อะไรทำให้แท่งบัสแบบท่อโลหะผสมแมกนีเซียม-อลูมิเนียมจำเป็นสำหรับระบบส่งกำลังไฟฟ้าแรงสูงพิเศษ？

บัสบาร์แบบท่อโลหะผสมแมกนีเซียม-อะลูมิเนียมแรงดันสูงพิเศษ (UHV) ทำหน้าที่เป็นส่วนประกอบนำไฟฟ้าหลักสำหรับ 500kV และสูงกว่าระบบส่งและแปลงไฟฟ้าแรงสูงพิเศษและแรงดันสูงพิเศษ . ผลิตโดยใช้ระบบวัสดุโลหะผสมแมกนีเซียม-อลูมิเนียมผ่านกระบวนการขึ้นรูปอัดขึ้นรูปที่มีความแม่นยำ ผลิตภัณฑ์เหล่านี้ผสมผสานกัน โครงสร้างน้ำหนักเบา ค่าการนำไฟฟ้าสูง และความแข็งแรงทางกลที่ดีเยี่ยม . ซีรีส์ผลิตภัณฑ์ประกอบด้วยข้อกำหนดเฉพาะของวัสดุหลายรายการ รวมถึงโลหะผสมอะลูมิเนียม-แมกนีเซียม 6063G, โลหะผสมอลูมิเนียม-แมงกานีส LF21Y, โลหะผสมอลูมิเนียมหายาก 6R05 และอะลูมิเนียมโลหะผสมทนความร้อน 2A14 ซึ่งครอบคลุมสถานการณ์การใช้งาน UHV อย่างครอบคลุมตั้งแต่ 220kV, 500kV, 750kV, ±800kV, ถึง 1,000kV ภายใต้สภาวะการทำงานที่กำหนด ค่าการนำไฟฟ้าจะสูงถึง ≥60% ไอเอซีเอส โดยมีพิกัดกระแสไฟสูงสุดไม่เกิน 12,000A , ความต้านทานแรงดึงคงอยู่ใน 180-250MPa ช่วงครอบคลุมอุณหภูมิการทำงานตั้งแต่ -40°C ถึง 150°C และอายุการใช้งานที่ออกแบบไว้ของ 30-40 ปี .

การออกแบบระบบวัสดุและองค์ประกอบของโลหะผสม

เกรดและคุณลักษณะของโลหะผสมหลัก

การเลือกวัสดุสำหรับ บัสบาร์แบบท่อโลหะผสมแมกนีเซียม-อลูมิเนียม UHV กำหนดประสิทธิภาพทางไฟฟ้าและความน่าเชื่อถือทางกลโดยตรง การใช้งานทางวิศวกรรมในปัจจุบันใช้โลหะผสมสี่ประเภทต่อไปนี้เป็นหลัก:

• โลหะผสมอลูมิเนียมแมกนีเซียม 6063G : อยู่ในระบบโลหะผสมเสริมความแข็งแรงที่รักษาด้วยความร้อน อัล-มก-ศรี โดดเด่นด้วยประสิทธิภาพการประมวลผลการอัดขึ้นรูปที่ยอดเยี่ยมและความต้านทานการกัดกร่อน ค่าการนำไฟฟ้าอยู่ที่ประมาณ 53-55% IACS โดยมีความต้านทานแรงดึง 120-150MPa เหมาะสำหรับระบบบัสบาร์สถานีย่อย UHV ทั่วไป
• LF21Y อะลูมิเนียม-แมงกานีสอัลลอยด์ : อลูมิเนียมอัลลอยด์ป้องกันสนิมซีรีส์ Al-มน ที่มีความต้านทานการกัดกร่อนในชั้นบรรยากาศที่โดดเด่นและการเชื่อมที่ดี โดยมีความแข็งแรงปานกลาง ส่วนใหญ่จะใช้ในสถานีย่อยกลางแจ้งในสภาพแวดล้อมชายฝั่งทะเลและมีความชื้นสูง
• 6R05 อลูมิเนียมอัลลอยด์หายาก : รวมธาตุหายาก (เช่น Ce, La ฯลฯ) ไว้ในเมทริกซ์อะลูมิเนียม ปรับปรุงโครงสร้างเกรนอย่างมีนัยสำคัญ เพิ่มความแข็งแรงที่อุณหภูมิสูง และต้านทานการคืบคลาน ค่าการนำไฟฟ้าสูงถึง ≥60% IACS โดยมีความต้านทานแรงดึง 180-220MPa เหมาะสำหรับสถานีฮับ UHV ที่มีกระแสไฟสูงและรับภาระหนัก
• 2A14 อะลูมิเนียมอัลลอยทนความร้อน : โลหะผสมทนความร้อนความแข็งแรงสูงซีรีส์ Al-ลูกบาศ์ก-Mg-Si สามารถทำงานได้ในระยะยาวที่สูงกว่า 150°C โดยมีความต้านทานแรงดึงเกิน 250MPa ส่วนใหญ่จะใช้สำหรับร้านเครื่องกำเนิดไฟฟ้า หม้อแปลงเตาไฟฟ้า และการใช้งานอื่น ๆ ที่มีกระแสสูงและอุณหภูมิสูง

การควบคุมองค์ประกอบทางเคมีที่สำคัญ

การควบคุมองค์ประกอบของโลหะผสมอย่างแม่นยำเป็นข้อกำหนดเบื้องต้นในการรับรองประสิทธิภาพของบัสบาร์ที่สม่ำเสมอ ตามตัวอย่างโลหะผสม 6063G เศษส่วนมวลขององค์ประกอบหลักจะต้องได้รับการควบคุมอย่างเข้มงวดภายในช่วงต่อไปนี้:

แมกนีเซียม (Mg) เป็นองค์ประกอบผสมหลัก รวมกับซิลิคอน (Si) เพื่อสร้างระยะเสริมความแข็งแกร่งของ Mg₂Si ด้วยการบำบัดความร้อน T6 (การบำบัดด้วยสารละลายการชราภาพ) ความแข็งแรงของวัสดุสามารถเพิ่มขึ้นได้อย่างมาก ในขณะเดียวกัน การเติมแมกนีเซียมมีผลกระทบเชิงลบต่อการนำไฟฟ้าค่อนข้างน้อย ทำให้โลหะผสม 6063G สามารถสร้างสมดุลที่ยอดเยี่ยมระหว่างความแข็งแรงและการนำไฟฟ้า

ประสิทธิภาพทางไฟฟ้าและความสามารถในการรับกระแสไฟฟ้า

ลักษณะการนำไฟฟ้าและความต้านทาน

ตัวบ่งชี้ประสิทธิภาพทางไฟฟ้าหลักสำหรับบัสบาร์แบบท่อ UHV คือค่าการนำไฟฟ้าและความต้านทานกระแสตรง จากข้อมูลการวัดทางวิศวกรรม เกรดโลหะผสมต่างๆ มีคุณสมบัตินำไฟฟ้าที่แตกต่างกัน:

• สภาพ 6063G-T6 : ค่าการนำไฟฟ้า ≥53% IACS, ความต้านทานที่ 20°C ประมาณ 0.0325 Ω·mm²/m
• สภาพ 6101-T7 : ค่าการนำไฟฟ้า ≥56% IACS, ความต้านทานที่ 20°C ประมาณ 0.0308 Ω·mm²/m
• 6R05 โลหะผสมหายาก : ค่าการนำไฟฟ้า ≥60% IACS, ความต้านทานที่ 20°C ประมาณ 0.0287 Ω·mm²/m
• 1,060 อลูมิเนียมบริสุทธิ์ : ค่าการนำไฟฟ้า ≥61% IACS แต่มีความแข็งแรงเชิงกลต่ำกว่า ใช้เฉพาะในงานที่ความต้องการด้านความแข็งแกร่งไม่สำคัญ

ยกตัวอย่างสถานีย่อย 500kV เมื่อใช้แท่งบัสแบบท่อ 6063G ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางภายนอกเป็น 160 มม. และความหนาของผนัง 8 มม พื้นที่หน้าตัดจะอยู่ที่ประมาณ 3,848ตร.มม . ภายใต้อุณหภูมิแวดล้อม 35°C และอุณหภูมิที่อนุญาตของตัวนำที่ 80°C ความสามารถในการรองรับกระแสไฟฟ้าต่อเนื่องจะถึง 4,500-5,000A . หากใช้โลหะผสมแรร์เอิร์ธ 6R05 ที่มีข้อกำหนดเดียวกัน ความสามารถในการรองรับกระแสไฟจะเพิ่มขึ้นเป็น 4,800-5,300A คิดเป็นการปรับปรุงประมาณ 6-8%

การอ้างอิงการออกแบบความสามารถในการรองรับปัจจุบัน

การออกแบบความสามารถในการรองรับปัจจุบันของแท่งบัสแบบท่อจะต้องพิจารณาส่วนตัดขวางของตัวนำ สภาวะการกระจายความร้อน อุณหภูมิโดยรอบ และปัจจัยการแผ่รังสีแสงอาทิตย์อย่างครอบคลุม ตารางต่อไปนี้แสดงค่าอ้างอิงสำหรับความสามารถในการรองรับกระแสไฟของข้อกำหนดเฉพาะทั่วไปภายใต้สภาวะกลางแจ้ง (อุณหภูมิแวดล้อม 35°C อุณหภูมิตัวนำ 80°C ความเข้มของรังสีแสงอาทิตย์ 1,000 วัตต์/ตร.ม.):

เป็นที่น่าสังเกตว่าเมื่อใช้แท่งบัสแบบท่อ การเชื่อมต่อระหว่าง GIS (สวิตช์เกียร์ฉนวนแก๊ส) และหม้อแปลงหรือเบรกเกอร์ ความสามารถในการรองรับกระแสไฟที่แท้จริงจะต้องคูณด้วยปัจจัยแก้ไขของ 0.85-0.90 เนื่องจากพื้นที่มีขนาดกะทัดรัดและมีสภาวะการกระจายความร้อนที่จำกัด

ความแข็งแรงทางกลและการออกแบบโครงสร้าง

แรงดึงและความต้านแรงดึง

บัสบาร์แบบท่อ UHV ต้องทนทานต่อโหลดทางกลหลายอย่างระหว่างการทำงาน รวมถึงน้ำหนักของตัวเอง ความดันลม การสะสมของน้ำแข็ง และแรงพลศาสตร์ไฟฟ้าลัดวงจร ตัวบ่งชี้ประสิทธิภาพทางกลต้องเป็นไปตามข้อกำหนดต่อไปนี้:

• ความต้านแรงดึง (Rm) : ≥180MPa (โลหะผสม 6R05 สามารถเข้าถึงได้สูงกว่า 220MPa)
• ความแข็งแกร่งของผลผลิต (Rp0.2) : ≥120MPa (6063G ในสภาวะ T6 ประมาณ 150MPa)
• การยืดตัว (A50) : ≥8% (รับประกันว่าไม่มีการแตกหักแบบเปราะระหว่างการดัดงอการติดตั้ง)
• โมดูลัสยืดหยุ่น : ประมาณ 70GPa เทียบเท่าอะลูมิเนียมบริสุทธิ์

ภายใต้แรงกระแทกของกระแสไฟฟ้าลัดวงจร บัสบาร์จะต้องทนต่อแรงไฟฟ้าไดนามิกมหาศาล การ 50kA/3 วินาที กระแสไฟฟ้าลัดวงจรเป็นตัวอย่าง แรงไฟฟ้าไดนามิกระหว่างตัวนำคู่ขนานที่อยู่ติดกันสามารถเข้าถึงหลายพันนิวตันต่อเมตร ทำให้บัสบาร์ไม่เพียงแต่มีความแข็งแรงคงที่เพียงพอเท่านั้น แต่ยังมีความต้านทานความล้าที่ดีอีกด้วย ขีดจำกัดความล้าของโลหะผสมแมกนีเซียม-อลูมิเนียมอยู่ที่ประมาณ 35-40% ของความต้านทานแรงดึงให้ความทนทานที่ดีในสภาพแวดล้อมการสั่นสะเทือนที่เกิดจากลมและการสั่นสะเทือนลัดวงจร

การออกแบบระยะโก่งตัวและรองรับ

ช่วงการรองรับของแท่งบัสแบบท่อส่งผลโดยตรงต่อต้นทุนโครงการและความปลอดภัยในการปฏิบัติงาน ตามมาตรฐาน IEEE Std 605 และ DL/T 5222 การโก่งตัวสูงสุดของแท่งบัสแบบท่อกลางแจ้งโดยทั่วไปจะจำกัดอยู่ที่ภายใน 1/200 ถึง 1/150 ของช่วง เอาของที่ใช้กันทั่วไป φ160×8มม บัสบาร์แบบท่อเป็นตัวอย่าง ภายใต้การกระทำร่วมกันของน้ำหนักตัวเองและแรงดันลมพื้นฐาน (0.5kN/m²) ช่วงการรองรับสูงสุดสามารถเข้าถึงได้ 8-10 เมตร . หากใช้ส่วนรองรับเสริมหรือช่วงลดลงเหลือ 6-7 เมตร การโก่งตัวจะลดลงอย่างมาก และความต้านทานการสั่นสะเทือนที่เกิดจากลมก็ดีขึ้น

สำหรับการใช้งานช่วงกว้างในสถานีย่อย UHV (เช่น ทางข้ามถนนหรือพื้นที่อุปกรณ์) ลวดทำให้หมาด ๆ ของบัสบาร์แบบท่อ มักใช้โครงสร้างคอมโพสิต หรือมีการเพิ่มส่วนรองรับเสริมที่ช่วงกลางเพื่อลดการสั่นสะเทือนที่เกิดจากลมและการสั่นสะเทือนจากการลัดวงจร การวัดพบว่าหลังจากติดตั้งสายหน่วงลวดตีเกลียวอะลูมิเนียมภายในแท่งบัสแบบท่อ แอมพลิจูดการสั่นสะเทือนที่เกิดจากลมสามารถลดลงได้โดย มากกว่า 60% ป้องกันความเสี่ยงจากการแตกหักของความเมื่อยล้าได้อย่างมีประสิทธิภาพ

ทนต่อสภาพอากาศและป้องกันการกัดกร่อน

พฤติกรรมการกัดกร่อนในบรรยากาศ

พื้นผิวของแท่งบัสแบบท่อโลหะผสมแมกนีเซียมอลูมิเนียมมีความหนาแน่นตามธรรมชาติ ฟิล์มAl₂O₃ออกไซด์ มีความหนาประมาณ 2-10 นาโนเมตร ฟิล์มออกไซด์นี้มีความคงตัวที่ดีในสภาพแวดล้อมที่มีค่า pH อยู่ระหว่าง 4-9 ซึ่งป้องกันการกัดกร่อนของซับสเตรตเพิ่มเติมได้อย่างมีประสิทธิภาพ อย่างไรก็ตาม ในบรรยากาศอุตสาหกรรม (ประกอบด้วย SO₂) บรรยากาศทางทะเล (ประกอบด้วย Cl⁻) และสภาพแวดล้อมที่มีฝนกรด ฟิล์มออกไซด์อาจได้รับความเสียหาย ซึ่งนำไปสู่การกัดกร่อนแบบรูพรุนหรือตามขอบเกรน

ข้อมูลการทดสอบการกัดกร่อนแบบเร่งบ่งชี้ว่าอัตราการกัดกร่อนต่อปีของโลหะผสม 6063G ในสภาพแวดล้อมบรรยากาศอุตสาหกรรมอยู่ที่ประมาณ 0.5-1.5μm และในสภาพแวดล้อมบรรยากาศทางทะเลโดยประมาณ 1.0-3.0μm . จากอายุการใช้งานการออกแบบ 30 ปีและความหนาของผนัง 8 มม. แม้ว่าจะไม่มีการป้องกันเพิ่มเติม การสูญเสียการกัดกร่อนก็เป็นเพียงเท่านั้น 1-2% ของความหนาของผนัง ซึ่งมีผลกระทบต่อความแข็งแรงของโครงสร้างจำกัด อย่างไรก็ตาม ในสภาพแวดล้อมที่มีการกัดกร่อนอย่างรุนแรง (เช่น บริเวณชายฝั่งทะเลที่มีหมอกเกลือสูง) แนะนำให้ใช้การเคลือบอโนไดซ์ที่พื้นผิวหรือการเคลือบป้องกันการกัดกร่อน

กระบวนการปกป้องพื้นผิว

เพื่อยืดอายุการใช้งานของแท่งบัสแบบท่อในสภาพแวดล้อมที่รุนแรง โดยทั่วไปจะใช้มาตรการป้องกันต่อไปนี้:

1. การบำบัดด้วยอโนไดซ์ : สร้างฟิล์ม Al₂O₃ หนา 10-25μm บนพื้นผิวโดยวิธีเคมีไฟฟ้า ซึ่งมีความแข็งสูงและมีคุณสมบัติเป็นฉนวนที่ดี พร้อมความต้านทานการกัดกร่อนดีขึ้น 3-5 เท่า
2. การเคลือบฟลูออโรคาร์บอน : การพ่นเคลือบฟลูออโรคาร์บอน PVDF หรือ FEVE ด้วยความหนาของฟิล์ม 30-50μm แสดงสีและความเงาได้ดีเยี่ยมในสภาพแวดล้อมที่มีรังสีอัลตราไวโอเลตและหมอกเกลือ พร้อมอายุการใช้งานการป้องกันการกัดกร่อนเกิน 20 ปี
3. การเคลือบแบบจุ่มร้อน : การชุบสังกะสีแบบจุ่มร้อนหรือการชุบดีบุกในการเชื่อมต่อฮาร์ดแวร์และพื้นที่สัมผัสโลหะอื่น ๆ ที่แตกต่างกันเพื่อป้องกันการกัดกร่อนของกัลวานิก
4. การป้องกันจาระบีนำไฟฟ้า : ทาจาระบีนำไฟฟ้าที่มีส่วนผสมของสังกะสีหรือสีเงินบนพื้นผิวสัมผัสข้อต่อ เพื่อลดความต้านทานต่อการสัมผัส และแยกอากาศและความชื้น

แนวโน้มการพัฒนาเทคโนโลยี

วัสดุและกระบวนการใหม่

ในขณะที่โครงการ UHV ก้าวหน้าไปสู่ระดับแรงดันไฟฟ้าที่สูงขึ้นและความสามารถในการส่งผ่านที่มากขึ้น เทคโนโลยีบัสบาร์แบบท่อโลหะผสมแมกนีเซียม-อลูมิเนียมยังคงมีการพัฒนาอย่างต่อเนื่อง:

• การเสริมความแข็งแกร่งด้วยนาโนคอมโพสิต : การแนะนำอนุภาค TiB₂ หรือ Al₂O₃ ระดับนาโนลงในเมทริกซ์อะลูมิเนียมจะช่วยเพิ่มความต้านทานแรงดึงได้ สูงกว่า 300MPa โดยไม่ลดการนำไฟฟ้าลงอย่างมีนัยสำคัญ ขณะเดียวกันก็ปรับปรุงความต้านทานการคืบคลาน
• เทคโนโลยีการอัดขึ้นรูปอย่างต่อเนื่อง : การใช้กระบวนการอัดรีดอย่างต่อเนื่องของ Conform ช่วยให้สามารถผลิตแท่งบัสแบบท่อที่มีความยาวไม่จำกัด ขจัดจุดอ่อนของอินเทอร์เฟซจากการอัดขึ้นรูปทั่วไป และปรับปรุงความสม่ำเสมอของผลิตภัณฑ์ได้อย่างมาก
• การดับและการแก่ชราออนไลน์ : การรวมกระบวนการอัดขึ้นรูป การชุบแข็ง และกระบวนการชราภาพไว้ในสายการผลิตเดียวจะทำให้วงจรการผลิตสั้นลง ในขณะที่การควบคุมอุณหภูมิที่แม่นยำจะช่วยลดความผันแปรของประสิทธิภาพในสภาวะ T6 ให้เหลือภายใน ±5%

เทคโนโลยีการตรวจสอบอัจฉริยะ

สถานีย่อย UHV สมัยใหม่กำลังค่อยๆ เปิดตัว Internet of Things และเทคโนโลยีปัญญาประดิษฐ์สำหรับการตรวจสอบสภาพการทำงานของบัสบาร์แบบท่อแบบเรียลไทม์:

1. การวัดอุณหภูมิไฟเบอร์ออปติกแบบกระจาย : การวางเส้นใยนำแสงบนพื้นผิวของแท่งบัสแบบท่อหรือที่ข้อต่อ โดยใช้หลักการกระเจิงแบบรามันหรือการกระเจิงแบบบริลลูอิน เพื่อให้การวัดสนามอุณหภูมิแบบกระจายมีความแม่นยำ ±1°C และความละเอียดเชิงพื้นที่ 0.5 เมตร
2. การตรวจสอบความเครียดแบบไร้สาย : การติดตั้งเซ็นเซอร์ความเครียดไร้สายขนาดเล็กที่จุดรองรับและช่วงกลางเพื่อรวบรวมความถี่การสั่นสะเทือนและแอมพลิจูดแบบเรียลไทม์ ระบุการสั่นสะเทือนที่เกิดจากลมและความเสี่ยงในการควบแน่นของน้ำแข็งผ่านการวิเคราะห์สเปกตรัม
3. การทำนายข้อผิดพลาดของ AI : ฝึกอบรมโมเดลแมชชีนเลิร์นนิงตามข้อมูลการดำเนินงานในอดีต ทำการวิเคราะห์ฟิวชั่นกับข้อมูลหลายมิติ รวมถึงอุณหภูมิ การสั่นสะเทือน และสภาวะอุตุนิยมวิทยา เพื่อคาดการณ์ข้อผิดพลาดที่อาจเกิดขึ้น 72 ชม ล่วงหน้าด้วยความแม่นยำเกิน 90%

มองไปข้างหน้า บัสบาร์แบบท่อโลหะผสมแมกนีเซียม-อลูมิเนียม UHV จะพัฒนาไปสู่ ความแข็งแรงสูงกว่า ค่าการนำไฟฟ้าสูงขึ้น อายุการใช้งานยาวนานขึ้น และมีความฉลาดมากขึ้น โดยให้การสนับสนุนอุปกรณ์ที่แข็งแกร่งสำหรับการสร้างระบบไฟฟ้าใหม่ที่มีพลังงานทดแทนเป็นแกนหลัก