เหตุใดสายไฟฟ้าเหนือศีรษะจึงหย่อนคล้อยบนเสาส่งไฟฟ้าและหอคอยส่งไฟฟ้า?

คุณอาจสังเกตเห็นว่าสายส่งไฟฟ้าที่แขวนอยู่บนเสาไฟฟ้ามีลักษณะหย่อนคล้อย คุณอาจสงสัยว่า ทำไมสายไฟฟ้าจึงไม่ถูกยึดแน่นกับเสา?

มาหาคำตอบกันว่าเหตุใดสายไฟฟ้าจึงต้องหย่อนคล้อยบนเสาไฟฟ้า และเหตุใดจึงจำเป็นต้องมีความหย่อน (sag) บนสายจ่ายไฟและสายส่งไฟฟ้า แต่ก่อนที่เราจะลงลึกในประเด็นนี้ ลองมาดูคำแนะนำที่สำคัญบางประการซึ่งจะช่วยให้เราเข้าใจได้ดียิ่งขึ้น

ระบบส่งกำลัง

พลังงาน คืออัตราที่งานถูกทำ งานจะเกิดขึ้นเมื่อพลังงานไฟฟ้าเคลื่อนที่ผ่านระยะทางหนึ่ง จากสิ่งนี้ เราสามารถสรุปได้ว่ากำลังไฟฟ้าคือปริมาณพลังงานที่ส่งมอบต่อหนึ่งหน่วยเวลา ไฟฟ้าสามารถส่งผ่านระยะทางไกลได้ผ่านสายส่งไฟฟ้า ซึ่งทำหน้าที่เป็นตัวกลางในการขนส่งไฟฟ้า

กำลังไฟฟ้าใช้งานมักวัดเป็นวัตต์ (Watts) ในการส่งกำลังไฟฟ้า นิยมใช้การส่งด้วยแรงดันสูงเพื่อประหยัดพลังงาน กระแสไฟฟ้าก่อให้เกิดความร้อน ซึ่งอาจเป็นอันตรายได้ เนื่องจากทำให้สายไฟฟ้าสึกหรอและเสียหาย เพื่อรักษาพลังงานที่ส่งไปให้มากที่สุด จึงควรลดปริมาณกระแสไฟฟ้าที่ส่งผ่าน เพราะกระแสไฟฟ้าเป็นสาเหตุของความร้อนและทำให้สายไฟสึกหรอ ขณะเดียวกันก็เพิ่มแรงดันไฟฟ้าที่ส่งผ่านแทน แนวทางนี้เรียกว่า การส่งกำลังไฟฟ้าด้วยแรงดันสูง

การนำไฟฟ้าและการเชื่อมโยง

ในระหว่างการส่งผ่านพลังงานไฟฟ้า จะมีพลังงานไฟฟ้าบางส่วนสูญเสียไปยังสิ่งแวดล้อมรอบข้าง เนื่องจากสายส่งไม่มีฉนวนหุ้ม ตามกฎของโอห์ม ความต้านทาน (R) มีค่าแปรผันโดยตรงกับความยาวของตัวนำ (L) ซึ่งหมายความว่าเมื่อความยาวของตัวนำเพิ่มขึ้น ความต้านทานของมันก็จะเพิ่มขึ้นด้วย อากาศไม่ใช่ตัวนำไฟฟ้าที่ดี จึงไม่สามารถถ่ายเทความร้อนที่เกิดขึ้นจากสายไฟฟ้าได้อย่างมีประสิทธิภาพ

นี่คือเหตุผลที่สายไฟฟ้าถูกออกแบบให้มีเส้นผ่านศูนย์กลางใหญ่ขึ้น ซึ่งจะช่วยลดความต้านทานต่อการไหลของกระแสไฟฟ้า ความต้านทาน (R) มีค่าแปรผันผกผันกับพื้นที่หน้าตัดของตัวนำ ดังนั้นยิ่งเส้นผ่านศูนย์กลางของตัวนำใหญ่ขึ้น ความต้านทานก็จะยิ่งต่ำลง และในทางกลับกันก็เช่นกัน

สายไฟฟ้าและสายเคเบิล

สายไฟฟ้าและสายเคเบิลเป็นตัวนำไฟฟ้า โดยส่วนใหญ่ทำจากลวดทองแดง ซึ่งใช้ในการส่งผ่านกระแสไฟฟ้า อย่างไรก็ตาม ลวดเหล่านี้ไม่ได้ประกอบด้วยทองแดงเพียงอย่างเดียว เพื่อให้ได้คุณสมบัติเชิงกลที่ต้องการ ตัวนำจะถูกผสมกับธาตุอื่น ซึ่งการเติมธาตุอื่นนี้ไม่ส่งผลต่อความสามารถในการนำไฟฟ้าของตัวนำ แต่จะช่วยเสริมคุณสมบัติเชิงกลของทองแดงโดยไม่กระทบต่อความสามารถในการนำไฟฟ้า

กฎของจูลว่าด้วยความร้อนที่เกิดจากไฟฟ้า

ไม่มีโลหะใดที่บริสุทธิ์อย่างสมบูรณ์แบบ ระดับความบริสุทธิ์ของโลหะใดๆ ก็ตามไม่เคยเท่ากับร้อยเปอร์เซ็นต์ ดังนั้นโลหะจึงมีความต้านทานภายใน เมื่อกระแสไฟฟ้าไหลผ่านตัวนำ จะมีพลังงานถูกใช้ไปหรือเกิดความร้อนขึ้น ซึ่งสามารถคำนวณได้โดยใช้กฎของจูลว่าด้วยความร้อนที่เกิดจากไฟฟ้า ดังนี้:

• P = VI·t
• P = I ²Rt

รูปแบบอื่นๆ ของกฎของจูล

• P = I²Rt
• P = VI·t … (R = V/I)
• P = W·t … (P = W = VI)
• P = V²t/R …. (I = V/R) โดยใช้กฎของโอห์ม

จากสมการข้างต้นจะเห็นได้ว่า ความร้อน (P) ที่เกิดจากการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนนั้นแปรผันตามค่า R, t และ I² อย่างตรงกัน เมื่อกระแสไฟฟ้าไหลผ่านตัวนำ จะมีการสูญเสียพลังงานไฟฟ้าในรูปของความร้อนไปยังสภาพแวดล้อมรอบข้าง เนื่องจากการเอาชนะความต้านทาน ซึ่งทำหน้าที่เป็นอุปสรรคต่อการเคลื่อนที่แบบดริฟต์ของอิเล็กตรอน

ผลกระทบของสภาพอากาศและอุณหภูมิต่อสายไฟฟ้า

ความต้านทานของตัวนำจะเพิ่มขึ้นเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น ปรากฏการณ์นี้เกิดขึ้นเนื่องจากเมื่ออุณหภูมิของตัวนำเพิ่มสูงขึ้น อิเล็กตรอนภายในตัวนำจะได้รับพลังงานมากขึ้นและเคลื่อนที่แบบสุ่ม ส่งผลให้เกิดการชนกับอะตอมอื่น ๆ ซึ่งในที่สุดนำไปสู่การสร้างความร้อน

ความร้อนส่วนเกินที่เกิดขึ้นจากตัวนำอาจทำให้ตัวนำละลายได้ ในสภาพอากาศร้อน สายไฟมักหย่อนลงเนื่องจากการขยายตัวของตัวนำ ในขณะที่ในสภาพอากาศเย็น สายไฟจะหดตัว

แรงตึงในสาย

แรงตึงคือแรงที่เกิดขึ้นในเส้นเชือกเมื่อมีแรงสองแรงกระทำในทิศทางตรงข้ามกัน ดังนั้น สายไฟที่แขวนอยู่บนเสาจึงอยู่ภายใต้แรงตึง และจะเกิดแรงตึงมากยิ่งขึ้นหากสายไฟถูกดึงให้ตึงมากขึ้น ซึ่งอาจทำให้สายไฟขาดได้ง่ายเมื่อเกิดการหดตัวหรือขยายตัวเพียงเล็กน้อย

เหตุใดจึงจำเป็นต้องมีความหย่อน (Sag) ในสายส่งและสายจ่ายไฟ?

ความหย่อน (Sag) ของสายส่ง หมายถึง การเว้าลงหรือโค้งลงของสายเคเบิลระหว่างโครงสร้างรองรับ (เช่น เสาหรือหอคอย) อันเนื่องมาจากผลของแรงโน้มถ่วง ซึ่งเกิดขึ้นตามธรรมชาติจากน้ำหนักของสายและแรงตึงที่กระทำต่อสาย

ในการส่งและจ่ายไฟฟ้าผ่านสายไฟที่มีความยาวมาก จะมีการสูญเสียพลังงานในรูปของความร้อน ซึ่งการส่งไฟฟ้าด้วยแรงดันสูงช่วยลดปริมาณความร้อนที่เกิดขึ้นในตัวนำให้น้อยที่สุด สภาพอากาศและอุณหภูมิภายในของสายไฟทำให้จำเป็นต้องปล่อยให้สายไฟมีความหย่อน (ไม่ตึงเกินไป)

หากสายไฟฟ้าถูกดึงให้ตึง และอุณหภูมิลดลงจนเกิดความหนาวเย็น ก็อาจทำให้สายส่งหดตัว ส่งผลให้เกิดแรงตึงเพิ่มขึ้นในสาย ซึ่งอาจนำไปสู่ความเสียหายได้ ดังนั้น จึงปล่อยให้สายไฟอยู่ในสภาพหย่อน (ไม่ตึง) โดยเจตนา เพื่อให้แม้จะเกิดการหดตัวก็จะไม่มีแรงตึงมากเกินไปที่อาจก่อให้เกิดความเสียหายต่อสายและสายเคเบิล

การปล่อยให้สายส่งหย่อน (Sag) เป็นสิ่งจำเป็นสำหรับตัวนำสายส่ง เพื่อป้องกันไม่ให้เกิดความร้อนสูงเกินไปและลดแรงตึง ซึ่งช่วยให้มั่นใจในความปลอดภัย ความน่าเชื่อถือ และอายุการใช้งานที่ยาวนานของระบบส่งไฟฟ้า นอกจากนี้ยังมีบทบาทสำคัญในการรักษาประสิทธิภาพการทำงานที่เหมาะสมของระบบ รวมทั้งป้องกันอุบัติเหตุและความเสียหาย