนต่อภาระเพิ่มเติมที่สภาพแวดล้อมเหล่านี้กำหนด

ประโยชน์การดำเนินงานที่วัดได้เหนือตัวนำเหนือศีรษะเปลือย

การเปลี่ยนจากตัวนำไฟฟ้าเหนือศีรษะเปลือยไปเป็นสายไฟเหนือศีรษะแบบหุ้มฉนวนพร้อมแกนโลหะผสมอะลูมิเนียม ทำให้เกิดการปรับปรุงที่บันทึกไว้ในการวัดการปฏิบัติงานหลายรายการ ยูทิลิตี้ที่ดำเนินโครงการแปลงอย่างเป็นระบบจะรายงานผลลัพธ์ที่สอดคล้องกัน:

• อัตราความผิดพลาดลดลง 60–80%: การหยุดทำงานในระดับการกระจายส่วนใหญ่เกิดจากการที่ตัวนำสัมผัสกับต้นไม้ นก สัตว์ หรือวัตถุที่ถูกลมพัด ฉนวนกำจัดเส้นทางข้อบกพร่องนี้โดยสิ้นเชิง โดยลด SAIFI (ดัชนีความถี่การหยุดชะงักโดยเฉลี่ยของระบบ) และ SAIDI (ดัชนีระยะเวลาการหยุดชะงักโดยเฉลี่ยของระบบ) ให้เหลือเพียงเศษเสี้ยวของตัวเลขเส้นเปลือย
• การสูญเสียทางเทคนิคที่ต่ำกว่า: การปล่อยโคโรนาบนตัวนำเปลือย — โดยเฉพาะอย่างยิ่งในสภาพแวดล้อมที่มีความชื้น มีมลพิษ หรือบนที่สูง — ทำให้เกิดการสูญเสียพลังงานที่วัดได้ สายเคเบิลหุ้มฉนวนป้องกันโคโรนาโดยการปิดล้อมสนามไฟฟ้าภายในชั้นฉนวน ช่วยลดการสูญเสียที่ไม่มีโหลดบนตัวป้อนแรงดันไฟฟ้าปานกลางได้อย่างมีนัยสำคัญ
• ลดค่าใช้จ่ายในการจัดการพืชพรรณ: เส้นตัวนำเปลือยจำเป็นต้องมีการตัดแต่งต้นไม้ที่รุนแรงและเกิดขึ้นซ้ำๆ เพื่อรักษาระยะห่างที่จำเป็น สายเคเบิลหุ้มฉนวนเหนือศีรษะทนต่อการสัมผัสของกิ่งก้านโดยไม่เกิดข้อผิดพลาด ทำให้วงจรการจัดการพืชพรรณลดลงจากรายปีเป็นทุกๆ หลายปีในหลายวงจร
• ปรับปรุงความปลอดภัยสาธารณะ: สายไฟเหนือศีรษะที่มีฉนวนช่วยลดความเสี่ยงจากไฟฟ้าช็อตจากการสัมผัสโดยไม่ตั้งใจ ซึ่งเป็นปัจจัยสำคัญในพื้นที่ที่มีประชากรหนาแน่น เขตเกษตรกรรม และตลาดที่มีการก่อสร้างอย่างไม่เป็นทางการใกล้กับสายไฟ
• อายุการใช้งานที่ยาวนานขึ้น: สายเคเบิลหุ้มฉนวนแกนกลางอะลูมิเนียมอัลลอยด์คุณภาพได้รับการออกแบบทางวิศวกรรมเพื่ออายุการใช้งาน 40 ปีภายใต้สภาวะการทำงานปกติ เทียบกับ 20–25 ปีสำหรับตัวนำเปลือยที่ไม่มีการป้องกัน ซึ่งอาจมีการกัดกร่อนในชั้นบรรยากาศและการสึกหรอทางกล

ข้อกำหนดการติดตั้งเฉพาะสำหรับสายเคเบิลเหนือศีรษะแกนอะลูมิเนียมอัลลอยด์

แกนอลูมิเนียมอัลลอยด์ สายเคเบิลหุ้มฉนวนเหนือศีรษะใช้วิธีการติดตั้งร่วมกับตัวนำเหนือศีรษะประเภทอื่นๆ แต่มีข้อกำหนดเฉพาะหลายประการที่ต้องปฏิบัติตามเพื่อรักษาความสมบูรณ์ของตัวนำและบรรลุอายุการใช้งานที่กำหนด

การร้อยขีดจำกัดความตึง

อัลลอยด์ตัวนำและหน้าตัดของอะลูมิเนียมอัลลอยด์แต่ละตัวมีพิกัดความต้านทานแรงดึง (RTS) ที่กำหนดไว้ และความตึงของเอ็นสูงสุด โดยทั่วไปจะแสดงเป็นเปอร์เซ็นต์ของ RTS การเกินขีดจำกัดความตึงของการร้อยสาย — แม้เพียงชั่วครู่ระหว่างการดึงผ่านจุดโก่งตัว — สามารถยืดเส้นสายด้านนอกออกอย่างถาวร เปลี่ยนลักษณะทางกลของตัวนำ และเริ่มเกิดอาการแตกร้าวเมื่อยล้าที่หัวความเค้น พนักงานร้อยสายต้องใช้ไดนาโมมิเตอร์ที่สอบเทียบแล้วและปฏิบัติตามตารางความตึงหย่อนของผู้ผลิต ซึ่งกำหนดไว้เฉพาะกับเกรดโลหะผสม ไม่ใช่ค่าอลูมิเนียมทั่วไป

ความเข้ากันได้ของตัวเชื่อมต่อ

ข้อต่อช่วงกลาง ชุดประกอบเดดเอนด์ และขั้วต่อต๊าปทั้งหมดต้องได้รับการคัดเลือกโดยเฉพาะสำหรับส่วนประกอบอะลูมิเนียมอัลลอยด์และหน้าตัดของตัวนำที่ใช้งานอยู่ คอนเนคเตอร์มาตรฐานสำหรับอะลูมิเนียมบริสุทธิ์ (ซีรีส์ 1350) เข้ากันไม่ได้ เนื่องจากใช้ขนาดดายต่างกัน แรงอัดต่างกัน และการรักษาพื้นผิวสัมผัสต่างกัน ตัวเชื่อมต่อที่ไม่ถูกต้องจะสร้างข้อต่อที่มีความต้านทานสูงซึ่งสร้างความร้อนเฉพาะจุด เร่งการเสื่อมสภาพของฉนวนที่อยู่ติดกับข้อต่อ และในที่สุดอาจทำให้ความร้อนล้มเหลวของข้อต่อได้ สำหรับขั้วต่อเจาะฉนวน (IPC) ที่ใช้ในระบบ ABC การรับรองความเข้ากันได้ควรอ้างอิงถึงการกำหนดโลหะผสมเฉพาะ ไม่ใช่แค่ขนาดตัวนำที่ระบุเท่านั้น

รองรับการออกแบบแคลมป์

แคลมป์รองรับและกันสะเทือนสำหรับสายเคเบิลหุ้มฉนวนเหนือศีรษะต้องได้รับการออกแบบเพื่อกระจายโหลดผ่านแจ็คเก็ตฉนวนโดยไม่เน้นไปที่ขอบแคลมป์ ชุดกันกระแทกหรือชุดเกราะเป็นอุปกรณ์มาตรฐานที่จุดกันสะเทือน ที่เสาเดดเอนด์และโครงสร้างมุม ควรใช้เดดเอนด์ฟิตติ้งแบบอัดมากกว่าประเภทกริปที่ขึ้นรูปล่วงหน้า ซึ่งสามารถลื่นไถลภายใต้การรับแรงดึงสูงอย่างต่อเนื่อง ซึ่งมีความสำคัญอย่างยิ่งในช่วงที่ยาวขึ้นด้วยอัตราส่วนความแข็งแรงต่อน้ำหนักที่เหนือกว่าของแกนโลหะผสมอะลูมิเนียม

มาตรฐานและการตรวจสอบคุณภาพการจัดซื้อจัดจ้าง

การระบุและการจัดหาสายเคเบิลหุ้มฉนวนเหนือศีรษะที่มีแกนโลหะผสมอลูมิเนียมสำหรับโครงสร้างพื้นฐานกริดจำเป็นต้องยืนยันการปฏิบัติตามมาตรฐานผลิตภัณฑ์ที่บังคับใช้ มาตรฐานระดับนานาชาติและระดับภูมิภาคที่มีการอ้างอิงอย่างกว้างขวางที่สุด ได้แก่:

• IEC 60502-1 / IEC 60502-2: ครอบคลุมสายไฟที่มีฉนวนอัดรีด รวมถึงข้อกำหนดในการก่อสร้าง ตารางความหนาของฉนวน และวิธีการทดสอบทางไฟฟ้าสำหรับพิกัดแรงดันไฟฟ้าตั้งแต่ 1 kV ถึง 30 kV
• IEC 60889: ระบุคุณสมบัติทางกลและทางไฟฟ้าของลวดอะลูมิเนียมดึงแข็ง รวมถึงเกรดโลหะผสมที่ใช้ในการผลิตตัวนำไฟฟ้าเหนือศีรษะ
• มาตรฐาน ASTM B399 / ASTM B400: มาตรฐานอเมริกาเหนือสำหรับตัวนำอะลูมิเนียมอัลลอยด์ซีรีส์ 6201 และ 8000 แบบวางศูนย์กลางแบบวางศูนย์กลาง การกำหนดข้อกำหนดด้านความต้านทานแรงดึง การยืดตัว และค่าการนำไฟฟ้าโดยการกำหนดโลหะผสม
• กิกะไบต์/ที 14049: มาตรฐานแห่งชาติของจีนสำหรับสายเคเบิลฉนวนแรงดันไฟฟ้าเหนือศีรษะพร้อมฉนวนอัดรีด ซึ่งเป็นข้อมูลอ้างอิงสำหรับการจัดซื้อในตลาดเอเชีย

นอกเหนือจากการปฏิบัติตามมาตรฐาน ข้อกำหนดการจัดซื้อสำหรับโครงสร้างพื้นฐานที่สำคัญควรต้องมีรายงานการทดสอบประเภทบุคคลที่สามฉบับสมบูรณ์ ไม่ใช่การรับรองด้วยตนเองของผู้ผลิต ซึ่งครอบคลุมถึงความต้านทานของตัวนำ ความหนาของฉนวน ความทนทานต่อแรงดันไฟฟ้า การคายประจุบางส่วน (สำหรับแรงดันไฟฟ้าปานกลาง) อายุของรังสียูวี และการโค้งงอทางกล ผู้ผลิตที่มีความสามารถที่เป็นที่ยอมรับสำหรับสายไฟทุกประเภทที่มีกำลังสูงถึง 110 kV ตั้งแต่สายเคเบิลเชื่อมโยงข้ามแรงดันสูงและต่ำไปจนถึงสายเคเบิลควบคุม เคเบิลสำหรับการขุด และสายเคเบิลอะลูมิเนียมอัลลอยด์แบบพิเศษ จะได้รับตำแหน่งที่ดีกว่าในการรักษาความสม่ำเสมอในการผลิตและโครงสร้างพื้นฐานการทดสอบที่ต้องการการจ่ายสายเคเบิลหุ้มฉนวนเหนือศีรษะที่เชื่อถือได้