คู่มือสายส่งไฟฟ้าและเหนือศีรษะ

ทำความเข้าใจกับสายส่งไฟฟ้าในระบบไฟฟ้าสมัยใหม่

สายส่งไฟฟ้า เป็นแกนหลักทางกายภาพของโครงข่ายไฟฟ้าทุกแห่งในระดับชาติและระดับภูมิภาค บทบาทของมันคือการส่งพลังงานไฟฟ้าจำนวนมากที่ไฟฟ้าแรงสูงจากสถานีผลิตไฟฟ้า ไม่ว่าจะเป็นเชื้อเพลิงถ่านหิน นิวเคลียร์ ไฟฟ้าพลังน้ำ หรือพลังงานหมุนเวียน ในระยะทางไกลไปยังสถานีย่อยที่จะลดแรงดันไฟฟ้าลงเพื่อการจำหน่ายในท้องถิ่น การตัดสินใจทางวิศวกรรมที่ฝังอยู่ในการเลือกสายส่งมีผลกระทบโดยตรงต่อความน่าเชื่อถือของโครงข่าย ประสิทธิภาพการใช้พลังงาน รายจ่ายฝ่ายทุน และต้นทุนการดำเนินงานระยะยาวที่เกิดจากสาธารณูปโภคและผู้เสียภาษี การทำความเข้าใจว่าอะไรที่ทำให้ตัวนำประเภทหนึ่งแตกต่างจากอีกประเภทหนึ่ง และปัจจัยใดที่ควบคุมการเลือกโครงการเฉพาะ จึงเป็นความรู้พื้นฐานสำหรับวิศวกรไฟฟ้า ผู้เชี่ยวชาญด้านการจัดซื้อ และผู้วางแผนโครงสร้างพื้นฐาน

ระบบส่งกำลังสมัยใหม่ทำงานที่ระดับแรงดันไฟฟ้าตั้งแต่ 66 kV บนตัวป้อนการส่งย่อยไปจนถึง 1,100 kV บนตัวเชื่อมต่อระหว่างกันไฟฟ้ากระแสตรงแรงดันสูงพิเศษ (UHVDC) ที่ทอดยาวหลายพันกิโลเมตร ในทุกระดับแรงดันไฟฟ้า สายส่งไฟฟ้าจะต้องลดการสูญเสียความต้านทานให้เหลือน้อยที่สุด รักษาความสมบูรณ์ทางกลภายใต้แรงลม น้ำแข็ง และภาระความร้อน และยังคงสามารถใช้งานได้ตลอดอายุการใช้งานการออกแบบที่โดยปกติแล้วจะเกิน 40 ปี ความต้องการเหล่านี้เป็นตัวกำหนดทุกแง่มุมของการออกแบบตัวนำ ตั้งแต่การเลือกการนำโลหะและรูปทรงหน้าตัดไปจนถึงการเลือกวัสดุเสริมแรงแกนกลางและการตกแต่งพื้นผิว

สายเคเบิลเหนือศีรษะกับสายเคเบิลใต้ดิน: ข้อเสียเปรียบหลัก

ตัวเลือกการออกแบบขั้นพื้นฐานที่สุดในโครงการระบบส่งกำลังคือการกำหนดเส้นทางพลังงานไฟฟ้าเหนือศีรษะหรือใต้ดิน สายเคเบิลเหนือศีรษะครองโครงสร้างพื้นฐานการส่งผ่านไฟฟ้าแรงสูงทั่วโลกด้วยเหตุผลทางเศรษฐกิจและทางเทคนิคที่ได้รับการยอมรับอย่างดี แต่สายเคเบิลใต้ดินได้ขยายออกไปอย่างมากในทางเดินในเมืองและเป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อม ซึ่งการกำหนดเส้นทางทางอากาศทำไม่ได้หรือเป็นที่ยอมรับทางการเมืองไม่ได้

สายเคเบิลส่งสัญญาณเหนือศีรษะ ถูกแขวนไว้ระหว่างเสาโครงเหล็กหรือเสาคอนกรีตโดยใช้สายฉนวนที่ให้ระยะห่างทางไฟฟ้าที่จำเป็นระหว่างตัวนำไฟฟ้ากับโครงสร้างรองรับที่ต่อสายดิน เนื่องจากอากาศโดยรอบทำหน้าที่เป็นสื่อกลางในการฉนวน ตัวนำเหนือศีรษะจึงไม่จำเป็นต้องใช้ชั้นฉนวนที่อัดขึ้นรูปซึ่งมีราคาแพง เนื่องจากตัวนำนั้นเปลือยเปล่าและสัมผัสกับบรรยากาศโดยตรง ซึ่งช่วยลดต้นทุนวัสดุจำนวนมาก ทำให้การกระจายความร้อนตรงไปตรงมา และช่วยให้สามารถตรวจสอบและบำรุงรักษาด้วยสายตาโดยไม่ต้องขุดค้น โดยทั่วไปต้นทุนทุนของการส่งค่าโสหุ้ยจะต่ำกว่าสามถึงสิบเท่าต่อกิโลเมตรเมื่อเทียบกับวงจรเคเบิลใต้ดินที่แรงดันไฟฟ้าในการส่ง ซึ่งเป็นสาเหตุที่การกำหนดเส้นทางค่าโสหุ้ยยังคงเป็นตัวเลือกเริ่มต้นสำหรับสายชนบทและข้ามประเทศทั่วโลก

ในทางตรงกันข้าม สายส่งไฟฟ้าใต้ดินใช้ฉนวนโพลีเอทิลีนเชื่อมขวาง (XLPE) แบบอัดรีดที่ล้อมรอบด้วยตะแกรงโลหะและปลอกป้องกันเพื่อแยกตัวนำไฟฟ้าออกจากดินโดยรอบ การก่อสร้างนี้ช่วยลดปัญหาไฟฟ้าดับที่เกี่ยวข้องกับสภาพอากาศที่เกิดจากลม น้ำแข็ง และฟ้าผ่า ซึ่งเป็นสาเหตุหลักของความผิดพลาดของสายเหนือศีรษะ แต่นำมาซึ่งความท้าทายในการปฏิบัติงานที่แตกต่างกัน รวมถึงกระแสการชาร์จแบบคาปาซิทีฟที่สูงขึ้นในระยะทางไกล ตำแหน่งข้อบกพร่องที่ซับซ้อนมากขึ้น และเวลาในการซ่อมแซมและต้นทุนที่สูงขึ้นอย่างมากเมื่อเกิดความเสียหาย สำหรับโครงการส่งสัญญาณในสภาพแวดล้อมในเมืองหนาแน่น ทางข้ามใต้น้ำ หรือพื้นที่ที่มีข้อกำหนดการป้องกันภูมิทัศน์ที่เข้มงวด สายเคเบิลใต้ดินเป็นตัวเลือกที่จำเป็นแม้จะมีต้นทุนสูงกว่าก็ตาม

ประเภทตัวนำหลักที่ใช้ในสายส่งเหนือศีรษะ

ตัวนำเป็นหัวใจของสายส่งเหนือศีรษะ โครงสร้างตัวนำได้รับการพัฒนาในช่วงศตวรรษที่ผ่านมา เพื่อปรับสมดุลระหว่างการนำไฟฟ้า ความแข็งแรงทางกล น้ำหนัก และต้นทุนสำหรับความยาวช่วงที่แตกต่างกัน ประเภทภูมิประเทศ และสภาวะการรับน้ำหนัก ตารางต่อไปนี้สรุปตระกูลตัวนำที่ใช้งานกันอย่างแพร่หลายที่สุดในแอปพลิเคชันการส่งผ่านไฟฟ้าแรงสูง:

ACSR (เสริมเหล็กตัวนำอลูมิเนียม) ยังคงเป็นประเภทตัวนำสายเคเบิลส่งผ่านเหนือศีรษะที่มีการติดตั้งกันอย่างแพร่หลายมากที่สุดในโลก เนื่องมาจากห่วงโซ่อุปทานที่ครบกำหนด พฤติกรรมทางกลที่เข้าใจดี และต้นทุนที่แข่งขันได้ อย่างไรก็ตาม ความกดดันที่เพิ่มขึ้นในการเพิ่มขีดความสามารถบนทางเดินส่งสัญญาณที่มีอยู่โดยไม่ต้องสร้างแนวทาวเวอร์ใหม่ได้ผลักดันให้เกิดการนำตัวนำ HTLS (High-Temperature Low-Sag) มาใช้อย่างรวดเร็วและการออกแบบแกนคอมโพสิต เช่น ACCC ซึ่งสามารถทำงานอย่างต่อเนื่องที่อุณหภูมิ 150–210°C เมื่อเทียบกับขีดจำกัด 75–90°C ของ ACSR ในขณะที่ยังคงรักษาโปรไฟล์ความหย่อนคล้อยที่ต่ำกว่าซึ่งรักษาข้อกำหนดระยะห่างจากพื้นดินตามกฎหมาย

พารามิเตอร์ประสิทธิภาพทางไฟฟ้าที่ใช้ควบคุมการเลือกตัวนำ

การเลือกสายส่งไฟฟ้าที่เหมาะสมสำหรับโครงการเฉพาะจำเป็นต้องมีการประเมินเชิงปริมาณของพารามิเตอร์ประสิทธิภาพทางไฟฟ้าหลายตัวที่พึ่งพาซึ่งกันและกัน พารามิเตอร์แต่ละตัวมีปฏิสัมพันธ์กับพารามิเตอร์อื่นๆ และการปรับให้เหมาะสมสำหรับพารามิเตอร์ตัวใดตัวหนึ่ง กล่าวคือ การลดการสูญเสียความต้านทานให้เหลือน้อยที่สุด อาจต้องแลกกับน้ำหนักของตัวนำ การโหลดของทาวเวอร์ หรือต้นทุนเงินทุน

อัตราความทึบและความร้อน

ความแอมป์ - กระแสไฟฟ้าต่อเนื่องสูงสุดที่ตัวนำสามารถพกพาได้ไม่เกินอุณหภูมิที่ออกแบบ - เป็นพารามิเตอร์ความจุหลักสำหรับสายส่งใด ๆ ถูกกำหนดโดยความสมดุลระหว่างการให้ความร้อนของจูล (การสูญเสีย I²R) และการกระจายความร้อนสู่สิ่งแวดล้อมผ่านการพาความร้อน การแผ่รังสี และการนำ ตัวนำ ACSR มาตรฐานบนหอคอยสองวงจรขนาด 400 kV ทั่วไปอาจมีกระแสไฟ 1,000–1,500 A ต่อเฟสภายใต้สภาวะพิกัดปกติ ระบบ Dynamic Line Rating (DLR) ที่ใช้ข้อมูลสภาพอากาศแบบเรียลไทม์เพื่อคำนวณความครอบคลุมที่แท้จริงสามารถปลดล็อกความจุเพิ่มเติม 10–30% จากโครงสร้างพื้นฐานสายเคเบิลส่งเหนือศีรษะที่มีอยู่โดยไม่ต้องดัดแปลงทางกายภาพกับตัวนำ

แนวต้านและการสูญเสียแนว

ความต้านทานไฟฟ้ากระแสตรงของตัวนำจะแปรผกผันกับพื้นที่หน้าตัดและเป็นสัดส่วนโดยตรงกับความต้านทานของโลหะที่นำไฟฟ้า สำหรับอะลูมิเนียมที่อุณหภูมิ 20°C ความต้านทานจะอยู่ที่ประมาณ 2.82 × 10⁻⁸ Ω·m ตัวนำ ACSR ขนาด 400 มม.² บนสาย 400 kV ที่รองรับ 1,000 A จะกระจายความร้อนประมาณ 28 kW ต่อกิโลเมตร ซึ่งเป็นการสูญเสียที่สะสมเป็นสิบกิกะวัตต์-ชั่วโมงต่อปีบนตัวเชื่อมต่อหลัก นี่คือเหตุผลว่าทำไมการเลือกหน้าตัดของตัวนำที่มีขนาดใหญ่กว่าค่าขั้นต่ำที่จำเป็นสำหรับการปฏิบัติตามข้อกำหนดด้านความร้อนมักจะได้รับการพิสูจน์ในเชิงเศรษฐศาสตร์ เมื่อมูลค่าปัจจุบันของการสูญเสียพลังงานที่หลีกเลี่ยงได้ตลอดอายุการใช้งาน 40 ปีของสายการผลิตนั้นเกินกว่าต้นทุนที่เพิ่มขึ้นของตัวนำที่หนักกว่าและหอคอยที่แข็งแกร่งกว่า

โคโรนาและการรบกวนทางวิทยุ

ที่แรงดันไฟฟ้าในการส่งสูงกว่า 110 kV ความเข้มของสนามไฟฟ้าที่พื้นผิวตัวนำอาจเกินเกณฑ์ไอออไนเซชันของอากาศ ทำให้เกิดการปล่อยโคโรนา ซึ่งเป็นปรากฏการณ์การสลายบางส่วนที่ทำให้เกิดเสียงรบกวน การรบกวนของความถี่วิทยุ และการสูญเสียพลังงานที่แท้จริง ประสิทธิภาพของโคโรนานั้นควบคุมโดยการไล่ระดับพื้นผิวของตัวนำเป็นหลัก ซึ่งจะลดลงโดยการเพิ่มเส้นผ่านศูนย์กลางของตัวนำ (ผ่านการมัดรวมหรือการใช้ตัวนำแบบขยายแกน) และโดยการรักษาพื้นผิวที่เรียบและสะอาด การออกแบบสายเคเบิลส่งเหนือศีรษะสมัยใหม่สำหรับ 220 kV และสูงกว่านั้นแทบจะใช้ตัวนำแบบรวมกลุ่ม — ตัวนำย่อยสอง, สามหรือสี่ตัวต่อเฟส — ซึ่งช่วยลดการไล่ระดับพื้นผิว, ความเหนี่ยวนำต่ำลง และเพิ่มความกว้างไปพร้อมๆ กัน

ข้อควรพิจารณาในการออกแบบเครื่องกลสำหรับสายส่งเหนือศีรษะ

การออกแบบทางกลของระบบสายส่งเหนือศีรษะนั้นมีความต้องการพอๆ กับการออกแบบทางไฟฟ้า ตัวนำต้องทนต่อการรับน้ำหนักรวมของตัวเอง แรงดันลมบนพื้นที่ที่ฉายภาพ และการสะสมของน้ำแข็งบนพื้นผิวตัวนำ ทั้งหมดนี้พร้อมกันในเหตุการณ์สภาพอากาศที่เลวร้ายที่สุด ความตึงในการออกแบบในตัวนำ ความหย่อนคล้อยที่อุณหภูมิการทำงานสูงสุด และระยะห่างจากพื้นดิน ไปยังเฟสอื่นๆ และถึงโครงสร้างทาวเวอร์ทั้งหมดจะต้องอยู่ภายในขีดจำกัดที่ระบุตลอดช่วงอุณหภูมิและสภาวะการรับน้ำหนักที่คาดการณ์ไว้ตลอดอายุการใช้งานของสายการผลิต

• ความตึงเครียดในชีวิตประจำวัน (EDT): การจำกัดความตึงของตัวนำในสภาวะประจำวัน (โดยทั่วไปคือ 15°C ไม่มีลม ไม่มีน้ำแข็ง) ไว้ที่ 20–25% ของความต้านทานแรงดึงที่กำหนด (RTS) จะควบคุมความล้าที่แคลมป์ของระบบกันสะเทือนที่เกิดจากการสั่นสะเทือนของ Aeolian — การสั่นแบบไซนูซอยด์ที่เกิดจากลมราบเรียบคงที่ที่ไหลผ่านตัวนำ
• ความตึงเครียดสูงสุด: ภายใต้กรณีโหลดที่ควบคุม (โดยทั่วไปคือลมสูงสุดหรือน้ำแข็งสูงสุด ขึ้นอยู่กับที่ตั้งทางภูมิศาสตร์) ความตึงของตัวนำจะต้องไม่เกิน 50–75% ของ RTS เพื่อรักษาปัจจัยด้านความปลอดภัยที่เพียงพอต่อความล้มเหลวของแรงดึง
• การคำนวณความตึงหย่อน: เส้นโค้งโซ่ที่เกิดขึ้นโดยตัวนำภายใต้แรงโน้มถ่วงจะกำหนดการหย่อนที่ช่วงกลาง เมื่ออุณหภูมิของตัวนำเพิ่มขึ้นภายใต้ภาระ การยืดตัวด้วยความร้อนจะเพิ่มการย้อย ส่งผลให้ระยะห่างจากพื้นดินลดลง นี่เป็นข้อจำกัดพื้นฐานที่จำกัดอุณหภูมิการทำงานของ ACSR แบบเดิม และผลักดันให้เกิดการใช้ตัวนำ HTLS ที่หย่อนคล้อยต่ำในทางเดินที่มีอุณหภูมิจำกัด
• การลดแรงสั่นสะเทือน: แดมเปอร์ Stockbridge — อุปกรณ์แมสสปริงที่ปรับแล้วซึ่งยึดกับตัวนำใกล้กับจุดช่วงล่าง — ดูดซับพลังงานของการสั่นสะเทือนของ Aeolian และป้องกันการแตกร้าวเมื่อยล้าของเส้นอะลูมิเนียมด้านนอก ซึ่งเป็นโหมดความล้มเหลวทางกลไกที่พบบ่อยที่สุดในระยะยาวในการติดตั้งสายเคเบิลส่งผ่านเหนือศีรษะ

มาตรฐานสากลที่ควบคุมข้อกำหนดสายเคเบิลส่ง

การจัดซื้อสายส่งไฟฟ้าสำหรับโครงการสาธารณูปโภคและโครงสร้างพื้นฐานจำเป็นต้องปฏิบัติตามมาตรฐานสากลหรือระดับภูมิภาคที่ได้รับการยอมรับ ซึ่งระบุถึงการก่อสร้างตัวนำ คุณสมบัติของวัสดุ ความคลาดเคลื่อนของขนาด และวิธีการทดสอบ กลุ่มมาตรฐานหลัก ได้แก่ IEC (International Electrotechnical Commission), ASTM (American Society for Testing and Materials) และ BS EN (มาตรฐานอังกฤษ/ยุโรป) พร้อมการดัดแปลงระดับชาติในตลาดหลักๆ รวมถึงจีน (GB/T), อินเดีย (IS) และออสเตรเลีย (AS)

IEC 61089 และผู้สืบทอด IEC 62219 ครอบคลุมถึงตัวนำไฟฟ้าตีเกลียวแบบลวดกลมวางศูนย์กลางเหนือศีรษะ โดยระบุคุณสมบัติทางกลและทางไฟฟ้าของ ACSR, AAAC และประเภทตัวนำที่เกี่ยวข้อง IEC 62004 กล่าวถึงลวดโลหะผสมอลูมิเนียมอุณหภูมิสูงสำหรับตัวนำ HTLS สำหรับสายส่งใต้ดิน IEC 60840 (แรงดันไฟฟ้าสูงกว่า 30 kV ถึง 150 kV) และ IEC 62067 (มากกว่า 150 kV) กำหนดการทดสอบประเภทและข้อกำหนดการทดสอบตามปกติสำหรับสายไฟฉนวนที่อัดขึ้นรูป การปฏิบัติตามมาตรฐานเหล่านี้ ซึ่งแสดงให้เห็นผ่านการทดสอบประเภทโดยบุคคลที่สามที่ได้รับการรับรองและการตรวจสอบคุณภาพของโรงงาน ถือเป็นข้อกำหนดในการจัดซื้อจัดจ้างที่จำเป็นสำหรับโครงการส่งผ่านสาธารณูปโภคส่วนใหญ่ทั่วโลก เพื่อให้มั่นใจว่าสายส่งไฟฟ้าที่ติดตั้งในโครงสร้างพื้นฐานที่สำคัญตรงตามเกณฑ์มาตรฐานด้านประสิทธิภาพและความปลอดภัยที่ตรวจสอบโดยหน่วยงานด้านเทคนิคอิสระ