|
|
|
การป้องกันแรงดันไฟฟ้าเกินในอาคารจากเหตุการณ์ฟ้าผ่า |
|
ศักดิ์ชัย นรสิงห์ (sakchai@pea.or.th) |
|
บทนำ
ปัจจุบัน ผู้ที่ทำงานเกี่ยวข้องหรือมีการใช้อุปกรณ์อิเลคทรอนิกส์ในโรงงานอุตสากรรมและในอาคารสำนักงานต่างๆ เช่น อุปกรณ์คอมพิวเตอร์ สื่อสาร หรืออุปกรณ์ที่ใช้สำหรับควบคุมเครื่องจักรในระบบขบวนการผลิต เช่น ASD หรือ PLC มักจะประสบปัญหาอุปกรณ์ดังกล่าว มีการ ชำรุดเสียหายบ่อยครั้ง ในขณะมีเหตุการณ์ฝนตกฟ้าผ่า หรือเกิดจากการผิดพร่อง ( fault )ในระบบไฟฟ้า ด้วยจากสาเหตุมี แรงดันไฟฟ้าเกินเข้ามา ในอาคารเกินกว่าที่อุปกรณ์สามารถที่จะทนได้ และมัก จะคิดว่าระบบป้องกันฟ้าผ่าภายนอกไม่ดีพอหรือเป็นเหตุการณ์สุดวิสัยที่ไม่สามารถจะทำการป้องกันได้ ซึ่งโดยความจริงแล้ว จุดประสงค์ของการป้องกันฟ้าผ่าภายนอกอาคารนั้น เพื่อป้องกันความเสียหายทางกลกับอาคารหรือสิ่งปลูกสร้างจากฟ้าผ่า แต่ไม่สามารถป้องกันความเสียหายให้กับอุปกรณ์ที่อยู่ภายในอาคารเนื่องจากเสิร์จได้ และอุปกรณ์ป้องกันต่างๆในระบบ เช่น เซอร์กิตเบรกเกอร์ รีเลย์ต่างๆ ไม่สามารถที่จะทำการป้องกันได้เช่นเดียวกันดังนั้นการป้องกันการชำรุด ของอุปกรณ์ ดังกล่าวควรต้องมีระบบป้องกันฟ้าผ่าภายในอาคาร ซึ่งประกอบด้วย อุปกรณ์ป้องกันแรงดันไฟฟ้าเกิน ( Surge Protection Device : SPD ) มีการต่อประสานศักย์ไฟฟ้าเท่ากัน การกำบัง ( Shielding ) และมีการต่อลงดิน ( Earthing ) ที่ถูกต้อง จึงจะ สามารถป้องกันไม่ให้อุปกรณ์ภายในอาคารชำรุดเนื่องจากแรงดันไฟฟ้าเกินได้ |
| การเข้ามาของแรงดันไฟฟ้าเกินในอาคาร แรงดันไฟฟ้าเกินที่เข้ามาในอาคารที่เป็นสาเหตุทำให้อุปกรณ์เกิดการชำรุดนั้น ซึ่งเกิดขึ้นจากเหตุการณ์ฟ้าผ่า สามารถ เข้ามาในอาคารได้ดังนี้ 1. ทางสายตัวนำไฟฟ้า ที่ใช้สำหรับจ่ายไฟฟ้าให้กับระบบงานคอมพิวเตอร์และสื่อสาร ซึ่งเป็นจุดสำคัญที่เสิร์จจะใช้เป็นทาง ผ่านเข้ามาในอาคารมากที่สุด โดยมีสาเหตุหลักจากเหตุการณ์ฟ้าผ่า การเกิดฟ้าผ่าอาจเกิดขึ้นโดยตรง หรือใกล้ในระบบส่ง จ่ายหรือจำหน่ายไฟฟ้า ผลทำให้เกิดกระแสเสิร์จขนาดใหญ่วิ่งตามสายตัวนำไฟฟ้าเพื่อหาจุดลงดิน หรือมีเหตุการณ์ฟ้าผ่าที่ ตำแหน่งล่อฟ้าใกล้กับตัวอาคาร ซึ่งด้วยผลของสนามไฟฟ้าที่เกิดขึ้นในบริเวณนั้น ทำให้เกิดการเหนี่ยวนำระหว่างกระแส ฟ้าผ่ากับสายตัวนำไฟฟ้า ทำให้เกิดเสิร์จที่สายดังกล่าวขึ้นและผ่านเข้าสู่ภายในอาคาร เป็นผลทำให้อุปกรณ์ชำรุดเนื่องจาก ได้รับแรงดันไฟฟ้าเกินได้ 2. ทางสายโทรศัพท์ สายนำสัญญาณและสายสื่อสารข้อมูล เป็นอีกทางหนึ่งที่กระแสเสิร์จเข้ามา โดยเกิดจากการเหนี่ยวนำ เข้ามาของกระแสเสิร์จจากเหตุการณ์ฟ้าผ่า เช่นเดียวกับสายตัวนำไฟฟ้าจากสนามแม่เหล็กที่เกิดจากฟ้าผ่าเข้าไปเหนี่ยวนำ วงรอบ (Loop) ใดๆในอาคาร เช่น วงรอบระบบไฟฟ้าหรือระบบสื่อสาร เป็นผลทำให้เกิดแรงดันไฟฟ้าเกินในอาคาร 3. จากระบบการต่อลงดิน ในกรณีระบบมีการต่อลงดินหลายจุด เมื่อมีเหตุการณ์ฟ้าผ่าและมีกระแสฟ้าผ่าไหลลงระบบราก สายดินจุดหนึ่ง อาจก่อให้เกิดศักย์ไฟฟ้าของจุดลงดินสูงกว่าอีกจุดหนึ่ง เป็นผลทำให้เกิดกระแสไหลวนขึ้นจากระบบดินจุด หนึ่งผ่านอุปกรณ์ต่างๆไปลงดินอีกจุดหนึ่ง เป็นผลทำให้อุปกรณ์ในระบบเกิดการเสียหายได้ |
 รูปแสดง ทางเดินเสิร์จที่เข้ามาในอาคาร |
|
|
| อุปกรณ์ป้องกันเสิร์จ (Surge Protection Device :SPD) อุปกรณ์ป้องกันเสิร์จในอาคารมีไว้เพื่อลดหรือขจัดกระแสไฟฟ้าหรือแรงดันไฟฟ้าเกินชั่วครู่ ตามมาตรฐาน IEC และ IEEE มีการแบ่งประเภทของอุปกรณ์ป้องกันเสิร์จ ตามลักษณะการทดสอบ โดยจำลองคลื่นอิมพัลส์ในรูปกระแส และ แรงดันแตกต่างกันออกไป ( สำหรับบทความนี้จะกล่าวถึงมาตรฐาน IEC เป็นส่วนใหญ่ ) ดังเช่น มาตรฐาน IEC 1312 - 1 - 1995 [ 1 ] ได้กำหนดย่านการป้องกันแรงดันเกินไฟฟ้าจากฟ้าผ่า ( Lightning Protection Zone : LPZ ) ออกเป็นส่วนต่าง ๆ ภายในอาคาร และในแต่ละย่านการป้องกันจะมีการต่อประสานแต่ละย่านการป้องกัน ( ตามรูป ที่ 1 ) เพื่อการลดทอนของสนามแม่เหล็กไฟฟ้า ( Electromagnetic field ) และทำให้ศักย์ไฟฟ้าในแต่ละย่านการป้องกันเท่ากัน ซึ่งการกำหนดย่านการป้องกันต่าง ๆ จะเป็นประโยชน์ต่อการออกแบบ และการเลือกใช้อุปกรณ์ป้องกันเสิร์จให้เหมาะสมกับ ขนาดของเสิร์จที่ผ่านเข้ามา การแบ่งโซนดังกล่าวมีรายละเอียดดังนี้ คือ LPZ 0A คือ โซนที่มีโอกาสที่จะถูกฟ้าผ่าโดยตรงดังนั้นจึงรับกระแสฟ้าผ่าและคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเต็มที่ LPZ 0B คือ โซนที่ไม่มีโอกาสรับฟ้าผ่าโดยตรง แต่ยังได้รับผลของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า โดยยังไม่มีการลดทอนจากผล ของแม่เหล็กไฟฟ้าดังกล่าว LPZ 1 คือ โซนที่มีการสวิตชิ่งของอุปกรณ์ภายใน หรือจากการรับกระแสเสิร์จของการเหนี่ยวนำจากฟ้าผ่าเข้า มาตามสาย ตัวนำไฟฟ้า และสายสัญญาณต่าง ๆ และจากสนามแม่เหล็กไฟฟ้าเนื่องจากก ระแสฟ้าผ่าที่เข้ามาเหนี่ยวนำวงรอบ ที่อยู่ในอาคาร เช่น วงรอบระหว่างระบบไฟฟ้าและระบบสื่อสาร ซึ่งสามารถลดทอนสนามแม่เหล็กดังกล่าว ได้ด้วยวิธีการต่อประสาน ( Bonding ) และการกำบัง( Shielding ) ภายในอาคาร LPZ 2 คือ โซนที่มีการลดกระแสและสนามแม่เหล็กไฟฟ้ามากกว่าโซนดังกล่าวข้างต้น |
 รูปที่ 1 การแบ่งโซนการป้องกันแรงดันเกินจากฟ้าผ่า |
มาตรฐาน IEC มีการแบ่งประเภทของอุปกรณ์ป้องกันเสิร์จตามลักษณะการทดสอบ (ตามรูปที่ 2) |
 รูปที่ 2 การแบ่งประเภทของอุปกรณ์ป้องกันเสิร์จตามลักษณะการทดสอบ |
ตามมาตรฐาน IEC 60664 - 1 [ 3 ] ได้ระบุว่า ในแต่ละย่านการป้องกันฉนวนของอุปกรณ์ควรจะทนแรงดันไฟฟ้าเกินใน ภาวะชั่วครู่ได้ในระดับกี่ KV เช่น ในย่าน 1 ฉนวนของอุปกรณ์ควรจะทนได้ 6 KV และลดลงตามลำดับย่านการป้องกัน การเลือกอุปกรณ์ป้องกันเสิร์จสำหรับแต่ละย่านจึงควรเลือกให้จำกัดค่าแรงดันไม่ให้เกินค่าที่กำหนดตามมาตรฐาน |
 รูปที่ 3 แสดงการแบ่งประเภทแรงดันไฟฟ้าเกินตามความสัมพันธ์ทางฉนวน( Insulation Coordination ) โดยควบคุมแรงดันแต่ละประเภทการติดตั้ง( Installation Category) |
| อุปกรณ์ป้องกันเสิร์จจะแบ่งเป็น 2 ประเภท ตามลักษณะการใช้งาน คือ อุปกรณ์ป้องกันเสิร์จทางด้าน Power และด้าน Communication และแบ่งตามย่านการติดตั้งใช้งานได้เป็น 2 ชนิด คือ 1. Lightning Current Arrester คุณสมบัติมีความสามารถ Discharge กระแสฟ้าผ่าบางส่วนที่มีขนาดพลังงานมากโดยที่ตัว มันเองหรืออุปกรณ์ป้องกันเสิร์จตัวอื่น ๆ ไม่ได้รับความเสียหาย ตำแหน่งติดตั้งอยู่ระหว่างย่าน LPZOB กับ LPZO1 จะ ถูกทดสอบด้วยกระแสอิมพัลส์ 10 / 350 ms 2. Surge Arrester คุณสมบัติเพื่อจำกัดแรงดันไฟฟ้าเกิน เพื่อไม่ให้เกินค่าที่จะทำความเสียหายกับอุปกรณ์ในอาคาร ตำแหน่งติดตั้งจะอยู่หลังย่าน LPZO1 ลงมาจะถูกทดสอบด้วยกระแสอิมพัลส์ 8 / 20 ms และแรงดันอิมพัลส์ 1.2 / 50 ms |
|
|
.gif) รูปที่ 4 กระแสฟ้าผ่าที่กระจายไปตามระบบต่าง ๆ |
เมื่อพิจารณาระบบไฟฟ้าของโรงงานอุตสาหกรรมและอาคารสำนักงานต่าง จะมีการต่อลงดินเป็นแบบระบบ TN-CS ดังนั้นโอกาสกระแสฟ้าผ่าสูงสุดที่ไหลเข้าสู่ภายในอาคารแต่ละเฟสจะมีค่าเท่ากับ 100 kA / 3 เท่ากับ 33 kA และเนื่องจาก กระแสฟ้าผ่าอาจมีโอกาสเข้าสู่ระบบมากกว่า50 % ของกระแสฟ้าผ่า ดังนั้นการเลือกใช้ อุปกรณืป้องเสิร์จเพื่อใช้สำหรับติดตั้ง ป้องกันแรงดันไฟฟ้าเกินทางสายไฟจากภายนอกอาคารก่อนเข้าตู้เมนไฟฟ้าสำหรับโอกาสที่เกิดฟ้าผ่ารุนแรงอาจเลือกขนาด ไม่น้อยกว่า 50 kA ต่อเฟส เป็นอย่างต่ำ ทั้งนี้ในทางปฎิบัติการเลือกขนาดของอุปกรณ์ป้องกันดังกล่าว ต้องมีการคำนึงถึง ความสำคัญของอุปกรณ์ที่ต้องการจะป้องกัน อาจเพิ่มขนาดของอุปกรณ์ป้องกัน (kA) ให้มีค่าสูงขึ้น เพื่อระดับการป้องกันที่ดีขึ้น และทำการเปรียบเทียบราคาที่ระดับ (kA) ต่างๆ โดยพิจารณาทางด้านการลงทุนด้วยการเลือกใช้อุปกรณ์ป้องกันแรงดัน ไฟจากภายนอกอาคารและทางสายสัญญาณ จำเป็นต้องทราบรายละเอียดข้อกำหนด ( Spec ) ของอุปกรณ์ป้องกันแรงดันเกิน แต่ละตัว เพื่อความสามารถในการทำงานของตัวอุปกรณ์ป้องกันและความปลอดภัยของอุปกรณ์ที่ถูกป้องกันตามที่ออกแบบ ไว้ โดยมีข้อพิจารณาดังนี้คือ - Norminal Voltage |
การต่อประสาน ( Bonding ) มาตรฐาน IEC 1024 - 1 [ 2 ] กล่าวถึง การต่อประสานเพื่อลดความต่างศักย์ไฟฟ้าระหว่างชิ้นส่วนโลหะและระบบภายใน บริเวณที่จะป้องกันจากฟ้าผ่า ในการประสานนั้น ส่วนที่เป็นโลหะจะประสาน ( Bond ) เข้ากับแท่งตัวนำต่อประสาน ( Bonding Bar ) ส่วนที่เป็นสายตัวนำไฟฟ้าหรือสายสัญญาณสื่อสารต่าง ๆ จะประสานโดยอุปกรณ์ป้องกันเสิร์จของแต่ละโซน ป้องกัน สำหรับแท่งตัวนำต่อประสานเหล่านี้จะต้องเชื่อมต่อกับระบบรากสายดิน ( Earth termination system ) ภายในอาคาร และระบบป้องกันฟ้าผ่าภายนอกอาคารด้วย |
| การกำบัง ( Shielding ) สนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่เข้ามาภายในอาคารจากฟ้าผ่าสามารถลดทอนสนามแม่เหล็กไฟฟ้าดังกล่าวลงได้ด้วยการกำบังห้อง หรืออาคาร ด้วยวิธีตาข่าย ( Mesh ) เป็นการเชื่อมต่อส่วนเหล็กโครงสร้างเข้าด้วยกันทั้งพื้น ผนัง เพดาน บางครั้งอาจเพิ่ม เติมลวดตาข่ายบนหลังคาแล้วต่อเชื่อมเข้ากับระบบการต่อลงดิน ผลการลดทอนสนามแม่เหล็กไฟฟ้าดังกล่าวจะมากหรือน้อย ขึ้นอยู่กับขนาดความถี่ของตาข่าย ถ้าตาข่ายมีความถี่มากการลดทอนสนามแม่เหล็กไฟฟ้าจะลดเพิ่มขึ้นด้วย |
การจัดเดินสายตัวนำและสายสัญญาณ การจัดการเดินสายที่เหมาะสมสามารถลดผลกระทบจากสนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่เข้ามาภายในอาคารได้ ซึ่งการเดินสาย ตัวนำไฟฟ้ากับสายสัญญาณสื่อสารของคอมพิวเตอร์ที่ลักษณะเป็น Loop เมื่อมีสนามแม่เหล็กไฟฟ้า เข้ามาทำให้เกิดวงรอบ การเหนี่ยวนำขึ้นระหว่างสายตัวนำไฟฟ้าและสายสัญญาณสื่อสาร ผลทำให้เกิดแรงดันไฟฟ้าเกินเกิดขึ้นที่สายตัวนำไฟฟ้า และสายสัญญาณสื่อสาร การแก้ไข ต้องพยายามจัดการเดินสายต่าง ๆ ภายในอาคารไม่ให้มีลักษณะเป็น Loop |
การต่อลงดิน การต่อลงดินของระบบไฟฟ้า ระบบป้องกันฟ้าผ่าภายนอกอาคาร ระบบป้องกันฟ้าผ่าภายในอาคาร อุปกรณ์ต่างๆ รวมถึง ส่วนที่เป็นโลหะที่อยู่ภายในอาคาร ระบบการลงต่อดิน ควรมีการเชื่อมต่อถึงกัน เพื่อทำให้ศักย์ไฟฟ้าในระบบเท่ากันตาม หลักการ Equipotentail bonding |
| สรุป ปรากฏการณ์ฟ้าผ่า เป็นสาเหตุหนึ่งที่ทำให้อุปกรณ์อิเลคทรอนิกส์ที่ไวต่อการเปลี่ยนแปลงกระแส และแรงดัน เกิดการ ชำรุด เสียหายจากแรงดันไฟฟ้าเกินที่เกิดขึ้นจากเสิร์จ ซึ่งวิธีการป้องกันฟ้าผ่าภายนอกอาคารนั้นไม่สามารถที่จะป้องกัน การชำรุดของอุปกรณ์ภายในอาคารจากฟ่าผ่าได้ ต้องมีการติดตั้งระบบป้องกันฟ้าผ่าภายในอาคารเพิ่มเติม ซึ่งประกอบด้วย อุปกรณ์ป้องกันแรงดันไฟฟ้าเกิน ( Surge Protection Device : SPD ) มีการต่อประสานศักย์ไฟฟ้าเท่ากัน การกำบัง (Shielding) และมีการต่อลงดิน (Earthing) ที่ถูกต้อง จึงจะสามารถป้องกันไม่ให้อุปกรณ์ชำรุดเนื่องจากแรงดันไฟฟ้าเกินได้ |
| เอกสารอ้างอิง [ 1 ] IEC 1312 - 1 / 1995 : Protection Against Lightning Electromagnetic Impuls, Part 1 General Principles [ 2 ] IEC 1024 - 1 / 1990 : Protection |
