การออกแบบหอคอยอย่างไรให้สอดคล้องกับสายส่งไฟฟ้าแรงสูง?

ข้อจำกัดในการออกแบบตามแรงดันไฟฟ้าสำหรับหอคอยส่งไฟฟ้า

แรงจากลม น้ำแข็ง และสนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่ระดับแรงดัน 230 กิโลโวลต์ขึ้นไป

เมื่อต้องจัดการกับแรงดันไฟฟ้าระดับ 230 กิโลโวลต์ หรือสูงกว่า หอส่งไฟฟ้าจะเผชิญกับความเครียดจากสิ่งแวดล้อมที่ซับซ้อน ซึ่งไม่ได้เพิ่มขึ้นตามสัดส่วนของระดับแรงดันเท่านั้น ในช่วงเหตุการณ์สภาพอากาศเลวร้าย แรงดันลมสามารถสูงถึงมากกว่า 50 ปอนด์ต่อตารางฟุต ซึ่งหมายความว่าคานยึดด้านข้างจำเป็นต้องได้รับการเสริมความแข็งแรงอย่างมาก โดยเฉพาะอย่างยิ่งในหอแบบโครงลวดตาข่าย (lattice style) ที่แรงเครียดสูงสุดมักสะสมอยู่บริเวณจุดเชื่อมต่อของขาหอและตำแหน่งที่ยึดสายนำไฟ น้ำแข็งเกาะตัวก็เป็นอีกหนึ่งความท้าทายสำคัญเช่นกัน เมื่อน้ำแข็งสะสมบนสายนำไฟหนาประมาณสองนิ้ว จะทำให้น้ำหนักของสายเพิ่มขึ้นเป็นสามเท่า ส่งผลให้เกิดแรงตึงที่ไม่สมดุลทั่วระบบ และก่อให้เกิดแรงบิดซึ่งวิศวกรไม่ต้องการพบเห็น ในขณะเดียวกัน เมื่อกระแสขัดข้องไหลผ่านสายในอัตราที่สูงกว่า 40 กิโลแอมป์ จะสร้างแรงแม่เหล็กไฟฟ้าที่ทรงพลัง ทำให้สายนำไฟสะบัดอย่างรุนแรง บางครั้งอาจกระตุ้นให้เกิดการสั่นสะเทือนแบบเรโซแนนซ์ที่อันตรายภายในตัวหอเอง เนื่องจากปัจจัยความเครียดต่างๆ เหล่านี้ทับซ้อนกันอย่างมาก วิศวกรจึงพึ่งพาการวิเคราะห์ด้วยวิธีไฟไนต์เอลิเมนต์ (finite element analysis) เพื่อทำความเข้าใจการทำงานร่วมกันของทุกส่วน เช่น ในระบบ 400 กิโลโวลต์ หอโครงลวดตาข่ายโดยทั่วไปจำเป็นต้องมีการเสริมโครงยึดที่แข็งแรงขึ้นระหว่าง 20 ถึง 30 เปอร์เซ็นต์ เมื่อเทียบกับการออกแบบหอเสาเดี่ยว (monopole) ที่เผชิญกับเงื่อนไขคล้ายกัน

ความสอดคล้องของระยะช่องว่างและการลัดวงจร (IEC 61936 / IEEE 1243)

ความต้องการในการแยกสัญญาณไฟฟ้าจะเข้มงวดมากยิ่งขึ้นเมื่อแรงดันเพิ่มสูงขึ้น ตามมาตรฐานเช่น IEC 61936 และ IEEE 1243 ระยะห่างที่จำเป็นระหว่างเฟสและพื้นดินก็จะเพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญด้วย สำหรับระบบแรงดัน 230 กิโลโวลต์ จะต้องมีระยะว่างอย่างน้อย 2.3 เมตร แต่เมื่อแรงดันเพิ่มเป็น 345 กิโลโวลต์ ระยะนี้จะเพิ่มขึ้นเป็น 3.6 เมตร ตัวเลขเหล่านี้มีผลโดยตรงต่อความสูงของหอส่งไฟฟ้าที่ต้องสร้าง และระยะห่างระหว่างคานขวางที่ต้องติดตั้ง อีกปัจจัยหนึ่งที่เป็นปัญหาคือสายฉนวน เนื่องจากต้องเพิ่มระยะครีพเพจ (creepage distance) ให้เหมาะสมด้วย โดยเฉพาะฉนวนชนิดโพลิเมอร์ ซึ่งในพื้นที่ที่มีปัญหามลภาวะ เราต้องใช้ระยะครีพเพจประมาณ 25 มิลลิเมตรต่อกิโลโวลต์ เพื่อป้องกันปัญหาการเกิดอาร์กบนผิววัสดุ เมื่อพื้นที่จำกัด วิศวกรมักเลือกใช้การจัดเรียงสายฉนวนแบบ V-string อย่างไรก็ตาม ยังคงมีปัญหาอีกประการหนึ่งที่เกิดขึ้นอยู่บ่อยครั้ง คือ การปนเปื้อน เช่น หมอกเกลือหรือคราบสารตกค้างจากอุตสาหกรรม ซึ่งอาจทำให้แรงดันแฟลชโอเวอร์ลดลงได้เกือบครึ่งหนึ่งในบางกรณี นั่นจึงเป็นเหตุผลว่าทำไมตารางการทำความสะอาดเป็นประจำจึงมีความจำเป็นอย่างยิ่งในพื้นที่ที่มีแนวโน้มให้สารปนเปื้อนสะสมตัวเป็นเวลานาน

การเลือกประเภทหอคอย: การจับคู่รูปแบบโครงสร้างให้สอดคล้องกับหน้าที่และการใช้งานในสภาพแวดล้อม

บทบาทในการทำงาน: หอคอยแบบแขวน แบบดึง แบบสลับตำแหน่ง และแบบข้าม

ลักษณะการทำงานของหอส่งไฟฟ้าจะเป็นตัวกำหนดรูปร่างทางกายภาพและการก่อสร้างของหอนั้น โดยหอแบบแขวน (Suspension towers) จะทำหน้าที่รองรับสายไฟฟ้าในแนวตั้งตรง โดยใช้ชุดฉนวนยาวที่เราเห็นแขวนอยู่บ่อยครั้ง ทำให้หอประเภทนี้พบเห็นได้ทั่วไปตามแนวสายส่งไฟฟ้าตรง ส่วนเมื่อเส้นทางต้องเปลี่ยนทิศทางหรือข้ามแม่น้ำ จะใช้หอแบบดึงตึง (tension towers) ซึ่งออกแบบมาโดยเฉพาะเพื่อรับแรงที่เกิดขึ้นเมื่อด้านใดด้านหนึ่งของสายมีแรงดึงมากกว่าอีกด้าน นอกจากนี้ยังมีหอสลับเฟส (transposition towers) ที่ทำหน้าที่สลับตำแหน่งของเฟสทั้งสามเฟสบนสายส่ง เพื่อให้ระบบสมดุลตลอดระยะทางหลายร้อยไมล์ และยังมีหอข้าม (crossing towers) ที่ทำหน้าที่ยกสายไฟให้สูงพอที่จะข้ามถนน ทางรถไฟ หรือภูเขาได้ การเลือกใช้หอชนิดผิดที่อาจก่อให้เกิดความอันตรายได้ ลองจินตนาการถึงการติดตั้งหอแขวนธรรมดาบริเวณโค้งที่ควรใช้หอแบบดึงตึงแทน ในช่วงพายุหรือลมแรง การเลือกใช้หอผิดประเภทอาจทำให้เกิดความล้มเหลวและแพร่กระจายอย่างรวดเร็วไปทั่วทั้งระบบโครงข่ายไฟฟ้า

ข้อแลกเปลี่ยนระหว่างวัสดุและรูปแบบ: โครงข่ายตาข่าย (lattice) เทียบกับเสาแบบท่อ (tubular) เทียบกับเสาเดี่ยว (monopole) สำหรับสายส่งไฟฟ้าแรงสูง 400 กิโลโวลต์ขึ้นไป

การคัดเลือกต้องคำนึงถึงสมดุลระหว่างประสิทธิภาพ การขนส่ง และสิ่งแวดล้อม:

• หอคอยเรตติช , สร้างจากเหล็กกล้าชุบสังกะสีรูปตัวมุม มีอัตราส่วนความแข็งแรงต่อน้ำหนักที่เหนือกว่า และสามารถขยายขนาดได้อย่างเป็นโมดูลาร์—ทำให้เป็นทางเลือกมาตรฐานสำหรับโครงการ 400 กิโลโวลต์ขึ้นไปที่ต้องการความสามารถในการรับน้ำหนักสูงสุดและความทนทานต่อแผ่นดินไหว รูปทรงเรขาคณิตแบบสามเหลี่ยมช่วยกระจายพลังงานจลน์ได้อย่างมีประสิทธิภาพ โดยเฉพาะในพื้นที่ที่เสี่ยงต่อแผ่นดินไหว
• เสาเหล็กแบบท่อ มีผลกระทบต่อทัศนียภาพน้อยลงและใช้พื้นที่ฐานน้อยกว่า โดยส่วนที่ปิดสนิทช่วยลดการสัมผัสกับการกัดกร่อน อย่างไรก็ตาม ข้อจำกัดด้านการขนส่งทำให้ความสูงที่เหมาะสมมีข้อจำกัดในแอปพลิเคชันแรงดันไฟฟ้าสูงมาก
• เสาเดี่ยว , แม้จะติดตั้งได้เร็วกว่าและใช้พื้นที่น้อยกว่า แต่วัสดุจะมีต้นทุนเพิ่มขึ้นอย่างมากเมื่อเกิน 230 กิโลโวลต์ การก่อสร้างผนังตันให้ความต้านทานได้ดีเยี่ยมต่อแรงโหลดของน้ำแข็งที่ไม่สมมาตร—ซึ่งเป็นข้อได้เปรียบโดยเฉพาะในพื้นที่ภูเขาสูง

องค์ประกอบโครงสร้างหลักและความสมบูรณ์ของเส้นทางการรับแรงในหอส่งไฟฟ้า

จากคานขวางถึงฐานราก: การมั่นใจในการถ่ายโอนแรงอย่างต่อเนื่องภายใต้สภาวะขัดข้อง

ความแข็งแรงเชิงโครงสร้างของระบบนี้ขึ้นอยู่กับการถ่ายโอนแรงที่ต่อเนื่อง เริ่มตั้งแต่จุดยึดตัวนำ ผ่านคานขวาง ไปตามตัวหอ และสุดท้ายถึงฐานราก คานขวางเหล่านี้ต้องรับแรงต่างๆ เช่น แรงดันลม การสะสมของน้ำแข็ง และผลทางแม่เหล็กไฟฟ้า ก่อนจะส่งต่อไปยังโครงสร้างหลัก โดยเฉพาะในหอลวดตาข่าย เส้นทางการรับแรงจะเกิดขึ้นผ่านข้อต่อแบบยึดสลักหรือเชื่อม ซึ่งจำเป็นต้องมีความสำรองในตัวเพื่อป้องกันปัญหาการโก่งตัว ขณะที่การออกแบบแบบท่อและเสาเดี่ยวทำงานต่างออกไป โดยพึ่งพาข้อต่อแปลนที่แข็งแรงระหว่างชิ้นส่วน รวมถึงแผ่นเสริมความแข็งภายในเพื่อให้ได้การรองรับที่เพียงพอ ส่วนฐานรากไม่ว่าจะฝังลงในพื้นดินโดยตรงหรือสร้างด้วยระบบกริลเลจ ต้องสามารถรองรับการเพิ่มขึ้นของแรงอย่างฉับพลันได้ประมาณ 2.5 เท่าของระดับปกติในเหตุการณ์ไม่คาดคิด เช่น เมื่อสายตัวนำขาดอย่างกะทันหัน ตามมาตรฐานอุตสาหกรรมที่กำหนดไว้ใน IEC 61936:2020 การวิเคราะห์ด้วยไฟไนต์เอลิเมนต์ช่วยให้วิศวกรเห็นภาพการกระจายของแรงเค้นตลอดทุกส่วนประกอบ โดยมีเป้าหมายเพื่อกำจัดความเป็นไปได้ที่ระบบจะล้มเหลวจากจุดบกพร่องเพียงจุดเดียว ปัจจัยสำคัญที่ต้องตรวจสอบในกระบวนการตรวจสอบมักจะเกี่ยวข้องกับ...

เหล็กความเหนียวสูง (เช่น S460ML+) ช่วยให้เกิดการเปลี่ยนรูปร่างแบบพลาสติกแทนที่จะแตกหักอย่างเปราะเมื่อรับน้ำหนักเกิน พร้อมเคลือบป้องกันการกัดกร่อนที่จุดต่อเชื่อม—ซึ่งได้รับการตรวจสอบแล้วสำหรับพื้นที่ชายฝั่งหรือพื้นที่ที่มีสารเคมีกัดกร่อน—และรักษาน้ำหนักการใช้งานไว้ตลอดอายุการใช้งานเพื่อคงความต่อเนื่องของเส้นทางถ่ายแรง

การตรวจสอบความแข็งแรงทางกลและการปฏิบัติตามข้อกำหนดสำหรับระบบหอคอยไฟฟ้าแรงสูง

เมื่อพูดถึงการตรวจสอบโครงสร้าง วิศวกรจะยึดถือตามมาตรฐานสากลที่ได้รับการยอมรับอย่างดี เช่น IEC 60652 สำหรับการทดสอบเชิงกลของชิ้นส่วนสายไฟฟ้าเหนือศีรษะ และ ASCE 10-15 ซึ่งเกี่ยวข้องโดยตรงกับการออกแบบหอส่งไฟฟ้าเหล็ก ระหว่างการทดสอบเต็มรูปแบบ ต้นแบบจะถูกทดสอบภายใต้เงื่อนไขจำลองต่างๆ รวมถึงความเร็วลมที่สามารถถึง 150 กิโลเมตรต่อชั่วโมง ภาระแนวตั้งหลากหลายรูปแบบ ทั้งน้ำหนักตายและภาระที่ทำงานจริง รวมไปถึงสถานการณ์ที่สายไฟขาดอย่างไม่คาดฝัน การทดสอบเหล่านี้เลียนแบบแรงเครียดทางกลที่รุนแรงที่สุดที่อาจเกิดขึ้นได้ในสถานการณ์จริง เพื่อตรวจสอบว่าแรงต่างๆ ส่งผ่านโครงสร้างอย่างไร เราใช้เซลล์วัดแรงที่ได้รับการสอบเทียบเพื่อวัดจุดที่เกิดแรงดัน ในขณะที่กล้องธีโอดอลไลต์ใช้ติดตามการเคลื่อนไหวหรือการแปรผันต่างๆ ตั้งแต่คานขวางลงไปจนถึงจุดยึดฐานราก สิ่งที่เราได้รับหลังการรับรองไม่ใช่แค่หลักฐานว่าทุกอย่างเป็นไปตามข้อกำหนดเท่านั้น แต่ยังแสดงให้เห็นถึงขอบเขตความปลอดภัยที่เกินกว่าข้อกำหนดในการปฏิบัติงานจริงระหว่าง 25% ถึง 40% ความละเอียดรอบคอบในระดับนี้มีความสำคัญอย่างยิ่ง เพราะเมื่อเกิดปัญหาในระบบเครือข่ายแรงดันสูงที่มากกว่า 400 กิโลโวลต์ ความล้มเหลวเพียงจุดเดียวที่ตำแหน่งสำคัญอาจก่อให้เกิดปัญหาลุกลามไปยังหลายพื้นที่และเขตอำนาจต่างๆ

คำถามที่พบบ่อย

การวิเคราะห์ด้วยไฟไนต์เอลิเมนต์มีความสำคัญอย่างไรต่อโครงสร้างเสาส่งไฟฟ้าแรงสูง

การวิเคราะห์ด้วยไฟไนต์เอลิเมนต์มีความสำคัญอย่างยิ่ง เนื่องจากช่วยให้วิศวกรเข้าใจว่าปัจจัยต่างๆ ที่ก่อให้เกิดแรงเครียด เช่น ลม น้ำแข็ง และแรงแม่เหล็กไฟฟ้า มีปฏิสัมพันธ์กันอย่างไร ซึ่งจะช่วยให้ออกแบบและเสริมความแข็งแรงของเสาได้อย่างเหมาะสมที่สุด

ข้อแตกต่างหลักระหว่างโครงสร้างเสาแบบตะแกรง (lattice towers) กับเสาแบบโมโนโพลคืออะไร

เสาแบบตะแกรงมีอัตราส่วนความแข็งแรงต่อน้ำหนักที่เหนือกว่า จึงเหมาะสำหรับโครงการที่ต้องการความจุสูง ในขณะที่เสาแบบโมโนโพลติดตั้งง่ายและใช้พื้นที่น้อยกว่า แต่มีต้นทุนสูงขึ้นเมื่อเกินระดับ 230 กิโลโวลต์ และสามารถทนต่อแรงกดจากน้ำแข็งได้ดี

มาตรฐานการปฏิบัติตามข้อกำหนดมีผลต่อการออกแบบเสาส่งอย่างไร

มาตรฐานการปฏิบัติตามข้อกำหนดเป็นตัวกำหนดระยะห่างปลอดภัย ระยะครีพเพจ (creepage distances) และความสามารถในการรับน้ำหนัก เพื่อการเดินเครื่องอย่างปลอดภัย ซึ่งมีผลต่อการเลือกวัสดุ ขนาดของเสา และการออกแบบโดยรวม เพื่อรับมือกับแรงกระทำจากสิ่งแวดล้อมและการใช้งาน