ทำไมสายไฟฟ้าบนเสาและหอส่งไฟฟ้าจึงหลวม
ทำไมสายไฟฟ้าที่ติดตั้งบนเสาไฟฟ้าและหอส่งไฟฟ้าถึงดูคล้อย?
ในยุคปัจจุบันที่เทคโนโลยีพัฒนาอย่างรวดเร็ว การขนส่งคน สินค้า และบริการได้กลายเป็นเรื่องที่ง่ายขึ้น ระยะทางทางภูมิศาสตร์ไม่ใช่อุปสรรคที่ยากลำบากอีกต่อไป เช่นเดียวกับสิ่งของที่สามารถส่งผ่านระยะทางไกลได้อย่างมีประสิทธิภาพ ไฟฟ้าเองก็ต้องการส่งผ่านระยะทางไกลเช่นกัน แต่แตกต่างจากสิ่งของที่มีรูปร่าง ไฟฟ้าจำเป็นต้องมีสื่อกลางในการส่งผ่าน
คุณอาจสังเกตเห็นว่าสายส่งไฟฟ้าที่ติดตั้งบนเสาไฟฟ้าและหอส่งไฟฟ้ามักจะดูคล้อย ไม่ได้ตึงแน่นเหมือนที่คาดหวัง ภาพนี้มักทำให้เกิดคำถามว่า ทำไมสายเหล่านี้ถึงไม่ถูกยึดให้แน่น?
ในการสำรวจนี้ เราจะทำความเข้าใจเหตุผลเบื้องหลังความคล้อยของสายไฟฟ้าบนเสาไฟฟ้าและความจำเป็นของความคล้อยในสายส่งและสายจำหน่าย ก่อนที่เราจะดำดิ่งลงไปในรายละเอียด ขอให้เราทบทวนประเด็นสำคัญที่จะช่วยเพิ่มความเข้าใจในปรากฏการณ์ทางวิศวกรรมไฟฟ้านี้
การส่งกำลังไฟฟ้า: หลักการ การสูญเสีย และส่วนประกอบ
พื้นฐานของการส่งกำลังไฟฟ้า
กำลังไฟฟ้าหมายถึงอัตราการทำงาน เมื่อพูดถึงไฟฟ้า งานจะสำเร็จเมื่อพลังงานไฟฟ้าเดินทางผ่านระยะทาง ดังนั้น กำลังไฟฟ้าสามารถกำหนดเป็นปริมาณพลังงานที่ส่งผ่านต่อหน่วยเวลา เพื่อส่งไฟฟ้าผ่านระยะทางไกล สายส่งไฟฟ้าเป็นสื่อกลางที่สำคัญในการส่งผ่านนี้
กำลังไฟฟ้าที่ทำงานจริง ซึ่งเป็นส่วนประกอบของกำลังไฟฟ้าที่ทำให้งานมีประโยชน์ มักวัดเป็นวัตต์ ในกรณีของการส่งกำลังไฟฟ้า การส่งกำลังไฟฟ้าแรงสูงเป็นวิธีที่เลือกใช้เพื่อประหยัดพลังงาน เนื่องจากกระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านตัวนำจะสร้างความร้อน ซึ่งอาจเป็นอันตรายมาก ความร้อนทำให้สายไฟฟ้าเสื่อมสภาพตามกาลเวลา นำไปสู่การสึกหรอและการชำรุดก่อนเวลาอันควร เพื่อลดการสูญเสียพลังงานและรักษาพลังงานที่ส่งผ่าน วิธีที่มีประสิทธิภาพคือลดปริมาณกระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านสายขณะเพิ่มแรงดัน วิธีนี้เรียกว่าการส่งกำลังไฟฟ้าแรงสูง ซึ่งลดพลังงานที่สูญเสียเป็นความร้อนในสายส่งไฟฟ้าได้อย่างมีประสิทธิภาพ
การนำและสูญเสียกำลังไฟฟ้า
ระหว่างกระบวนการส่งกำลังไฟฟ้า จะมีกำลังไฟฟ้าบางส่วนสูญเสียไปสู่สภาพแวดล้อมโดยรอบ เนื่องจากสายส่งไฟฟ้าไม่ได้ฉนวนที่สมบูรณ์ ทำให้มีการกระจายความร้อนและการรั่วไหลของไฟฟ้า ตามกฎของโอห์ม ความต้านทาน (R) ของตัวนำมีความสัมพันธ์โดยตรงกับความยาว (L) ดังนั้น เมื่อความยาวของสายส่งไฟฟ้าเพิ่มขึ้น ความต้านทานก็จะเพิ่มขึ้นเช่นกัน นอกจากนี้ อากาศที่ล้อมรอบสายส่งไฟฟ้าเป็นตัวนำที่ไม่มีประสิทธิภาพและไม่สามารถกระจายความร้อนที่เกิดจากการไหลของกระแสไฟฟ้าได้อย่างมีประสิทธิภาพ
เพื่อลดปัญหาเหล่านี้ สายไฟฟ้าถูกออกแบบให้มีเส้นผ่านศูนย์กลางใหญ่ขึ้น ด้วยเหตุผลที่ความต้านทาน (R) ของตัวนำมีความสัมพันธ์แบบผกผันกับพื้นที่ภาคตัดขวาง โดยการเพิ่มเส้นผ่านศูนย์กลางของตัวนำ พื้นที่ภาคตัดขวางจะเพิ่มขึ้น ทำให้ความต้านทานลดลง ซึ่งลดการสูญเสียกำลังไฟฟ้าเนื่องจากความร้อนที่เกิดขึ้นในสายส่งไฟฟ้า
สายไฟฟ้าและสายเคเบิล
สายเคเบิลและสายไฟฟ้าเป็นตัวนำที่ไฟฟ้าเดินทางผ่าน โดยส่วนใหญ่ทำจากทองแดงเนื่องจากมีความนำไฟฟ้าที่ดี แต่ตัวนำเหล่านี้ไม่ได้ทำจากทองแดงบริสุทธิ์ เพื่อเพิ่มคุณสมบัติทางกล เช่น ความแข็งแรงและความทนทาน ทองแดงจะผสมกับธาตุอื่น ๆ การผสมธาตุเหล่านี้ไม่ทำให้ความนำไฟฟ้าของทองแดงลดลง แต่ทำให้คุณสมบัติทางกลของตัวนำดีขึ้น ทำให้สามารถทนทานต่อการติดตั้งและการใช้งานได้ในขณะที่ยังคงความสามารถในการส่งผ่านไฟฟ้าได้อย่างมีประสิทธิภาพ
กฎของโจลสำหรับการทำความร้อนด้วยไฟฟ้า
ในความเป็นจริง โลหะชนิดใดก็ตามไม่ได้บริสุทธิ์ 100% ดังนั้น โลหะทุกชนิดมีความต้านทานภายใน เมื่อกระแสไฟฟ้าไหลผ่านตัวนำ พลังงานจะกระจายออกไปในรูปของความร้อน ปริมาณความร้อนที่เกิดขึ้นสามารถคำนวณได้โดยใช้กฎของโจลสำหรับการทำความร้อนด้วยไฟฟ้า ซึ่งให้ความเข้าใจพื้นฐานเกี่ยวกับความสัมพันธ์ระหว่างกระแสไฟฟ้า ความต้านทาน และการสร้างความร้อนในวงจรไฟฟ้า
รูปแบบอื่น ๆ ของกฎของโจล
กฎของโจลและผลกระทบของปัจจัยสิ่งแวดล้อมต่อสายไฟฟ้า
ตามที่แสดงโดยกฎของโจลสำหรับการทำความร้อนด้วยไฟฟ้า ความร้อน (P) ที่เกิดจากการไหลของอิเล็กตรอนผ่านตัวนำมีความสัมพันธ์โดยตรงกับความต้านทาน (R) เวลา (t) และกำลังสองของกระแส I^2 เมื่อกระแสไฟฟ้าไหลผ่านตัวนำ จะต้อง客服似乎在处理过程中被中断了，我将继续完成翻译：
根据焦耳定律，电流通过导体时产生的热量(P)与电阻(R)、时间(t)和电流的平方(I^2)成正比。当电流流经导体时，必须克服材料内部的阻力。这种阻力成为电子运动的障碍，导致电流以热的形式向周围环境耗散能量。 天气和温度对电线的影响 导体的电阻受温度影响显著。随着导体温度的升高，其电阻也会增加。这是因为温度升高使导体内的电子获得额外的动能，导致更不规则和随机的运动。这些活跃的电子频繁地与导体材料中的原子碰撞，从而产生热量。 导体中产生的过多热量可能构成严重威胁，可能导致导体熔化并引发系统故障。在炎热的天气条件下，由于热膨胀，导体会膨胀，使得架空电线变得松弛。相反，在寒冷的天气中，导体会收缩，这可能会影响其机械完整性和电气性能。 电线中的张力 当电线或电缆受到两个相反方向的力时，就会产生张力。对于悬挂在电杆或输电塔之间的架空电力线，张力始终存在。如果电线被拉得太紧，张力会显著增加。这种高张力会使电线更容易损坏，因为即使是由于温度变化或机械应力引起的微小收缩或膨胀也可能导致电线断裂。 配电和输电线路中下垂的必要性 输电线路中的下垂是指电缆在支撑结构（如电杆或铁塔）之间出现的明显向下弯曲或凹陷。这种曲率是电线重量和作用在其上的张力共同作用的自然结果。 松散的架空电力线和下垂在电力传输中的重要性 在长距离电力传输和分配过程中，热量散发是一个不可避免的结果。高压传输作为一种策略措施，用于最小化导体内部产生的热量。这是因为根据电气工程原理，通过增加电压来减少电流可以显著降低作为热量耗散的功率（根据焦耳定律 P = I^2R）。此外，天气条件和电线内部温度波动要求架空电力线安装时具有一定的松弛度。 如果电力线绷得很紧，寒冷天气可能会引起传输线收缩。这种收缩会导致线内张力大幅增加。升高的张力可能导致电线和电缆严重损坏，进而导致停电、安全隐患和昂贵的维修费用。为了避免这些不利后果，电力线故意安装得较为松弛。这种设计允许电线随温度变化而收缩或膨胀，而不会经历过度张力，从而保护电气基础设施的完整性。 下垂，即支撑结构之间传输线导体的向下曲率，并不仅仅是外观特征，而是电力传输系统中必不可少且至关重要的组成部分。它通过提供足够的空间让电线在高温条件下膨胀，从而防止过热，减少了过大的电阻和随后的热量生成。此外，下垂有效地减轻了线内的张力，防止它们因温度变化、风荷载和积冰等因素引起的机械应力而损坏。 总之，下垂在确保电力传输系统的安全性、可靠性和延长寿命方面起着关键作用。通过保持适当的下垂度，工程师可以保证电网的平稳高效运行，最大限度地减少事故、停电和昂贵的基础设施损坏的风险。这种张力、温度和机械应力之间的平衡对于现代电力分配网络的成功至关重要。 กฎหมายของโจลและผลกระทบที่เกิดจากปัจจัยสิ่งแวดล้อมต่อสายไฟฟ้า ตามที่ระบุไว้ในกฎหมายของโจลสำหรับการทำความร้อนด้วยไฟฟ้า ความร้อน (P) ที่เกิดจากการไหลของอิเล็กตรอนผ่านตัวนำมีความสัมพันธ์โดยตรงกับความต้านทาน (R) เวลา (t) และกำลังสองของกระแส I^2 เมื่อกระแสไฟฟ้าไหลผ่านตัวนำ จะต้องเอาชนะความต้านทานภายในวัสดุ ความต้านทานนี้ทำให้กระแสไฟฟ้าสูญเสียพลังงานในรูปของความร้อนไปยังสิ่งแวดล้อม อิทธิพลของสภาพอากาศและอุณหภูมิต่อสายไฟฟ้า ความต้านทานของตัวนำได้รับผลกระทบอย่างมากจากอุณหภูมิ เมื่ออุณหภูมิของตัวนำเพิ่มขึ้น ความต้านทานก็จะเพิ่มขึ้นด้วย ปรากฏการณ์นี้เกิดขึ้นเพราะอุณหภูมิที่สูงขึ้นทำให้อิเล็กตรอนภายในตัวนำได้รับพลังงาน cinetik เพิ่มขึ้น ทำให้เคลื่อนที่อย่างไม่สม่ำเสมอและสุ่มสุม อิเล็กตรอนที่มีพลังงานสูงเหล่านี้จะกระทบกับอะตอมของวัสดุตัวนำอย่างบ่อยครั้ง ทำให้เกิดความร้อนในกระบวนการ ความร้อนที่เกินไปที่เกิดจากตัวนำอาจเป็นอันตรายอย่างมาก อาจทำให้ตัวนำละลายและนำไปสู่ความล้มเหลวของระบบ ในสภาพอากาศที่ร้อน ตัวนำจะขยายตัวเนื่องจากการขยายตัวทางความร้อน ทำให้สายไฟฟ้าที่ติดตั้งเหนือศีรษะคล้อยลง ตรงกันข้าม ในสภาพอากาศที่หนาวเย็น ตัวนำจะหดตัว ซึ่งอาจส่งผลกระทบต่อความสมบูรณ์ทางกลและประสิทธิภาพทางไฟฟ้าของตัวนำ แรงดึงในสายไฟฟ้า แรงดึงเป็นแรงที่เกิดขึ้นในสายไฟฟ้าหรือสายเคเบิลเมื่อมีแรงที่กระทำต่อตัวนำในทิศทางตรงข้าม ในกรณีของสายไฟฟ้าที่ติดตั้งระหว่างเสาไฟฟ้าหรือหอส่งไฟฟ้า แรงดึงจะมีอยู่เสมอ หากสายไฟฟ้าถูกยึดให้ตึงมากเกินไป แรงดึงจะเพิ่มขึ้นอย่างมาก แรงดึงที่สูงขึ้นทำให้สายไฟฟ้าเสี่ยงต่อการเสียหาย เพราะแม้แต่การหดตัวหรือขยายตัวเล็กน้อยเนื่องจากความเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิหรือแรงกดดันทางกลก็สามารถทำให้สายไฟฟ้าขาดได้ ความจำเป็นของความคล้อยในสายจำหน่ายและสายส่งไฟฟ้า ความคล้อยในสายส่งไฟฟ้าหมายถึงการโค้งลงหรือเว้าลงไปของสายเคเบิลระหว่างโครงสร้างสนับสนุน เช่น เสาไฟฟ้าหรือหอส่งไฟฟ้า ความโค้งนี้เป็นผลมาจากแรงโน้มถ่วงและการดึงที่กระทำต่อสายเคเบิล ความสำคัญของสายไฟฟ้าที่คล้อยและความคล้อยในระบบส่งไฟฟ้า ในการส่งและจำหน่ายไฟฟ้าผ่านระยะทางไกล การสูญเสียความร้อนเป็นสิ่งที่หลีกเลี่ยงไม่ได้ การส่งไฟฟ้าแรงสูงถูกนำมาใช้เป็นมาตรการเชิงกลยุทธ์เพื่อลดความร้อนที่เกิดขึ้นภายในตัวนำ เนื่องจากตามหลักการทางวิศวกรรมไฟฟ้า การลดกระแสไฟฟ้า (โดยการเพิ่มแรงดัน) สามารถลดกำลังที่สูญเสียเป็นความร้อนได้อย่างมีนัยสำคัญ (ตามกฎหมายของโจล P = I^2R) นอกจากนี้ สภาพอากาศและอุณหภูมิภายในของสายไฟฟ้าที่เปลี่ยนแปลงทำให้สายไฟฟ้าต้องติดตั้งให้มีความคล้อยอยู่ในระดับหนึ่ง หากสายไฟฟ้าถูกยึดให้ตึงมากเกินไป ช่วงอากาศที่หนาวเย็นอาจทำให้สายส่งไฟฟ้าหดตัว ความหดตัวนี้จะทำให้แรงดึงในสายไฟฟ้าเพิ่มขึ้นอย่างมาก แรงดึงที่สูงขึ้นอาจทำให้สายไฟฟ้าและสายเคเบิลเสียหายอย่างรุนแรง นำไปสู่การขาดไฟฟ้า ความปลอดภัยที่เสี่ยง และค่าใช้จ่ายในการซ่อมแซมที่สูง เพื่อป้องกันผลเสียเหล่านี้ สายไฟฟ้าจึงถูกติดตั้งให้มีความคล้อยอยู่บ้าง การออกแบบนี้ทำให้สายไฟฟ้าสามารถหดตัวหรือขยายตัวตามการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิได้โดยไม่ต้องเผชิญกับแรงดึงที่สูงเกินไป ทำให้ปกป้องความสมบูรณ์ของโครงสร้างไฟฟ้า ความคล้อย ซึ่งเป็นการโค้งลงของตัวนำระหว่างโครงสร้างสนับสนุน ไม่ได้เป็นเพียงแค่ลักษณะทางกายภาพเท่านั้น แต่เป็นส่วนประกอบที่จำเป็นและสำคัญของระบบส่งไฟฟ้า ความคล้อยทำหน้าที่เป็นเครื่องมือป้องกันความร้อนเกินไปโดยให้พื้นที่เพียงพอสำหรับสายไฟฟ้าที่จะขยายตัวในสภาพอากาศที่ร้อน ลดโอกาสที่จะเกิดความต้านทานที่สูงเกินไปและการสร้างความร้อน นอกจากนี้ ความคล้อยยังช่วยลดแรงดึงในสายไฟฟ้า ป้องกันไม่ให้สายไฟฟ้าเสียหายจากการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ แรงลม และการสะสมของน้ำแข็ง โดยรวมแล้ว ความคล้อยมีบทบาทสำคัญในการรับประกันความปลอดภัย ความน่าเชื่อถือ และอายุการใช้งานที่ยาวนานของระบบส่งไฟฟ้า ด้วยการรักษาความคล้อยที่เหมาะสม วิศวกรสามารถรับประกันการทำงานที่ราบรื่นและมีประสิทธิภาพของระบบไฟฟ้า ลดความเสี่ยงของการเกิดอุบัติเหตุ การขาดไฟฟ้า และความเสียหายที่สูงของโครงสร้างพื้นฐาน การทรงตัวระหว่างแรงดึง อุณหภูมิ และแรงกดดันทางกลนี้เป็นสิ่งที่จำเป็นสำหรับความสำเร็จของระบบการจำหน่ายไฟฟ้าสมัยใหม่
