การออกแบบและการใช้สายไฟฟ้าแรงสูงที่เติมน้ำมันและก๊าซ

มีการใช้สายไฟฟ้าแรงสูงใต้ดินเพื่อส่งกระแสไฟฟ้าเป็นเวลาหลายปี และมีการพัฒนาเทคโนโลยีต่างๆ มากมายในช่วงหลายปีที่ผ่านมา

ท่อส่งก๊าซและน้ำมันหุ้มฉนวนมีลักษณะทางเทคนิค สิ่งแวดล้อม และการปฏิบัติงานที่ทำให้เป็นทางเลือกที่ดีมากเมื่อต้องมีการส่งไฟฟ้าแรงสูงในพื้นที่จำกัด เช่น เมื่อไม่สามารถใช้งานได้ สายไฟเหนือศีรษะ.

สายไฟฟ้าแรงสูงในประเทศสเปน ขนาดแรงดัน 400 kV

สายเคเบิลส่งก๊าซและน้ำมันหุ้มฉนวน (สายเคเบิลก๊าซแรงดันสูงและน้ำมัน) เป็นทางเลือกที่ปลอดภัยและยืดหยุ่นสำหรับสายไฟเหนือศีรษะ และใช้พื้นที่น้อยกว่ามากในขณะที่ให้กำลังส่งเท่าเดิม

เนื่องจากมีผลกระทบเพียงเล็กน้อยหรือไม่มีเลยต่อภูมิทัศน์และปล่อยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าน้อยที่สุด หมายความว่าสามารถใช้ใกล้หรือแม้แต่ในอาคารได้ สายไฟแรงสูงที่เติมน้ำมันและก๊าซจึงสามารถนำไปใช้ประโยชน์ได้หลากหลาย

การบ่งชี้แม่เหล็ก B ที่สามารถวัดได้ใกล้กับโครงสร้างดังกล่าวมีค่าต่ำมาก ต่ำกว่าเส้นค่าโสหุ้ยที่เท่ากันมาก ที่ระยะ 5 เมตรจากท่อมีค่าน้อยกว่า 1 μT

เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการต่อสายเหนือศีรษะใต้ดิน เชื่อมต่อสถานีไฟฟ้าเข้ากับโครงข่ายไฟฟ้า หรือใช้เป็นทางขนาดเล็กในการเชื่อมต่อโรงงานอุตสาหกรรมขนาดใหญ่เข้ากับโครงข่ายไฟฟ้าทั่วไป

เมื่อใช้ในสายเคเบิลที่มีแรงดันเพิ่มขึ้น ความเป็นฉนวนของฉนวนสายเคเบิลจะเพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ และความหนาของสายเคเบิลจึงลดลงตามไปด้วย แรงดันที่เพิ่มขึ้นในสายเคเบิลที่เติมน้ำมันหรือก๊าซถูกสร้างขึ้นภายในฉนวนผ่านแกนกลวงหรือท่อร้อยสายอื่นๆ ตามสายเคเบิล และถูกนำไปใช้ภายนอกฉนวนหากวางสายเคเบิลไว้ในท่อเหล็กกล้า

ก่อสร้างสายเคเบิ้ลบรรจุก๊าซแรงสูง

สายเคเบิลที่เติมแก๊สใช้ฉนวนที่ใช้น้ำกับชั้นที่ไม่มีประจุซึ่งในชั้นนั้นมีก๊าซเฉื่อยอยู่ภายใต้ความดัน ซึ่งมีคุณสมบัติทางไฟฟ้าที่ดีและมีค่าการนำความร้อนสูง (ไนโตรเจน ก๊าซ SF6 เป็นต้น) การแทนที่อากาศด้วยก๊าซไนโตรเจนหรือ SF6 หลีกเลี่ยงการเกิดออกซิเดชันของฉนวน

ตามขนาดของแรงดัน สายเคเบิลมีความแตกต่างด้วยแรงดันต่ำ (0.7 — 1.5 atm) ปานกลาง (สูงสุด 3 atm) และสูง (12 — 15 atm) สายเคเบิลสองประเภทแรกส่วนใหญ่ทำจากสามเฟสสำหรับ 10 — 35 kV และสายเคเบิลแรงดันสูง — เฟสเดียวสำหรับ 110 — 330 kV

สายเคเบิลแกนเดี่ยวที่เติมน้ำมันสำหรับ 110 kV ทำด้วยช่องนำน้ำมันหนึ่งช่องที่กึ่งกลางของแกนกลวง และสำหรับแรงดันไฟฟ้า 500 kV - มีช่องกลางในแกนกลางและช่องใต้ปลอกป้องกัน

การออกแบบเติมน้ำมันสามเฟส

การเพิ่มแรงดันจำเป็นต้องเสริมเกราะป้องกันโดยการใช้แถบโลหะเสริมแรงทับ ซึ่งได้รับการปกป้องจากการกัดกร่อนด้วยการเคลือบที่เหมาะสม เช่นเดียวกับเกราะลวดเหล็กอาบสังกะสี

ข้อเสียที่สำคัญของสายไฟฟ้าแรงสูงสมัยใหม่ที่ทำจากสายเคเบิลที่มีน้ำมันคือความต้องการอุปกรณ์เสริมที่มีราคาแพงและซับซ้อนมาก เช่น ถังจ่าย ถังแรงดัน ตัวหยุด ข้อต่อ และขั้วต่อปลาย

การชดเชยการเปลี่ยนแปลงปริมาตรขององค์ประกอบที่ทำให้ชุ่มนั้นดำเนินการโดยใช้อุปกรณ์จ่ายซึ่งประกอบด้วยถังจ่ายและถังแรงดัน ถังป้อนช่วยให้มั่นใจได้ว่าน้ำมันจำนวนมากถูกป้อนเข้าหรือออกจากสายเคเบิลโดยความดันเปลี่ยนแปลงเพียงเล็กน้อย และถังแรงดันจะรักษาความดันในสายเคเบิลไว้เมื่อปริมาณน้ำมันเปลี่ยนแปลง

น้ำมันเคลื่อนที่ไปตามสายเคเบิลตามช่องกลางของสายไฟที่มีกระแสไฟฟ้า สายเคเบิลถูกแบ่งออกโดยการจำกัดบุชชิ่งเป็นส่วนแต่งหน้าที่แยกจากกัน

คู่แข่งที่แข็งแกร่งที่สุดของสายเคเบิลเติมน้ำมันคือสายเคเบิลแรงดันแก๊ส เมื่อเทียบกับสายไฟฟ้าแรงสูงเติมน้ำมัน ต้องใช้ต้นทุนการก่อสร้างสายที่ต่ำกว่า ไม่จำเป็นต้องใช้อุปกรณ์เสริมที่ซับซ้อน และง่ายมากทั้งการติดตั้งและการใช้งาน

การติดตั้งสายสามเฟสพร้อมสายเติมแก๊ส

ข้อได้เปรียบหลักของสายเคเบิลที่เติมก๊าซเมื่อเทียบกับสายเคเบิลที่เติมน้ำมันคือความง่ายในการจ่ายสายเคเบิลด้วยก๊าซ ความเป็นไปได้ของการวางสายเคเบิลบนเส้นทางที่ลาดชันและแนวตั้ง

สายไฟเติมแก๊สใช้กันอย่างแพร่หลายสำหรับแรงดันไฟฟ้า 10 — 35 kVที่แรงดันไฟฟ้า 110 kV และสูงกว่า สายเคเบิลที่เติมก๊าซเมื่อเทียบกับสายเคเบิลที่เติมน้ำมัน จะมีแรงกระตุ้นต่ำกว่าและความต้านทานความร้อนสูงกว่า ดังนั้นในประเทศของเราจึงไม่ค่อยมีการใช้สายเคเบิลเหล่านี้ที่แรงดันไฟฟ้า 110 kV ขึ้นไป

ในประเทศแถบยุโรป ในทางกลับกัน สายเคเบิลที่เติมน้ำมัน (Oil Filled Cable) จะถูกใช้งานน้อยกว่าสายเคเบิลที่เติมก๊าซ (GIL)

เทคโนโลยีนี้เริ่มใช้ในยุโรปประมาณช่วงทศวรรษที่ 70 ได้รับการออกแบบมาเป็นพิเศษเพื่อให้มีความเป็นไปได้ในการฝังเครือข่ายไฟฟ้าแรงสูงในสภาพแวดล้อมในเมือง ปัจจุบันมีโครงการที่เสร็จสมบูรณ์จำนวนมากที่ใช้สายเคเบิลเติมก๊าซสำหรับแรงดันไฟฟ้าสูงถึง 500 kV

ข้อได้เปรียบของสายเคเบิลที่เติมก๊าซคือความปลอดภัยที่ค่อนข้างใหญ่ในกรณีที่แรงดันตกฉุกเฉิน ซึ่งช่วยให้ไม่สามารถตัดการเชื่อมต่อได้ทันทีเมื่อแรงดันลดลง

การออกแบบสายเคเบิลแบบเติมแก๊ส

สายเคเบิลในท่อเหล็กภายใต้น้ำมันแรงดันเป็นสายเคเบิลแกนเดี่ยวสามเส้นพร้อมฉนวนกระดาษที่ชุบด้วยน้ำมันแร่หรือน้ำมันสังเคราะห์ (ไม่มีปลอกตะกั่ว) ซึ่งอยู่ในท่อเหล็กที่มีน้ำมันแรงดันสูงถึง 15 atm

โดยทั่วไปแล้ว จะใช้น้ำมันที่มีความหนืดมากกว่าเพื่อทำให้ฉนวนเปียกชุ่ม และใช้น้ำมันที่มีความหนืดน้อยกว่าในการเติมท่อ สายเคเบิลดังกล่าวในท่อเหล็กที่มีน้ำมันอัดแรงดันใช้สำหรับแรงดันไฟฟ้า 110 — 220 kV

ฉนวนหุ้มด้วยหน้าจอที่ทำจากกระดาษเคลือบโลหะหรือแถบทองแดงที่มีรูพรุนซึ่งใช้การเคลือบปิดผนึก - ปลอกโพลีเอทิลีนที่ป้องกันความชื้นเข้าสู่สายเคเบิลระหว่างการขนส่ง

ลวดทองแดงหรือทองแดงครึ่งวงกลมสองหรือสามเส้นถูกพันเป็นเกลียวบนสารเคลือบซีล ซึ่งออกแบบมาเพื่ออำนวยความสะดวกในการดึงสายเคเบิลเข้าไปในท่อร้อยสายไฟ นอกจากนี้ ยังรักษาระยะให้ห่างจากกันตามระยะที่กำหนด ซึ่งช่วยปรับปรุง การไหลเวียนของน้ำมันและทำให้มั่นใจได้ถึงการสัมผัสทางไฟฟ้าของหน้าจอสายเคเบิลกับท่อ

ท่อเหล็กซึ่งรักษาแรงดันในสายเคเบิลคือการป้องกันความเสียหายเชิงกลที่เชื่อถือได้ แรงดันน้ำมันบนฉนวนจะถูกส่งผ่านปลอกโพลีเอทิลีน

ค่าโสหุ้ยเพื่อเปลี่ยนสายเคเบิล

จุดอ่อนของสายไฟฟ้าแรงสูงมักจะเป็นตัวเชื่อมต่อ ภารกิจหลักประการหนึ่งในการพัฒนาสายไฟฟ้าแรงสูงคือการสร้างตัวเชื่อมต่อที่สะดวกต่อการติดตั้งและมีความแข็งแรงทางไฟฟ้าไม่น้อยกว่าสายเคเบิล

มีการติดตั้งขั้วต่อท้ายที่ปลายสายเคเบิล และติดตั้งขั้วต่อกึ่งหยุดทุกๆ 1-1.5 กม. ของสายไฟ (ป้องกันการแลกเปลี่ยนน้ำมันฟรีระหว่างส่วนที่อยู่ติดกันของท่อ)

แรงดันน้ำมันที่ตั้งไว้ล่วงหน้าในท่อจะได้รับการดูแลโดยหน่วยปฏิบัติการอัตโนมัติที่จ่ายน้ำมันไปยังท่อเมื่อแรงดันลดลงและกำจัดน้ำมันส่วนเกินเมื่อแรงดันเพิ่มขึ้น

ในขั้วต่อของสายเคเบิลที่เติมน้ำมันจะมีการเชื่อมต่อทางไฟฟ้าของสายไฟที่มีกระแสไฟฟ้าและการเชื่อมต่อของช่องน้ำมันของสายเคเบิล

แกนถูกกดเข้าด้วยกันและรับประกันความต่อเนื่องของช่องน้ำมันด้วยท่อเหล็กกลวง (ไม่อนุญาตให้ทำการเชื่อมหรือประสานเนื่องจากมีน้ำมันอยู่)

กราวด์ชิลด์ (สายถักทองแดงกระป๋อง) ถูกนำไปใช้ตามความยาวทั้งหมดของบุชชิ่ง และด้านนอกของบุชชิ่งนั้นอยู่ในตัวเรือนโลหะ

ปลอกสายไฟของสายไฟฟ้าแรงสูงที่เติมน้ำมัน

สายเคเบิลในท่อเหล็กก๊าซอัดความดันแตกต่างจากการออกแบบก่อนหน้านี้ตรงที่แทนที่จะเป็นน้ำมันแร่หรือน้ำมันสังเคราะห์ ท่อจะเต็มไปด้วยก๊าซเฉื่อยอัด ซึ่งโดยปกติจะเป็นไนโตรเจนที่ความดันประมาณ 12-15 atm ข้อได้เปรียบของสายเคเบิลดังกล่าวคือการลดความซับซ้อนและลดต้นทุนของระบบจ่ายสาย

ฉนวนของสายเคเบิลไม่เพียงสัมผัสกับแรงดันไฟฟ้าความถี่อุตสาหกรรมอย่างต่อเนื่องเท่านั้น แต่ยังรวมถึงแรงดันอิมพัลส์ด้วย เนื่องจากสายเคเบิลเชื่อมต่อโดยตรงกับสายเหนือศีรษะหรือกับอุปกรณ์ไฟฟ้าของสถานีย่อยและสวิตช์แบบเปิดที่รับรู้ผลกระทบ คลื่นบรรยากาศ. 

แรงกระตุ้นของสายเคเบิลที่เติมน้ำมันนั้นสูงกว่าของสายเคเบิลที่เติมน้ำมันโดยไม่คำนึงถึงค่าแรงดันน้ำมันหรือก๊าซ สำหรับสายเคเบิลทุกประเภท แรงดันพังทลายของอิมพัลส์สามารถเพิ่มได้โดยการลดความหนาของแถบกระดาษ เช่น โดยการลดช่องว่างระหว่างกัน สายเคเบิลหรือสายเคเบิลที่เติมน้ำมันภายใต้แรงดันก๊าซภายนอก ซึ่งช่องว่างในฉนวนเต็มไปด้วยสารประกอบที่ทำให้ชุ่ม มีแรงดันพังทลายสูงสุด

สายไฟแรงสูงที่เติมแก๊สในท่อร่วมใต้ดิน (อุโมงค์) สามารถเคลื่อนย้ายไปมาระหว่างสายเคเบิลได้อย่างง่ายดาย แต่การติดตั้งประเภทนี้แทบไม่ต้องบำรุงรักษา

ท่อส่งก๊าซแรงดันสูงและสายเคเบิลหุ้มฉนวนน้ำมันได้พิสูจน์ความน่าเชื่อถือทางเทคนิคมาเป็นเวลาหลายทศวรรษแล้ว เนื่องจากท่อเหล่านี้ให้ความปลอดภัยเป็นพิเศษในการใช้งานและแม้ในกรณีที่เกิดการขัดข้อง นอกเหนือจากคุณสมบัติการส่งผ่านที่ดีมากแล้ว

สภาพของฉนวนของสายเคเบิลระหว่างการใช้งานได้รับการตรวจสอบผ่านการทดสอบเชิงป้องกันซึ่งทำให้สามารถระบุการละเมิดความสมบูรณ์ของฉนวนและข้อบกพร่องอย่างร้ายแรง (การต่อลงดินของเฟสการแตกของสายไฟ ฯลฯ ) รวมถึง วัดความต้านทานของฉนวน กระแสไฟรั่ว มุมสูญเสียไดอิเล็กตริก ฯลฯ

ควรสังเกตว่าสำหรับฉนวนของสายเคเบิล การทดสอบเชิงป้องกันเป็นวิธีเดียวในการตรวจจับจุดบกพร่องในฉนวน เนื่องจากไม่สามารถเข้าถึงสายเคเบิลสำหรับการตรวจสอบและการซ่อมแซมเชิงป้องกันได้ ดังนั้นการทดสอบเชิงป้องกันของฉนวนของสายเคเบิลจึงควรระบุข้อบกพร่องในฉนวนของสายเคเบิลอย่างรวดเร็ว และลดเหตุฉุกเฉินของเครือข่าย

นอกเหนือจากบทความ — ซีเมนส์กำลังพัฒนาสายส่งก๊าซ

สายผลิตภัณฑ์ใหม่ได้รับการออกแบบให้ส่งพลังงานได้สูงสุด 5 กิกะวัตต์ (GW) ต่อระบบ กระทรวงเศรษฐกิจและพลังงานแห่งสหพันธรัฐเยอรมนีมอบเงินสนับสนุน 3.78 ล้านยูโรสำหรับโครงการพัฒนานี้

สายไฟฟ้ากระแสตรง จะขึ้นอยู่กับเทคโนโลยีของสายส่งก๊าซฉนวน (TL) ที่มีอยู่ ซึ่งประกอบด้วยท่ออะลูมิเนียมศูนย์กลางสองท่อ ส่วนผสมของก๊าซถูกใช้เป็นสื่อฉนวน จนถึงขณะนี้ สายเคเบิลที่หุ้มฉนวนด้วยก๊าซใช้ได้เฉพาะกับไฟฟ้ากระแสสลับเท่านั้น

การขยายเครือข่ายสายส่งไฟฟ้าเป็นสิ่งจำเป็นหากความต้องการใช้ไฟฟ้าของเยอรมนีถึง 80% ได้รับพลังงานทดแทนภายในปี 2593

กระแสไฟฟ้าที่เกิดขึ้น กังหันลม ทางตอนเหนือของประเทศและตามแนวชายฝั่งของเยอรมนี จะต้องขนส่งอย่างมีประสิทธิภาพไปยังศูนย์ขนส่งสินค้าทางตอนใต้ของเยอรมนีการส่งกระแสตรงเหมาะที่สุดสำหรับกรณีนี้เนื่องจากการสูญเสียทางไฟฟ้าต่ำเมื่อเทียบกับการส่งกระแสสลับ

การพัฒนาเครือข่ายโดยใช้ไฟฟ้ากระแสตรงแรงสูง (HVDC) โดยใช้สายส่งไฟฟ้าเหนือศีรษะและสายส่งไฟฟ้ากระแสตรงหุ้มฉนวนก๊าซที่วางอยู่ใต้ดินในบางพื้นที่สามารถทำได้โดยใช้ทรัพยากรน้อยกว่าเทคโนโลยีสามเฟสอย่างมาก

"การส่งไฟฟ้ากระแสตรงใต้ดินเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการเปลี่ยนแปลงของเยอรมนีไปสู่โครงสร้างไฟฟ้าแบบใหม่ เนื่องจากการพัฒนาจะเริ่มขึ้นในเยอรมนี ในภายหลังการสอบถามจากประเทศในสหภาพยุโรปหรือประเทศอื่น ๆ ทั่วโลกจะค่อนข้างเป็นไปได้ ไม่ว่าในกรณีใด ด้วยการพัฒนาสายส่งก๊าซกระแสตรง เยอรมนีจะมีบทบาทนำในการออกแบบระบบส่งกำลังในอนาคต" เดนิส อิมาโมวิช ผู้รับผิดชอบระบบส่งก๊าซของ Siemens Energy Management กล่าว