ฉนวนมีการประยุกต์ใช้งานหลักอย่างไรในระบบกำลังไฟฟ้า

บทบาทและคุณสมบัติพื้นฐานของฉนวนในระบบกำลังไฟฟ้า

หน้าที่และวัตถุประสงค์ของฉนวนไฟฟ้าในระบบกำลังไฟฟ้า

ตัวเก็บฉนวนไฟฟ้ามีบทบาทสำคัญโดยการสร้างสิ่งกีดขวางระหว่างส่วนที่มีไฟฟ้าและโครงสร้างที่ต่อสายดิน เพื่อป้องกันการไหลของไฟฟ้าแบบไม่ตั้งใจที่อาจทำให้อุปกรณ์เสียหายหรือก่อให้เกิดสถานการณ์อันตราย วัสดุเหล่านี้ช่วยให้กระแสไฟฟ้าทำงานได้อย่างราบรื่นแม้ในระดับแรงดันสูงกว่า 500 กิโลโวลต์ และยังสามารถควบคุมกระแสไฟฟ้ารั่ว (leakage currents) ให้อยู่ในระดับต่ำกว่า 10 ไมโครแอมแปร์ต่อกิโลเมตร ตามมาตรฐาน IEEE ปี 2021 เครือข่ายไฟฟ้าในปัจจุบันยังต้องการวัสดุฉนวนที่มีความแข็งแรงพอที่จะทนต่อสภาพแวดล้อมที่เลวร้ายด้วย เช่น ปัญหาการสะสมของน้ำแข็งหรือสิ่งสกปรก โดยเฉพาะในพื้นที่ใกล้ชายฝั่งทะเล ซึ่งปัจจัยเหล่านี้สามารถลดค่าความต้านทานผิวหน้าลงได้ถึงครึ่งถึงสามในสี่เท่าของค่าเดิม ตามการศึกษาที่เผยแพร่โดย CIGRE ในปี 2022

คุณสมบัติหลักของตัวเก็บฉนวน: ความต้านทาน (Resistivity), ความแข็งแรงของฉนวน (Dielectric strength), และความทนทานเชิงกล (Mechanical durability)

คุณสมบัติหลักสามประการที่กำหนดประสิทธิภาพของตัวเก็บฉนวน:

1. ความต้านทานไฟฟ้า : ความต้านทานเชิงปริมาตร: วัสดุประสิทธิภาพสูง เช่น กระจกเทมเปอร์สามารถให้ค่าความต้านทานเชิงปริมาตรสูงกว่า 1×10¹³ Ω·ซม. ที่อุณหภูมิ 25°C
2. ความแข็งแรงแบบดียิเลคทริก : โพลิเมอร์คอมโพสิตสามารถทนต่อสนามไฟฟ้าได้สูงถึง 30 กิโลโวลต์/มม. ก่อนเกิดการทะลุ
3. ความสามารถในการรับแรงทางกล : สายฉนวนแขวนสามารถรองรับโหลดในแนวตั้งได้เกินกว่า 160 กิโลนิวตัน พร้อมการบิดเบือนต่ำ (<0.5%)

ฉนวนเซรามิกมีความต้านทานการทะลุแบบจุดสูงกว่าฉนวนโพลิเมอร์ 30-40% ภายใต้การโหลดแบบซ้ำๆ แต่ฉนวนคอมโพสิตสมัยใหม่มีสมรรถนะการทนการกระโชกไฟฟ้าได้ดีกว่าในสภาพแวดล้อมที่มีมลพิษและความชื้นสูง (รายงาน EPRI Grid 2023)

ฉนวนแขวนในสายส่งแรงดันสูง

รองรับตัวนำไฟฟ้าเหนืออากาศในเครือข่ายสายส่งระยะไกล

ตัวเก็บฉนวนแบบแขวนมีบทบาทสำคัญมากในการยึดสายส่งไฟฟ้าเหนือศีรษะให้อยู่ในตำแหน่งที่ถูกต้องในระบบส่งไฟฟ้าระยะทางไกล ชิ้นส่วนเหล่านี้จำเป็นต้องรับแรงดึงทางกลที่ค่อนข้างสูง บ่อยครั้งที่แรงดังกล่าวสูงกว่า 70 กิโลนิวตัน ขณะเดียวกันก็ยังคงคุณสมบัติในการเป็นฉนวนไฟฟ้าไว้ได้ หากไม่มีตัวเก็บฉนวนนี้ ตัวตัวนำไฟฟ้าอาจสัมผัสกับเสาโครงสร้างจนเกิดปัญหา โดยเฉพาะในช่วงที่ระยะห่างระหว่างเสาค่อนข้างไกล ความหย่อนตัว (sag) ในช่วงเหล่านี้จะต้องควบคุมให้อยู่ในระดับไม่เกินประมาณ 3% ของความยาวช่วงโดยรวม เพื่อป้องกันการเกิดการอาร์กไฟฟ้า (flashover) ที่อันตราย ปัจจุบันการออกแบบส่วนใหญ่ใช้ชุดจานแบบแยกส่วนที่ช่วยให้บริษัทผู้ให้บริการไฟฟ้าสามารถปรับระยะทางครีพเพจ (creepage distance) ได้ตามปัจจัยต่างๆ เช่น ความต้องการแรงดันไฟฟ้า (ซึ่งอาจสูงถึง 1,100 กิโลโวลต์ AC) และระดับความสกปรกของสภาพแวดล้อมรอบข้าง จากการสำรวจแนวโน้มตลาดล่าสุดในรายงาน High Voltage Insulators ปี 2024 พบว่ามีความต้องการตัวเก็บฉนวนแบบแขวนพิเศษที่ออกแบบมาเฉพาะสำหรับเส้นทางส่งไฟฟ้า HVDC ระหว่างภูมิภาคที่ใหญ่โตเพิ่มมากขึ้น โดยมีอัตราการเติบโตประมาณ 12% ต่อปี ตามการวิเคราะห์ของนักวิชาการในอุตสาหกรรม

การกำหนดค่าและการปรับปรุงการออกแบบเพื่อความน่าเชื่อถือ

ในการคำนวณความยาวของสายฉนวนที่จำเป็น วิศวกรมักใช้สูตรพื้นฐานดังนี้: จำนวนหน่วยเท่ากับแรงดันไฟฟ้าของระบบคูณกับตัวประกอบความปลอดภัย หารด้วยแรงดันทนทานต่อหน่วยของแต่ละแผ่น โดยสายส่งไฟฟ้าส่วนใหญ่จะมีประมาณ 8 แผ่นสำหรับระบบ 230 กิโลโวลต์ แต่สำหรับสายส่งแรงดันสูงที่ 765 กิโลโวลต์ อาจต้องใช้ฉนวนถึง 24 ชิ้นหรือมากกว่าที่ต่อกันไว้ การเพิ่มแหวนปรับแรงดัน (grading rings) เข้าไปก็มีความสำคัญมากเช่นกัน แหวนเหล่านี้ช่วยกระจายสนามไฟฟ้าให้สม่ำเสมอทั่วทั้งสายฉนวน ซึ่งจะช่วยลดปัญหาการปล่อยประจุโคโรนา (corona discharge) โดยเฉพาะในสภาพที่ความชื้นสูง นอกจากนี้ เรากำลังเห็นแนวโน้มว่าเทคโนโลยีเซ็นเซอร์กำลังกลายเป็นส่วนหนึ่งของการออกแบบฉนวนมาตรฐานในปัจจุบัน โดยบริษัทต่าง ๆ เริ่มฝังอุปกรณ์ที่สามารถตรวจสอบทั้งแรงดันเชิงกลในช่วงความผิดพลาด ±2% และวัดกระแสไฟฟ้ารั่ว การตรวจสอบแบบนี้ช่วยให้ผู้ปฏิบัติงานในโรงไฟฟ้าสามารถตรวจพบปัญหาที่อาจเกิดขึ้นได้ตั้งแต่เนิ่น ๆ ก่อนที่จะกลายเป็นปัญหาร้ายแรงในระหว่างการตรวจเช็กตามปกติ

ข้อดีของฉนวนกันไฟฟ้าแบบคอมโพสิตและโพลีเมอร์ในโครงข่ายไฟฟ้าสมัยใหม่

• การลดน้ำหนัก : ลดน้ำหนักได้ 60% เมื่อเทียบกับเซรามิกส์ ช่วยลดความต้องการโครงสร้างเสาไฟฟ้า
• ความต้านทานต่อการปนเปื้อน : ฉนวนยางซิลิโคนทนทานต่อการสะสมของเกลือและมลพิษ เหมาะสำหรับใช้ในพื้นที่ชายฝั่งทะเล
• พื้นผิวที่ไม่ดูดน้ำ (Hydrophobic) : คุณสมบัติในการทำความสะอาดตัวเอง ช่วยลดความถี่ในการบำรุงรักษาลงถึง 70% เมื่อเทียบกับฉนวนเซรามิกส์
• การลดแรงสั่นสะเทือน : เมทริกซ์โพลีเมอร์สามารถดูดซับการสั่นสะเทือนจากลม (aeolian vibrations) ช่วยยืดอายุการใช้งานของตัวนำไฟฟ้าเพิ่มขึ้น 15-20 ปี

ฉนวนแบบเสาและเสาค้ำยันในระบบสถานีไฟฟ้า

การใช้งานที่สำคัญในระบบบัสบาร์, ตู้เบรกเกอร์, และระบบตัวนำไฟฟ้าแบบแข็ง

ตัวแยกฉนวนแบบตั้งให้การสนับสนุนโครงสร้างที่จำเป็น ขณะเดียวกันก็ช่วยกักเก็บกระแสไฟฟ้าไว้ภายในสภาพแวดล้อมของสถานีไฟฟ้า ชิ้นส่วนเหล่านี้ใช้ยึดคานนำไฟฟ้าแบบแข็งที่เชื่อมต่อหม้อแปลงไฟฟ้ากับเบรกเกอร์ สร้างช่องว่างที่จำเป็นระหว่างส่วนที่นำไฟฟ้า เพื่อป้องกันไม่ให้เกิดปรากฏการณ์อาร์กไฟฟ้าที่อันตรายเมื่อมีไฟฟ้าลัดวงจร สถานีไฟฟ้าแรงสูงส่วนใหญ่ที่มีแรงดันประมาณ 500 กิโลโวลต์ มักต้องการตัวแยกฉนวนจำนวนประมาณ 40 ถึง 60 ตัวกระจายอยู่ทั่วทั้งพื้นที่ ตัวแยกฉนวนในปัจจุบันทำจากเซรามิกส์แบบดั้งเดิมหรือสารประกอบโพลิเมอร์รุ่นใหม่ สามารถทนกระแสไฟฟ้าต่อเนื่องได้สูงถึง 4,000 แอมแปร์ โดยไม่แสดงอาการเสียหายจากความร้อนตามระยะเวลาการใช้งาน ประเภทของวัสดุที่เลือกใช้มักขึ้นอยู่กับสภาพภูมิอากาศในพื้นที่และรูปแบบการบำรุงรักษาที่ต่างกันไปในแต่ละภูมิภาค

การจัดการโหลดทางกลและแรงกระทำจากสภาพแวดล้อมในผังสถานีไฟฟ้า

ตัวเก็บฉนวนเหล่านี้สามารถทนต่อความเร็วลมสูงสุด (>150 กม./ชม.) และการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิที่ช่วง -40°C ถึง +80°C ได้ โครงสร้างแบบโพลิเมอร์คอมโพสิตมักถูกใช้ในพื้นที่ชายฝั่งทะเล เนื่องจากมีความต้านทานการกัดกร่อน ส่วนแบบยางซิลิโคนสามารถลดความล้มเหลวที่เกิดจากหมอกเกลือได้มากถึง 72% เมื่อเทียบกับตัวเซรามิก (Porcelain) ปัจจัยสำคัญในการออกแบบนั้นแตกต่างกันไปตามสภาพแวดล้อม:

เซรามิก (Porcelain) กับยางซิลิโคน (Silicone Rubber): การเปรียบเทียบประสิทธิภาพและการบำรุงรักษา

แม้ว่าพอร์ซเลนจะมีความแข็งแรงของฉนวนไฟฟ้าที่เชื่อถือได้ (30-40 กิโลโวลต์/เซนติเมตร) แต่สารประกอบซิลิโคนรับเบอร์กลับมีข้อได้เปรียบที่สำคัญดังนี้:

• น้ำหนักลดลง 45% ทำให้เคลื่อนย้ายและติดตั้งง่ายขึ้น
• ความเหนียวในการแตกหักสูงกว่าถึงสามเท่า
• พื้นผิวที่มีคุณสมบัติกันน้ำและทำความสะอาดตัวเองได้

ผลการศึกษาของ CIGRE ในปี 2022 พบว่า ฉนวนโพลิเมอร์ต้องการการบำรุงรักษาลดลง 60% เมื่อเทียบกับพอร์ซเลนในสภาพแวดล้อมที่มีมลพิษ อย่างไรก็ตาม พอร์ซเลนยังคงเป็นวัสดุที่ได้รับความนิยมสำหรับการใช้งานแรงดันสูงมาก (>800 กิโลโวลต์) เนื่องจากคุณสมบัติการขยายตัวทางความร้อนที่คงที่

ฉนวนสายแรงดึงสำหรับการติดตั้งแบบ Dead-End และแรงดึงสูง

ยึดสายไฟที่จุดสิ้นสุดของสายและจุดที่เส้นทางเปลี่ยนทิศทางอย่างกะทันหัน

ฉนวนสายแรงดึงจะยึดสายไฟไว้ที่จุดสิ้นสุดของสายและจุดที่เปลี่ยนทิศทางกะทันหัน โดยสามารถรับแรงดึงได้มากกว่า 50 กิโลนิวตัน พร้อมป้องกันการรั่วของกระแสไฟฟ้า รุ่นคอมโพสิตที่พัฒนาใหม่มีน้ำหนักเบาลง 40% เมื่อเทียบกับแบบพอร์ซเลน และยังคงความแข็งแรงของฉนวนไฟฟ้าไว้ได้สูงกว่า 150 กิโลโวลต์/เมตร ซึ่งเหมาะสำหรับการติดตั้งเสาแบบ dead-end ในพื้นที่เขตเมือง

การประยุกต์ใช้งานในพื้นที่ภูมิประเทศที่ท้าทาย: การข้ามแม่น้ำและเขตภูเขา

ตัวแยกแรงดันไฟฟ้า (Strain insulators) มีบทบาทสำคัญในการปกป้องสายส่งไฟฟ้าในพื้นที่ภูมิประเทศที่ท้าทาย เช่น บริเวณช่องเขาและหุบเขาแม่น้ำ ซึ่งต้องเผชิญกับภัยคุกคามจากน้ำแข็งเกาะตัวหนา ลมแรง และแม้กระทั่งแผ่นดินไหว จากการวิจัยที่เผยแพร่เมื่อปีที่แล้ว พบว่าตัวแยกไฟฟ้าแบบโพลิเมอร์ช่วยลดการหยุดชะงักของการให้บริการลงได้ประมาณสองในสาม เมื่อเทียบกับตัวแยกแบบแก้วดั้งเดิมในพื้นที่ชายฝั่งทะเล ดูจากแนวโน้มของตลาด พบว่าภาคส่วนตัวแยกไฟฟ้าทั่วโลกกำลังเติบโตอย่างรวดเร็ว โดยปัจจุบันมีมูลค่ามากกว่า 2 พันล้านดอลลาร์ตามการพยากรณ์ล่าสุด การเติบโตนี้สอดคล้องกับความต้องการวัสดุที่สามารถทนต่อปัจจัยทางสิ่งแวดล้อมได้ดี และต้านทานการสะสมของสิ่งปนเปื้อน โดยเฉพาะในโครงสร้างพื้นฐานที่ตั้งอยู่ในพื้นที่ห่างไกลหรือสภาพแวดล้อมที่รุนแรง

การกระจายแรงและการรักษาความแข็งแรงของโครงสร้างในชุดตัวแยกหลายหน่วย (Multi-Unit Strain Assemblies)

การออกแบบสายแบบดิสก์หลายชั้นช่วยกระจายแรงเครียดทางกลให้ทั่วถึงหลายหน่วย ทำให้ระบบโดยรวมยังคงทำงานได้แม้ชิ้นส่วนจะสึกหรอไปตามกาลเวลา ความก้าวหน้าล่าสุดรวมถึงแกนที่เสริมใยไฟเบอร์ ซึ่งเพิ่มความสามารถในการรับน้ำหนักได้มากขึ้นประมาณสามสิบเปอร์เซ็นต์เมื่อเทียบกับแบบดั้งเดิมที่เสริมด้วยเหล็กกล้า การทดสอบแสดงให้เห็นว่าระบบเหล่านี้มีความน่าเชื่อถือแม้ในสภาวะที่รุนแรงมาก สามารถทนต่อแรงดันไฟฟ้าสูงถึง 765 กิโลโวลต์ และแรงโหลดทางกลถึง 15 กิโลนิวตันต่อเมตร ซึ่งทำให้ระบบเหล่านี้มีความสำคัญอย่างมากสำหรับการเชื่อมต่อสายส่งไฟฟ้าระยะไกลที่ไม่สามารถเกิดความล้มเหลวได้เลย

ปลอกสำหรับหม้อแปลงและสวิตช์เกียร์: การประยุกต์ใช้งานฉนวนเฉพาะทาง

บทบาทของปลอกในการเป็นฉนวนของหม้อแปลงและความสมบูรณ์ทางไฟฟ้า

ปลอกแรงดันสูงทำหน้าที่เป็นตัวเชื่อมต่อที่สำคัญระหว่างขั้วต่อของหม้อแปลงที่มีกระแสไฟฟ้าและตัวนำไฟฟ้าด้านนอก โดยรักษาฉนวนให้คงอยู่ระหว่างชิ้นส่วนที่มีแรงดันสูงและถังที่ต่อสายดินไว้ ตามรายงานวิจัยล่าสุด พบว่าปัญหาของหม้อแปลงประมาณหนึ่งในสามเกิดจากปลอกที่เสื่อมสภาพ ซึ่งอาจเกิดจากการเสียหายของฉนวนหรือการสึกหรอทางกลตามอายุการใช้งาน (รายงานความน่าเชื่อถือของระบบไฟฟ้าในปี 2023 ได้กล่าวถึงข้อเท็จจริงที่น่าสนใจนี้) ในปัจจุบัน ผู้ผลิตเริ่มใช้วัสดุที่ดีขึ้นในการผลิตปลอก เช่น เซรามิกขั้นสูงที่ผสมกับกระดาษที่ชุบน้ำมันแล้ว ซึ่งช่วยให้ปลอกสามารถจัดการกับแรงดันที่สูงกว่า 500 กิโลโวลต์ได้อย่างมีประสิทธิภาพ การอัปเกรดดังกล่าวช่วยลดปัญหาการปล่อยประจุบางส่วน (Partial Discharge) ที่มักเป็นปัญหาใหญ่สำหรับวิศวกรระบบไฟฟ้า

การจัดระดับความจุไฟฟ้าและการควบคุมสนามไฟฟ้าในปลอกแรงดันสูง

การจัดระดับความจุไฟฟ้าแบบหลายชั้นด้วยแหวนช่วยเพิ่มประสิทธิภาพในการกระจายสนามไฟฟ้า ลดจุดที่มีความเครียดสะสม 40-60% เมื่อเทียบกับการออกแบบแบบดั้งเดิม ซึ่งมีความสำคัญอย่างยิ่งใน ระบบ 800 กิโลโวลต์+ , ซึ่งเกรเดียนต์ที่ไม่สม่ำเสมออาจกระตุ้นให้เกิดการเสียหายจากฉนวนไฟฟ้า การปรับสมดุลความจุแบบแม่นยำ ที่ทำได้โดยการสลับชั้นนำไฟฟ้าและชั้นฉนวน สามารถควบคุมการรบกวนแม่เหล็กไฟฟ้าไว้ในระดับที่ปลอดภัยได้อย่างมีประสิทธิภาพ

วิวัฒนาการจากปลอกเซรามิกแบบมีน้ำมันมาเป็นปลอกแบบเรซินอีพ็อกซี่แห้ง: ความน่าเชื่อถือและความปลอดภัย

การเปลี่ยนผ่านจากปลอกแบบมีน้ำมัน ปลอกแบบใช้เรซินไซโคลอะลิฟัติกอีพ็อกซี่ แก้ไขปัญหาในการดำเนินงานที่สำคัญ ดังนี้:

• ความเสี่ยงจากไฟไหม้ ลดลง 89% โดยการกำจัดน้ำมันที่ติดไฟได้ออกไป
• ความซับซ้อนในการบำรุงรักษา ลดลงด้วยหน่วยแบบแห้งที่ต้องการการตรวจสอบน้อยลง 75%
• มลภาวะทางสิ่งแวดล้อม ป้องกันได้ด้วยการออกแบบไม่ให้มีการรั่วของน้ำมันตั้งแต่ปี 2015

ข้อมูลภาคสนามจาก 15,000 หน่วยที่ติดตั้งแล้ว แสดงให้เห็นว่าปลอกแบบแห้งบรรลุ ความน่าเชื่อถือในการดำเนินงานที่ 98.3% หลังจากสิบปี สูงกว่าตัวที่ใช้น้ำมัน 22%

คำถามที่พบบ่อย

ฉนวนไฟฟ้าในระบบกำลังไฟฟ้าทำหน้าที่อะไร

ฉนวนไฟฟ้าสร้างอุปสรรคเพื่อป้องกันการไหลของไฟฟ้าโดยไม่ได้ตั้งใจ รักษาความสมบูรณ์ของระบบโดยการจัดการแรงดันสูงและกระแสไฟรั่ว รวมถึงเพื่อให้การดำเนินงานเป็นไปอย่างปลอดภัยและมีประสิทธิภาพ

คุณสมบัติหลักของฉนวนไฟฟ้าคืออะไร

ความต้านทานไฟฟ้า ความแข็งแรงของฉนวนไฟฟ้า และความสามารถในการรับแรงดันเชิงกล คือคุณสมบัติหลักที่กำหนดประสิทธิภาพและการทำงานของฉนวนไฟฟ้า

ทำไมฉนวนแบบแขวนจึงมีความสำคัญในสายส่งไฟฟ้าแรงสูง

ฉนวนแบบแขวนทำหน้าที่รองรับตัวนำไฟฟ้าเหนือศีรษะ จัดการกับแรงดึงทางกล และรักษาฉนวนไฟฟ้าในระบบสายส่งระยะไกล

ฉนวนแขวนแบบคอมโพสิทมีข้อดีอย่างไร

ฉนวนแบบคอมโพสิทให้น้ำหนักเบา ทนต่อการปนเปื้อน พื้นผิวไม่ดูดน้ำ และลดการสั่นสะเทือน ซึ่งเป็นประโยชน์ต่อโครงข่ายไฟฟ้าในปัจจุบัน