ข้อกำหนดด้านการออกแบบของหอคอยส่งไฟฟ้าแรงสูงคืออะไร

รากฐานทางวิศวกรรมของการส่งผ่านพลังงานไฟฟ้า

หอส่งไฟฟ้าแรงสูงทำหน้าที่รองรับสายตัวนำให้ข้ามระยะทางตั้งแต่หลายร้อยเมตรระหว่างสถานีไฟฟ้าย่อยไปจนถึงหลายพันกิโลเมตรทั่วทั้งโครงข่ายไฟฟ้าระดับประเทศ แต่ละหอ บ้านหลัง ต้องสามารถรับน้ำหนักคงที่จากสายตัวนำ แรงลมแบบไดนามิก น้ำหนักจากน้ำแข็งที่เกาะตัว และแรงแม่เหล็กไฟฟ้าที่เกิดขึ้นระหว่างเหตุการณ์ลัดวงจร โดยยังคงรักษาระยะห่างที่ปลอดภัยเพื่อป้องกันการลัดวงจรแบบอาร์ค (flashover) ได้อย่างมีประสิทธิภาพ

การออกแบบเริ่มต้นด้วยระดับแรงดันไฟฟ้าและรูปแบบการจัดเรียงตัวของตัวนำ ซึ่งกำหนดความสูงและขนาดของคานขวาง โครงเสาสำหรับระบบสายส่งไฟฟ้าแรงสูง 132 กิโลโวลต์แบบสองวงจร (double-circuit) มีความสูง 25–35 เมตร ส่วนโครงเสาสำหรับระบบ 400 กิโลโวลต์ มีความสูง 40–55 เมตร พร้อมคานขวางที่กว้างขึ้น ทุกเมตรที่เพิ่มขึ้นจะทำให้น้ำหนักเหล็ก เพิ่มปริมาตรคอนกรีตสำหรับฐานราก และเพิ่มข้อกำหนดด้านความสามารถในการยกของเครน — ส่งผลให้ต้นทุนเพิ่มขึ้นในทุกขั้นตอนของโครงการ

โครงการสายส่งไฟฟ้าที่ข้ามเทือกเขาในทวีปอเมริกาใต้ได้เปลี่ยนจากการใช้โครงเสาแบบแลตทิซ (lattice towers) มาเป็นการออกแบบแบบสามเหลี่ยม (delta-configuration) ที่มีขนาดกะทัดรัดมากขึ้น บนพื้นที่ลาดชันที่มีมุมเอียงเกิน 15 องศา โดยพื้นที่ฐานที่แคบลงช่วยลดปริมาณการขุดฐานรากลงประมาณ 40% บนพื้นที่ลาดชันสูง ซึ่งการเข้าถึงพื้นที่ด้วยรถบรรทุกคอนกรีตเป็นอุปสรรคด้านลอจิสติกส์ที่ใหญ่ที่สุดของโครงการ

ข้อกำหนดด้านการออกแบบเชิงโครงสร้าง

รูปทรงเรขาคณิตของโครงเสาแบบแลตทิซ

ลวดลายตาราง บ้านหลัง โครงสร้างประเภทนี้ใช้เหล็กฉากที่เชื่อมต่อกันด้วยข้อต่อแบบยึดด้วยสลักเกลียว ซึ่งสร้างระบบโครงถัก (truss systems) ที่รับแรงโดยอาศัยแรงดึงและแรงอัดตามแนวแกน แทนที่จะรับแรงดัด วิธีนี้ช่วยลดน้ำหนักเหล็กได้ 30–50% เมื่อเปรียบเทียบกับเสาแบบท่อ (tubular poles) ที่มีกำลังรับน้ำหนักเท่ากัน

โครงสร้างตัวเสาออกแบบให้มีหน้าตัดเป็นรูปสี่เหลี่ยมจัตุรัสหรือสี่เหลี่ยมผืนผ้า โดยค่อยๆ ลดขนาดจากส่วนฐานที่กว้างไปยังส่วนยอดที่แคบ สำหรับเสาสายส่งแบบแขวน อัตราส่วนความกว้างของฐานต่อความสูงอยู่ระหว่าง 1:6 ถึง 1:8 ส่วนสำหรับเสาสายส่งแบบมุม อัตราส่วนดังกล่าวอยู่ระหว่าง 1:4 ถึง 1:5 เพื่อรองรับโมเมนต์การพลิกคว่ำที่เพิ่มขึ้นบริเวณจุดเปลี่ยนทิศทาง การกำหนดขนาดของชิ้นส่วนโครงสร้างยึดตามเกณฑ์การรับโหลดตามมาตรฐาน IEC 60826 โดยใช้ข้อมูลความเร็วลมที่มีระยะเวลาเกิดซ้ำ 50 ปี เสาสายส่งในพื้นที่ที่มีแนวโน้มเกิดพายุเฮอริเคนต้องสามารถทนแรงลมได้มากกว่า 200 กิโลเมตรต่อชั่วโมง

การออกแบบฐานราก

ประเภทของฐานรากขึ้นอยู่กับสภาพทางธรณีเทคนิค ฐานรากแบบแผ่ (spread footings) เหมาะสำหรับดินที่มีความสามารถรับน้ำหนักได้ไม่น้อยกว่า 200 กิโลพาสคาล ส่วนฐานรากแบบเข็ม (pile foundations) ใช้ถ่ายโอนน้ำหนักไปยังชั้นดินที่อยู่ลึกลงไป เมื่อดินผิวดินประกอบด้วยทรายหยาบหรือดินเหนียวอ่อน สำหรับฐานรากแบบยึดติดกับหิน (rock-anchored foundations) จะยึดส่วนขาของเสาโดยตรงเข้ากับชั้นหินดาน ซึ่งเป็นทางเลือกที่ประหยัดที่สุดเมื่อชั้นหินดานที่แข็งแรงอยู่ลึกไม่เกิน 1–2 เมตร

แรงยกตัวมักเป็นปัจจัยควบคุมการออกแบบมากกว่าความต้านทานการรับน้ำหนักแบบอัด ลมที่พัดตั้งฉากกับช่วงของสายตัวนำจะสร้างแรงยกตัวบริเวณด้านที่ลมพัดเข้า (windward side) ซึ่งมีค่าสูงกว่าน้ำหนักตายของโครงสร้าง รากฐานต้องสามารถต้านทานแรงแบบเป็นจังหวะเหล่านี้ได้นานหลายสิบปี โดยไม่เกิดการหลุดออกอย่างค่อยเป็นค่อยไป ซึ่งอาจทำให้หอคอยเอียงและลดระยะห่างระหว่างเฟสกับพื้นดินลงต่ำกว่าระดับที่ปลอดภัย

วัสดุและการป้องกันการกัดกร่อน

เหล็กโครงสร้างสอดคล้องตามมาตรฐาน ASTM A36 หรือเกรด S355JR โดยใช้เกรดเหล็กที่มีความแข็งแรงสูงกว่าอย่างเลือกสรรในส่วนที่รับโหลดหนักเป็นพิเศษ การเคลือบสังกะสีแบบจุ่มร้อนตามมาตรฐาน ISO 1461 เป็นวิธีหลักในการป้องกันการกัดกร่อน โดยมีความหนาของชั้นเคลือบขั้นต่ำ 85 ไมโครเมตร สำหรับส่วนที่มีความหนาเกิน 6 มิลลิเมตร สำหรับการติดตั้งในพื้นที่ชายฝั่งที่อยู่ห่างจากน้ำเค็มไม่เกิน 5 กิโลเมตร จะต้องใช้ชั้นเคลือบสังกะสีความหนา 100–140 ไมโครเมตร หรือระบบสีเสริมเพิ่มเติม

ข้อกำหนดด้านการออกแบบระบบไฟฟ้า

การประสานฉนวน

ระยะห่างระหว่างเฟสกับพื้นดินกำหนดขนาดของหน้าต่างหอคอย ปัจจัยแรงดันกระชากจากการสลับวงจร (switching surge factor) ซึ่งโดยทั่วไปอยู่ที่ 2.0–2.5 ต่อหนึ่งหน่วยสำหรับระบบไฟฟ้าที่มีแรงดันสูงกว่า 245 กิโลโวลต์ เมื่อนำมาคูณกับแรงดันระบบสูงสุด จะได้ระยะห่างอากาศขั้นต่ำที่ป้องกันการลัดวงจร (flashover) ได้ มาตรฐาน IEC 60071 ให้กรอบการทำงานด้านการประสานฉนวน (insulation coordination)

การจัดวางสายป้องกัน (shield wire) ต้องทำให้มุมป้องกันจากแนวดิ่งมีค่าไม่เกิน 30 องศา ในพื้นที่ที่มีฟ้าผ่าเฉลี่ยมากกว่า 10 ครั้งต่อตารางกิโลเมตรต่อปี เพื่อให้มั่นใจว่าฟ้าผ่าจะตกกระทบกับสายป้องกันที่ต่อลงดินแทนที่จะตกกระทบกับสายตัวนำเฟส

รูปแบบการจัดวางตัวนำและการรวมตัวนำ (Conductor Configuration and Bundling)

ระบบแรงดันสูงกว่า 220 กิโลโวลต์ ใช้ตัวนำแบบรวมกลุ่ม (bundled conductors) ซึ่งประกอบด้วยตัวนำย่อยสอง เสาม หรือสี่เส้นต่อหนึ่งเฟส โดยแยกออกจากกันด้วยตัวยึดระยะห่าง (spacers) ที่ระยะห่าง 30–60 เมตร การรวมตัวนำช่วยลดความชันของสนามไฟฟ้า (electric field gradient) ให้ต่ำกว่าค่าที่ทำให้เกิดปรากฏการณ์โคโรนา (corona inception threshold) ซึ่งเป็นสาเหตุของเสียงรบกวน คลื่นรบกวนวิทยุ และการสูญเสียพลังงานจากการไอออไนเซชัน ระยะห่างระหว่างตัวนำย่อยที่เหมาะสมคือ 400–500 มิลลิเมตร ซึ่งช่วยลดความชันของสนามไฟฟ้าได้อย่างมีประสิทธิภาพ โดยไม่ก่อให้เกิดความเสี่ยงต่อการสั่นสะเทือนในช่วงย่อยของช่วงแขวน (sub-span oscillation)

ระบบสายดิน

ค่าความต้านทานที่ฐานของหอคอยต่ำกว่า 10 โอห์มเป็นเป้าหมายที่ยอมรับโดยทั่วไป แม้ว่าค่าความต้านทานสูงถึง 20–25 โอห์มจะยังคงยอมรับได้ในดินที่มีค่าความต้านทานสูง สายดินแบบเคาน์เตอร์โพส (counterpoise) ที่ฝังไว้แบบกิ่งรัศมีจากแต่ละขาของหอคอยช่วยลดค่าความต้านทานในกรณีที่ใช้ขั้วต่อลงดินแนวตั้งเพียงอย่างเดียวไม่สามารถบรรลุเป้าหมายได้ ระบบการต่อพื้นดินนี้สามารถรองรับกระแสฟ้าฟ้าผ่าที่มีค่าสูงสุด 20–50 กิโลแอมแปร์ โดยไม่ทำให้เกิดศักย์สัมผัส (touch potential) หรือศักย์ก้าว (step potential) เกินเกณฑ์ความปลอดภัยตามมาตรฐาน IEC 60479

คำถามที่พบบ่อย

หอคอยแบบแขวนและหอคอยแบบมุมต่างกันอย่างไร

หอคอยแบบแขวนใช้รองรับตัวนำในแนวตั้งตามส่วนของสายที่เป็นเส้นตรง โดยรับแรงหลักในแนวตั้ง ส่วนหอคอยแบบมุมใช้ยึดตัวนำบริเวณจุดเปลี่ยนทิศทาง โดยรับแรงตึงแนวนอนเต็มรูปแบบของตัวนำ หอคอยแบบมุมจึงใช้โครงสร้างที่หนักกว่า ฐานที่กว้างกว่า และรากฐานที่ใหญ่กว่า สายส่งไฟฟ้ามักใช้หอคอยแบบแขวนสำหรับระยะทาง 80–90% ของความยาวทั้งหมด และใช้หอคอยแบบมุมเฉพาะที่จุดเปลี่ยนทิศทาง

ความสูงของหอคอยส่งไฟฟ้ากำหนดอย่างไร

ระยะห่างจากตัวนำถึงพื้นดินที่ปลอดภัยเมื่ออยู่ที่อุณหภูมิการใช้งานสูงสุด — ซึ่งเกิดขึ้นเมื่อการขยายตัวจากความร้อนทำให้สายย้อยลงมากที่สุด — เป็นตัวกำหนดความสูงต่ำสุด ความสูงรวมจะได้มาจากการบวกความยาวของชุดฉนวน ความลึกของคานขวาง และความสูงสูงสุดของสายป้องกัน (shield wire)

หอส่งไฟฟ้าต้องสามารถทนต่อความเร็วลมระดับใดได้บ้าง

ความเร็วลมในการออกแบบมีช่วงตั้งแต่ 120 กม./ชม. สำหรับพื้นที่ภายในประเทศที่ได้รับการปกป้อง ไปจนถึงมากกว่า 250 กม./ชม. สำหรับเขตที่มีพายุเขตร้อน มาตรฐาน IEC 60826 จัดหมวดหมู่ความหยาบของพื้นผิวภูมิประเทศและให้สูตรการคำนวณแรงดันลม ผู้ผลิต เช่น Liaoning Sinotech Group จัดหาหอส่งไฟฟ้าที่ออกแบบมาเฉพาะเพื่อตอบสนองข้อกำหนดของโซนลมในแต่ละภูมิภาค

เหตุใดจึงนิยมใช้หอโครงแลตทิซมากกว่าเสาแบบท่อสำหรับระบบส่งไฟฟ้าแรงสูง

หอคอยแบบโครงตาข่ายใช้เหล็กน้อยลง 30–50% เนื่องจากการจัดเรียงแบบโครงถักช่วยรับแรงให้เป็นแรงดึงหรือแรงอัดตามแกนแทนที่จะเป็นโมเมนต์ดัด น้ำหนักที่ลดลงส่งผลให้ต้นทุนวัสดุและค่าก่อสร้างฐานรากลดลง การยึดติดด้วยสลักเกลียวทำให้สามารถขนส่งส่วนประกอบแยกชิ้นได้อย่างกะทัดรัด โดยเหล็กมุมสำหรับหอคอย 40 ต้นสามารถบรรจุในคอนเทนเนอร์ได้เพียง 8–10 ส่วนเทียบเท่ากับเสาทรงกลมแบบท่อน

หอคอยส่งไฟฟ้ารับมือกับภาระน้ำแข็งอย่างไร

การสะสมของน้ำแข็งเพิ่มน้ำหนักสายส่ง 2–10 กิโลกรัมต่อเมตร ซึ่งทำให้ภาระรวมเพิ่มขึ้น 3–8 เท่า การออกแบบคำนึงถึงน้ำหนักสายส่งที่มีน้ำแข็งเคลือบควบคู่ไปกับการลดภาระลม — โดยทั่วไปแล้วพายุรุนแรงมักไม่เกิดขึ้นพร้อมกับความเร็วลมสูงสุด การหลุดลอกของน้ำแข็งแบบไม่สมมาตรก่อให้เกิดภาระไม่สมดุลตามแนวยาว ซึ่งหอคอยแบบเอียงจำเป็นต้องต้านทานไว้

อายุการใช้งานของหอคอยส่งไฟฟ้าที่ออกแบบอย่างเหมาะสมคือเท่าใด

หอคอยเหล็กโครงตาข่ายที่ผ่านการชุบสังกะสีสามารถใช้งานได้นาน 50–70 ปี โดยต้องมีการตรวจสอบเป็นระยะ ปัจจัยที่จำกัดอายุการใช้งานคือการกัดกร่อนบริเวณข้อต่อแบบยึดด้วยโบลต์ ซึ่งชั้นสังกะสีอาจบางลงตามกาลเวลา การเปลี่ยนชิ้นส่วนเหล็กมุมแต่ละชิ้นในระหว่างการบำรุงรักษาตามกำหนด จะช่วยยืดอายุการใช้งานให้เกิน 80 ปี ทำให้หอคอยโครงตาข่ายเป็นหนึ่งในทรัพย์สินโครงสร้างพื้นฐานของระบบส่งไฟฟ้าที่ทนทานที่สุด