ระดับแรงดันไฟฟ้าและการออกแบบหอคอย: การเปลี่ยนแปลงของวัสดุเหล็กจาก 10 kV ถึง 1000 kV

สำหรับทุก โครงการสายส่งไฟฟ้า ระดับแรงดันไฟฟ้าไม่ได้กำหนดเพียงแค่ชุดตัวเลขบนป้ายชื่อเท่านั้น แต่ยังก่อให้เกิดปฏิกิริยาลูกโซ่ที่ส่งผลตั้งแต่ระยะห่างด้านไฟฟ้า รูปทรงเรขาคณิตของหอ ไปจนถึงการเลือกเกรดเหล็กและต้นทุนของหอแต่ละต้น การปรับขนาดโครงสร้างที่ออกแบบไว้สำหรับ 10 กิโลโวลต์ ให้รองรับแรงดัน 1000 กิโลโวลต์ ไม่ใช่เรื่องของการขยายสัดส่วนอย่างง่ายดายแต่อย่างใด การเข้าใจว่าแรงดันไฟฟ้ามีอิทธิพลต่อการเลือกใช้เหล็กอย่างไร จึงเป็นสิ่งจำเป็นยิ่งสำหรับผู้รับเหมา EPC และทีมจัดซื้อที่ต้องการประมาณงบประมาณอย่างแม่นยำและประสิทธิภาพการทำงานที่เชื่อถือได้

แผนผังขั้นบันไดของระดับแรงดันไฟฟ้า

ระบบส่งไฟฟ้าเหนือศีรษะมักแบ่งออกเป็นสี่ระดับ ช่วงแรงดัน 10–35 กิโลโวลต์จัดอยู่ในเครือข่ายจ่ายไฟฟ้า ซึ่งให้บริการโหลดในเขตเมืองและชนบท ช่วงแรงดัน 110–220 กิโลโวลต์เป็นระบบส่งไฟฟ้าแรงสูง ซึ่งทำหน้าที่เป็นโครงสร้างหลักของระบบส่งไฟฟ้าระดับภูมิภาค ระดับแรงดัน 330–500 กิโลโวลต์และ 750 กิโลโวลต์จัดเป็นระบบส่งไฟฟ้าแรงสูงพิเศษ (EHV) ใช้สำหรับการส่งผ่านพลังงานไฟฟ้าระหว่างมณฑลและระหว่างภูมิภาค โดยวงจร 750 กิโลโวลต์ดำเนินงานหลักในระบบส่งไฟฟ้าภาคตะวันตกเฉียงเหนือ ส่วนระดับที่สูงกว่านั้นคือระบบส่งไฟฟ้าแรงสูงยิ่ง (UHV) ได้แก่ ระบบกระแสสลับ 1,000 กิโลโวลต์ และระบบกระแสตรง ±800 กิโลโวลต์ ซึ่งสร้างขึ้นเพื่อการส่งผ่านระยะไกลด้วยกำลังการส่งสูง ระบบส่งไฟฟ้าระหว่างประเทศใช้ระดับแรงดันกลางที่แตกต่างกัน เช่น 132 กิโลโวลต์ 275 กิโลโวลต์ 400 กิโลโวลต์ หรือ 765 กิโลโวลต์ แต่หลักการพื้นฐานยังคงเหมือนกันทั่วโลก กล่าวคือ ยิ่งแรงดันสูงขึ้น ยิ่งต้องใช้หอคอยที่แข็งแรงและหนักขึ้น

สิ่งที่เพิ่มขึ้นไปพร้อมกับแรงดันไม่ใช่แค่ความสูงเท่านั้น

แรงดันไฟฟ้าที่สูงขึ้นจะเพิ่มความต้องการด้านระบบไฟฟ้าทันที ระยะห่างระหว่างเฟสต่อเฟสและระหว่างเฟสต่อพื้นดินต้องเพิ่มขึ้น ฉนวนแบบสายโซ่ต้องยาวขึ้น และขนาดของส่วนหัวของหอส่งไฟฟ้าต้องกว้างขึ้น เพื่อควบคุมการสูญเสียพลังงานและเพิ่มความสามารถในการส่ง ตัวนำไฟฟ้าจึงต้องมีขนาดใหญ่ขึ้น และในระดับแรงดันสูงยิ่งขึ้น จะใช้ตัวนำแบบรวมกลุ่ม (bundled conductors) — โดยสายส่งไฟฟ้ากระแสสลับระดับ 500 kV มักใช้ตัวนำ 4 เส้นต่อเฟส ระดับ 750 kV ใช้ 6 เส้น และโครงการสายส่งไฟฟ้ากระแสสลับระดับ 1000 kV ใช้ 8 เส้นต่อเฟส การเพิ่มจำนวนตัวนำต่อเฟสส่งผลให้เกิดแรงโหลดในแนวตั้งและแนวนอนที่กระทำต่อโครงสร้างมากขึ้น

เมื่อแปลงผลลัพธ์เหล่านี้เป็นเงื่อนไขเชิงโครงสร้าง ก็จะได้ผลลัพธ์ที่คาดการณ์ได้: ส่วนหัวของหอส่งไฟฟ้ามีขนาดใหญ่ขึ้น ตัวหอส่งมีความสูงและกว้างมากขึ้น แรงตึงของตัวนำเพิ่มขึ้น รวมทั้งแรงจากลมและน้ำแข็งที่กระทำต่อโครงสร้างก็เพิ่มขึ้นด้วย ดังนั้น ชิ้นส่วนโครงสร้างจึงหนักขึ้น ต้องใช้เหล็กเกรดสูงขึ้น และน้ำหนักของหอส่งไฟฟ้าจะเพิ่มขึ้นแบบก้าวกระโดดตามแต่ละระดับแรงดัน

ชนิดของหอส่งไฟฟ้าและวัสดุเหล็กที่ใช้ ตามช่วงแรงดันไฟฟ้า

10–35 kV (ระบบจำหน่าย): หอคอยโครงตาข่ายเบา คอลัมน์เหล็ก และเสาคอนกรีตเป็นสิ่งที่ใช้กันอย่างแพร่หลาย วงจรไฟฟ้ามักเป็นแบบวงจรเดี่ยวที่ใช้ตัวนำเพียงเส้นเดียว ชิ้นส่วนโครงสร้างมีขนาดเล็ก โดยทั่วไปสามารถใช้เหล็กเกรด Q235 ได้เพียงพอ น้ำหนักของหอคอยแต่ละต้นมักอยู่ระหว่างไม่กี่ร้อยกิโลกรัมถึงหลายตัน ขึ้นอยู่กับความสูงและระยะห่างระหว่างหอคอย

110–220 กิโลโวลต์ (แรงดันสูง): ช่วงแรงดันนี้เป็นช่วงที่ใช้หอคอยเหล็กมุมแบบโครงตาข่ายอย่างเข้มข้นที่สุด โดยมีการสร้างหอคอยในรูปแบบต่าง ๆ เช่น แบบถ้วย แบบแมวหัว แบบถัง และแบบแห้ง ทั้งแบบวงจรเดี่ยวและวงจรคู่ การเลือกใช้เหล็กมักเป็นการผสมผสานระหว่างเกรด Q235B กับ Q355B — โดยเกรด Q355 คือเกรด Q345 เดิม ซึ่งเปลี่ยนชื่อตามมาตรฐาน GB/T 1591-2018 — โดยชิ้นส่วนหลักจะถูกปรับให้ใช้เหล็กเกรดสูงขึ้นตามผลการคำนวณเมื่อแรงกระทำมีค่าสูง ตัวนำไฟฟ้าส่วนใหญ่ในระบบ 110 กิโลโวลต์ใช้แบบเส้นเดี่ยว ในขณะที่โครงการ 220 กิโลโวลต์อาจใช้ตัวนำแบบคู่หรือตัวนำเส้นเดี่ยวที่มีพื้นที่หน้าตัดขนาดใหญ่ น้ำหนักของหอคอยอยู่ระหว่างหลายตันถึงประมาณยี่สิบตัน โดยน้ำหนักจะเพิ่มขึ้นอย่างเห็นได้ชัดในเขตที่มีน้ำแข็งสะสมมากหรือลมแรง

330–500 กิโลโวลต์ (แรงดันสูงพิเศษ): ระดับการรับน้ำหนักเข้าสู่ช่วงของโครงข่ายหลัก หอคอยแบบวงแหวนเดี่ยวและหอคอยแบบทรงกระบอกสองวงจรเป็นที่นิยมใช้กัน โดยสายไฟฟ้าแบบสี่เส้นมัดรวมกันเป็นมาตรฐานสำหรับวงจรแรงดัน 500 กิโลโวลต์ เกรด Q355 เป็นวัสดุหลักที่ใช้งานทั่วไป ส่วนเหล็กกล้าความแข็งแรงสูงเกรด Q420 ใช้ในจุดรับน้ำหนักมากและชิ้นส่วนหลักที่รับแรงเครียดสูง เพื่อลดมวลน้ำหนัก หอคอยแต่ละต้นในระดับนี้มักมีน้ำหนักหลายสิบตัน โดยค่าจริงอาจแตกต่างกันมากตามความสูง ความเร็วลมออกแบบ และภาระน้ำแข็ง

750–1000 กิโลโวลต์ (UHV): นี่คือจุดที่หลักการทางวิศวกรรมด้านเหล็กเปลี่ยนแปลงอย่างมากที่สุด รูปทรงของหัวหอส่งไฟฟ้าและระยะห่างระหว่างเฟสเพิ่มขึ้นอย่างชัดเจน ส่วนฉนวนแบบห้อยมีจำนวนหน่วยเป็นหลายสิบหน่วย และมีความยาวหลายเมตร โดยออกแบบให้สอดคล้องกับระดับมลพิษและระดับความสูงเหนือระดับน้ำทะเล เพื่อควบคุมน้ำหนัก สัดส่วนของเหล็กกล้าความแข็งแรงสูงเกรด Q420 และ Q460 เพิ่มขึ้นอย่างเห็นได้ชัด และบางโครงการใช้เหล็กกล้าเกรด Q690 ด้วย หอส่งไฟฟ้าแบบ UHV แบบมาตรฐานหนึ่งต้นอาจต้องใช้เหล็กมากกว่าหนึ่งร้อยตัน ส่วนหอข้ามแม่น้ำนั้นมีน้ำหนักมากกว่านั้นอีกหลายเท่า ตามรายงานโครงการที่เผยแพร่ หอส่งไฟฟ้าแรงสูงพิเศษ 1,000 กิโลโวลต์ สาย Zhangbei–Xiong'an มีความสูง 173 เมตร และใช้เหล็กทั้งหมด 526 ตัน ส่วนหอข้ามแม่น้ำแยงซีเกียงมีความสูง 225.2 เมตร และมีน้ำหนักต่อหอหนึ่งต้นถึง 1,259 ตัน การจัดเรียงสายตัวนำแบบแปดเส้นสำหรับระบบ 1,000 กิโลโวลต์ และแบบหกเส้นสำหรับระบบ 750 กิโลโวลต์ ถูกออกแบบมาโดยเฉพาะเพื่อรับภาระหนักขนาดใหญ่เหล่านี้

แรงดันไฟฟ้าไม่ใช่ตัวแปรเดียว

ควรย้ำอีกครั้งว่า สายส่งสองเส้นที่มีแรงดันไฟฟ้าเชิงนามสมบูรณ์เท่ากัน อาจมีน้ำหนักของโครงเสาและปริมาณการใช้เหล็กต่างกันได้หลายเท่า ความเร็วลมในการออกแบบและโซนน้ำแข็ง จำนวนวงจร ระยะห่างระหว่างเสา ลักษณะภูมิประเทศ ความสูงเหนือระดับน้ำทะเล และระดับมลพิษ ล้วนมีผลต่อกรณีการรับโหลดทั้งสิ้น ตัวอย่างเช่น โครงการสายส่ง 220 กิโลโวลต์ สองโครงการ—โครงการหนึ่งตั้งอยู่บนพื้นที่ราบและมีระยะห่างระหว่างเสาสั้น อีกโครงการหนึ่งตั้งอยู่ในพื้นที่ภูเขาที่มีน้ำแข็งสะสมมาก—อาจต้องใช้เหล็กคนละปริมาณอย่างมาก ดังนั้น หลักเกณฑ์ที่ถูกต้องในการเลือกแบบจึงคือ การออกแบบโดยอิงจากโหลดเฉพาะของแต่ละโครงการและมาตรฐานที่เกี่ยวข้อง ไม่ใช่การนำแบบแปลนเดิมมาใช้ซ้ำเพียงเพราะมีแรงดันไฟฟ้าเท่ากัน

หลักการหนึ่งที่ใช้กับทุกระดับคือ การป้องกันการกัดกร่อน ตั้งแต่ 10 กิโลโวลต์ ถึง 1,000 กิโลโวลต์ เสาโครงสร้างเหล็กมักผ่านกระบวนการชุบสังกะสีแบบจุ่มร้อนตามมาตรฐาน เช่น ISO 1461 หรือ GB/T 13912 โดยความหนาของชั้นเคลือบจะขึ้นอยู่กับความหนาของชิ้นส่วนแต่ละชิ้น ยิ่งแรงดันไฟฟ้าสูงขึ้น ชิ้นส่วนก็ยิ่งหนาขึ้น — และน้ำหนักที่ระบบชุบสังกะสีต้องรับไว้ก็ยิ่งมากขึ้นตามไปด้วย รวมทั้งความจำเป็นในการบำรุงรักษาในระยะยาว สำหรับสายส่งระดับสูง การลงทุนด้านการป้องกันการกัดกร่อนคือพื้นฐานสำคัญที่ทำให้สามารถให้บริการได้โดยไม่ต้องบำรุงรักษาเป็นเวลาหลายสิบปี

คำแนะนำสำหรับผู้ซื้อและวิศวกร

ในระยะเริ่มต้นของโครงการ ให้จัดรายการสิ่งของเหล่านี้ไว้ในบัญชีการชี้แจงด้านเทคนิค: ระบบมาตรฐานที่ใช้บังคับ (เช่น IEC, GB, ASTM เป็นต้น) และกรณีโหลดที่เกี่ยวข้อง ประเภทหอคอยและการจัดวางวงจร ชนิดของเหล็กและสัดส่วนของเหล็กความแข็งแรงสูง ความหนาที่กำหนดสำหรับการชุบสังกะสี รวมทั้งเงื่อนไขการขนส่งและการประกอบหน้างาน ขอเชิญทีมวิศวกรของผู้ผลิตเข้าร่วมการทบทวนการคัดเลือก — เพื่อให้พวกเขาดำเนินการคำนวณโหลดและการปรับแต่งหอคอยให้สอดคล้องกับพารามิเตอร์โครงการของท่าน จากนั้นจึงรับมอบหอคอยตามรายงานการคำนวณและใบรับรองการทดสอบจากหน่วยงานภายนอกที่เป็นกลาง ระดับแรงดันไฟฟ้ากำหนดกรอบโดยรวม แต่สิ่งที่ทำให้หอคอยมีความน่าเชื่อถือได้ คือการที่พารามิเตอร์วิศวกรรมทุกประการภายใต้กรอบดังกล่าวได้รับการพิจารณาอย่างรอบคอบ