สายไฟฟ้าและทาวเวอร์เหนือพื้นดิน: ประเภท การออกแบบ และความปลอดภัย

นอกจากสถานีไฟฟ้าแรงสูงแล้ว สิ่งที่เราพบเห็นบ่อยๆ คือสายส่งและกระจายไฟฟ้า หอคอยสูงๆ ขนานนี้แบกสายไฟที่ข้ามภูเขาและทะเล ทอดยาวออกไปจนถึงเมืองและหมู่บ้าน นี่เป็นเรื่องที่น่าสนใจเช่นกัน—วันนี้เรามาสำรวจสายส่งไฟฟ้าและหอคอยที่สนับสนุนพวกมันกัน

การส่งและการกระจายไฟฟ้า

ก่อนอื่น มาทำความเข้าใจว่าไฟฟ้าถูกส่งผ่านอย่างไร ธุรกิจผลิตไฟฟ้าประกอบด้วยสี่ขั้นตอนหลัก: การผลิตไฟฟ้า การส่ง (สถานีไฟฟ้า) การกระจาย และการใช้งาน

• การผลิต รวมถึงเครื่องกำเนิดไฟฟ้าประเภทต่างๆ ทั้งแบบดั้งเดิม เช่น โรงไฟฟ้าพลังถ่านหินและพลังน้ำ ตลอดจนแหล่งพลังงานสมัยใหม่ เช่น ลมและแสงอาทิตย์ ทั้งหมดนี้อยู่ในหมวดของการผลิต

• การส่ง อาศัยสายส่งและหอคอย

• สถานีไฟฟ้า (หรือการแปลง) ใช้ทรานสฟอร์เมอร์เป็นหลัก ทรานสฟอร์เมอร์เพิ่มแรงดันที่โรงไฟฟ้าเพื่อการส่งทางไกลอย่างมีประสิทธิภาพ ในขณะที่ทรานสฟอร์เมอร์ลดแรงดันบนฝั่งการกระจายเพื่อให้เหมาะสมกับระบบการกระจายในพื้นที่และผู้ใช้ปลายทาง

• การกระจาย บนฝั่งผู้บริโภคใช้ทรานสฟอร์เมอร์ลดแรงดัน อุปกรณ์แรงดันกลางและต่ำ สวิตช์เกียร์ และสายไฟ

• การใช้งาน หมายถึงอุปกรณ์ไฟฟ้าในบ้าน ตลอดจนการใช้พลังงานในโครงสร้างพื้นฐานของเมือง อาคาร โรงงานอุตสาหกรรม และการใช้งานอื่นๆ

ในแง่ของโครงสร้าง สายส่งไฟฟ้าถูกแบ่งออกเป็นสองประเภทหลัก: สายส่งไฟฟ้าเหนือศีรษะและสายเคเบิล ด้านล่างนี้เป็นแผนภาพของระบบส่งไฟฟ้า:

แรงดันระดับใดที่เหมาะสมสำหรับการส่งไฟฟ้าทางไกล? เพื่อลดการสูญเสียในการส่งและเพิ่มประสิทธิภาพ แรงดันไฟฟ้าสลับ 500 กิโลโวลต์ขึ้นไปมักถูกใช้ในการส่งไฟฟ้า แรงดันในช่วง 500 กิโลโวลต์ถึง 750 กิโลโวลต์ถูกจัดเป็นการส่งไฟฟ้าแรงสูงมาก (EHV) ส่วนระบบ 1000 กิโลโวลต์ AC ถูกเรียกว่าการส่งไฟฟ้าแรงสูงสุด (UHV) ในทางตรงกันข้าม สายส่งที่ทำงานจากแรงดันกลางถึง 110 กิโลโวลต์–330 กิโลโวลต์โดยทั่วไปจะถูกจัดเป็นสายส่งไฟฟ้า โปรดทราบว่าการจำแนกเหล่านี้อาจแตกต่างกันตามความต้องการพลังงานที่เพิ่มขึ้น ความจุของระบบ และรูปแบบการกระจายพลังงานในภูมิภาค

ระดับแรงดันหมายถึงแรงดันระหว่างสาย กล่าวคือ แรงดันระหว่างเฟสใดๆ สองเฟส (A, B, และ C) แรงดัน 220 โวลต์ที่ใช้ในครัวเรือนคือแรงดันเฟส ซึ่งคือแรงดันระหว่างเฟสหนึ่งกับพื้น ในความเป็นจริง ระบบจ่ายไฟในที่อยู่อาศัยมาจากระบบแรงดัน 380 โวลต์ เฉพาะที่ทางเข้าอาคารเท่านั้นที่เฟส (A, B, และ C) จะถูกแยกออกจากกัน—แต่ละเฟสอาจเลี้ยงหน่วยที่อยู่อาศัยที่แตกต่างกัน ที่คุณมักเห็นในเมืองหรือชุมชนที่อยู่อาศัยคือโครงสร้างสี่เหลี่ยมคล้ายกล่อง—นี่คือสถานีไฟฟ้าแบบกล่อง (หรือสถานีไฟฟ้าแบบกล่อง)

สถานีไฟฟ้าแบบกล่องรวมอุปกรณ์แรงดันกลาง ทรานสฟอร์เมอร์ และอุปกรณ์กระจายไฟฟ้าแรงดันต่ำไว้ด้วยกัน มันแปลงระบบการกระจายไฟฟ้าแรงดันกลางในเมือง (โดยทั่วไป 10 กิโลโวลต์หรือ 20 กิโลโวลต์) เป็นไฟฟ้า 380 โวลต์ที่เหมาะสมสำหรับการใช้งานในที่อยู่อาศัยหรือเทศบาล คุณอาจไม่เห็นสายไฟ เนื่องจากระบบการกระจายไฟฟ้าในเมืองของจีนในปัจจุบันส่วนใหญ่ใช้สายเคเบิลใต้ดิน อย่างไรก็ตาม ในบางพื้นที่ที่อยู่อาศัยเก่าหรือพื้นที่ชนบท คุณยังสามารถเห็นสายส่งเหนือศีรษะที่เชื่อมต่อทรานสฟอร์เมอร์และแล้ววิ่งไปยังอาคารหรือผู้บริโภครายย่อย

ในพื้นที่โล่ง สายส่งเหนือศีรษะที่เราเห็นบ่อยๆ ประกอบด้วยหอคอยและสายนำ มีหลายประเภทของหอคอย และสายส่งไฟฟ้าถูกจำแนกเป็นกระแสตรง (DC) หรือกระแสสลับ (AC)

การผลิตและการใช้ไฟฟ้าในจีนมีความไม่สมดุลทางภูมิศาสตร์อย่างมาก ทรัพยากรพลังงานเช่นถ่านหิน ลม แสงอาทิตย์ และพลังน้ำที่อุดมสมบูรณ์อยู่ในพื้นที่ตะวันตกที่กว้างใหญ่ ในขณะที่ศูนย์โหลดหลักอยู่ห่างออกไปหลายพันกิโลเมตรในพื้นที่กลางและตะวันออก ความไม่สมดุลทางภูมิศาสตร์นี้ทำให้การส่งไฟฟ้าทางไกลเป็นทางออกที่สำคัญ

ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา ด้วยการพัฒนาอย่างรวดเร็วของฐานผลิตไฟฟ้าจากลมและแสงอาทิตย์ขนาดใหญ่ ความต้องการในการส่งไฟฟ้าทางไกลได้เพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง โดยเฉพาะอย่างยิ่งในฐานะกระดูกสันหลังของการส่งไฟฟ้า การสร้างระบบสายส่งไฟฟ้าแรงสูงสุด (UHV) ได้เร่งขึ้น มอบโมเมนตัมที่แข็งแกร่งสำหรับการเปลี่ยนแปลงทางพลังงานและการพัฒนาอย่างยั่งยืนของจีน ทั้งหมดนี้ระบบการส่งทางไกลเหล่านี้อาศัยหอคอยและสายส่งเหนือศีรษะในการเชื่อมต่อระบบ

สายส่งเหนือศีรษะ

สายส่งเหนือศีรษะประกอบด้วยสายนำที่แขวนจากหอคอยโดยใช้ฉนวนและอุปกรณ์ฮาร์ดแวร์ ทำให้มั่นใจว่ามีระยะปลอดภัยระหว่างสายนำและพื้นหรืออาคาร ฟังก์ชันหลักของสายส่งคือการส่งพลังงานไฟฟ้า เชื่อมต่อโรงไฟฟ้าและสถานีไฟฟ้า ทำให้การดำเนินงานแบบขนานเป็นไปได้ และรวมระบบไฟฟ้าเข้าเป็นเครือข่ายเดียว

สายส่งเหนือศีรษะมีข้อดีเช่น ค่าลงทุนต่ำ การก่อสร้างเร็ว การติดตั้งง่ายและสะดวก การระบุปัญหาและอันตรายได้ง่าย และการบำรุงรักษาและการซ่อมแซมที่ง่าย สำหรับการส่งทางไกล สายส่งเหนือศีรษะถูกใช้เป็นหลักเนื่องจากความสามารถในการส่งพลังงานสูง ระยะทางการส่งยิ่งยาว แรงดันที่ต้องการยิ่งสูง

อย่างไรก็ตาม เนื่องจากสายส่งเหนือศีรษะกระจายอย่างกว้างขวางและทำงานอย่างต่อเนื่องในสภาพแวดล้อมกลางแจ้ง พวกมันมักถูกกระทบโดยสภาพแวดล้อมและปัจจัยธรรมชาติ นำไปสู่ปัญหาการดำเนินงานต่างๆ รวมถึงการถูกฟ้าผ่า ความเสียหายจากลม การสะสมน้ำแข็ง การแฟลชโอเวอร์จากการปนเปื้อน ความรบกวนจากภายนอก การแกว่งของสายนำ และปัญหาจากนก

นอกจากนี้ เมื่อทำงานกับสวิตช์เกียร์แรงดันสูง วิศวกรมักต้องเผชิญกับระบบแรงดันสูง (HV) แรงดันสูงมาก (EHV) และแรงดันสูงยิ่ง (UHV) ส่วนใหญ่จะเชื่อมต่อกันผ่านสายไฟฟ้าที่อยู่เหนือพื้นดิน ดังนั้น ข้อกำหนดทางเทคนิคสำหรับอุปกรณ์แรงดันสูงจึงมีความสัมพันธ์ใกล้ชิดกับสภาพของสาย เช่น สภาพแวดล้อมในการทำงานและเงื่อนไขการใช้งาน การเข้าใจลักษณะและพฤติกรรมของความเสียหายของสายไฟฟ้าที่อยู่เหนือพื้นดินจึงเป็นสิ่งสำคัญในการทำความเข้าใจข้อกำหนดทางเทคนิคของอุปกรณ์แรงดันสูง

องค์ประกอบของสายส่งไฟฟ้าเหนือพื้นดิน

องค์ประกอบหลักของสายส่งไฟฟ้าเหนือพื้นดินรวมถึงฐานราก หอคอย สายนำ ฉนวนไฟฟ้า อุปกรณ์ฮาร์ดแวร์ (อุปกรณ์ต่อพ่วง) อุปกรณ์ป้องกันฟ้าผ่า (เช่น สายดินเหนือพื้นดินและตัวจำกัดแรงดัน) และระบบดิน สายส่งไฟฟ้าสมัยใหม่อาจรวมถึงอุปกรณ์เสริมเช่น สายดินแสง (OPGW) และระบบสื่อสารผ่านสายส่งไฟฟ้า

(1) สายนำ

สายนำมีหน้าที่ส่งกระแสไฟฟ้าและส่งพลังงานไฟฟ้า สายนำเดี่ยวต่อเฟสเป็นเรื่องปกติสำหรับสายส่งมาตรฐาน แต่สำหรับสายส่ง EHV และสายส่งที่มีกำลังสูง มักจะใช้สายนำแบบรวมกลุ่ม—โดยใช้สอง สาม สี่ หรือมากกว่าสายย่อย (มักจัดเรียงในรูปวงกลม)—เพื่อลดการปล่อยประจุโคโรนา ลดการสูญเสียพลังงาน และลดการแทรกแซงกับสัญญาณวิทยุ โทรทัศน์ และสัญญาณการสื่อสารอื่น ๆ

(2) สายดิน (Ground Wires) และระบบดิน

สายดินถูกแขวนไว้ที่ด้านบนของหอคอยส่งไฟฟ้าและเชื่อมต่อกับระบบดินที่แต่ละหอคอยผ่านสายลงดิน ในระหว่างการฟ้าผ่า สายดินซึ่งตั้งอยู่เหนือสายนำเฟสจะทำหน้าที่รับฟ้าผ่าและส่งกระแสไฟฟ้าผ่านระบบดินลงไปในพื้นดินอย่างปลอดภัย ทำให้ลดโอกาสที่สายนำจะถูกฟ้าผ่าโดยตรง ปกป้องฉนวนของสายจากความเสียหายจากแรงดันสูงเกิน และรับประกันการทำงานที่เชื่อถือได้ สายดินมักจะติดตั้งตลอดความยาวของสายส่งที่มีระดับแรงดัน 110 kV ขึ้นไป และมักทำจากสายเหล็กชุบสังกะสี

(3) หอคอย (Pylons)

หอคอยสนับสนุนสายนำและสายดินพร้อมกับอุปกรณ์ฮาร์ดแวร์ที่เกี่ยวข้อง รักษาช่องว่างทางไฟฟ้าที่ปลอดภัยระหว่างสายนำ หอคอย พื้นดิน และโครงสร้างหรืออาคารที่ตัดผ่าน

(4) ฉนวนและสายฉนวน

ฉนวนเป็นส่วนประกอบหลักในการแยกไฟฟ้าของสายส่ง ทำหน้าที่รองรับหรือแขวนสายนำในขณะที่แยกไฟฟ้าระหว่างสายนำกับหอคอย รับประกันความแข็งแรงทางดายไฟฟ้าที่เชื่อถือได้ ฉนวนต้องทนทานต่อแรงกดดันทางกล แรงดันไฟฟ้า และแก๊สในอากาศที่กัดกร่อน

(5) ฮาร์ดแวร์ (อุปกรณ์ต่อพ่วง)

ฮาร์ดแวร์ของสายส่งไฟฟ้ามีบทบาทสำคัญในการรองรับ ยึด ต่อ และป้องกันสายนำและสายดิน รับประกันการเชื่อมต่อที่แข็งแรงและเชื่อถือได้ ฮาร์ดแวร์แบ่งออกเป็นห้าประเภทหลักตามฟังก์ชัน: คลิปสาย ตัวต่อเชื่อม ตัวต่อสาย ตัวป้องกัน และตัวยึดสายดิน

(6) ฐานราก

ฐานรากยึดหอคอยกับพื้นดิน เพื่อป้องกันการเอียง ล้ม หรือทรุดตัว

เราจะตรวจสอบรายละเอียดของแต่ละส่วนในบทสนทนาต่อไป

(7) หอคอย (Pylons)

มีประเภทของสายส่งและหอคอยมากมาย ด้วยระดับแรงดันสูงสุดถึง 1000 kV วัสดุของหอคอยรวมถึงไม้ คอนกรีต โครงเหล็กตาข่าย และโครงเหล็กท่อ และรูปร่างและออกแบบมีความหลากหลาย วัตถุประสงค์ของสายส่งคือการส่งพลังงานไฟฟ้าจากปลายหนึ่งไปยังอีกปลายหนึ่งด้วยการสูญเสียน้อยที่สุด ดังนั้น ภายในระดับแรงดันเดียวกัน สายส่งถูกออกแบบมาเพื่อลดความต้านทานและเพิ่มพื้นที่ภาคตัดขวางของสายนำ หอคอยมีหน้าที่สนับสนุนสายส่งและป้องกันการสัมผัสกับวัตถุนำไฟฟ้าอื่น ๆ ที่อาจทำให้เกิดความเสียหายจากการต่อพื้น ดังนั้น หอคอยถูกสร้างให้มีความสูงและความมั่นคงทางโครงสร้าง ภาพด้านล่างแสดงประเภทของหอคอยที่พบบ่อย

ตามฟังก์ชันที่ใช้จริงในงานวิศวกรรม หอคอยถูกจำแนกออกเป็นหลายประเภท: หอคอยแนวตรง (หอคอยยึด) หอคอยมุม (หอคอยเปลี่ยนทิศทาง) หอคอยปลายทาง (สำหรับเชื่อมต่อกับและออกจากสถานีแปลงไฟฟ้า) หอคอยสลับเฟส (ใช้สำหรับการหมุนเฟส) และหอคอยระยะยาว (ออกแบบมาเพื่อข้ามแม่น้ำ ทะเลสาบ หรือช่องแคบขนาดใหญ่) ที่ฐานของแต่ละหอคอยคือฐานราก สายนำถูกแขวนจากแขนขวางผ่านสายฉนวน

หากคุณมองใกล้ ๆ ที่หอคอยโครงเหล็กตาข่าย คุณจะเห็น "เขา" ขนาดเล็กสองอันยื่นขึ้นไป—อยู่ทั้งสองข้าง—ขนานกับสายบาง ๆ สายเหล่านี้ไม่ใช่สำหรับส่งไฟฟ้า แต่เป็นสายดินเหนือพื้นดิน (สายดิน) หรือเรียกว่าสายดิน ใช้สำหรับป้องกันฟ้าผ่า

หอคอยส่งไฟฟ้ามีรูปร่างหลากหลาย สำหรับสายส่งเดี่ยว รูปแบบที่พบบ่อยรวมถึงชนิด "แก้วไวน์" ที่มีสายนำเรียงเป็นแนวนอนและชนิด "หัวแมว" ที่มีสายนำเรียงเป็นรูปสามเหลี่ยม ในพื้นที่ที่มีสิทธิในการใช้ที่ดินจำกัด หรือในพื้นที่ที่มีการพัฒนาเศรษฐกิจที่ที่ดินหายาก หอคอยขนาดเล็กที่สามารถส่งสองหรือสี่วงจรบนโครงสร้างเดียวกันมักถูกใช้ สำหรับสายส่งไฟฟ้า DC แรงดันสูงยิ่ง (UHV) ยังมีหอคอย T ที่สนับสนุนสองวงจรแขวนอยู่ใต้—ด้านหนึ่งเป็นขั้วบวก และอีกด้านหนึ่งเป็นขั้วลบ

ทางเดินสายส่งไฟฟ้าหมายถึงพื้นที่รูปแถบที่ขยายออกไปจากสายนำที่อยู่นอกสุดของสายส่งไฟฟ้าแรงดันสูงเหนือพื้นดิน ความกว้างของพื้นที่นี้ขึ้นอยู่กับระดับแรงดันและถูกควบคุมภายใต้ กฎระเบียบการคุ้มครองสิ่งอำนวยความสะดวกทางไฟฟ้า ตัวอย่างเช่น โซนป้องกันสำหรับสายส่ง 500 kV มีความกว้าง 20 เมตร ภายในโซนนี้อนุญาตให้มีการทำกิจกรรมทางการเกษตรในระดับจำกัด แต่ห้ามกองวัสดุที่ติดไฟหรือสร้างอาคารอย่างเคร่งครัด

คุณอาจสังเกตเห็นอุปกรณ์รูปทรงคล้ายกับเข็มแหลมและ"กังหันลม"ขนาดเล็กที่ติดตั้งบนเสาส่งไฟฟ้า พวกมันมีไว้เพื่ออะไร? ทั้งหมดนี้เป็นอุปกรณ์ป้องกันนก! เข็มแหลมป้องกันการสร้างรังของนก ในขณะที่อุปกรณ์"กังหันลม"เล็ก ๆ ที่หมุนได้นั้นจะทำให้นกรู้สึกกลัว—ทั้งสองอย่างนี้มักถูกติดตั้งบนเสา

โครงสร้างของเสาส่งไฟฟ้านั้นเป็นสถานที่ที่เหมาะสมสำหรับนกในการสร้างรัง แต่กระดานนกเป็นสารนำไฟฟ้า เมื่อมีการปล่อยออกมาบนสายฉนวน มันสามารถสร้างทางนำระหว่างสายไฟและพื้นดิน ซึ่งอาจทำให้เกิดการฟลัชโอเวอร์ การผิดปกติทางดิน หรือแม้กระทั่งการลัดวงจรระหว่างเฟส ดังนั้นสายส่งไฟฟ้าจึงมีความเสี่ยงต่อสิ่งที่อาจเรียกว่า "นกโกรธ" นอกจากนี้ต้นไม้สูงใกล้กับสายส่ง (หรือทางเดิน) ก็สามารถเป็นภัยคุกคามต่อการทำงานที่ปลอดภัยเช่นกัน—เช่นโดยการละเมิดระยะปลอดภัยจากพื้นดินหรือการลัดวงจร—และต้องได้รับการตัดแต่งอย่างสม่ำเสมอ