ตัวหนีบสายส่งสามารถทนต่อการสั่นสะเทือนได้อย่างไร

ความท้าทายจากแรงสั่นสะเทือน: ทำไมคลัมป์รองรับจึงต้องทนต่อแรงสั่นแบบเอโอเลียนและแรงพลศาสตร์

กลไกการสั่นสะเทือนแบบเอโอเลียนและผลกระทบต่อรอยต่อระหว่างตัวนำไฟฟ้ากับอุปกรณ์ยึดเกาะ

เมื่อกระแสลมที่มีความเร็วคงที่ระหว่างประมาณ 5 ถึง 25 กิโลเมตรต่อชั่วโมงพัดผ่านสายส่งไฟฟ้า จะเกิดปรากฏการณ์ที่เรียกว่า การสั่นสะเทือนแบบแอโรเลียน (aeolian vibration) ซึ่งเกิดขึ้นเนื่องจากลมสร้างรูปแบบการไหลเวียนเป็นวงหมุนรอบสายไฟ ส่งผลให้สายไฟสั่นไปมาในแนวหน้า–หลังด้วยความถี่อยู่ระหว่างประมาณ 3 ถึง 150 เฮิร์ตซ์ การสั่นนี้ไม่มีแอมพลิจูดมากนัก แต่เกิดขึ้นบ่อยพอที่จะก่อให้เกิดแรงเครียดซ้ำๆ บริเวณจุดที่สายไฟเชื่อมต่อกับคลิปยึด โดยเฉพาะอย่างยิ่งที่ปลายทั้งสองข้างของจุดเชื่อมต่อนั้น นานวันเข้า ปรากฏการณ์นี้จะนำไปสู่สิ่งที่วิศวกรเรียกว่า ภาวะความล้าจากการเสียดสี (fretting fatigue) หากไม่มีการดำเนินการใดๆ เพื่อแก้ไข แรงเสียดสีที่เกิดขึ้นอย่างต่อเนื่องจะทำให้พื้นผิวสึกหรอ และเริ่มก่อให้เกิดรอยแตกเล็กๆ ซึ่งอาจขยายตัวจนกลายเป็นปัญหาที่รุนแรงขึ้นได้ งานวิจัยแสดงให้เห็นว่า ในพื้นที่ที่มีลมแรง ความเสียหายประเภทนี้อาจทำให้เกิดกรณีที่เส้นลวดนำไฟฟ้าขาดได้บ่อยขึ้นถึง 40% เมื่อเทียบกับพื้นที่อื่น ตามรายงานวิจัยที่เผยแพร่โดย Transmission Research Group เมื่อปีที่แล้ว โชคดีที่คลิปยึดแบบใหม่ล่าสุดที่ออกแบบมาโดยเฉพาะเพื่อต้านทานการสั่นสะเทือนนี้ สามารถแก้ไขปัญหานี้ได้ด้วยคุณลักษณะการออกแบบหลักสามประการ:

• การรวมตัวของอีลาสโตเมอร์ , แปลงพลังงานจลน์เป็นความร้อนผ่านการดูดซับเชิงฮิสเตอรีซิส
• รูปร่างก้ามที่ได้รับการปรับให้เหมาะสม , กระจายแรงเค้นออกไปจากขอบแหลมที่มีแนวโน้มจะเริ่มเกิดความล้า
• การจัดวางลวดแบบบิดล่วงหน้า , ขัดขวางการสั่นสะเทือนแบบฮาร์โมนิก และป้องกันการเพิ่มแรงเค้นในบริเวณเฉพาะ

ผลลัพธ์ในโลกจริง: ความล้า การลื่นไถลเล็กน้อย และความล้มเหลวก่อนเวลาอันควร

การควบคุมการสั่นสะเทือนที่ไม่เพียงพอ นำไปสู่ภาวะเสียหายสามรูปแบบที่เกี่ยวข้องกัน ซึ่งทำให้ความน่าเชื่อถือและความทนทานของระบบลดลง:

ประมาณหนึ่งในห้าของเหตุการณ์หยุดจ่ายไฟโดยไม่ได้วางแผนล่วงหน้าในระบบส่งกำลังไฟฟ้าแบบเก่า เกิดขึ้นจากกลไกเฉพาะเหล่านี้จริง ๆ ทั้งนี้ หากพิจารณาเฉพาะปรากฏการณ์การเลื่อนตัวระดับจุลภาค จะพบว่าเป็นปัญหาที่ก่อให้เกิดความเสียหายอย่างมาก โดยในพื้นที่ที่มีการสั่นสะเทือนบ่อยครั้ง การเคลื่อนที่เล็กน้อยนี้สามารถลดอายุการใช้งานของแคลมป์ลงได้ถึง 15–20 ปี และส่งผลให้เกิดค่าใช้จ่ายจำนวนมากสำหรับการตรวจสอบซึ่งผู้ปฏิบัติงานแทบไม่มีใครอยากดำเนินการ รวมทั้งการเปลี่ยนชิ้นส่วนก่อนหมดอายุการใช้งานจริง แคลมป์แบบรองรับใหม่ที่พัฒนาขึ้นนั้นจัดการปัญหานี้ด้วยแนวทางที่ต่างออกไป โดยไม่พยายามยับยั้งการเคลื่อนที่ทั้งหมดอย่างสมบูรณ์ — ซึ่งโดยพื้นฐานแล้วเป็นสิ่งที่เป็นไปไม่ได้อยู่แล้ว แต่กลับทำงานอย่างชาญฉลาดยิ่งขึ้น ด้วยการควบคุมการไหลของพลังงานผ่านระบบและกระจายจุดความเครียดออกอย่างสม่ำเสมอระหว่างสายไฟกับชิ้นส่วนยึดติด

กลยุทธ์หลักในการลดการสั่นสะเทือนในแบบจำลองของคลิปยึดระบบกันสะเทือนสมัยใหม่

การผสานวัสดุอีลาสโตเมอร์: การลดการสั่นสะเทือนแบบฮิสเตอรีซิสและการปรับแต่งความแข็งต่อแรงสั่นแบบไดนามิก

ชิ้นส่วนยางมีบทบาทสำคัญในการลดการสั่นสะเทือนในปัจจุบัน แต่ไม่ใช่เพียงแค่วัสดุรองรับธรรมดาอีกต่อไป ชิ้นส่วนเหล่านี้ได้กลายเป็นองค์ประกอบเชิงพลวัตที่ซับซ้อนขึ้นผ่านสิ่งที่เรียกว่า การดูดซับพลังงานแบบฮิสเทอรีซิส (hysteresis damping) สิ่งที่เกิดขึ้นคือ พวกมันดูดซับการสั่นสะเทือนความถี่สูงจากลมและแหล่งกำเนิดอื่นๆ แล้วเปลี่ยนเป็นพลังงานความร้อน ซึ่งจะหยุดการสะสมของแรงสั่นสะเทือนอันตรายที่ความถี่เฉพาะของตัวนำไฟฟ้า ซึ่งอาจก่อให้เกิดปัญหาได้ ข่าวดีสำหรับวิศวกรคือ วัสดุยางสมัยใหม่ยังคงรักษาความแข็งแรงและความยืดหยุ่นไว้ได้แม้อุณหภูมิจะเปลี่ยนแปลงตั้งแต่ลบ 40 องศาเซลเซียส จนถึงบวก 80 องศาเซลเซียส หมายความว่าสามารถทำงานร่วมกับรูปแบบการสั่นสะเทือนที่แตกต่างกันได้อย่างมีประสิทธิภาพ ผลการทดสอบจริงแสดงให้เห็นว่า โซลูชันยางเหล่านี้สามารถลดแอมพลิจูดของการสั่นสะเทือนลงได้ประมาณ 60% เมื่อเทียบกับแคลมป์โลหะแบบดั้งเดิม และไม่ใช่เพียงทฤษฎีเท่านั้น เพราะมันยังช่วยป้องกันการเกิดรอยแตกร้าวเล็กๆ และป้องกันเส้นลวดจากการสึกหรอก่อนเวลาอันควร ทั้งหมดนี้ในขณะที่ยังคงรักษาระดับแรงตึงและความหย่อนของตัวนำไฟฟ้าไว้ตามตำแหน่งที่ต้องการสำหรับการทำงานอย่างถูกต้อง

เรขาคณิตลวดบิดล่วงหน้าและพื้นผิวสัมผัสที่ได้รับการปรับให้เหมาะสมเพื่อกระจายแรงเครียด

รูปทรงของลวดที่บิดล่วงหน้าแสดงถึงวิธีการอันชาญฉลาดในการจัดการแรงเครียดในตัวนำ โดยการบิดลวดให้เป็นรูปเกลียวจะช่วยกระจายแรงยึดจับอย่างสม่ำเสมอไปทั่วความยาวทั้งหมด แทนที่จะทำให้แรงกดสะสมอยู่เฉพาะจุดใดจุดหนึ่ง ส่งผลให้หลีกเลี่ยงการเพิ่มขึ้นอย่างฉับพลันของแรงตึงที่มักเกิดขึ้นบริเวณจุดสัมผัส ซึ่งเป็นตำแหน่งที่รอยแตกร้าวจากภาวะความล้ามักเริ่มก่อตัวขึ้นครั้งแรก อีกคุณลักษณะสำคัญหนึ่งเกิดจากกระบวนการกัดด้วยเครื่องจักรควบคุมด้วยคอมพิวเตอร์ (CNC) ที่ใช้สร้างร่องสัมผัส ร่องเหล่านี้มีขอบโค้งมน ซึ่งจริงๆ แล้วช่วยเพิ่มพื้นที่ผิวสำหรับยึดจับได้ประมาณร้อยละ 40 เมื่อเทียบกับการออกแบบแบบดั้งเดิม ขณะเดียวกันก็ลดการสึกหรอจากการเสียดสีลงด้วย เมื่อนำร่องเหล่านี้มาผสมผสานกับสารเคลือบป้องกันการสึกหรอจากการสั่นสะเทือน (anti-fretting coatings) พิเศษ จะพบว่าปัญหาการไถลระดับจุลภาค (micro-slippage) ลดลงประมาณ 70 กรณี ตามข้อมูลจากกลุ่มความน่าเชื่อถือของการส่งผ่านไฟฟ้าเหนือศีรษะ (Overhead Transmission Reliability Consortium) ที่เผยแพร่เมื่อปี ค.ศ. 2022 อย่างไรก็ตาม สิ่งที่น่าประทับใจยิ่งกว่านั้นคือประสิทธิภาพในการยึดเกาะที่ยอดเยี่ยมของระบบทั้งหมด แม้จะเผชิญเหตุการณ์การสั่นแบบกาโลปิง (galloping) อย่างรุนแรงที่ความถี่สูงกว่า 15 เฮิร์ตซ์ ระบบแสดงความทนทานที่โดดเด่นยิ่ง ซึ่งสูงกว่าสิ่งที่คาดการณ์ไว้ภายใต้สภาวะลมแอโรเลียน (Aeolian wind) แบบมาตรฐานอย่างมาก

ประสิทธิภาพที่ได้รับการยืนยัน: หลักฐานจากภาคสนามและการปรับปรุงอายุการใช้งานด้วยแคลมป์แขวนขั้นสูง

การยืนยันจากข้อมูลจริงแสดงให้เห็นว่า การลดการสั่นสะเทือนแบบบูรณาการสามารถเพิ่มประสิทธิภาพโครงสร้างพื้นฐานได้อย่างชัดเจน โดยเฉพาะในพื้นที่ที่ปัจจัยสภาพแวดล้อมเร่งการเกิดความเมื่อยล้าทางกล

กรณีศึกษา: ลดความล้มเหลวจากความเมื่อยล้าลง 72% บนสายส่งไฟฟ้าเหนืออากาศ 230 กิโลโวลต์ บริเวณชายฝั่ง

การทดลองภาคสนามเป็นระยะเวลา 34 เดือน บนสายส่งไฟฟ้าเหนืออากาศ 230 กิโลโวลต์ บริเวณชายฝั่ง เปรียบเทียบแคลมป์แขวนแบบเดิมกับแบบขั้นสูงที่มีพื้นผิวติดต่อแบบอีลาสโตเมอร์ดัมเปอร์และโลหะผสมทนสนิม พบผลลัพธ์ดังนี้:

• ความล้มเหลวของตัวนำไฟฟ้าจากความเมื่อยล้าลดลง 72%
• เหตุการณ์การเลื่อนตัวเล็กน้อยลดลง 68%
• ช่วงเวลาการบำรุงรักษายืดออกไปอีก 22 เดือน

ความสำเร็จดังกล่าวเกิดจากกระบวนการกระจายแรงเครียดแบบซินเนอร์จีที่ได้รับการส่งเสริมโดยเรขาคณิตแบบบิดล่วงหน้า และการเพิ่มประสิทธิภาพในการกระจายพลังงานที่บริเวณตัวนำไฟฟ้าและอุปกรณ์ยึดจับ สิ่งเหล่านี้สอดคล้องกับผลการศึกษาในอุตสาหกรรมโดยรวม นั่นคือ นวัตกรรมวัสดุและการออกแบบในอุปกรณ์ยึดแขวนสามารถยืดอายุการใช้งานของสายไฟฟ้าเหนือศีรษะได้มากกว่า 15 ปี ในสภาพแวดล้อมที่มีการกัดกร่อนและความสั่นสะเทือนสูง

การผสานการออกแบบ: การสร้างสมดุลระหว่างความต้านทานการสั่นสะเทือน ความทนทานต่อสิ่งแวดล้อม และความสามารถในการรับน้ำหนัก

การออกแบบคลิปยึดระบบกันสะเทือนที่ดีนั้นต้องคำนึงถึงการหาจุดสมดุลระหว่างปัจจัยหลักสามประการ ได้แก่ การลดการสั่นสะเทือน การทนต่อสภาพแวดล้อมที่รุนแรง และการรับภาระเชิงโครงสร้างอย่างเหมาะสม ความท้าทายอยู่ที่การทำให้คลิปยึดสามารถต้านทานการสั่นสะเทือนได้โดยไม่เกิดความเสียหายเมื่อเผชิญกับสภาวะสุดขั้ว ลองพิจารณาสถานการณ์ต่าง ๆ เช่น น้ำแข็งสะสมบนสายไฟฟ้า หรือข้อบกพร่องทางไฟฟ้าแบบฉับพลันที่ก่อให้เกิดแรงมากกว่า 15 กิโลนิวตัน เพื่อจัดการกับปัญหาเหล่านี้ วิศวกรมักใช้ชั้นยางลดการสั่นสะเทือนพิเศษร่วมกับรูปร่างของคลิปยึดที่บิดเกลียว องค์ประกอบเหล่านี้จำเป็นต้องผ่านการทดสอบอย่างละเอียดด้วยการจำลองด้วยคอมพิวเตอร์ เพื่อตรวจสอบว่าอาจก่อให้เกิดจุดบกพร่องหรือบริเวณที่อ่อนแอเมื่อสัมผัสกับลมแรง หรือการเคลื่อนไหวแบบกาโลป (galloping) ที่น่ารำคาญซึ่งบางครั้งเกิดขึ้นกับสายไฟฟ้าเหนือพื้นดิน

การเลือกวัสดุที่เหมาะสมมีความสำคัญไม่ต่างจากปัจจัยอื่นๆ ในการดำเนินกระบวนการนี้ สารประกอบจำเป็นต้องคงคุณสมบัติฮิสเทอรีซิสไว้ได้ แม้จะผ่านการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างรุนแรงตั้งแต่ลบ 40 องศาเซลเซียส ไปจนถึงบวก 80 องศาเซลเซียส นอกจากนี้ วัสดุเหล่านี้ยังต้องทนต่อความเสียหายจากแสง UV และความเปราะที่เกิดจากเกลือ โดยเฉพาะบริเวณข้อต่อของแคลมป์นำไฟฟ้า ซึ่งมักเริ่มเกิดการกัดกร่อนและล้าก่อนที่อื่น เมื่อเราทำการทดสอบอายุการใช้งานแบบเร่งในวัสดุเหล่านี้ สิ่งที่พบคือระบบที่ออกแบบมาดีสามารถหยุดยั้งรอยแตกเล็กๆ เหล่านี้ไม่ให้ขยายตัวที่จุดสัมผัส ซึ่งหมายความว่าช่วงเวลาการบำรุงรักษายืดออกไปประมาณครึ่งหนึ่ง สำหรับโซลูชันที่เชื่อถือได้จริงๆ ผู้ผลิตมักจะนำไปทดสอบในห้องสั่นสะเทือนพิเศษที่จำลองสภาพแวดล้อมตามแนวชายฝั่งตลอดหลายปี แต่บีบอัดให้เกิดขึ้นภายในไม่กี่สัปดาห์เท่านั้น การทดสอบอย่างครอบคลุมเหล่านี้แสดงให้เห็นอย่างชัดเจนว่า เมื่อบริษัทต่างๆ มุ่งเน้นการลดการสั่นสะเทือน พร้อมทั้งรักษาความทนทานและความแข็งแรงภายใต้ภาระงานไว้ จะสามารถประหยัดค่าใช้จ่ายในการเปลี่ยนอุปกรณ์ได้ประมาณ 34 เปอร์เซ็นต์ในระยะยาว ตามการวิจัยที่เผยแพร่โดย Transmission R&D เมื่อปี 2023

คำถามที่พบบ่อย

การสั่นสะเทือนแบบแอโอเลียนคืออะไร

การสั่นสะเทือนแบบแอโอเลียนเกิดขึ้นเมื่อลมที่พัดอย่างสม่ำเสมอสร้างรูปแบบการไหลเวียนเป็นวงรอบสายไฟฟ้า ทำให้สายไฟสั่นสะเทือนที่ความถี่เฉพาะซึ่งอาจก่อให้เกิดแรงเครียดต่อจุดยึดด้วยแคลมป์

แคลมป์ยึดแบบแขวนรุ่นใหม่ช่วยลดปัญหาที่เกี่ยวข้องกับการสั่นสะเทือนได้อย่างไร

แคลมป์ยึดแบบแขวนรุ่นใหม่ใช้เทคโนโลยีการรวมเอลาสโตเมอร์ รูปทรงของกรามที่ผ่านการปรับแต่งให้เหมาะสม และการจัดเรียงลวดแบบบิดล่วงหน้า เพื่อหยุดยั้งการสั่นพ้องเชิงฮาร์โมนิกและลดแรงเครียดบริเวณท้องถิ่นให้น้อยที่สุด

การรวมเอลาสโตเมอร์มีบทบาทอย่างไรในการลดการสั่นสะเทือน

การรวมเอลาสโตเมอร์ช่วยเปลี่ยนพลังงานจากการสั่นสะเทือนให้กลายเป็นความร้อน จึงลดขนาดของการสั่นสะเทือนลงและป้องกันไม่ให้เกิดรอยร้าวจากความเหนื่อยล้า

แคลมป์ยึดแบบแขวนขั้นสูงมีประสิทธิภาพมากน้อยเพียงใดเมื่อเปรียบเทียบกับแคลมป์แบบดั้งเดิม

ผลการทดลองภาคสนามแสดงให้เห็นว่า แคลมป์ยึดแบบแขวนขั้นสูงสามารถลดกรณีความล้มเหลวจากความเหนื่อยล้าได้ถึงร้อยละ 72 และลดเหตุการณ์การไถลระดับจุลภาคได้ถึงร้อยละ 68 ซึ่งส่งผลให้อายุการใช้งานระหว่างการบำรุงรักษาเพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ