วิธีเลือกฉนวนที่เหมาะสมสำหรับสายไฟแรงดันสูง

เข้าใจประเภทของฉนวนและตัวเลือกวัสดุสำคัญสำหรับการใช้งานแรงดันสูง

ฉนวนแบบแขวน ฉนวนเสา ฉนวนแท่งยาว และฉนวนรับแรงดึง: หน้าที่และบทบาททางโครงสร้างในระบบแรงดันสูง

มีฉนวนไฟฟ้าหลักอยู่สี่ประเภทที่ทำหน้าที่สำคัญในระบบส่งกำลังไฟฟ้าแรงสูง ฉนวนแบบแขวนทำงานโดยการรองรับน้ำหนักของตัวนำผ่านสายที่ประกอบด้วยแผ่นดิสก์หลายแผ่นเรียงต่อกัน การจัดวางเช่นนี้ช่วยให้วิศวกรสามารถสร้างหอคอยในรูปแบบต่าง ๆ ได้ และยังช่วยให้ง่ายขึ้นเมื่อเส้นทางต้องเดินตามภูมิประเทศที่ซับซ้อน ฉนวนแบบเสาใช้วิธีการที่ต่างออกไป โดยให้การรองรับที่มั่นคงสำหรับบัสบาร์ขนาดใหญ่ที่พบในสถานีไฟฟ้าย่อย ซึ่งถูกออกแบบมาให้ทนทานพอที่จะรับแรงดันไฟฟ้าได้สูงถึงหลายร้อยกิโลโวลต์ ฉนวนแบบแท่งยาวโดดเด่นตรงที่ผลิตจากชิ้นส่วนเดียวที่ต่อเนื่องกัน ไม่ว่าจะเป็นเซรามิกหรือวัสดุคอมโพสิต ซึ่งเหมาะมากในการต้านทานการสะสมของสิ่งสกปรก จึงทำให้เห็นการใช้งานบ่อยครั้งในงานระบบแรงดันสูงพิเศษ (EHV) โดยพื้นผิวที่ยาวขึ้นจะช่วยป้องกันการเกิดอาร์กไฟฟ้าที่อันตรายระหว่างชิ้นส่วนต่าง ๆ ส่วนฉนวนแบบรับแรงดึงจะติดตั้งที่ปลายสายส่ง เพื่อยึดทุกอย่างให้อยู่ด้วยกัน แม้จะต้องเผชิญกับแรงต่าง ๆ เช่น การเปลี่ยนแปลงระดับความสูง หิมะที่ตกทับหนา หรือลมแรงที่พัดผ่านพื้นที่กว้าง แต่ละประเภทได้รับการออกแบบมาโดยเฉพาะเพื่อรับมือกับความท้าทายที่แตกต่างกัน รวมถึงแรงลม น้ำแข็งเกาะ และแม้แต่แผ่นดินไหว น่าสนใจที่การวิจัยแสดงให้เห็นว่า ฉนวนแบบแท่งยาวสามารถใช้งานได้นานกว่าประมาณ 30 เปอร์เซ็นต์ เมื่อเทียบกับการออกแบบแบบสายดิสก์รุ่นเก่า ทำให้เป็นตัวเลือกที่ชาญฉลาดสำหรับการติดตั้งสมัยใหม่หลายประการ

ฉนวนเซรามิก แก้ว และคอมโพสิต: สมรรถนะ ความทนทาน และการเหมาะสมกับการใช้งาน

วัสดุที่ใช้มีความสำคัญอย่างยิ่งเมื่อพูดถึงประสิทธิภาพและการใช้งานที่ยาวนานของอุปกรณ์ในสถานการณ์ที่มีแรงดันไฟฟ้าสูง พอร์ซเลนถูกใช้มานานมากแล้วเพราะสามารถทนต่อไฟฟ้าได้ดี โดยมีความต้านทานต่อแรงดันไฟฟ้ามากกว่า 150 กิโลโวลต์ต่อฟุต และยังคงความเสถียรแม้อุณหภูมิเปลี่ยนแปลง ปัญหาคือ พอร์ซเลนแตกหักได้ง่ายหากมีแรงกระแทก ซึ่งเป็นข้อกังวลอย่างมากในพื้นที่ที่การบำรุงรักษายากหรือไม่ปลอดภัย อินซูเลเตอร์แก้วเทมเปอร์สามารถทำความสะอาดตัวเองได้ตามธรรมชาติ และจะแสดงรอยแตกร้าวออกมาก่อนที่จะเสียหายอย่างสมบูรณ์ ซึ่งเป็นข้อดีในด้านความปลอดภัย อย่างไรก็ตาม อินซูเลเตอร์ชนิดแก้วเหล่านี้ไม่ทนทานนักในพื้นที่ชายฝั่งที่มีเกลือในอากาศมาก ทำให้ผิวหน้าสึกหรอไปตามกาลเวลา อินซูเลเตอร์โพลิเมอร์คอมโพสิตได้รับความนิยมมากขึ้นในช่วงหลัง โดยเฉพาะในสภาพแวดล้อมที่มีสิ่งสกปรกหรือความชื้นสูง ซึ่งทำจากแก้วไฟเบอร์ภายในและหุ้มด้วยยางซิลิโคน โดยคุณสมบัติที่กันน้ำช่วยให้สามารถขจัดฝุ่นและสิ่งสกปรกได้เร็วกว่าวัสดุทั่วไปประมาณ 40% มีรายงานจากภาคสนามบางฉบับระบุว่า คอมโพสิตเหล่านี้อาจมีอายุการใช้งานยาวนานขึ้นประมาณ 15 ปีในสภาพอากาศแห้ง เมื่อเทียบกับตัวเลือกพอร์ซเลนแบบดั้งเดิม อย่างไรก็ตาม หลังจากใช้งานมานานหลายปีภายใต้รังสีอัลตราไวโอเลตจากแสงแดด จำเป็นต้องพัฒนาสูตรพิเศษเพื่อป้องกันไม่ให้วัสดุเสื่อมสภาพเร็วเกินไป เมื่อพิจารณาจากแนวโน้มปัจจุบันในระบบแรงดันไฟฟ้าสูงพิเศษ เรากำลังเริ่มเห็นแนวทางแบบไฮบริดใหม่ๆ ที่นำจุดเด่นของแกนแก้วหรือพอร์ซเลนมาผสานกับคุณสมบัติกันสภาพอากาศของวัสดุคอมโพสิต

ประเมินข้อกำหนดด้านประสิทธิภาพทางไฟฟ้าและกล

ความต้านทานการเจาะทะลุและความสามารถในการทนแรงดันไฟฟ้า: การเลือกฉนวนให้เหมาะสมกับระบบ 110 กิโลโวลต์-ยูเอชวี และระบบเอชวีดีซี

การเลือกวัสดุฉนวนที่เหมาะสมจำเป็นต้องพิจารณาอย่างรอบคอบทั้งแรงดันระบบและแรงไฟฟ้าจริงที่เกิดขึ้น สำหรับระบบกระแสสลับ (AC) ที่มีแรงดันระหว่าง 110 กิโลโวลต์ ถึง 800 กิโลโวลต์ ฉนวนเซรามิกมาตรฐานทั่วไปสามารถรองรับได้ประมาณ 10 ถึง 12 กิโลโวลต์ต่อเซนติเมตร แต่เมื่อเข้าสู่การใช้งานในระบบแรงดันพิเศษสูง (UHV) และระบบกระแสตรงแรงสูง (HVDC) ความต้องการจะเพิ่มขึ้นอย่างมาก ระบบนี้ต้องการวัสดุที่สามารถทนต่อแรงดันได้อย่างน้อย 15 กิโลโวลต์ต่อเซนติเมตร เนื่องจากสนามไฟฟ้ามีความเข้มข้นมากขึ้น การทำงานกับระบบ HVDC ยังก่อให้เกิดปัญหาเพิ่มเติมอีกด้วย การกระจายของสนามไฟฟ้าขึ้นอยู่กับขั้วไฟฟ้า และระบบเหล่านี้มักสะสมสิ่งปนเปื้อนบนผิวได้เร็วกว่าระบบอื่น ๆ ปัญหานี้ทำให้กระบวนการเสื่อมสภาพเร่งตัวขึ้น และนำไปสู่กระแสรั่วที่สูงขึ้นตามระยะเวลา ส่วนใหญ่วิศวกรจะออกแบบสำรองความจุไว้อีกประมาณ 20 ถึง 30 เปอร์เซ็นต์ จากที่ระบบต้องการปกติ เพื่อป้องกันกรณีที่เกิดแรงดันกระชากชั่วขณะ ยกตัวอย่างเช่น ฉนวน UHV มักจะต้องผ่านการทดสอบอย่างเข้มงวดที่ระดับ 1800 กิโลโวลต์ เป็นเวลาหนึ่งนาทีเต็ม เพื่อตรวจสอบว่าจะสามารถทนต่อแรงดันได้หรือไม่ บริษัทหลายแห่งตอนนี้จึงหันมาใช้ฉนวนโพลิเมอร์คอมโพสิตสำหรับงาน HVDC กันมากขึ้น เนื่องจากสามารถกระจายสนามไฟฟ้าได้อย่างสม่ำเสมอบนพื้นผิว และต้านทานการเกิดแฟลชโอเวอร์จากฝุ่นและมลพิษได้ดีกว่าตัวเลือกแบบดั้งเดิม

ความสามารถในการรับภาระเชิงกล: ทนต่อแรงลม น้ำแข็ง แรงดึง และความท้าทายจากภูมิประเทศ

สมรรถนะเชิงกลมีความสำคัญต่อการปฏิบัติงานอย่างมีความน่าเชื่อถือในสภาพแวดล้อมที่รุนแรง อินซูเลเตอร์แรงดันสูงจะต้องสามารถทนต่อ:

• แรงจากลมและน้ำแข็ง : ความแข็งแรงต่อแรงโมเมนต์แบบคานยื่นเกินกว่า 70 กิโลนิวตัน สำหรับสายไฟฟ้า 345 กิโลโวลต์ ในพื้นที่ที่มีแนวโน้มเกิดการสะสมของน้ำแข็ง
• แรงดึงของตัวนำไฟฟ้า : ความต้านทานแรงดึงมากกว่า 120 กิโลนิวตัน เพื่อป้องกันการล้มเหลวแบบเรียงซ้อนในช่วงที่เกิดข้อผิดพลาดของสายไฟหรือสภาพอากาศเลวร้าย
• แรงเครียดจากแผ่นดินไหวและภูมิประเทศ : การใช้อุปกรณ์ลดการสั่นสะเทือนในเขตที่เสี่ยงต่อแผ่นดินไหว และการออกแบบป้องกันการแกว่งในพื้นที่ภูเขาหรือพื้นที่เปิดโล่ง
  ฉนวนคอมโพสิตมีความแข็งแรงด้านแรงดึงสูงกว่า—มากกว่า 500 เมกะปาสกาล เมื่อเทียบกับประมาณ 40 เมกะปาสกาลของพอร์ซเลน—ในขณะที่เปลือกหุ้มซิลิโคนยางช่วยเพิ่มประสิทธิภาพในการสลายน้ำแข็ง ในพื้นที่ชายฝั่ง ฉนวนต้องมีระยะครีเพจ 25-30 มม./กิโลโวลต์ และพื้นผิวที่มีคุณสมบัติขับน้ำได้เพื่อต้านทานการเกิดแทร็กกิ้งจากเกลือ การปฏิบัติตามมาตรฐาน IEC 61109 และ ANSI C29.11 จะช่วยรับประกันประสิทธิภาพด้านกลไกและไฟฟ้าภายใต้สภาวะการใช้งานจริง สนับสนุนการให้บริการที่เชื่อถือได้นานหลายทศวรรษ

ประเมินความต้านทานต่อสิ่งแวดล้อมและความน่าเชื่อถือในระยะยาวภายใต้สภาวะที่รุนแรง

ระยะครีเพจและประสิทธิภาพต้านมลพิษในเขตชายฝั่ง อุตสาหกรรม และเขตแห้งแล้ง

การที่ฉนวนทำงานได้อย่างไรและอายุการใช้งานขึ้นอยู่กับสภาพแวดล้อมรอบตัวเป็นอย่างมาก โดยเฉพาะเมื่อพิจารณาเรื่องระยะครีพเพจ (creepage distance) ซึ่งคือระยะทางที่สั้นที่สุดตามพื้นผิวของฉนวนระหว่างขั้วไฟฟ้าสองขั้ว จำเป็นต้องมีการปรับระยะดังกล่าวในพื้นที่ที่มีมลพิษสูง เพื่อป้องกันการเกิดอาร์กไฟฟ้า (flashover) ที่อันตราย สถานที่ใกล้ชายฝั่งมีปัญหาเฉพาะตัว เนื่องจากเกลือจะสะสมตัวตามกาลเวลา ทำให้เกิดชั้นนำไฟฟ้าบนพื้นผิว ด้วยเหตุนี้ ผู้ผลิตจำนวนมากจึงหันไปใช้วัสดุคอมโพสิตซิลิโคนรับเบอร์แบบไฮโดรโฟบิก (hydrophobic) ซึ่งมีประสิทธิภาพดีเยี่ยมในการป้องกันความชื้นและสิ่งสกปรกไม่ให้เข้ามาใกล้ชิ้นส่วนสำคัญ จึงช่วยลดกระแสรั่ว (leakage currents) ที่เราทุกคนต้องการลดให้น้อยที่สุด อุตสาหกรรมก็มีความท้าทายอีกแบบหนึ่ง เนื่องจากฉนวนจะถูกโจมตีด้วยสารมลพิษทางเคมี เช่น สารประกอบกำมะถัน และฝุ่นซีเมนต์ สารเหล่านี้มีแนวโน้มที่จะสร้างเส้นทางนำไฟฟ้าเมื่อเปียก แต่การออกแบบรูปทรงพื้นผิวแบบมีริ้ว (ribbed profile) ร่วมกับการล้างทำความสะอาดเป็นประจำ สามารถช่วยแก้ปัญหานี้ได้มาก ทะเลทรายก็มีความยากลำบากเฉพาะตัวเช่นกัน โดยทรายจะกัดกร่อนวัสดุอย่างต่อเนื่อง ขณะที่รังสีอัลตราไวโอเลต (UV) ที่รุนแรงก็ทำให้วัสดุเสื่อมสภาพเพิ่มเติม งานวิจัยแสดงให้เห็นว่า แก้วนิรภัย (toughened glass) ทนต่อสภาพแวดล้อมที่รุนแรงเหล่านี้ได้ดีกว่าพอร์ซเลนแบบดั้งเดิมประมาณ 30 เปอร์เซ็นต์ เพื่อให้แน่ใจว่าระบบทำงานได้อย่างถูกต้องในสภาพแวดล้อมที่มีมลพิษ วิศวกรจะติดตามตรวจสอบกระแสรั่วอย่างใกล้ชิด โดยมุ่งเป้าให้กระแสต่ำกว่าเกณฑ์ 50 มิลลิแอมแปร์ เพื่อป้องกันการเพิ่มอุณหภูมิอย่างไม่สามารถควบคุมได้ (thermal runaway) ในช่วงที่ความชื้นสูง ขั้นตอนการทดสอบจะรวมถึงการจำลองการเสื่อมสภาพเร่งรัด (accelerated aging simulations) ที่เลียนแบบการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างรุนแรงเป็นเวลาหลายทศวรรษ ตั้งแต่ลบ 40 องศาเซลเซียส ถึงบวก 80 องศาเซลเซียส ซึ่งทำให้ผู้ผลิตมั่นใจในความทนทานของวัสดุในระยะยาว และใช่ ระยะครีพเพจที่แนะนำจะเปลี่ยนไปขึ้นอยู่กับสถานที่ที่ฉนวนเหล่านี้ถูกติดตั้ง

การเลือกฉนวนที่มีรูปร่างเหมาะสมกับสภาพภูมิอากาศจะช่วยให้ระบบทำงานได้อย่างเชื่อถือได้เกิน 25 ปี โดยสมดุลระหว่างความต้านทานผิว สภาพกันน้ำ และความสามารถในการทำความสะอาดตัวเอง

ใช้กรอบการคัดเลือกตามแรงดันไฟฟ้าและลักษณะการใช้งาน

การเลือกฉนวนสำหรับระบบ 33 กิโลโวลต์-345 กิโลโวลต์ กระแสสลับ เทียบกับระบบอัลตร้าไฮโวลต์/ระบบกระแสตรงแรงสูง: รูปแบบสายฉนวน จำนวนหน่วยต่อกิโลโวลต์ และเกณฑ์ความน่าเชื่อถือ

การเลือกฉนวนที่เหมาะสมขึ้นอยู่กับระดับแรงดันไฟฟ้าที่ใช้งานและวิธีการใช้งานจริงในสนามเป็นอย่างมาก เมื่อทำงานกับระบบกระแสสลับ (AC) ที่มีแรงดันตั้งแต่ 33 กิโลโวลต์ ถึง 345 กิโลโวลต์ จะต้องใช้ชุดฉนวนที่สามารถปรับเปลี่ยนได้ รวมทั้งมีความต้านทานต่อการสะสมของมลพิษได้ดี โดยทั่วไป ฉนวนพอร์ซเลนหรือแก้วจำนวนประมาณ 8 ถึง 10 ชิ้น ต่อ 100 กิโลโวลต์ จะเพียงพอในพื้นที่ที่สภาพแวดล้อมไม่รุนแรงนัก อย่างไรก็ตาม สิ่งต่าง ๆ เปลี่ยนไปเมื่อพิจารณาในระบบแรงดันสูงพิเศษ (UHV) และระบบกระแสตรงแรงดันสูง (HVDC) ซึ่งต้องการฉนวนที่ทนทานมากกว่า โดยทั่วไปจะใช้ฉนวนโพลิเมอร์คอมโพสิตที่มีระยะครีพเพจยาวกว่า 25 มิลลิเมตร ต่อ 1 กิโลโวลต์ และมีการป้องกันการสะสมของสิ่งสกปรกได้ดีกว่า นอกจากนี้ ระบบเหล่านี้ยังต้องการจำนวนชิ้นฉนวนประมาณ 1.5 เท่าของระบบ AC ที่มีระดับแรงดันเท่ากัน เพื่อจัดการกับสนามไฟฟ้าที่เข้มข้นได้อย่างเหมาะสม มาตรฐานความน่าเชื่อถือในกรณีนี้ค่อนข้างเข้มงวด โดยโครงการ UHV ส่วนใหญ่มุ่งเป้าหมายให้มีอัตราความล้มเหลวต่ำกว่า 0.05% ต่อปี และอย่าลืมถึงความแข็งแรงเชิงกลด้วย ซึ่งมีความสำคัญโดยเฉพาะในพื้นที่ที่มีน้ำแข็งหนักหรือลมแรง ซึ่งฉนวนอาจต้องรับแรงดึงสถิตที่สูงกว่า 50 กิโลนิวตัน ผู้เชี่ยวชาญในอุตสาหกรรมมักปฏิบัติตามแนวทางจาก IEC 60383 สำหรับระยะรั่วไหล และ ANSI C29 สำหรับภาระเชิงกล เพื่อให้ระบบทำงานได้อย่างราบรื่นในระยะยาว และรักษาความมั่นคงของโครงข่ายไฟฟ้าโดยรวม

คำถามที่พบบ่อย