ข้อกำหนดด้านการรับน้ำหนักสำหรับเสาไฟฟ้าและสาธารณูปโภคคืออะไร

มีภาระประเภทใดบ้างที่กระทำต่อเสาไฟฟ้า? ประเภทภาระหลักและผลกระทบทางวิศวกรรม

เสาไฟฟ้าต้องทนต่อแรงที่ซับซ้อน ซึ่งเป็นตัวกำหนดการออกแบบโครงสร้าง การประเมินภาระอย่างถูกต้องจะช่วยป้องกันการล้มเหลวและยืดอายุการใช้งานโครงสร้างพื้นฐานในเครือข่ายจ่ายไฟฟ้า

ภาระในแนวตั้ง: น้ำหนักของสายตัวนำ เครื่องแปลงแรงไฟฟ้า และอุปกรณ์ติดตั้ง

แรงกดลงบนเสาไฟฟ้าส่วนใหญ่เกิดจากอุปกรณ์ต่าง ๆ ที่ต้องยึดหรือแขวนอยู่บนเสา เช่น สายไฟฟ้า หม้อแปลงไฟฟ้า กล่องสื่อสาร คานขวาง และฉนวนเซรามิกขนาดเล็ก ซึ่งสิ่งเหล่านี้สร้างแรงที่วิศวกรเรียกว่า 'dead loads' หรือ แรงคงที่ที่ไม่หายไป ปกติแล้วเสาแต่ละต้นจะต้องรับน้ำหนักอุปกรณ์ประมาณ 2,000 ถึง 3,500 ปอนด์ อย่างไรก็ตาม ตัวเลขนี้อาจเพิ่มขึ้นมากในพื้นที่ใกล้สถานีไฟฟ้าย่อยในเมือง เนื่องจากมีโครงสร้างพื้นฐานจำนวนมากมาอยู่รวมกันแน่น หากเสาไม่มีความแข็งแรงพอที่จะรับแรงในแนวตั้งเหล่านี้ ปัญหาก็จะเกิดขึ้นอย่างรวดเร็ว เราเคยพบกรณีที่เสาโก่งตัวหรือทรุดลงในพื้นดินเปียก โดยเฉพาะหลังฝนตกหนักจนดินอิ่มตัว นั่นจึงเป็นเหตุผลว่าทำไมการปฏิบัติตามหลักวิศวกรรมที่ดีจึงจำเป็นต้องนำน้ำหนักทั้งหมดเหล่านี้มารวมกันคำนวณอย่างระมัดระวัง เป้าหมายไม่ใช่แค่ความแม่นยำทางคณิตศาสตร์ แต่คือการมั่นใจว่าวัสดุสามารถทนต่อภาระเหล่านี้ได้ทุกวันโดยไม่พังเสีย

แรงด้านข้าง: ความดันลม การไม่สมดุลของแรงตึงสายไฟ และการสะสมของน้ำแข็ง

เสาไฟฟ้าต้องเผชิญกับแรงด้านข้างที่ทำให้เกิดการโค้งงอภายใต้แรงเครียด เมื่อลมพัดเข้าใส่เสา แรงดันจะขึ้นอยู่กับพื้นที่ผิวที่สัมผัส ในขณะเดียวกัน เมื่อมีการดึงสายไฟในมุมเฉียงข้ามช่วงระยะ แรงดึงเพิ่มเติมเหล่านี้อาจทำให้โครงสร้างเสียสมดุลได้ ตามรหัสความปลอดภัยทางไฟฟ้าแห่งชาติ แต่ละพื้นที่มีข้อกำหนดเฉพาะสำหรับการรับมือกับแรงจากลมและน้ำแข็ง ยกตัวอย่างเช่น เขตโซน 2 ซึ่งต้องออกแบบเสาให้สามารถรองรับน้ำแข็งหนาครึ่งนิ้วและลมที่พัดด้วยความเร็ว 40 ไมล์ต่อชั่วโมงได้ สิ่งที่ทำให้สถานการณ์เลวร้ายยิ่งขึ้นคือ น้ำแข็งที่เกาะอยู่บนสายไฟจะเพิ่มผลกระทบจากแรงลมเป็นสองเท่า ความดันรวมทั้งหมดเหล่านี้หมายความว่าจำเป็นต้องใช้ฐานรากที่ลึกขึ้นเพื่อความมั่นคง และบางครั้งวิศวกรจำเป็นต้องติดตั้งสายยึด (guy wires) เพื่อเสริมความแข็งแรงให้กับจุดที่มีความเสี่ยง

แรงบิดและแรงแบบพลวัต: อุปกรณ์ที่แกว่งไปมา ตัวนำไฟฟ้าที่กระเพื่อม และเหตุการณ์แผ่นดินไหว

เมื่อต้องจัดการกับแรงหมุนและการกระแทกชั่วคราวที่เกิดขึ้นชั่วขณะ เหล่าวิศวกรต้องเผชิญกับรูปแบบความล้มเหลวที่ซับซ้อนหลากหลายรูปแบบ ยกตัวอย่างเช่น สายส่งไฟฟ้า เมื่อสายเหล่านี้เริ่มกระเพื่อมในลมแรง ความเค้นที่เกิดขึ้นจะสูงกว่าค่าที่คำนวณตามปกติมาก บางครั้งอาจสูงถึงสามเท่า! นอกจากนี้ยังมีแผ่นดินไหวที่สั่นสะเทือนพื้นดินและสร้างความถี่เรโซแนนซ์ที่น่ารำคาญใจ อีกทั้งหม้อแปลงไฟฟ้าที่แกว่งไปมา ก็สร้างปัญหาของตนเองโดยการส่งแรงบิดเข้ามาด้วย ส่วนประกอบที่เคลื่อนไหวเหล่านี้จำเป็นต้องได้รับการวิเคราะห์อย่างละเอียดผ่านวิธีการต่างๆ เช่น การจำลองแบบด้วยไฟไนต์เอลิเมนต์ สำหรับอาคารที่ต้องการปรับปรุงให้ทนต่อแผ่นดินไหว ผู้รับเหมามักติดตั้งสมอบิดรูปเกลียวพร้อมวัสดุที่สามารถโค้งงอได้โดยไม่แตก เพื่อช่วยดูดซับคลื่นกระแทกก่อนที่จะก่อให้เกิดความเสียหาย

แนวทางที่ NESC กำหนดข้อกำหนดแรงที่เสาไฟฟ้าต้องรับได้และระยะปลอดภัย

รหัสความปลอดภัยทางไฟฟ้าแห่งชาติ หรือที่เรียกกันทั่วไปว่า NESC ได้กำหนดแนวทางที่ค่อนข้างเข้มงวดเกี่ยวกับการสร้างเสาไฟฟ้า โดยขึ้นอยู่กับตำแหน่งที่ตั้งของเสาเหล่านั้น พื้นที่เหล่านี้ถูกจัดแบ่งออกเป็นสามประเภทหลัก ได้แก่ เขตโหลดหนัก (Heavy) เขตโหลดปานกลาง (Medium) และเขตโหลดเบา (Light) แต่ละหมวดหมู่มีกฎเฉพาะของตนเองเกี่ยวกับสภาพอากาศที่เสาไฟฟ้าจะต้องสามารถทนทานได้ ตัวอย่างเช่น ในเขตโหลดหนัก เสาจะต้องรับแรงลมได้สูงสุดถึง 80 ไมล์ต่อชั่วโมง รวมทั้งรับน้ำแข็งสะสมหนาได้ถึงครึ่งนิ้ว ในทางกลับกัน เขตโหลดเบาไม่ประสบกับสภาพอากาศรุนแรงเท่านั้น ดังนั้นข้อกำหนดจึงไม่เข้มงวดเท่า ระบบโดยรวมนี้ช่วยให้สายไฟฟ้ายังคงมั่นคงแข็งแรง ไม่ว่าจะตั้งอยู่ในพื้นที่ภูเขาที่มีแนวโน้มเกิดพายุ หรือพื้นที่ราบที่มีสภาพอากาศอบอุ่นกว่า

โซนโหลด NESC และเกณฑ์การออกแบบตามภูมิภาคสำหรับเสาไฟฟ้า

ข้อกำหนดของเขตวิกฤติรวมถึงการคำนวณแรงดันลมสูงสุดตามช่วงเวลาการเกิดพายุทุกๆ 50 ปี; มาตรฐานความหนาของน้ำแข็งแบบรัศมีที่ได้จากข้อมูลปริมาณน้ำฝนในอดีต; ตัวคูณภูมิประเทศสำหรับพื้นที่เปิดโล่งหรือแนวชายฝั่ง; และข้อกำหนดการจำแนกประเภทดินเพื่อความมั่นคงของรากฐาน

ปัจจัยด้านความปลอดภัยขั้นต่ำ: เหตุใด 1.5 เท่าของความจุโหลดสูงสุดจึงไม่สามารถละเว้นได้

NESC กำหนดให้มีความจุโหลดสูงสุดอย่างน้อย 150% เป็นเกณฑ์ขั้นต่ำด้านความปลอดภัยด้วยเหตุผลหลักสามประการ:

1. การชดเชยการเสื่อมสภาพของวัสดุ : เสาไม้สูญเสียความแข็งแรงไป 20–40% ภายในระยะเวลา 40 ปี
2. แรงภาระแบบพลวัตที่คาดไม่ถึง : สายนำไฟฟ้าที่สั่นสะเทือนอย่างรุนแรงระหว่างพายุหิมะสามารถเพิ่มแรงได้ถึง 300%
3. ความแปรปรวนในการก่อสร้าง : การปรับเปลี่ยนในสนามมักเบี่ยงเบนจากแบบที่ออกแบบไว้

ตัวคูณนี้ทำให้มั่นใจได้ว่าโครงสร้างจะยังคงความสมบูรณ์แม้จะมีการเสื่อมสภาพของเส้นใยไม้อย่างค่อยเป็นค่อยไป ความผิดปกติของการทรุดตัวของรากฐาน การติดตั้งอุปกรณ์เพิ่มเติมที่ไม่ได้คาดการณ์ไว้ และสภาพอากาศเลวร้ายที่เกินกว่าแบบจำลองในอดีต

แหล่งที่มาของแรงหลัก: ตัวนำไฟฟ้า อุปกรณ์ และอุปกรณ์ต่อพ่วงสมัยใหม่บนเสาไฟฟ้า

แรงดึงของสายไฟและเรขาคณิตช่วงความยาวเป็นตัวกำหนดโมเมนต์ดัดที่สำคัญ

แรงดึงในสายไฟฟ้าก่อให้เกิดแรงเค้นอย่างมากต่อเสาไฟฟ้า โดยเฉพาะบริเวณที่สายมีการโค้งหรือสิ้นสุดอย่างฉับพลัน ระยะห่างระหว่างเสาแต่ละต้นมีผลอย่างยิ่งต่อระดับความเครียด เมื่อระยะช่วงยาวขึ้น แรงดึงจะไม่เพิ่มขึ้นแบบเส้นตรง แต่จะเพิ่มขึ้นอย่างมาก เราเคยพบกรณีที่การเพิ่มระยะห่างระหว่างเสาเพียง 25% ส่งผลให้แรงดัดเพิ่มขึ้นประมาณ 56% เนื่องจากหลักการทางคณิตศาสตร์ของโมเมนต์ สถานการณ์จะเลวร้ายยิ่งขึ้นเมื่อมีการหย่อนตัวไม่เท่ากันในช่วงต่างๆ หรือเมื่อสายเปลี่ยนทิศทางอย่างไม่คาดคิด นั่นจึงเป็นเหตุผลที่วิศวกรภาคสนามต้องอาศัยการคำนวณเวกเตอร์อย่างหนักเพื่อวิเคราะห์แรงเหล่านี้ ก่อนที่จะเกิดความเสียหาย หากไม่มีการวิเคราะห์ที่เหมาะสม เราจะเสี่ยงต่อการล้มของเสาไฟฟ้า ซึ่งอาจทำให้ระบบโครงข่ายไฟฟ้าทั้งระบบหยุดทำงานได้ในช่วงพายุหรือลมแรง

สายเคเบิลไฟเบอร์ออปติกและอุปกรณ์ไร้สาย: ภาระทุติยภูมิที่เพิ่มขึ้นบนเสาไฟฟ้า

การเพิ่มอุปกรณ์ใหม่ลงบนเสาไฟฟ้าทำให้น้ำหนักรวมเพิ่มมากขึ้นตามเวลา โดยตัวอย่างเช่น สายไฟเบอร์ออปติกสามารถเพิ่มน้ำหนักได้ตั้งแต่ 3 ถึง 7 ปอนด์ต่อความยาว 1 ฟุตที่วางไปตามเสา และยังมีกล่องเซลล์ขนาดเล็กสำหรับเครือข่าย 5G ซึ่งแต่ละตัวมีน้ำหนักประมาณ 75 ถึง 150 ปอนด์ รวมกันแล้ว สิ่งของเพิ่มเติมนี้คิดเป็นประมาณ 12 ถึง 18 เปอร์เซ็นต์ของน้ำหนักรวมที่เสาไฟฟ้าในเมืองของเราต้องรับในปัจจุบัน อย่างไรก็ตาม ไม่ใช่แค่เรื่องน้ำหนักเท่านั้น ทุกๆ การติดตั้งยังเพิ่มพื้นที่ผิวที่ต้องรับแรงลม เนื่องจากต้องใช้โครงยึดและค้ำจุนต่างๆ ในการยึดอุปกรณ์เหล่านี้ไว้ การออกแบบอย่างเหมาะสมจึงมีความสำคัญมาก เมื่อเสาถูกโหลดเกินกว่าประมาณ 85% ของความสามารถ วิศวกรมักจะพบว่าจำเป็นต้องดำเนินการปรับปรุงหรือเปลี่ยนเสาทั้งหมดในอนาคต

การประเมินความสามารถ: เปอร์เซ็นต์การใช้งาน การเสริมความแข็งแรง และการตัดสินใจเปลี่ยนเสาไฟฟ้า

เสาไฟฟ้าต้องมีการประเมินความสามารถอย่างต่อเนื่องผ่านสามเกณฑ์สำคัญ ได้แก่ เปอร์เซ็นต์การใช้งาน ความเหมาะสมในการเสริมโครงสร้าง และสัญญาณเตือนการเปลี่ยนแทน เปอร์เซ็นต์การใช้งานเป็นการวัดอัตราส่วนของแรงที่กระทำเทียบกับความจุตามค่าที่กำหนดไว้ของเสา — หากเกิน 67% จะถือว่าขัดต่อปัจจัยความปลอดภัย 1.5 เท่า ตามข้อกำหนดของ NESC การวิเคราะห์ในอุตสาหกรรมแสดงให้เห็นว่า เสาที่ใกล้ถึงระดับการใช้งาน 85% จำเป็นต้องได้รับการเสริมโครงสร้างทันที โดยวิธี:

• การติดตั้งปลอกเหล็ก (ฟื้นฟูความแข็งแรงได้ 25–40%)
• ระบบสายยึด (ลดแรงดัดโค้งได้ 30–50%)
• การอัดเรซินอีพ็อกซี่ (หยุดการผุกร่อนของไม้ได้ใน 92% ของกรณี)

การเปลี่ยนอุปกรณ์จำเป็นต้องดำเนินการเมื่อการใช้งานเกิน 90% หรือเมื่อประสิทธิภาพลดลงจนต่ำกว่าระดับที่จำเป็นสำหรับการทำงานตามปกติ การกำหนดเกณฑ์เหล่านี้มีจุดประสงค์หลักเพื่อป้องกันความล้มเหลวอย่างรุนแรงในช่วงสภาพอากาศเลวร้าย ตัวอย่างเช่น โครงเสาไฟฟ้ามักจะพังทลายบ่อยขึ้นประมาณ 4 เท่า เมื่อมีภาระเกินกว่าที่ออกแบบไว้ เมื่อเทียบกับเสาที่ได้รับการเสริมความแข็งแรงอย่างเหมาะสม ผู้จัดการสินทรัพย์ในปัจจุบันพิจารณาข้อมูลทั้งหมดนี้ผ่านเครื่องมือประเมินความเสี่ยง ซึ่งช่วยถ่วงดุลระหว่างค่าใช้จ่ายที่สูญเสียไปจากการหยุดจ่ายไฟ กับค่าใช้จ่ายที่ต้องใช้ในการซ่อมแซมหรือปรับปรุงล่วงหน้า สิ่งนี้ช่วยให้ระบบกริดไฟฟ้าทำงานได้อย่างมั่นคง โดยไม่ต้องใช้จ่ายเงินจำนวนมากไปกับการอัปเกรดที่ไม่จำเป็น

คำถามที่พบบ่อย

วัตถุประสงค์หลักของ NESC ในเรื่องของเสาไฟฟ้ายูทิลิตี้คืออะไร

วัตถุประสงค์หลักของรหัสความปลอดภัยทางไฟฟ้าแห่งชาติ (NESC) คือการกำหนดแนวทางสำหรับการก่อสร้างและการบำรุงรักษาเสาไฟฟ้าเพื่อให้มั่นใจในความปลอดภัยและความน่าเชื่อถือในเขตพื้นที่ที่มีภาระแตกต่างกัน และคำนึงถึงสภาพอากาศตามภูมิภาค เช่น แรงลมและปริมาณน้ำแข็งสะสม

ทำไมภาระแนวตั้งจึงมีความสำคัญต่อเสาไฟฟ้า?

ภาระแนวตั้ง เช่น น้ำหนักของสายไฟ เครื่องแปลงไฟฟ้า และอุปกรณ์ติดตั้ง มีความสำคัญเนื่องจากส่งผลโดยตรงต่อความแข็งแรงของโครงสร้างเสาไฟฟ้า หากไม่มีการประเมินอย่างเหมาะสม ภาระเหล่านี้อาจทำให้เสาโก่งหรือฐานรากทรุด ส่งผลให้เกิดความเสียหายได้

ภาระแนวนอนและภาระบิดมีผลต่อเสาไฟฟ้าอย่างไร?

ภาระแนวนอนจากแรงดันลมและความตึงของสายไฟ รวมถึงแรงบิดจากเหตุการณ์พลวัต (เช่น การสั่นสะเทือนของสายไฟหรือกิจกรรมแผ่นดินไหว) สามารถทำให้เสาโค้งหรือบิดเบี้ยว ซึ่งจำเป็นต้องมีฐานรากที่ลึกขึ้นและการติดตั้งเสริม เช่น สายยึดเสา (guy wires)

เมื่อใดควรเปลี่ยนเสาไฟฟ้า?

ควรเปลี่ยนเสาไฟฟ้าเมื่อการใช้งานเกิน 90% หรือเมื่อสภาพเสื่อมโทรมจนความสามารถลดลงต่ำกว่าความต้องการในการดำเนินงาน เพื่อป้องกันการล้มเหลวอย่างรุนแรงในช่วงสภาวะอากาศเลวร้ายที่เกี่ยวข้องกับการหยุดทำงานของระบบกริดไฟฟ้า