สายไฟเหนือศีรษะ: ประเภท การเลือก และการติดตั้ง

การเลือกสิ่งที่ถูกต้อง สายไฟเหนือศีรษะ สำหรับสายส่งหรือสายจำหน่ายต้องมีการปรับสมดุลตัวแปรอิสระสามตัว: ความสามารถในการรับกระแสไฟฟ้าอย่างต่อเนื่อง ความต้านทานแรงดึงทางกล และพฤติกรรมการหย่อนคล้อยในระยะยาวภายใต้อุณหภูมิการทำงานสูงสุด . สำหรับการใช้งานแรงดันไฟฟ้าปานกลางและแรงสูงส่วนใหญ่ ตัวนำอะลูมิเนียมเสริมเหล็ก (เอซีเอสอาร์) ยังคงเป็นตัวเลือกเริ่มต้น เนื่องจากแกนเหล็กชุบสังกะสีรับแรงดึงประมาณ 55% ถึง 65% ของแรงดึงทั้งหมด ในขณะที่เส้นอะลูมิเนียมส่งกระแสไฟฟ้า ซึ่งเป็นการแยกฟังก์ชันที่ไม่มีตัวนำที่เป็นเนื้อเดียวกันใดสามารถจับคู่ได้ในราคาที่เท่ากัน

ประเภทของตัวนำและองค์ประกอบของวัสดุ

สายไฟฟ้าเหนือศีรษะถูกจำแนกตามวัสดุและการกำหนดค่าการพันเกลียวของตัวนำ ตระกูลตัวนำเปลือยหลักสามตระกูลครองตลาด โดยแต่ละตระกูลเหมาะสมกับความยาวช่วงและสภาพแวดล้อมที่แตกต่างกัน

ACSR หรืออะลูมิเนียมตัวนำเหล็กเสริมแรง ประกอบด้วยแกนเหล็กตีเกลียวศูนย์กลางที่ล้อมรอบด้วยเส้นอลูมิเนียม 1350-H19 ที่ดึงแข็งหนึ่งชั้นหรือมากกว่า แกนเหล็กมีให้เลือกหลายระดับความแข็งแรง ให้แกนหลักรับแรงดึง ในขณะที่ชั้นอะลูมิเนียมนำกระแสด้วยค่าการนำไฟฟ้า ไอเอซีเอส 61.2% (มาตรฐานทองแดงอบอ่อนสากล) ตัวนำ ACSR "Drake" ทั่วไปที่มีการตีเกลียว 26/7 และเส้นผ่านศูนย์กลางโดยรวม 28.14 มม. ได้รับค่าความต้านทานแรงดึงที่พิกัด 140 kN และความแอมแปซิตี้ต่อเนื่องประมาณ 907 แอมป์ ที่ 75°C ภายใต้สภาวะลมปานกลาง

Aเอเอซี เป็นตัวนำโลหะผสมอะลูมิเนียมทั้งหมด ใช้การตีเกลียวที่เป็นเนื้อเดียวกันของลวดโลหะผสมอะลูมิเนียม 6201-T81 โลหะผสมนี้รวมแมกนีเซียมและซิลิกอนเพื่อให้ได้ความต้านทานแรงดึงประมาณสองเท่าของอะลูมิเนียมตัวนำไฟฟ้า 1350-H19 ซึ่งไม่จำเป็นต้องใช้แกนเหล็ก ตัวนำ AAAC ได้รับการระบุในกรณีที่ต้องคำนึงถึงการกัดกร่อนของแกนเหล็ก โดยเฉพาะอย่างยิ่งในสภาพแวดล้อมชายฝั่งหรืออุตสาหกรรมที่มีคลอไรด์ในอากาศหรือสารประกอบซัลเฟอร์ การไม่มีแกนเหล็กแม่เหล็กยังช่วยลดฮิสเทรีซิสและการสูญเสียกระแสไหลวน ซึ่งช่วยลดความต้านทานไฟฟ้ากระแสสลับได้ประมาณ 3% ถึง 5% เมื่อเทียบกับ ACSR ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางเทียบเท่า ภายใต้กระแสโหลดเดียวกัน

AAC เป็นตัวนำอะลูมิเนียมทั้งหมดที่ทำจากเกลียว 1350-H19 ทั้งหมด มีค่าการนำไฟฟ้าสูงสุดต่อหน่วยน้ำหนัก แต่มีความต้านทานแรงดึงต่ำที่สุด การใช้งานจำกัดอยู่ที่ช่วงสั้นในเครือข่ายการกระจายสินค้าในเขตเมืองและตัวปล่อยบัสบาร์ภายในสถานีย่อย ซึ่งมีความยาวช่วงไม่เกิน 50 เมตร และตัวนำไม่จำเป็นต้องทนทานต่อน้ำแข็งหรือแรงลมสูง

ประสิทธิภาพการเปรียบเทียบประเภทตัวนำมาตรฐาน

ปัจจัยพื้นฐานด้านความทึบแสงและระดับความร้อน

ความทึบแสงของสายไฟเหนือศีรษะไม่ได้เป็นตัวเลขคงที่ แต่เป็นหน้าที่ของสมดุลความร้อนระหว่างการสูญเสียความต้านทาน (การให้ความร้อนด้วย I²R) การแผ่รังสีแสงอาทิตย์ที่พื้นผิวตัวนำดูดซับ การระบายความร้อนแบบพาความร้อนจากลม และการสูญเสียความร้อนจากการแผ่รังสีสู่ท้องฟ้า มาตรฐาน IEEE 738 กำหนดสมการความร้อนในสภาวะคงตัวที่ควบคุมสมดุลนี้ ภายใต้สมมติฐานกรณีที่เลวร้ายที่สุดคือดวงอาทิตย์เต็มดวง ความเร็วลมต่ำ 0.6 เมตร/วินาที และอุณหภูมิแวดล้อม 40°C ความทึบของตัวนำที่กำหนดอาจเป็น ลดลง 25% ถึง 35% กว่าค่าที่เผยแพร่สำหรับสภาวะสปริงปานกลาง

อุณหภูมิในการทำงานของตัวนำเป็นตัวแปรอิสระที่ควบคุมการลดลง ตัวนำ ACSR มาตรฐานได้รับการจัดอันดับสำหรับการทำงานต่อเนื่องที่ 75°C, 90°C หรือ 100°C โดยอนุญาตให้ใช้อุณหภูมิที่สูงขึ้นสำหรับสภาวะฉุกเฉินหรือสภาวะโหลดสูงสุดในระยะสั้น อุณหภูมิสูงกว่า 93°C เส้นอลูมิเนียมจะเริ่มหลอม ซึ่งจะทำให้ความต้านทานแรงดึงลดลงอย่างถาวร ตัวนำที่มีการหย่อนคล้อยต่ำ (HTLS) อุณหภูมิสูง เช่น ACSS, G(Z)TACSR และ ACCR ใช้อลูมิเนียมอบอ่อนหรือแกนคอมโพสิตเพื่อทำงานอย่างต่อเนื่องที่ 150°C ถึง 210°C ซึ่งเพิ่มขึ้นประมาณสองเท่าของความชัดเจนของสาย ACSR แบบเดิมภายในทางด้านขวาของทางเดียวกัน โดยไม่ต้องใช้หอคอยที่สูงขึ้น

การคำนวณความตึงหย่อนและการฝึกร้อยสาย

ความสัมพันธ์ระหว่างความตึงของตัวนำและความหย่อนคล้อยอยู่ภายใต้สมการ catenary ซึ่งสำหรับช่วงที่สั้นกว่า 300 เมตร จะทำให้การประมาณพาราโบลาง่ายขึ้นโดยมีข้อผิดพลาดที่ยอมรับได้ กระบวนการออกแบบเริ่มต้นด้วยแนวคิดช่วงการพิจารณา ซึ่งเป็นความยาวช่วงเฉลี่ยถ่วงน้ำหนักที่แสดงถึงพฤติกรรมทางกลที่เทียบเท่ากันของส่วนแรงดึงทั้งหมดระหว่างโครงสร้างทางตัน โดยทั่วไปแล้วความตึงขณะขนถ่ายเริ่มต้นที่อุณหภูมิการร้อยสายต่ำสุด -20°C หรือ 0°F ต้องตั้งค่าเพื่อให้ตัวนำไม่เกิน 60% ของความต้านทานการแตกหักที่กำหนดภายใต้ภาระน้ำแข็งและแรงลมที่รุนแรงที่สุดที่ระบุโดยรหัสความปลอดภัยทางไฟฟ้าแห่งชาติ (NESC) สำหรับเขตการโหลดทางภูมิศาสตร์

การร้อยสายไม่ใช่แค่การดึงตัวนำไปสู่ความตึงของเป้าหมายแล้วจับยึดไว้เท่านั้น ตัวนำจะต้องได้รับแรงตึงจนได้ค่าความหย่อนซึ่งวัดโดยการมองเห็นข้ามช่วงด้วยทรานซิตหรือซาโกมิเตอร์แบบดิจิทัล โดยที่ตัวนำจะมีอุณหภูมิสม่ำเสมอที่ทราบ สำหรับ ACSR Drake เป็นระยะทาง 300 เมตร ที่อุณหภูมิ 15°C โดยไม่มีลมหรือน้ำแข็ง ค่าความย้อยของเป้าหมายจะอยู่ที่ประมาณ 6.5 เมตร ซึ่งสอดคล้องกับแรงตึงแนวนอนประมาณ 17 กิโลนิวตัน หลังจากตัดเข้าไปแล้ว ตัวนำจะคลายตัวผ่านการตกตะกอนของเกลียวและการคืบของโลหะวิทยา โดยสูญเสียไปโดยประมาณ 10% ถึง 15% ของความตึงเครียดเริ่มต้นในช่วง 1,000 ชั่วโมงแรกของการให้บริการ . การย้อยของเอ็นจะต้องคาดการณ์การคืบคลานนี้โดยกำหนดเป้าหมายไปที่แรงดึงที่มากเกินไปที่ 10% ถึง 12% ซึ่งจะผ่อนคลายไปจนถึงการย้อยขั้นสุดท้ายของการออกแบบ

การสั่นสะเทือนของ Aeolian และการหน่วงของตัวนำ

เมื่อลมราบเรียบสม่ำเสมอผ่านสายเคเบิลเหนือศีรษะด้วยความเร็วระหว่าง 1 ถึง 7 เมตร/วินาที มันจะปล่อยกระแสน้ำวนคาร์มานที่สลับกันออกไป ซึ่งทำให้เกิดแรงยกแบบวนที่ตั้งฉากกับทิศทางลม การสั่นสะเทือนของเอโอเลียนนี้ ซึ่งมีความถี่โดยทั่วไปอยู่ในช่วง 3 ถึง 150 เฮิรตซ์ บังคับให้ตัวนำสั่นที่หรือใกล้กับความถี่เรโซแนนซ์ตามธรรมชาติของโหมดการสั่นสะเทือนที่สูงกว่าโหมดใดโหมดหนึ่ง ความเครียดจากการดัดงอที่เกิดขึ้นที่แคลมป์กันสะเทือนของตัวนำ ซึ่งการเคลื่อนที่ถูกจำกัดไว้จนสุด เกินขีดจำกัดความทนทานต่อความล้าของอะลูมิเนียมที่ประมาณ 57 MPa (8.3 ksi) ภายในหลายสิบล้านรอบ ซึ่งสะสมในเวลาไม่กี่วันในช่วงที่มีลมแรงสม่ำเสมอ

การบรรเทาผลกระทบใช้แดมเปอร์ Stockbridge, แดมเปอร์สั่นสะเทือนแบบเกลียว (เรียกอย่างเป็นทางการว่าแดมเปอร์กระดูกสุนัขหรือองค์ประกอบแดมเปอร์แบบเกลียว) หรือแดมเปอร์แบบเว้นระยะบนตัวนำที่มัดรวมกัน แดมเปอร์ Stockbridge ที่ปรับแต่งอย่างเหมาะสมมีความถี่เรโซแนนซ์สองความถี่ที่ยึดความถี่ตัวนำหลักไว้ โดยดูดซับพลังงานการสั่นสะเทือนผ่านการเสียดสีภายในของสายเคเบิลแมสเซนเจอร์ ระยะห่างของตำแหน่งแดมเปอร์จากแคลมป์ไม่ได้กำหนดไว้เอง จะต้องอยู่ในตำแหน่งที่แอมพลิจูดของแอนติโนดการสั่นสะเทือนของตัวนำเพียงพอที่จะกระตุ้นแดมเปอร์ สำหรับสาย 132 kV ทั่วไปที่มีตัวนำ ACSR Lynx จะมีการวางแดมเปอร์ตัวแรกไว้ ห่างจากปากแคลมป์ช่วงล่าง 0.8 ถึง 1.2 เมตร โดยมีแดมเปอร์ตัวที่สองที่ความสูง 1.8 เมตร ในระยะเกิน 400 เมตร

การจัดการการปล่อยโคโรนาและสนามแม่เหล็กไฟฟ้า

ที่แรงดันไฟฟ้าส่ง 230 กิโลโวลต์ขึ้นไป ความลาดชันของสนามไฟฟ้าที่พื้นผิวตัวนำจะเข้าใกล้ความแรงของการสลายไดอิเล็กตริกของอากาศ ประมาณ 30 kV/cm ที่ระดับน้ำทะเล . เมื่อความลาดชันของพื้นผิวเกินประมาณ 17 kV/cm3 ภายใต้สภาวะแห้ง การปล่อยโคโรนาจะเกิดขึ้น ทำให้เกิดเสียงรบกวน การรบกวนวิทยุ (RI) ในย่านความถี่ 0.5 ถึง 1.6 MHz และการสูญเสียพลังงาน การไล่ระดับพื้นผิวแปรผกผันกับรัศมีของตัวนำ ตัวนำเดี่ยวต่อเฟสต้องมีเส้นผ่านศูนย์กลางอย่างน้อย 24 มม. สำหรับ 230 kV และ 32 มม. สำหรับ 345 kV เพื่อรักษาความชันให้ต่ำกว่าเกณฑ์โคโรนา

ตัวนำแบบมัดรวมแก้ไขปัญหานี้โดยการแบ่งกระแสเฟสออกเป็นตัวนำย่อย 2, 3 หรือ 4 ตัว โดยคั่นด้วยตัวเว้นระยะแบบแข็งที่ระยะห่าง 30 ถึง 45 ซม. ตัวนำคู่ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 28 มม. ที่ 400 kV จะได้เส้นผ่านศูนย์กลางเทียบเท่าประมาณ 180 มม ในแง่ของการกระจายสนามไฟฟ้า การลดความลาดเอียงของพื้นผิวลงประมาณสามเท่าเมื่อเปรียบเทียบกับตัวนำเดี่ยวที่มีพื้นที่หน้าตัดรวมเท่ากัน ระยะห่างของตัวเว้นวรรคถูกเลือกเพื่อปรับสมดุลระหว่างความสม่ำเสมอของสนามไฟฟ้าและความเสถียรทางกลต่อการแกว่งช่วงย่อย ซึ่งเป็นปรากฏการณ์ที่ตัวนำลมบังลมใต้ลม ทำให้เกิดความไม่เสถียรตามหลักอากาศพลศาสตร์ที่ขับเคลื่อนการเคลื่อนที่ของกระแสลมในวงรี

การเลือกฉนวนและการประสานระยะห่างตามผิวฉนวน

ตัวนำเหนือศีรษะได้รับการรองรับทางกลไกและแยกทางไฟฟ้าโดยสายแขวนหรือฉนวนความตึง ระยะห่างตามผิวฉนวนของฉนวน ความยาวทางเดินไปตามพื้นผิวฉนวนตั้งแต่ข้อต่อปลายที่ได้รับไฟฟ้าจนถึงปลายสายดิน จะต้องเพียงพอเพื่อป้องกันการเกิดวาบไฟตามผิวตามสภาพเปียกที่ปนเปื้อน ระยะห่างตามผิวฉนวนจำเพาะถูกกำหนดเป็น มม. ของผิวฉนวนต่อ kV ของแรงดันไฟฟ้าแบบเฟสต่อเฟสของระบบ สำหรับพื้นที่ที่มีมลภาวะทางแสง จะมีการคืบคลานเฉพาะของ 16 มม./กิโลโวลต์ก็เพียงพอแล้ว สำหรับสเปรย์เกลืออุตสาหกรรมหนักหรือชายฝั่ง 31 มม./กิโลโวลต์หรือมากกว่า กำหนดไว้ได้โดยใช้สายยาวหรือฉนวนชนิดหมอกที่มีสเกิร์ตลึก

ฉนวนโพลีเมอร์คอมโพสิตที่มีส่วนหุ้มยางซิลิโคนแทนที่พอร์ซเลนและสายฝาและหมุดแก้วส่วนใหญ่สำหรับการก่อสร้างใหม่ที่ 138 kV และต่ำกว่า และกำลังได้รับการยอมรับในระดับ EHV พื้นผิวที่ไม่ชอบน้ำของยางซิลิโคนจะทำให้น้ำกลายเป็นเม็ดบีดแทนที่จะก่อตัวเป็นฟิล์มนำไฟฟ้าต่อเนื่อง ซึ่งยับยั้งกระแสรั่วไหล ปัจจัย 10 ถึง 100 เมื่อเปรียบเทียบกับพื้นผิวพอร์ซเลนที่ชอบน้ำ ภายใต้สภาวะการปนเปื้อนที่เหมือนกัน โหมดความล้มเหลวหลักของฉนวนคอมโพสิตคือการแตกหักแบบเปราะของแกนแกนไฟเบอร์กลาสจากการโจมตีของกรดหรือการซึมน้ำที่ซีลข้อต่อปลายที่ชำรุด ซึ่งเป็นกลไกที่ต้องมีการตรวจสอบโหลดทางกลอย่างต่อเนื่องและการตรวจสอบความสมบูรณ์ของตัวเรือนด้วยสายตา

การเชื่อมต่อ การสิ้นสุดทางตัน และความเข้ากันได้ของฮาร์ดแวร์

เส้นเหนือศีรษะทั้งหมดมีความน่าเชื่อถือเท่ากับข้อต่อและการสิ้นสุดเท่านั้น ข้อต่อช่วงกลาง จำเป็นสำหรับความยาวของตัวนำที่เกินความจุม้วนมาตรฐาน ต้องมีความต้านทานแรงดึงอย่างน้อย 95% ของความต้านทานการแตกหักของตัวนำ และความต้านทานไฟฟ้าไม่เกินร้อยละ 75 ของความยาวเทียบเท่าของตัวนำที่ไม่มีรอยต่อ ข้อต่อรับแรงตึงเต็มที่แบบอัด ซึ่งใช้กับแม่พิมพ์หกเหลี่ยมและเครื่องอัดไฮดรอลิกที่มีแรงดัน 700 บาร์ (10,000 psi) เป็นมาตรฐานอุตสาหกรรม ตัวข้อต่อเป็นปลอกอะลูมิเนียมที่เลื่อนไปเหนือเกลียวอะลูมิเนียมและปลอกเหล็กแยกที่ยึดแกนเหล็ก แขนเสื้อทั้งสองข้างถูกรูดแยกกัน ปลอกเหล็กก่อน จากนั้นจึงถ่ายโอนความตึงพิกัดเต็มผ่านแกนกลาง ตามด้วยปลอกอะลูมิเนียมซึ่งนำกระแสรอบข้อต่อเหล็ก

การกัดกร่อนของกัลวานิกแบบ Bimetallic เกิดขึ้นทุกที่ที่ตัวนำอะลูมิเนียมสัมผัสกับฮาร์ดแวร์โลหะผสมทองแดงเมื่อมีอิเล็กโทรไลต์ อลูมิเนียมที่เป็นขั้วบวกถึงทองแดงจะกัดกร่อนอย่างเสียสละ ตัวเชื่อมต่อแบบบีบอัดและตัวแคลมป์สำหรับตัวนำอะลูมิเนียมทั้งหมดจะต้องทำจากอะลูมิเนียมอัลลอยด์หรือชุบดีบุกทั้งหมดเพื่อป้องกันการสัมผัสระหว่างทองแดงกับอะลูมิเนียมโดยตรง ที่โครงสร้างทางตันของสถานีย่อยที่เส้นเหนือศีรษะของอะลูมิเนียมเปลี่ยนไปเป็นงานบัสทองแดง ตัวดึงการเปลี่ยนผ่านแบบเชื่อมด้วยแรงเสียดทานแบบไบเมทัลลิกจะแยกโลหะทั้งสองออกในขณะเดียวกันก็ให้เส้นทางกระแสไฟฟ้าที่มีความต้านทานต่ำซึ่งได้รับการจัดอันดับสำหรับกระแสลัดวงจรเต็มรูปแบบของสาย