อุปกรณ์สำหรับสายส่งไฟฟ้าแบ่งออกเป็นกี่ประเภท?

อุปกรณ์ยึดสายส่งไฟฟ้าแบบรับน้ำหนัก: แคลมป์แบบแขวนและแคลมป์แบบดึง

วิธีที่แคลมป์แบบแขวนรองรับตัวนำภายใต้แรงตึงปกติขณะปฏิบัติงาน โดยยังคงอนุญาตให้มีการเคลื่อนไหวได้

แคลมป์แบบแขวนทำหน้าที่ยึดตัวนำให้อยู่กับที่บนเสาและหอคอย แต่ยังคงอนุญาตให้มีการเคลื่อนไหวตามธรรมชาติบางส่วนที่เกิดจากปัจจัยต่าง ๆ เช่น ลมพัด ความเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ และการเกาะตัวของน้ำแข็ง รูปร่างของแคลมป์ซึ่งมีลักษณะเป็นรูปตัวยูหรือตัวซี จะออกแรงกดอย่างสม่ำเสมอต่อตัวนำ โดยใช้ชิ้นส่วนที่ผลิตจากโลหะผสมซึ่งทนต่อการเกิดสนิมและการสึกกร่อนตามกาลเวลา แคลมป์เหล่านี้ยังช่วยให้ตัวนำสามารถหมุนเล็กน้อยและเคลื่อนที่ไปมาในแนวนอนได้ตามความจำเป็น ซึ่งส่งผลให้โครงสร้างโดยรวมยังคงมั่นคงแม้จะเผชิญกับสภาพอากาศที่หลากหลาย ทั้งนี้ เมื่อเปรียบเทียบกับการยึดแบบคงที่ที่ไม่มีการเคลื่อนไหวเลย ความยืดหยุ่นในตัวที่มีอยู่นี้กลับช่วยป้องกันไม่ให้เกิดปัญหาต่าง ๆ กับลวดอลูมิเนียมและตัวนำชนิด ACSR พิเศษที่วางผ่านระยะทางไกลระหว่างจุดรองรับ

เหตุใดแคลมป์แบบดึงจึงมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการยึดปลายสาย (dead-ending), การยึดตรึง (anchoring) และการรับโหลดแกนที่ไม่สมดุล

คลัมป์รับแรงดึง (Strain clamps) ซึ่งบางครั้งเรียกว่า คลัมป์ปลายตาย (dead end clamps) ทำหน้าที่ยึดสายตัวนำให้อยู่กับที่ในจุดที่สายส่งสิ้นสุดลงหรือเปลี่ยนทิศทาง คลัมป์ประเภทนี้จำเป็นต้องใช้เมื่อแรงดึงที่เกิดขึ้นมีค่าเกินกว่าระดับปกติระหว่างการปฏิบัติงาน โดยมักพบได้ที่จุดโค้ง จุดที่ความสูงเปลี่ยนแปลงอย่างฉับพลัน หรือเพียงแค่ปลายสุดของสายส่งเท่านั้น คลัมป์รับแรงดึงคุณภาพส่วนใหญ่สามารถรองรับแรงดึงที่ไม่สมดุลได้สูงถึงประมาณร้อยละ 90 ของแรงดึงที่จะทำให้สายตัวนำขาด ตามรายงานจากภาคสนาม การเลือกใช้คลัมป์รับแรงดึงชนิดที่ไม่เหมาะสมมีส่วนทำให้เกิดเหตุไฟฟ้าดับประมาณหนึ่งในสามของทั้งหมดที่เกิดจากสภาพอากาศเลวร้าย โครงสร้างการออกแบบประกอบด้วยกรามที่มีรอยหยัก (serrated jaws) พร้อมปลอกบีบอัด (compression sleeves) ที่ยึดจับสายตัวนำอย่างแน่นหนา เพื่อป้องกันไม่ให้สายตัวนำเลื่อนไถล และป้องกันไม่ให้สายหย่อนต่ำลงจนอาจก่อให้เกิดอันตรายได้ สำหรับสายส่งไฟฟ้าที่ต้องผ่านภูมิประเทศที่ท้าทาย เช่น สายส่งแรงดันสูง 345 kV ที่วิ่งข้ามภูเขา การมีคลัมป์รับแรงดึงที่แข็งแรงเพียงพอจึงมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อความมั่นคงและความน่าเชื่อถือของระบบโครงข่ายไฟฟ้าทั้งระบบ

อุปกรณ์ยึดสายไฟแบบป้องกัน: ตัวลดการสั่นสะเทือนและแท่งเสริมเกราะ

การควบคุมการสั่นสะเทือนจากลม: วิธีที่ตัวลดการสั่นสะเทือนแบบสต๊อกบริดจ์และแบบเกลียวช่วยยืดอายุการใช้งานของสายตัวนำ

การสั่นสะเทือนแบบแอออลีอัน (Aeolian) ที่เกิดจากลมก่อให้เกิดการเคลื่อนไหวความถี่สูง ซึ่งค่อยๆ กัดกร่อนจุดยึดของระบบรองรับสายไฟในระยะยาว จนในที่สุดทำให้ลวดตัวนำขาดและเสียหายก่อนกำหนด ตัวลดการสั่นแบบสต๊อกบริดจ์ (Stockbridge dampers) ช่วยแก้ปัญหานี้โดยใช้หลักการลดการสั่นแบบมวลปรับแต่ง (tuned mass damping) โดยพื้นฐานแล้ว อุปกรณ์เหล่านี้ประกอบด้วยมวลที่มีน้ำหนักมากติดตั้งอยู่ที่ปลายทั้งสองข้าง ซึ่งเชื่อมต่อกันด้วยสายเคเบิลตัวนำ (messenger cable) ทำหน้าที่เปลี่ยนพลังงานจากการสั่นสะเทือนให้กลายเป็นความร้อน แทนที่จะปล่อยให้พลังงานสะสมขึ้น อีกทางเลือกหนึ่งคือตัวลดการสั่นแบบเกลียว (spiral dampers) ซึ่งพันรอบตัวนำโดยตรง เพื่อให้เกิดการยับยั้งการสั่นผ่านแรงเสียดทานตลอดความยาวทั้งหมดของลวด วิธีการเหล่านี้ช่วยลดแรงเครียดสูงสุดลงประมาณครึ่งหนึ่ง เมื่อเปรียบเทียบกับสายไฟที่ไม่มีการป้องกันใดๆ ทำให้ตัวนำสามารถใช้งานได้นานเกินสามทศวรรษ ทั้งนี้ การจัดระยะห่างระหว่างตัวลดการสั่นให้เหมาะสมก็มีความสำคัญเช่นกัน เพราะจะช่วยป้องกันรูปแบบการสั่นสะเทือนแบบเรโซแนนซ์ที่อาจเป็นอันตราย ขณะเดียวกันก็ยังคงรักษาความยืดหยุ่นของตัวนำไว้เพียงพอสำหรับรับมือกับสภาพอุณหภูมิสุดขั้วและการสะสมของน้ำแข็ง

การป้องกันตัวนำ: แท่งเกราะและอุปกรณ์ป้องกันรูปแบบสำเร็จรูปที่ช่วยป้องกันการสึกหรอและความล้าที่จุดยึดแขวน

จุดยึดแขวนเป็นตำแหน่งที่ตัวนำไฟฟ้าได้รับความเครียดอย่างรุนแรงจริงๆ เนื่องจากการเคลื่อนไหวอย่างต่อเนื่อง และจุดที่เกิดความเครียดสะสม (stress concentrations) ขณะที่ตัวนำโค้งงอ แท่งป้องกัน (Armor rods) ซึ่งโดยพื้นฐานแล้วคือปลอกทำจากอะลูมิเนียมหรือเหล็กชุบสังกะสีที่พันเป็นเกลียวแบบสปริง จะกระจายแรงเชิงกลออกทั่วพื้นที่สัมผัสประมาณ 12 ถึง 24 นิ้ว โครงสร้างที่เรียบง่ายนี้ช่วยลดแรงกดเฉพาะจุดลงได้ประมาณ 70% จึงส่งผลอย่างมากต่ออายุการใช้งานของตัวนำ อีกทางเลือกที่ดีคือแผ่นป้องกันสำเร็จรูป (preformed guards) ที่ผลิตจากโพลิเมอร์ขึ้นรูปในโรงงานให้สอดคล้องกับรูปทรงของตัวนำอย่างใกล้เคียงสมบูรณ์แบบ ซึ่งจะช่วยกำจัดข้อผิดพลาดที่น่าหงุดหงิดระหว่างการติดตั้งในสนามได้อย่างสิ้นเชิง ทั้งสองวิธีนี้ให้ผลลัพธ์ที่ยอดเยี่ยมในการป้องกันการสึกหรอจากการสั่นสะเทือน (fretting fatigue) เพราะช่วยรองรับและลดแรงกระแทกที่บริเวณจุดยึดแขวน โดยยังคงรักษาความสมบูรณ์ของเส้นลวดตัวนำไว้ครบถ้วน สิ่งที่น่าสนใจคือ ความสามารถตามธรรมชาติของวิธีเหล่านี้ในการลดการสั่นสะเทือนนั้น ทำงานร่วมกันได้อย่างกลมกลืนกับระบบควบคุมการสั่นสะเทือนแบบเอโอเลียน (Aeolian control systems) ที่ออกแบบมาโดยเฉพาะ เมื่อรวมกันแล้ว จึงเกิดเป็นระบบที่ให้การป้องกันแบบสองชั้น ซึ่งสามารถทนต่อการสึกหรอและการเสื่อมสภาพจากสภาวะแวดล้อมต่างๆ บนสายส่งไฟฟ้าเหนือพื้นดินได้ดีกว่ามาก

อุปกรณ์ต่อเชื่อมและระบบความปลอดภัยสำหรับสายส่งไฟฟ้า: ข้อต่อแบบต่อกัน (Splices), ตัวเชื่อมต่อ (Connectors), และอุปกรณ์ต่อสายดิน (Grounding Hardware)

ความต่อเนื่องที่น่าเชื่อถือ: ข้อต่อแบบบีบอัด (Compression splices) เทียบกับตัวเชื่อมต่อแบบยึดด้วยโบลต์ (bolted connectors) สำหรับการใช้งานในช่วงกลางสาย (mid-span) และการต่อปลายสาย (termination applications)

ข้อต่อแบบอัด (Compression splices) และข้อต่อแบบยึดด้วยสกรู (bolted connectors) แต่ละประเภทมีบทบาทที่แตกต่างกันในการรักษาความสมบูรณ์ของวงจรไฟฟ้า ข้อต่อแบบอัดสร้างการเชื่อมต่อถาวรผ่านกระบวนการเชื่อมเย็น (cold welding) โดยใช้แรงไฮดรอลิก ซึ่งให้ความต้านทานต่อการสั่นสะเทือนได้ดีกว่าและสามารถรองรับกระแสไฟฟ้าได้มากกว่า จึงมักนำมาใช้ในบริเวณที่สายไฟอาจเคลื่อนไหวได้ เช่น บริเวณกลางช่วงของสายส่ง ผลจากการทดสอบในอุตสาหกรรมระบุว่า ข้อต่อแบบอัดเหล่านี้สามารถควบคุมการเพิ่มขึ้นของความต้านทานให้อยู่ต่ำกว่าร้อยละ 0.1 แม้หลังจากผ่านการสั่นสะเทือนถึง 10 ล้านรอบแล้วก็ตาม อย่างไรก็ตาม ข้อต่อแบบยึดด้วยสกรูให้การเชื่อมต่อที่สามารถปรับแต่งและบำรุงรักษาได้ จึงเหมาะอย่างยิ่งสำหรับจุดปลายสุดของสายส่งที่หอบอก (towers) หรือสถานีไฟฟ้าย่อย (substations) แต่มีข้อควรระวังคือ จำเป็นต้องตรวจสอบการขันสกรูให้แน่นเป็นประจำ เนื่องจากการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอาจทำให้สกรูคลายตัวได้ตามกาลเวลา ในการใช้งานกับสายส่งแรงสูงที่มีแรงดันเกิน 230 กิโลโวลต์ งานวิจัยล่าสุดจากสถาบันวิจัยพลังงานไฟฟ้า (EPRI) พบว่า ข้อต่อแบบอัดสามารถลดอัตราความล้มเหลวลงได้ประมาณร้อยละ 70 เมื่อเปรียบเทียบกับข้อต่อแบบยึดด้วยสกรู การเลือกระหว่างสองประเภทนี้ขึ้นอยู่กับปัจจัยหลักสามประการ ได้แก่ ระดับแรงดันไฟฟ้าที่ใช้งาน สภาพแวดล้อมที่รุนแรงเพียงใด และความจำเป็นในการเข้าถึงเพื่อการบำรุงรักษาในอนาคต

ความสมบูรณ์ของการต่อสายดิน: การเชื่อมแบบเอกซ์โธอร์มิก การต่อสายดินแบบหนีบยึด และมาตรฐานประสิทธิภาพในการรับกระแสลัดวงจร

อุปกรณ์ต่อสายดินที่เหมาะสมช่วยปกป้องทั้งบุคลากรและอุปกรณ์เมื่อเกิดข้อผิดพลาดทางไฟฟ้า การเชื่อมแบบเอกซ์โซเทอร์มิก (Exothermic welding) สร้างพันธะโมเลกุลที่แข็งแรงระหว่างตัวนำผ่านปฏิกิริยาเคมี ซึ่งส่งผลให้การนำไฟฟ้าเทียบเท่ากับวัสดุตัวนำเอง จึงเหมาะอย่างยิ่งสำหรับการต่อสายดินในสถานีไฟฟ้าระยะยาว สำหรับงานชั่วคราวที่ต้องการความรวดเร็ว ตัวต่อสายดินแบบหนีบ (clamp-on grounds) ให้การเชื่อมต่อที่รวดเร็วและสามารถถอดออกได้อย่างง่ายดาย แบบที่ใช้หลักการยึดแบบลิ่ม (wedge style) ช่วยให้ช่างเทคนิคติดตั้งได้ภายในเวลาไม่เกินหนึ่งนาทีครึ่งเป็นส่วนใหญ่ องค์ประกอบทั้งหมดของการต่อสายดินจำเป็นต้องสอดคล้องตามมาตรฐาน IEEE 80 ว่าด้วยกระแสลัดวงจร ตัวอย่างเช่น ตัวหนีบที่มีค่าการรับกระแส 40 kA จะต้องสามารถรองรับกระแสกระชากเป็นเวลาครึ่งวินาทีได้ โดยอุณหภูมิไม่เพิ่มสูงกว่า 250 องศาเซลเซียส ระบบต่อสายดินรุ่นใหม่ช่วยควบคุมศักย์ก้าว (step potentials) โดยรักษาระดับเกรเดียนต์ของแรงดันไว้ต่ำกว่าประมาณ 2 โวลต์ต่อแอมแปร์-เมตร ขณะเกิดข้อผิดพลาด การตรวจสอบด้วยกล้องถ่ายภาพความร้อนเป็นประจำช่วยลดอัตราความล้มเหลวลงได้ประมาณ 85 เปอร์เซ็นต์ เนื่องจากจุดต่อที่ไม่ดีมักจะร้อนขึ้นก่อนเสมอ จึงปรากฏชัดเจนบนกล้องอินฟราเรดก่อนที่จะเกิดความเสียหายอย่างสมบูรณ์ (ตามผลการศึกษาของ NFPA เมื่อปีที่ผ่านมา)

วัสดุ มาตรฐาน และเกณฑ์การคัดเลือกอุปกรณ์สำหรับสายส่งไฟฟ้า

เมื่อเลือกอุปกรณ์สำหรับสายส่งไฟฟ้า วิศวกรจำเป็นต้องพิจารณาคุณสมบัติของวัสดุ ตรวจสอบว่าสอดคล้องกับมาตรฐานสากลหรือไม่ และพิจารณาสภาพแวดล้อมที่อุปกรณ์จะต้องเผชิญในสถานที่ติดตั้งจริง ส่วนใหญ่แล้วอุปกรณ์ยึดสายตัวนำยังคงใช้อัลลอยด์อลูมิเนียมเป็นหลัก เนื่องจากวัสดุเหล่านี้ให้ความแข็งแรงสูงโดยมีน้ำหนักเบา และมีความต้านทานการกัดกร่อนได้ดีมาก ขณะที่ทองแดงยังคงเป็นวัสดุที่นิยมใช้สำหรับชิ้นส่วนระบบต่อลงดิน เนื่องจากไม่มีวัสดุใดสามารถนำไฟฟ้าได้ดีเท่ากับทองแดงบริสุทธิ์ ในพื้นที่ชายฝั่งทะเลซึ่งมีความเค็มสูงและทำให้โลหะเกิดสนิมได้อย่างรวดเร็ว อุปกรณ์แบบโพลิเมอร์ผสมกำลังได้รับความนิยมเพิ่มขึ้นในฐานะทางเลือกแทนอุปกรณ์โลหะแบบดั้งเดิม ตามผลการศึกษาของ NACE เมื่อปี ค.ศ. 2022 อุปกรณ์แบบโพลิเมอร์เหล่านี้ช่วยลดความต้องการการบำรุงรักษาลงประมาณร้อยละสี่สิบ เมื่อเปรียบเทียบกับอุปกรณ์โลหะแบบทั่วไปที่ไม่ผ่านกระบวนการป้องกันการกัดกร่อน

ความเข้ากันได้กับสิ่งแวดล้อมมีผลโดยตรงต่ออายุการใช้งาน สำหรับการติดตั้งในบริเวณชายฝั่ง วัสดุต้องมีความต้านทานต่อการกัดกร่อนจากละอองเกลือ (salt-spray resistance) มากกว่า 1,000 ชั่วโมง ตามมาตรฐาน ASTM B117 การติดตั้งในพื้นที่สูงต้องใช้พอลิเมอร์ที่ผ่านการเสริมความคงตัวต่อรังสี UV ขณะที่พื้นที่อุตสาหกรรมจำเป็นต้องใช้สารเคลือบที่ทนต่อสารเคมี ความสามารถในการทนต่อการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิแบบไซคลิก (temperature cycling tolerance) ตั้งแต่ –40°C ถึง +80°C จะป้องกันการแตกร้าวแบบเปราะ (brittle fracture) ในเขตเทือกเขาสูง และป้องกันการบิดตัวจากความร้อน (thermal deformation) ในสภาพแวดล้อมทะเลทราย

การมาตรฐานช่วยให้มั่นใจได้ถึงความสามารถในการทำงานร่วมกัน (interoperability) และความปลอดภัย มาตรฐานหลักที่เกี่ยวข้อง ได้แก่:

• IEC 61284 สำหรับการทดสอบแรงโหลดเชิงกล
• IEEE 1240 สำหรับเกณฑ์ประสิทธิภาพการเกิดโคโรนา (corona performance thresholds)
• ANSI C119.4 สำหรับความน่าเชื่อถือของข้อต่อแบบบีบอัด (compression connector reliability)
  การรับรองจากหน่วยงานภายนอก (เช่น KEMA, ESTI) ยืนยันความสอดคล้องกับมาตรฐานก่อนการติดตั้ง การเพิกเฉยต่อมาตรฐานเหล่านี้อาจนำไปสู่ความล้มเหลวก่อนกำหนด — ค่าใช้จ่ายในการเปลี่ยนชิ้นส่วนที่เสียหายจากสนิมอยู่ที่ 740,000 ดอลลาร์สหรัฐต่อปี ต่อระยะทางวงจร 100 ไมล์ (Ponemon 2023)

การเลือกใช้วัสดุให้ความสำคัญกับสามมิติหลัก ได้แก่:

1. ความสามารถในการรับแรงทางกล : ต้องสามารถรับแรงดึงสูงสุดได้พร้อมมีค่าความปลอดภัยขั้นต่ำ 2.5 เท่า
2. ความนำไฟฟ้า : อุปกรณ์ต่อสายดินต้องมีค่าความต้านทานไม่เกิน 5 ไมโครโอห์ม
3. ความทนทานต่อสิ่งแวดล้อม : ความต้านทานต่อการกัดกร่อนสอดคล้องกับมาตรฐาน ISO 12944 ระดับ C5-M

การวิเคราะห์ต้นทุนตลอดอายุการใช้งานแสดงให้เห็นอย่างชัดเจน: แม้ว่าแคลมป์ยึดระบบแขวนแบบพอลิเมอร์คอมโพสิตจะมีต้นทุนเริ่มต้นสูงกว่า 15% แต่ระยะเวลารับใช้งาน 30 ปีของมันนั้นเหนือกว่าอย่างมากเมื่อเทียบกับวงจรการเปลี่ยนแปลงเฉลี่ยของเหล็กชุบสังกะสีซึ่งอยู่ที่ 12 ปี การผสานกลยุทธ์นี้ระหว่างวิทยาศาสตร์วัสดุ ความสอดคล้องตามข้อกำหนดทางกฎหมาย และพารามิเตอร์การปฏิบัติงาน จึงเป็นรากฐานสำคัญที่สนับสนุนความมั่นคงและทนทานของโครงข่ายไฟฟ้าในระยะยาว

คำถามที่พบบ่อย

แคลมป์ยึดระบบแขวนในอุปกรณ์สายส่งไฟฟ้ามีวัตถุประสงค์เพื่ออะไร

แคลมป์ยึดระบบแขวนทำหน้าที่รองรับตัวนำภายใต้แรงตึงปกติขณะใช้งาน โดยยังคงอนุญาตให้มีการเคลื่อนไหวบางส่วนอันเนื่องจากการเปลี่ยนแปลงของสภาพแวดล้อม เช่น ลมหรือการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ

ทำไมแคลมป์รับแรงดึงจึงมีความจำเป็นสำหรับสายส่งไฟฟ้า

แคลมป์รับแรงดึงมีความสำคัญอย่างยิ่งในการยึดปลายสาย (dead-ending) การยึดแน่น (anchoring) และการรับโหลดแกนที่ไม่สมดุล โดยเฉพาะบริเวณจุดที่สายส่งสิ้นสุดหรือเปลี่ยนทิศทาง

ตัวลดการสั่นสะเทือนช่วยสนับสนุนการทำงานของอุปกรณ์สายส่งไฟฟ้าได้อย่างไร

ตัวลดการสั่นสะเทือน เช่น ตัวลดการสั่นแบบสต๊อกบริดจ์ (Stockbridge) และตัวลดการสั่นแบบเกลียว (spiral dampers) ทำหน้าที่ควบคุมการสั่นสะเทือนแบบแอโรเลียน (Aeolian vibrations) ที่เกิดจากลม ซึ่งช่วยยืดอายุการใช้งานของสายไฟฟ้าโดยการลดความเครียดและการสั่นพ้อง

แท่งป้องกัน (armor rods) มีบทบาทอย่างไร?

แท่งป้องกันช่วยป้องกันการสึกหรอและการล้าของวัสดุบริเวณจุดยึดแขวน โดยกระจายแรงเชิงกลออกเป็นพื้นที่และระยะที่กว้างขึ้น จึงช่วยยืดอายุการใช้งานของสายไฟฟ้า

ปัจจัยสำคัญใดบ้างที่ควรพิจารณาเมื่อเลือกอุปกรณ์สำหรับสายส่งไฟฟ้า?

ปัจจัยหลักที่ต้องพิจารณา ได้แก่ ความสามารถในการรับแรงเชิงกล ความสามารถในการนำไฟฟ้า และความทนทานต่อสภาพแวดล้อม ซึ่งทั้งหมดนี้ต้องสอดคล้องกับมาตรฐานสากลและความต้องการเฉพาะของสถานที่ติดตั้ง