ภาพรวมอย่างครอบคลุมเกี่ยวกับสายส่งไฟฟ้าแรงสูงและฉนวนคอมโพสิต: ความท้าทาย การออกแบบ และการประยุกต์ใช้งาน
1 คุณลักษณะและส่วนประกอบของสายส่งไฟฟ้าแรงสูง
1.1 คุณลักษณะของสายส่งไฟฟ้าแรงสูง
สายส่งไฟฟ้าแรงสูงมีต้นทุนต่ำค่อนข้างมากเนื่องจากปริมาณข้อมูลที่ต้องการน้อย สายส่งเหล่านี้มักใช้คอนดักเตอร์สองเส้น หนึ่งเส้นเชื่อมต่อกับขั้วบวก และอีกเส้นเชื่อมต่อกับขั้วลบ สายส่งกระแสตรงมีความทนทานและสามารถส่งกระแสได้ในระยะทางไกล ในการส่งไฟฟ้าแรงสูงบางแห่งในประเทศจีน การส่งกระแสสลับยังได้รับการใช้งานอย่างแพร่หลาย ซึ่งเป็นที่เห็นได้ชัดในชีวิตประจำวัน
1.2 สายส่งไฟฟ้าแรงสูงเป็นส่วนสำคัญของการออกแบบระบบไฟฟ้า
ในการทำงานออกแบบพื้นฐาน ภาพเขียนวิศวกรรมที่จำเป็นสำหรับการก่อสร้างต้องถูกจัดเตรียมและปฏิบัติตามตามกระบวนการการทำงาน การเลือกวัสดุดิบสำหรับแผนการก่อสร้าง ตลอดจนการออกแบบเส้นทาง การก่อสร้าง และปัญหาเกี่ยวกับการจัดเก็บโดยทีมงานก่อสร้างอย่างเหมาะสม จะช่วยให้สายไฟฟ้าทำงานได้ตามปกติ เพิ่มประสิทธิภาพในการทำงาน และเพิ่มผลลัพธ์ในการก่อสร้าง
2 สถานะการพัฒนาของสายส่งไฟฟ้าแรงสูงมาก
เมื่อเทียบกับสายส่งทั่วไป สายส่งไฟฟ้าแรงสูงมาก (UHV) มีข้อกำหนดที่สูงขึ้น เช่น ระดับฉนวนภายนอก เทคโนโลยีวิศวกรรมไฟฟ้า และมาตรการป้องกันสายส่ง ถ้าระดับฉนวนภายนอกของสายส่ง UHV ไม่ได้มาตรฐานหรือมาตรการป้องกันไม่เพียงพอ ปัญหาเช่น การแฟลชโอเวอร์จากการปนเปื้อน แรงดันเกิน และการชำรุดจะเพิ่มขึ้น ดังนั้น การใช้ฉนวนคอมโพสิตบนสายส่ง UHV เป็นสิ่งที่จำเป็นและเป็นส่วนสำคัญของการสร้างโครงข่ายไฟฟ้าสมัยใหม่
3 ปัญหาของฉนวนคอมโพสิตในสายส่ง UHV
3.1 การชำรุดที่ขอบเขต
ปัญหาความเสียหายทางไฟฟ้าของฉนวนคอมโพสิตส่วนใหญ่เกิดจากฟ้าผ่า ซึ่งมีสัดส่วนมากกว่าครึ่งของความเสียหายทั้งหมด แม้ว่าวัสดุจะมีการปรับปรุงอย่างต่อเนื่อง แต่ปัญหาการชำรุดที่ขอบเขตซ้ำๆ ยังคงมีอยู่ ในระหว่างการผลิต แกนกลางและปลอกแสดงอาการหลุดร่วงอย่างมาก และขอบเขตของปลอกและเส้นผ่าศูนย์กลางแกนอาจถูกกัดกร่อน ทำให้เกิดความเสียหายที่ขอบเขตและส่งผลกระทบต่ออายุการใช้งานของฉนวน จำเป็นต้องมีการปรับปรุงและปรับแต่งผลิตภัณฑ์อย่างต่อเนื่องเพื่อลดความเป็นไปได้ของการชำรุดที่ขอบเขต
3.2 การแตกหักแบบเปราะของแกนกลาง
การแตกหักแบบเปราะของแกนกลางเป็นประเภทของปัญหาฉนวนคอมโพสิตที่พบบ่อยในสายส่ง UHV ระหว่างกระบวนการแตกหักแบบเปราะ เส้นใยแกนกลางจะค่อยๆ แตกเนื่องจากการกัดกร่อนของกรด จนกระทั่งทำให้แกนกลางทั้งหมดแตกภายใต้ภาระที่น้อย สาเหตุหลักมีดังนี้:
ประการแรก มักเกิดขึ้นที่ตำแหน่งที่สนามไฟฟ้าแรงสูงสุดค่อนข้างสูง การกลับวงแหวนเกรดดิ้งอาจนำไปสู่การแตกหักแบบเปราะของฉนวนคอมโพสิต ในการแก้ไขปัญหานี้ การออกแบบและการประมวลผลวงแหวนเกรดดิ้งควรทำให้ความแข็งแรงของสนามแม่เหล็กถึงระดับที่กำหนด สามารถหลีกเลี่ยงการแตกหักแบบเปราะของวัสดุได้อย่างมีประสิทธิภาพ
ประการที่สอง อาจเกิดรอยแตกเมื่อปลอกหรือหน้าปลายเสียหาย แต่การใช้แกนกลางทนกรดชนิดไม่มีโบรอนใหม่จะช่วยเพิ่มความทนทานต่อกรดโดยรวม ลดปัญหานี้ลงอย่างมาก ควรทราบว่าไม่ใช่แกนกลางทุกชนิดมีคุณสมบัติทนทานต่อกรดที่ยอดเยี่ยม ดังนั้น จำเป็นต้องมีการประเมินและเลือก แม้ว่าการแตกหักแบบเปราะจะมีผลกระทบที่สำคัญ แต่ความเป็นไปได้ของการเกิดขึ้นค่อนข้างน้อยและสามารถลดลงได้ผ่านการแทรกแซงต่างๆ
3.3 ปัญหาเรื่องการเสื่อมสภาพ
หลังจากใช้งานไปนาน ฉนวนอาจประสบปัญหาการเสื่อมสภาพ โดยมีสาเหตุหลักจากอุณหภูมิและปัจจัยการปล่อยประจุบนพื้นผิว แม้ว่าวัสดุยางซิลิโคนจะมีวงจรชีวิตการเสื่อมสภาพยาว แต่การเสื่อมสภาพในระยะเริ่มต้นยังสามารถเกิดขึ้นได้จากมลภาวะและการสูตรวัสดุ ขณะที่ส่วนใหญ่สามารถรักษาสภาพและคุณสมบัติที่ดีได้ผ่านเจลซิลิโคน แต่การเสื่อมสภาพเป็นสิ่งที่หลีกเลี่ยงไม่ได้ ในการรับรองการทำงานอย่างปลอดภัยของฉนวน จำเป็นต้องมีการทดสอบเริ่มต้น ดังนั้น ต้องมีการตรวจสอบฉนวนคอมโพสิตอย่างสม่ำเสมอเพื่อป้องกันการเสื่อมสภาพต่อไป
3.4 ปัญหาทางกล
ฉนวนคอมโพสิตแสดงความสามารถทางกลที่ลดลงอย่างมากระหว่างการใช้งาน ปัจจุบัน ใช้ฉนวนแบบปลั๊กภายใน แต่มีข้อกำหนดสูงสำหรับวิธีการเชื่อมต่อ ซึ่งมีความแตกต่างอย่างมากในความลาดเอียงของการคลานเมื่อเทียบกับการออกแบบฉนวนแบบม้วนขอบ
4 การกำหนดความยาวของสายฉนวนและระยะทางอากาศขั้นต่ำสำหรับสายส่ง UHV
4.1 ระยะทางฉนวนไฟฟ้าที่พิจารณาในการออกแบบสายส่ง UHV
ข้อกำหนดการจับคู่ฉนวนสำหรับสายส่ง AC 1000kV ต้องรับประกันการทำงานที่ปลอดภัยและเชื่อถือได้ภายใต้เงื่อนไขต่างๆ เช่น แรงดันไฟฟ้าความถี่กำลัง แรงดันไฟฟ้าจากการเปลี่ยนแปลงสวิตช์ และแรงดันไฟฟ้าจากการฟ้าผ่า การแฟลชโอเวอร์ของฉนวนที่ความถี่กำลังเป็นปัจจัยควบคุมหลักของสายฉนวน โครงสร้างฉนวนภายนอกมักคำนวณตามความทนทานต่อการปนเปื้อน ร่วมกับประสบการณ์วิศวกรรมที่มีอยู่ รวมถึงปัจจัยเช่น ความสูงจากระดับน้ำทะเลและการปกคลุมด้วยน้ำแข็ง สำหรับแรงดันไฟฟ้าจากการเปลี่ยนแปลงสวิตช์ ค่าแรงดันไฟฟ้าที่ 1.6p.u. และ 1.7p.u. ถูกนำมาใช้ ถ้าแรงดันไฟฟ้าจากการเปลี่ยนแปลงสวิตช์ไม่สามารถควบคุมจำนวนชิ้นของฉนวนและค่าที่คำนวณได้ต่ำกว่า 50% ของแรงดันไฟฟ้าจากการปล่อยประจุของสายฉนวน จะมีความเสี่ยงจากการปล่อยประจุ ในระบบ UHV แรงดันไฟฟ้าจากการฟ้าผ่าไม่มีความสัมพันธ์โดยตรงกับแรงดันไฟฟ้าในการทำงาน และระดับฉนวนภายนอกที่สูงทำให้แรงดันไฟฟ้าจากการฟ้าผ่าไม่ใช่ปัจจัยที่กำหนด
4.2 ความยาวของสายฉนวน
ภายใต้สภาพการปนเปื้อน ความยาวของสายฉนวนจะถูกกำหนดโดยวิธีการป้องกันการปนเปื้อน ซึ่งรวมถึง: (1) การวัดแรงดันไฟฟ้าจากการแฟลชโอเวอร์ 50% ของฉนวนต่างๆ ภายใต้สภาพบรรยากาศเพื่อได้ความสัมพันธ์ระหว่างแรงดันไฟฟ้าจากการแฟลชโอเวอร์ 50% และความหนาแน่นของเกลือของฉนวนต่างๆ (2) การวัดแรงดันไฟฟ้าที่ทนทานของฉนวน (3) การแก้ไขและคำนวณความหนาแน่นของเกลือละลาย (4) การสอบเทียบผลของอัตราส่วนเถ้าต่อเกลือต่อการปนเปื้อนบนพื้นผิวของฉนวน (5) การแก้ไขความไม่สม่ำเสมอของพื้นผิวด้านบนและด้านล่าง (6) การแก้ไขที่ความสูงจากระดับน้ำทะเลที่สูง และ (7) การคำนวณจำนวนส่วนของฉนวนภายใต้เงื่อนไขแรงดันไฟฟ้าสูงสุด
4.3 การกำหนดระยะทางอากาศขั้นต่ำสำหรับสายส่ง UHV
4.3.1 การคำนวณจำนวนชิ้นฉนวนขั้นต่ำสำหรับการทำงานปกติ
บทความนี้เน้นที่ประเด็นทางวิทยาศาสตร์สำคัญของการเลือกระยะทางอากาศขั้นต่ำสำหรับสายส่ง UHV โดยใช้สายส่งเดี่ยวเป็นวัตถุประสงค์ในการศึกษา ศึกษาอิทธิพลของระยะทางอากาศต่อขนาดเสาไฟฟ้าภายใต้แรงดันไฟฟ้าความถี่กำลังและการฟ้าผ่า กำหนดระยะทางอากาศขั้นต่ำของเสาไฟฟ้าโดยใช้ระยะทางอากาศที่วัดได้ และพิจารณาผลกระทบจากการเสื่อมสภาพของฉนวนต่อโครงสร้างเสาไฟฟ้า นำเสนอระยะทางอากาศขั้นต่ำของเสาไฟฟ้าที่พิจารณาการเสื่อมสภาพของฉนวน
4.3.2 การกำหนดช่องว่างสำหรับแรงดันไฟฟ้าจากการเปลี่ยนแปลงสวิตช์
สิ่งนี้รวมถึงการกำหนดปัจจัยการจับคู่สถิติสำหรับการดำเนินงานแรงดันไฟฟ้าจากการเปลี่ยนแปลงสวิตช์ตามการคำนวณแรงดันไฟฟ้าจากการปล่อยประจุ U50% สำหรับช่องว่างอากาศแต่ละช่อง
ในนี้ Us แทนแรงดันไฟฟ้าจากการเปลี่ยนแปลงสวิตช์ วัดเป็น kV; Z เป็นค่าคงที่ ดังนั้นตั้งค่าเป็น 2.45; สำหรับช่องว่างอากาศเดียว σ1 ตั้งค่าเป็น 0.06; ในนี้ σm คือความแปรปรวนของช่องว่างอากาศหลายช่อง ตั้งค่าเป็น 0.024 ดังนั้น:
ดังนั้น ปัจจัยการจับคู่สถิติ kc สำหรับแรงดันไฟฟ้าจากการเปลี่ยนแปลงสวิตช์ของช่องว่างอากาศคือ:
5 การใช้งานฉนวนคอมโพสิตในสายส่ง UHV
ผ่านการดำเนินงานจริงของสายส่งที่มีอยู่ในประเทศของเรา พบว่าการใช้ฉนวนคอมโพสิตสามารถลดทั้งค่าบำรุงรักษาของสายส่งและมลภาวะต่อระบบไฟฟ้า ในพื้นที่ที่มีการปนเปื้อน แนะนำให้ใช้ฉนวนคอมโพสิต สำหรับสายส่ง 1000kV แนะนำให้ใช้ฉนวนสูงประมาณ 9 เมตร และในพื้นที่ที่มีการปนเปื้อนสูง ควรใช้ฉนวนสูงกว่า 17 เมตร หากใช้การเชื่อมต่อแบบซีรีส์หลายชุด ความสูงของฉนวนสามารถปรับได้ แต่จะเพิ่มน้ำหนักและความยาวของฉนวน ทำให้ค่าใช้จ่ายของสายส่งเพิ่มขึ้น
ในพื้นที่ที่มีความสูงจากระดับน้ำทะเลสูงและมีการปนเปื้อนสูง ฉนวนคอมโพสิตมีประโยชน์ทางเศรษฐกิจ和技术上优势。当组合串长度不超过10米时，可以减少塔窗面积，控制塔载荷，并减少闪络事故的发生。因此，复合材料绝缘子在这方面具有显著的优势。为了确保特高压输电线路长期稳定可靠运行，必须进行深入研究。 一方面，应开展超大吨位复合材料绝缘子的机械性能研究，形成高效的标准和检测方法。此外，在确保复合绝缘子均匀受压的同时，应采取适当措施解决电磁干扰和电晕放电问题，以尽量减少突发事故。合理的灭弧方法可确保有效的灭弧效果。 优化的机械结构保证了破损的绝缘子不会掉落到地面。应建立严格的质量控制标准，禁止不合格产品，对芯棒和伞裙进行严格的材料控制，并从源头改进制造工艺，以减少运行安全隐患。在施工过程中，应实施科学的储存程序，严格控制潜在损坏。应执行有效的维护和检查计划，及时发现安全隐患并采取相应措施，确保生产安全。 6 结论 复合绝缘子在我国电网中的应用越来越广泛，已成为电网建设的重要组成部分。鉴于特高压输电线路对大截面和高负载条件的要求，应优先选择合成绝缘子而非玻璃绝缘子等其他类型。随着特高压输电线路规模的扩大，出现了更多的挑战，对其性能提出了更高的要求。 除了确保复合绝缘子均匀受压外，还应采取适当措施解决电磁干扰和电晕放电问题，以尽量减少突发事故。合理的灭弧方法可确保有效的灭弧效果。优化的机械结构保证了破损的绝缘子不会掉落到地面。应建立严格的质量控制标准，禁止不合格产品，对芯棒和伞裙进行严格的材料控制，并从源头改进制造工艺，以减少运行安全隐患。 在施工过程中，应实施科学的储存程序，严格控制潜在损坏。应执行有效的维护和检查计划，及时发现安全隐患并采取相应措施，确保生产安全。
