วิธีการติดตั้งหลักล่อฟ้าสำหรับอาคารประเภทต่างๆ            

ได้แนวความคิดมาจากหลักการป้องกันฟ้าผ่าของเบนจามินแฟรงคลิน นั่นคือการติดตั้งแท่งโลหะที่จุดสูงสุดของอาคาร เพื่อดึงดูดและนำฟ้าผ่าให้ไหลลงสู่พื้นดินโดยปราศจากอันตราย แต่แท่งดังกล่าวสามารถป้องกันอันตรายได้ ในลักษณะของมุมกรวยที่รัศมีฐานเท่ากับความสูงของแท่งโลหะเท่านั้นจึงเหมาะสมสำหรับอาคารที่มียอดแหลม และมีพื้นที่ไม่ใหญ่โตมากนักและใช้ไม่ค่อยได้ผลสำหรับอาคารที่มีลักษณะแบนราบ และมีพื้นที่ใหญ่โต ต่อมาไมเคิลฟาราเดย์ ได้พัฒนาวิธี การป้องกันโดยเพิ่มจำนวนเสาล่อฟ้าและสายตัวนำ ให้ครอบคลุมบริเวณที่จะป้องกันมากขึ้น มีลักษณะเหมือนกรงเรียกว่า กรงฟาราเดย์ (Faraday cage) และได้กลายเป็นหลักการป้องกันฟ้าผ่าที่นิยมมาจนปัจจุบัน




1. เสาล่อฟ้า (air terminal)
อาจเป็นเสาโลหะหรือสายตัวนำติดตั้งไว้บนจุดสูงสุดของอาคารหรือสิ่งที่ต้องการป้องกัน และนิยมทำปลายให้แหลม เพื่อให้ความเครียดสนามไฟฟ้า ณ จุดนั้นมีค่าสูงกว่าที่อื่นในบริเวณใกล้เคียงโดยทำหน้าที่ล่อ ให้ฟ้าผ่าลงมา หากเกิดฟ้าผ่าขึ้นในย่านนั้น เสาล่อฟ้าที่ได้รับความนิยมมี3 ชนิดคือ ทองแดง อลูมิเนียม เหล็กชุบสังกะสี โดยที่ทองแดงจะมีค่าความต้านทานจำเพาะต่ำแต่ไม่สามารถทนการกัดกร่อนในสภาพที่เป็นกรดหรือด่างได้ ส่วนอลูมิเนียมมีค่าความต้านทานสูงกว่าทองแดงและมีราคาถูกกว่า แต่ใช้ได้เฉพาะส่วนที่อยู่ในอากาศเท่านั้น ไม่สามารถใช้ในดินได้และมีข้อจำกัดหลายประการเช่น ไม่สามารถใช้ในหลังคาที่ปูด้วยทองแดงและยังต้องมีตัวต่อ ที่จะเปลี่ยนจากอลูมิเนียมไปเป็นทองแดงสำหรับต่อสายลงดิน ส่วนเหล็กชุบสังกะสีสามารถทนการกัดกร่อนได้ดี แต่มีความต้านทานจำเพาะสูงกว่าทองแดงแต่ราคาถูกและทนอุณหภูมิได้สูงกว่าแต่ส่วนใหญ่จะใช้ทองแดง เพราะนำไฟฟ้าดีกว่า บางชนิดมีปลายแหลมเป็นแฉก ซึ่งจะเพิ่มการแตกตัวของอากาศได้ในบริเวณรอบปลายแหลมที่มีหลาย ๆ อัน ปกติเสาล่อฟ้าต้องติดตั้งในจุดสูงสุดของอาคาร ถ้าเสามีความสูงจากฐานถึงปลายยอดไม่น้อยกว่า 10 นิ้วเหนือวัตถุ ที่ต้องการป้องกัน ให้วางเสาล่อฟ้าดังกล่าวเป็นระยะห่างกันทุกๆ 20 ฟุต แต่ถ้ามีระยะห่างเพิ่มเป็น 25 ฟุต ความสูงของเสา ต้องไม่น้อยกว่า 2 ฟุตถ้าสูงกว่า 2 ฟุตต้องยึดเสาด้านข้างเพิ่มเติมที่ระยะประมาณครึ่งหนึ่งของความสูงเสาล่อฟ้า


จำนวนและการติดตั้งเสาล่อฟ้า สามารถแบ่งออกได้ 3 กรณีคือ

ก. การติดตั้งกับหลังคาลาดเอียง
จะต้องติดตั้งเสาล่อฟ้าที่แถวแรกของสันหลังคา โดยมีระยะห่างของเสาแต่ละต้นไม่เกิน 20 ฟุต ถ้าเสามีความสูง 10 นิ้ว แต่ถ้าเสาล่อฟ้ามีความสูง 24 นิ้ว ให้วางห่างกันได้ไม่เกิน 25 ฟุต และเสาดังกล่าวต้องอยู่ห่างจากริมหลังคาไม่เกิน 2 ฟุต หลังจากวางเสาล่อฟ้าแถวแรกที่สันหลังคาได้แล้ว ต่อไปให้พิจารณาที่ส่วนปลายชายคาของหลังคา ว่าอยู่ภายในรัศมีป้องกัน ของเสาล่อฟ้าที่สันหลังคาหรือไม่ สำหรับอาคารที่สูงไม่เกิน 50 ฟุตเหนือพื้นดินจะมีรัศมีการป้องกัน ของเสาล่อฟ้าที่สันหลังคา ในอัตราส่วน 2 : 1 ถ้าอาคารสูงเกินกว่า 50 ฟุต อัตราส่วนการป้องกันของเสาล่อฟ้าจะเป็น 1:1

ข. กรณีของหลังคาแบนราบหรือหลังคาที่มีความลาดเอียงน้อย
NEC ได้กำหนดให้หลังคาที่มีความลาดเอียงน้อยคือ หลังคาที่มีช่วงความกว้างไม่เกิน 40 ฟุต และมีความลาดเอียงของหลังคา 1 ใน 8 หรือน้อยกว่านั้น ถ้าหลังคากว้างกว่า 40 ฟุต จะต้องมีความลาดเอียงน้อยกว่า 1 ใน 4 กรณีนี้ให้ถือเอาการติดตั้งที่ขอบ หลังคาเป็นหลัก โดยมีระยะห่างระหว่างเสาล่อฟ้าแต่ละต้นเป็น 6 หรือ 7.6 เมตร และตัวเสาล่อฟ้าต้องอยู่ห่างจากขอบสุด หรือสันหลังคาไม่เกิน 2 ฟุต ถ้าหลังคามีความกว้างเกินกว้างกว่า 50 ฟุต ต้องมีแถวของเสาล่อฟ้าเพิ่มเติมที่ระยะไม่เกิน 50 ฟุต

ค. หลังคาที่มีหลายชั้น
การป้องกันฟ้าผ่าทำได้โดยการวางแถวของเสาล่อฟ้าตามกฏเกณฑ์ของหลังคาแต่ละประเภท หลังจากนั้นก็กำหนดรัศมีป้องกัน ของเสาล่อฟ้าในส่วนที่ป้องกันหลังคาสูงสุด โดยใช้อัตราส่วนป้องกัน 1:1 หรือ 2:1 ตามความสูงของอาคาร นอกจากนั้นให้ติดตั้ง เสาล่อฟ้าเพิ่มเติมในส่วนที่รัศมีป้องกันของเสาล่อฟ้าบนหลังคาที่สูงที่สุด ไม่สามารถป้องกันได้ การเดินสายเชื่อมต่อระหว่าง เสาล่อฟ้าต้องเชื่อมเสาล่อฟ้าทุกๆ จุดโดยเดินสายเป็นวงรอบและเสาล่อฟ้าแต่ละต้นควรมีทางสำหรับกระแสไหลลงดินได้ 2 ทาง

2. สายนำลงดิน (down conductor)
กรณีของอาคารสูงต้องเชื่อมต่อกันทุกระยะ 30 เมตร รอบอาคารและจำเป็นต้องเดินสายให้เป็นเส้นตรงมากที่สุด ให้หลีกเลี่ยงการโค้งงอในกรณีที่จำเป็นอนุโลมให้โค้งงอได้ แต่ต้องไม่น้อยกว่า 90 องศาและมีรัศมีไม่น้อยกว่า 8 นิ้ว
การเดินสายนอกอาคารควรหลีกเลี่ยงการเดินสายโค้งงอไปตามรูปทรงของอาคาร โดยเฉพาะตึกที่ชั้นบนยื่นออกไปมากกว่าชั้นล่าง จะมีโอกาสเกิดการสปาร์กด้านข้างเมื่อเกิดฟ้าผ่าหรือเกิด break down ของอาคารในช่วงที่สายพาดผ่าน นอกจากนี้ยังต้องระวัง ไม่เดินสายใกล้กรอบประตูหน้าต่างที่เป็นโลหะ บางครั้งอาจใช้โครงสร้างเหล็กของอาคารเป็นตัวนำฟ้าผ่าลงดินได้ แต่เหล็กเส้นดังกล่าวต้องต่อถึงกันอย่างแน่นสนิทเพื่อให้กระแสไหลได้สะดวก โดยปกติขนาดสายตัวนำลงดิน มักใช้สายทองแดงเปลือย ขนาด 35-50 ตารางมิลลิเมตร

3. รากสายดิน (earth electrode)
เป็นโลหะที่ฝังลงในดินเพื่อช่วยให้ความต้านทานของระบบสายดินมีค่าต่ำสุด ซึ่งอาจใช้รากสายดินหลายชุด หรือฝังลึกลงไปในดินมากขึ้น ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับความต้านทานจำเพาะของดินและขนาดสิ่งก่อสร้างที่ต้องการติดตั้งระบบล่อฟ้า โดยคำนึงถึงหลัก 2 ประการคือ ความต้านทานของระบบสายดินต้องไม่ทำให้เกิดการสปาร์กด้านข้างภายในอาคาร และต้องไม่ทำให้เกิดความต่างศักย์ ระหว่างช่วงก้าว (ประมาณ 1 เมตร) บนพื้น

การฝังรากสายดินนิยมใช้แท่งเหล็กเคลือบทองแดง (copper clad steel) ขนาดเส้นผ่าศูนย์กลางไม่น้อยกว่า 1/2 นิ้ว ยาว 8 ฟุต ตอกลงไปในดินและควรอยู่ห่างจากฐานอาคารไม่น้อยกว่า 2 ฟุต การติดตั้งจะขึ้นอยู่กับสภาพดินคือ ถ้าดินชื้นรากสายดิน อยู่ลึกลงไปไม่น้อยกว่า 10 ฟุต แล้วจึงถมดินอัดให้แน่น

 

ส่วนบริเวณที่มีกรวดทรายปนอยู่ในดิน ต้องเพิ่มจำนวนรากสายดินอาจเป็น 2 หรือมากกว่าโดยวางห่างกัน 3 เมตร เป็นรูปสามเหลี่ยมด้านเท่า และปักลึกลงไปในดิน 10 ฟุตเช่นกัน กรณีที่มีชั้นหินอยู่ใกล้ผิวดินซึ่งทำให้ปักรากสายดินไม่สะดวก ให้ขุดเป็นรางยางไม่น้อยกว่า 12 ฟุต ลึกตั้งแต่ 1-2 ฟุต แต่ถ้าชั้นดินข้างบนเป็นทรายหรือมีกรวดปนดิน รางต้องมีความยาวไม่น้อยกว่า 24 ฟุต และลึกไม่น้อยกว่า 2 ฟุต แต่ถ้าไม่สามารถขุดรางตามแนวนอนดังกล่าวได้ ให้วางสายตัวนำในระดับความลึกดังกล่าว แล้วต่อกับแผ่นทองแดงที่มีความหนาอย่างน้อย 0.8 มิลลิเมตร และมีพื้นที่ผิวไม่น้อยกว่า 2 ตารางฟุต โดยปลายสายต้องอยู่ห่างจากตัวอาคารไม่น้อยกว่า 2 ฟุต
ถ้าชั้นดินมีความลึกน้อยกว่า 1 ฟุต ต้องใช้ตัวนำวางในรางเป็นวงรอบอาคารและเพิ่มแผ่นทองแดงขนาด 9 ตารางฟุต หนา 0.8 มิลลิเมตร ที่มุมอาคารและกลบด้วยดินร่วน เพื่อให้รับความชื้นจากฝนได้ ค่าความต้านทานของรากสายดินที่ติดตั้งแล้วควรอยู่ในช่วง 2-5 โอห์ม นอกจากนี้สายดินของระบบไฟฟ้า โทรศัพท์ หรือท่อโลหะอื่น ๆ ที่ฝังดิน ควรมีการเชื่อมโยงเข้ากับระบบสายล่อฟ้าเพื่อลดความต่างศักย์ระหว่างตัวนำประเภทต่าง ๆ ที่ต่อลงไปในดิน ถ้าความต้านทานของระบบสายดินมีค่าสูงและแก้ไขโดยวิธีข้างต้นไม่สำเร็จ ก็อาจใช้เกลือเติมลงไปในดินบริเวณที่มีการปักรากลายดินแต่ควรดำเนินการเป็นครั้งสุดท้าย เนื่องจากรากสายดินจะผุกร่อนเร็วเกินไป และการเติมเกลือในปริมาณที่ไม่เหมาะสม ก็อาจทำให้ความต้านทานดินเพิ่มสูงขึ้น

4. การเชื่อมต่อสายตัวนำกับเสาล่อฟ้า
     ก. ระบบเชื่อมต้องสามารถรับกระแสฟ้าผ่าได้เพียงพอ
     ข. ต้องแข็งแรงไม่แตกหัก หรือยึดตัวเนื่องจากแรงต่าง ๆ
     ค. ทนทานต่อการกัดกร่อนเป็นเวลานาน

วิธีการที่นิยมอย่างมากในการเชื่อมต่อคือการใช้ความร้อนจากปฏิกิริยาทางเคมี เรียกว่า exothermic welding หรือ thermo weld โดยเป็นการเชื่อมทองแดงเข้ากับทองแดงหรือทองแดงเข้ากับเหล็กขบวนการความร้อนจะเกิดจากปฏิกิริยา ของผงทองแดงออกไซด์ กับอลูมิเนียมในเบ้ากราไฟต์ เมื่อเกิดการลุกไหม้แล้วจะทำให้เกิดอลูเนียมออกไซด์โดยอยู่ในรูปของ slag การทำงานจะเริ่มต้นจากเบ้ากราไฟต์โดยตอนบนของเบ้าใช้บรรจุโลหะผงและผงเคมีสำหรับเริ่มปฏิกิริยาและมีแผ่นโลหะบางๆ วางไว้ที่ก้นกระบอกเพื่อกันไม่ให้ผงโลหะไหลลงมาตอนล่างของเบ้า ซึ่งเป็นส่วนที่วางตัวนำที่ต้องการต่อเข้าด้วยกัน เมื่อจุดไฟเริ่มปฏิกิริยาผงโลหะจะเกิดการหลอมเหลวและหลอมทองแดงพร้อมทั้งแผ่นโลหะที่รองด้านล่างทำให้ทองแดงเหลว ไหลลงมาข้างล่างได้และเชื่อมต่อตัวนำเข้าด้วยกัน