เสิร์จ (Surge) หมายถึง ลักษณะการเปลี่ยนแปลงทางไฟฟ้าแบบชั่วคราวมีผลทำให้คุณภาพไฟฟ้าของระบบ เช่น ขนาดของแรงดันไฟฟ้า กระแสไฟฟ้า หรือความ ถี่ทางไฟฟ้า เกิดความเปลี่ยนแปลง แบบเฉียบพลันในระบบ แรงดันเสิร์จที่เกิดขึ้นจะมีพลังงานสูงมากพอที่จะทำความเสียหายแก่อุปกรณ์เครื่องใช้ไฟฟ้า โดยเฉพาะอุปกรอิเล็กทรอนิกส์ ที่มีความไวต่อการเปลี่ยนแปลงของแรง ดันเกินและมีความคงทนต่ำ จึงทำให้เกิดความเสียหายและผิดพลาดได้ง่ายโดยสาเหตุของ การเกิดเสิร์จมีได้หลายสาเหตุ เช่น ปรากฏการฟ้าผ่า ความผิดปกติของแหล่งจ่ายไฟฟ้า หรือการปิด-เปิดสวิตช์อุปกรณ์ไฟฟ้าที่มีมอเตอร์ใช้พลังงานไฟฟ้ามาก
การเข้ามาของแรงดันไฟฟ้าเกินในอาคาร
แรงดันไฟฟ้าเกินที่เข้ามาในอาคารที่เป็นสาเหตุทำให้อุปกรณ์เกิดการชำรุดนั้น ซึ่งเกิดขึ้นจากเหตุการณ์ฟ้าผ่า สามารถเข้ามาในอาคารได้ดังนี้
1. ทางสายตัวนำไฟฟ้า ที่ใช้สำหรับจ่ายไฟฟ้าให้กับระบบงานคอมพิวเตอร์และสื่อสาร ซึ่งเป็นจุดสำคัญที่เสิร์จจะใช้เป็นทางผ่านเข้ามาในอาคารมากที่สุด โดยมีสาเหตุหลักจากเหตุการณ์ฟ้าผ่า การเกิดฟ้าผ่าอาจเกิดขึ้นโดยตรง หรือใกล้ในระบบส่ง จ่ายหรือจำหน่ายไฟฟ้า ผลทำให้เกิดกระแสเสิร์จขนาดใหญ่วิ่งตามสายตัวนำไฟฟ้าเพื่อหาจุดลงดิน หรือมีเหตุการณ์ฟ้าผ่าที่ ตำแหน่งล่อฟ้าใกล้กับตัวอาคาร ซึ่งด้วยผลของสนามไฟฟ้าที่เกิดขึ้นในบริเวณนั้น ทำให้เกิดการเหนี่ยวนำระหว่างกระแสฟ้าผ่ากับสายตัวนำไฟฟ้า ทำให้เกิดเสิร์จที่สายดังกล่าวขึ้นและผ่านเข้าสู่ภายในอาคาร เป็นผลทำให้อุปกรณ์ชำรุดเนื่องจากได้รับแรงดันไฟฟ้าเกินได้
2. ทางสายโทรศัพท์ สายนำสัญญาณและสายสื่อสารข้อมูล เป็นอีกทางหนึ่งที่กระแสเสิร์จเข้ามา โดยเกิดจากการเหนี่ยวนำเข้ามาของกระแสเสิร์จจากเหตุการณ์ฟ้าผ่า เช่นเดียวกับสายตัวนำไฟฟ้าจากสนามแม่เหล็กที่เกิดจากฟ้าผ่าเข้าไปเหนี่ยวนำวงรอบ (Loop) ใดๆในอาคาร เช่น วงรอบระบบไฟฟ้าหรือระบบสื่อสาร เป็นผลทำให้เกิดแรงดันไฟฟ้าเกินในอาคาร
3. จากระบบการต่อลงดิน ในกรณีระบบมีการต่อลงดินหลายจุด เมื่อมีเหตุการณ์ฟ้าผ่าและมีกระแสฟ้าผ่าไหลลงระบบรากสายดินจุดหนึ่ง อาจก่อให้เกิดศักย์ไฟฟ้าของจุดลงดินสูงกว่าอีกจุดหนึ่ง เป็นผลทำให้เกิดกระแสไหลวนขึ้นจากระบบดินจุด หนึ่งผ่านอุปกรณ์ต่างๆไปลงดินอีกจุดหนึ่ง เป็นผลทำให้อุปกรณ์ในระบบเกิดการเสียหายได้
มาตรฐานที่เกี่ยวข้อง
มาตรฐานที่เกี่ยวข้องสำหรับการป้องกันเสิร์จในอาคารที่ทั่วโลกนิยมใช้อ้างอิง คือมาตรฐาน IEC และ IEEE
มาตรฐาน IEC ที่เกี่ยวข้องคือ
- IEC 61024-1 : 1990-03 : Protection of structures against lightning Part 1: General principles
- IEC 61643-1:1998 : Protection against lightning electromagnetic impulse
- IEC 61000-4-5 : 1995-02 : Electromagnetic compatibility (EMC) Part 4: Testing and measurement
techniques, Section 5: Surge immunity test
- IEC 60664-1 : 2000-04 : Insulation coordination for equipment within low voltage systems Part :1
Principles, Requirement and Tests
ย่านการป้องกันแรงดันเกินไฟฟ้าจากฟ้าผ่า (cLPZ)
ตามมาตรฐาน IEC มีการแบ่งประเภทของอุปกรณ์ป้องกันเสิร์จ ตามลักษณะการทดสอบโดยจำลองคลื่นอิมพัลส์ในรูปกระแส และแรงดันแตกต่างกันออกไป ซึ่งมาตรฐาน IEC 62305-4 ( DIN V VDE V 0185 Part 4) ได้กำหนดย่านการป้องกันแรงดันเกินไฟฟ้าจากฟ้าผ่า (cLPZ)* ออกเป็นส่วนต่าง ๆ ภายในอาคาร และในแต่ละย่านการป้องกันจะมีการต่อประสานแต่ละย่านการป้องกัน (ตามรูป ที่ 1) เพื่อการ ลดทอนของสนามแม่เหล็กไฟฟ้า ( Electromagnetic field ) และทำให้ศักย์ไฟฟ้าในแต่ละย่านการป้องกันเท่ากัน
รูปที่ 1 การแบ่งโซนการป้องกันแรงดันเกินจากฟ้าผ่า
ซึ่งการกำหนดย่านการป้องกันต่าง ๆ จะเป็นประโยชน์ต่อการออกแบบ และการเลือกใช้อุปกรณ์ป้องกันเสิร์จให้เหมาะสมกับ ขนาดของเสิร์จที่ผ่านเข้ามา การแบ่งโซนดังกล่าวมีรายละเอียดดังนี้ คือ
- LPZ 0A คือ โซนที่มีโอกาสที่จะถูกฟ้าผ่าโดยตรงดังนั้นจึงรับกระแสฟ้าผ่าและคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเต็มที่
- LPZ 0B คือ โซนที่ไม่มีโอกาสรับฟ้าผ่าโดยตรง แต่ยังได้รับผลของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า โดยยังไม่มีการ
ลดทอนจากผล ของแม่เหล็กไฟฟ้าดังกล่าว
- LPZ 1 คือ โซนที่มีการสวิตชิ่งของอุปกรณ์ภายใน หรือจากการรับกระแสเสิร์จของการเหนี่ยวนำจากฟ้าผ่า
เข้า มาตามสาย ตัวนำไฟฟ้า และสายสัญญาณต่าง ๆ และจากสนามแม่เหล็กไฟฟ้าเนื่องจาก
กระแสฟ้าผ่าที่เข้ามาเหนี่ยวนำวงรอบ ที่อยู่ในอาคาร เช่น วงรอบระหว่างระบบไฟฟ้าและ
ระบบสื่อสาร ซึ่งสามารถลดทอนสนามแม่เหล็กดังกล่าว ได้ด้วยวิธีการต่อประสาน
( Bonding ) และการกำบัง( Shielding ) ภายในอาคาร
- LPZ 2 คือ โซนที่มีการลดกระแสและสนามแม่เหล็กไฟฟ้ามากกว่าโซน 1
- LPZ 3 คือ โซนที่มีการลดกระแสและสนามแม่เหล็กไฟฟ้ามากกว่าโซน 2 โดยจะเป็นลักษณะการป้องกัน
เฉพาะอุปกรณ์
* การกำหนดระดับการป้องกันของ Surge ในที่นี้จะกำหนดโดยใช้มาตรฐาน IEC 61643-1:1998 และ VDE 0675
อุปกรณ์ป้องกันเสิร์จ (Surge Protection Device: SPD)
อุปกรณ์ป้องกันเสิร์จจะแบ่งเป็น 2 ประเภท ตามลักษณะการใช้งานทางด้าน Power และด้าน Communication และแบ่งตามย่านการติดตั้งใช้งานได้เป็น 2 ชนิด คือ
1. Lightning Current Arrester คุณสมบัติมีความสามารถ Discharge กระแสฟ้าผ่าบางส่วนที่มีขนาดพลังงานมากโดยที่ตัวมันเองหรืออุปกรณ์ป้องกันเสิร์จตัวอื่น ๆ ไม่ได้รับความเสียหาย ตำแหน่งติดตั้งอยู่ระหว่างย่าน LPZOB กับ LPZO1 จะ ถูกทดสอบด้วยกระแสอิมพัลส์ 10 / 350 µs
2. Surge Arrester คุณสมบัติเพื่อจำกัดแรงดันไฟฟ้าเกิน เพื่อไม่ให้เกินค่าที่จะทำความเสียหายกับอุปกรณ์ในอาคาร ตำแหน่งติดตั้งจะอยู่หลังย่าน LPZO1 ลงมาจะถูกทดสอบด้วยกระแสอิมพัลส์ 8 / 20 µs และแรงดันอิมพัลส์ 1.2 / 50 µs
อุปกรณ์ป้องกันเสิร์จทางสายตัวนำไฟฟ้าชนิดต่าง ๆ
1) Air Spark Gap เป็นอุปกรณ์ป้องกันเสิร์จแบบ Lightning current arresters จะติดตั้งที่ตำแหน่งหน้าตู้เมนเซอร์กิตเบรกเกอร์ โดยคุณสมบัติการทำงานของอุปกรณ์เสิร์จดังกล่าวต้องมีความสามารถรับกระแสฟ้าผ่าบางส่วน
( partial lightning current ) จากย่าน LPZOB และ LPZO1 และมีความสามารถดับอาร์คซึ่งเกิดจาก main follow current ของระบบด้วย และลดแรงดันเกินที่เกิดจากเสิร์จให้เหลือน้อยจนกระทั่งอุปกรณ์ป้องเสิร์จตัวถัดไป (Overvoltage Arrester ) สามารถทนต่อ แรงดันเสิร์จได้และไม่เกิดความเสียหาย ซึ่งในขณะที่อุปกรณ์ป้องกันเสิร์จดังกล่าวทำงานจะมีกระแสบางส่วนจากระบบไฟฟ้าไหลลงดิน ซึ่งถ้าปล่อยให้ไหลเป็นเวลานานจะทำให้เกิดการลัดวงจรที่มีพลังงานมากและเซอร์กิตเบรกเกอร์อาจจะ ทริปได้ ดังนั้นการออกแบบที่ดีจึงจำเป็นต้องควบคุม
Spark gap ให้สามารถดับอาร์คได้ในระดับหนึ่ง หรือต้องติดฟิวส์ป้องกัน ที่ตำแหน่งหน้าอุปกรณ์ป้องกันเสิร์จดังกล่าว
2) MOV ( Metal Oxide Varistor ) จะติดตั้งที่ตำแหน่งหน้าตู้เมนเซอร์กิตเบรกเกอร์ หรือแผงเมนย่อยไฟฟ้าเป็นอุปกรณ์ ป้องกันเสิร์จ แบบ Overvoltage Arrester ประกอบด้วย Zinc - oxide - varistor ( ZnO ) ทำหน้าที่จำกัดแรงดันไฟฟ้าเกินไม่ให้เกินค่าที่อุปกรณ์ป้องกันเสิร์จตัวถัดไปทนได้ หรือเกินค่าที่อุปกรณ์ ( ประเภทอิเล็กทรอนิกส์ ) ทนได้ จะติดตั้งในย่าน LPZO1 และ LPZO2 และในกรณีเมื่อมีการเสื่อมของ ZnO จะมีกระแสรั่วไหลผ่านอุปกรณ์ป้องกันเสิร์จดังกล่าวลงสู่สายดิน หรือในกรณีที่ไม่ได้ติดตั้งอุปกรณ์ป้องกันเสิร์จแบบ Lightning current arrester เมื่อเกิดเสิร์จเข้ามาจนทำให้เกิดการ Overload ขึ้นที่ ZnO จากทั้งสองกรณีข้างต้น อุปกรณ์ป้องกันเสิร์จดังกล่าวจะต้องมี Thermal disconnected switch เพื่อทำหน้าที่ตัดออกจากระบบบางครั้งมีการออกแบบให้เป็นชนิด plug - in module
3) Hybrid Solid Stage Device จะประกอบด้วย Zener Diode, Gas Tube และอาจจะมี Filter รวมอยู่ด้วยโดยจะติดตั้งอยู่ที่หน้าอุปกรณ์ต่าง ๆ เช่น อุปกรณ์คอมพิวเตอร์หรืออุปกรณ์สื่อสาร
ลักษณะของลูกคลื่นที่เกิดจากฟ้าผ่า ที่ส่งผลกระทบต่อระบบไฟฟ้า และทางสายสัญญาณ
ลักษณะลูกคลื่น
1. ลูกคลื่นที่ 10/350 µs คือลูกคลื่นขนาดใหญ่ ที่เกิดจากการ Discharge ประจุครั้งแรกของฟ้าผ่า โดยมีช่วง
เวลาหน้าคลื่นที่ 10 µs และช่วงเวลาที่คายประจุลงไป 50 % ที่ 350 µs ลักษณะของ
ลูกคลื่นประเภทนี้จะมีพลังงานสูงมาก
2. ลูกคลื่นที่ 8/20 µs คือ ลูกคลื่นที่เกิดจากการเหนี่ยวนำทางแม่เหล็กไฟฟ้าจากฟ้าผ่า มีลักษณะลูกคลื่น
เล็กกว่าลูกคลื่นแรก เพราะพลังงานถูกลดทอนลงไปบางส่วนแล้ว มีช่วงเวลาหน้า
คลื่น 8 µs และช่วงเวลาที่ 50 % ของลูกคลื่นที่ 20 µs ลักษณะของลูกคลื่นประเภท
นี้จะมีขนาดพลังงานลดลงจากประเภทแรก เนื่องจากการป้องกันมาก่อนจากอุปกรณ์
ป้องกันเสิร์จ หรือการลดทอนจากการป้องกันโดยอาคาร
เพราะฉะนั้น การป้องกันแรงดันเกินจากฟ้าผ่า จะต้องคำนึงถึงระดับความรุนแรงของลูกคลื่นที่จะเข้ามาภายในอาคารด้วย รวมทั้งการเลือกระดับการป้องกัน (LPZ : Lightning Protection Zone) จึงจะทำให้การป้องกันมี
ประสิทธิภาพสูงทีสุด
|
