ตัวจับฟ้าผ่าช่วยปกป้องอุปกรณ์ไฟฟ้าได้อย่างไร?

หลักการทำงานของตัวจับฟ้าผ่า: การป้องกันแรงดันกระชากที่ทำงานตามค่าแรงดัน

การเปิดใช้งานตามเกณฑ์: เป็นฉนวนภายใต้แรงดันปกติ และนำกระแสในช่วงที่มีแรงดันกระชาก

ตัวป้องกันฟ้าผ่าทำงานคล้ายกับสวิตช์อัจฉริยะที่มีสองโหมดการปฏิบัติงานหลัก เมื่อระบบทำงานตามปกติ หรืออยู่ที่ระดับแรงดันไฟฟ้าไม่เกิน 100% ของค่าที่ระบุไว้สำหรับอุปกรณ์นั้นๆ ส่วนประกอบภายในส่วนใหญ่จะประกอบด้วยแผ่นตัวแปรความต้านทานออกไซด์โลหะ (MOV) ซึ่งองค์ประกอบเหล่านี้แสดงค่าความต้านทานสูงมาก ประมาณมากกว่า 1 ล้านโอห์ม ซึ่งหมายความว่ามันทำหน้าที่เป็นฉนวนที่ดี ป้องกันไม่ให้กระแสไฟฟ้าไหลลงสู่พื้นดิน จึงช่วยลดการสูญเสียพลังงานและป้องกันการรบกวนเมื่อระบบมีเสถียรภาพ แต่หากเกิดการเพิ่มขึ้นอย่างฉับพลันของแรงดันไฟฟ้าจากฟ้าผ่าหรือจากการเปิด-ปิดวงจร ซึ่งสูงกว่าจุดเริ่มต้นที่กำหนดไว้อย่างแม่นยำ (โดยทั่วไปสูงกว่าระดับแรงดันไฟฟ้าปกติประมาณ 20 ถึง 40 เปอร์เซ็นต์) ตัวป้องกันฟ้าผ่าจะเข้าสู่ภาวะทำงานทันทีในเวลาเพียงเศษเสี้ยวของนาโนวินาที จากนั้นมันจะสร้างทางเดินที่มีความต้านทานต่ำมากไปยังพื้นดิน (บางครั้งต่ำกว่าหนึ่งโอห์ม) เพื่อเบี่ยงเบนกระแสไฟฟ้ากระชากขนาดใหญ่ที่อาจสูงกว่า 100,000 แอมแปร์ ออกไปจากอุปกรณ์ที่ต้องการการป้องกัน เมื่อแรงดันไฟฟ้ากระชากผ่านพ้นไปแล้ว และระบบกลับสู่ภาวะการทำงานปกติ ตัวป้องกันฟ้าผ่าจะรีเซ็ตตัวเองกลับสู่โหมดความต้านทานสูงโดยอัตโนมัติ ความสามารถในการรีเซ็ตตัวเองได้โดยอัตโนมัตินี้ทำให้อุปกรณ์พร้อมใช้งานอยู่เสมอ โดยไม่ได้รับผลกระทบจากการเปลี่ยนแปลงแรงดันไฟฟ้าในชีวิตประจำวัน และที่สำคัญคือ จะทำงานก่อนที่อุปกรณ์ที่เชื่อมต่อจะได้รับความเสียหายจากการถึงขีดจำกัดสูงสุดของฉนวน

เทคโนโลยีตัวแปรความต้านทานออกไซด์โลหะ (MOV) และลักษณะเฉพาะของแรงดัน-กระแสที่ไม่เป็นเชิงเส้น

ปัจจุบัน อุปกรณ์ป้องกันฟ้าผ่าแบบทันที (lightning arresters) ขึ้นอยู่กับเทคโนโลยีตัวแปรความต้านทานออกไซด์โลหะ (Metal Oxide Varistor: MOV) เป็นหลัก ซึ่งอาศัยแผ่นเซรามิกออกไซด์สังกะสี (ZnO) ที่ผ่านกระบวนการเผาอัด (sintered) ผสมกับออกไซด์บิสมัทและสารประกอบโลหะอื่นๆ หลายชนิด สิ่งที่ทำให้วัสดุเหล่านี้มีความพิเศษคือ ความสามารถในการสร้างความสัมพันธ์แบบไม่เป็นเชิงเส้น (nonlinear relationship) ระหว่างแรงดันไฟฟ้ากับกระแสไฟฟ้า ซึ่งเป็นสิ่งจำเป็นอย่างยิ่งสำหรับการป้องกันคลื่นกระชาก (surge protection) อย่างมีประสิทธิภาพ ภายใต้สภาวะการใช้งานปกติ กระแสไหลรั่ว (leakage current) จะคงอยู่ในระดับต่ำมาก มักต่ำกว่า 1 มิลลิแอมแปร์ เนื่องจากวัสดุนี้ทำหน้าที่เสมือนมีค่าความต้านทานเกือบไม่สิ้นสุด แต่เมื่อเกิดแรงดันไฟฟ้าพุ่งสูงขึ้น (voltage spike) อิเล็กตรอนจะเริ่มเคลื่อนที่ผ่านช่องว่างขนาดเล็กๆ ระหว่างเม็ดผลึก ZnO ทำให้ค่าความต้านทานลดลงอย่างมาก ซึ่งส่งผลให้สามารถผ่านกระแสไฟฟ้าปริมาณมากได้ ในขณะที่ยังควบคุมระดับแรงดันไฟฟ้าไว้ได้อย่างแม่นยำ ลักษณะกราฟประสิทธิภาพของวัสดุเหล่านี้มีความชันสูงกว่าทางเลือกแบบเก่า เช่น อุปกรณ์ป้องกันฟ้าผ่าที่ใช้ซิลิคอนคาร์ไบด์ (silicon carbide) หรือแบบมีช่องว่าง (gap-type arresters) อย่างเห็นได้ชัด โดยค่าเลขชี้กำลัง (exponent) โดยทั่วไปอยู่ในช่วง 30 ถึง 50 ลักษณะนี้ทำให้อุปกรณ์ป้องกันฟ้าผ่าที่ใช้ MOV สามารถให้การป้องกันคลื่นกระชากทางไฟฟ้าได้อย่างเหนือกว่าในระบบไฟฟ้าสมัยใหม่

• เวลาตอบสนองต่ำกว่า 25 นาโนวินาที
• อัตราส่วนการจำกัดแรงดันไฟฟ้าอยู่ระหว่าง 2:1 ถึง 3:1
• ความสามารถในการดูดซับพลังงานเกิน 20 กิโลจูลต่อแผ่นดิสก์หนึ่งแผ่น

โครงสร้างจุลภาคแบบสามารถซ่อมแซมตนเองได้ของอุปกรณ์ช่วยให้ทนต่อเหตุการณ์แรงดันกระชากซ้ำๆ ได้อย่างต่อเนื่อง โดยไม่เกิดการเสื่อมสภาพถาวร จึงรับประกันการประสานงานระยะยาวกับระดับฉนวนพื้นฐาน (BIL) ของอุปกรณ์

การเบี่ยงเบนแรงดันกระชากและการจัดการเส้นทางต่อกราวด์

การสร้างเส้นทางที่มีอิมพีแดนซ์ต่ำไปยังพื้นดินสำหรับกระแสชั่วคราว

การป้องกันแรงดันกระชากที่มีประสิทธิภาพนั้นขึ้นอยู่กับการสร้างการเชื่อมต่อที่มีความต้านทานต่ำและแข็งแรงระหว่างอุปกรณ์ป้องกันแรงดันกระชาก (arrester) กับพื้นดินเป็นหลัก โดยอุดมคติแล้ว ความต้านทานของการต่อลงดิน (grounding resistance) ควรอยู่ต่ำกว่า 1 โอห์ม สำหรับแต่ละสายนำลงดิน (down conductor) เมื่อเกิดฟ้าผ่าหรือแรงดันกระชาก ระบบดังกล่าวจะควบคุมการเพิ่มขึ้นของแรงดัน (voltage spikes) ได้โดยลดค่าในสมการ V = I × Z ระหว่างเหตุการณ์ปล่อยประจุ หากไม่มีการต่อลงดินที่เหมาะสม อุปกรณ์อาจประสบกับความต่างศักย์ที่เป็นอันตราย ซึ่งส่งผลให้ส่วนประกอบเสียหายสะสมตามกาลเวลา นอกจากนี้ ชิ้นส่วนโลหะทั้งหมดจำเป็นต้องถูกเชื่อมต่อกัน (bonded) ด้วย ไม่ว่าจะเป็นถังหม้อแปลง กล่องเบรกเกอร์วงจรขนาดใหญ่ ฉนวนแบบบูชชิ่ง (bushings) หรือแม้แต่โครงสร้างเหล็กก็ตาม ซึ่งทั้งหมดนี้ต้องเชื่อมต่อกับกริดดิน (earth grid) เดียวกันที่มีความต้านทานต่ำ ระบบที่ไม่มีการต่อลงดินแบบประสานงานกันดังกล่าว มักล้มเหลวจากแรงดันกระชากบ่อยขึ้นประมาณร้อยละ 20 เหตุใดจึงเป็นเช่นนั้น? เพราะเกรเดียนต์แรงดันที่ไม่สามารถควบคุมได้จะก่อให้เกิดปรากฏการณ์การลัดวงจรผ่านอากาศ (flashovers) และสร้างแรงเครียดต่อวัสดุฉนวน โปรดจดจำไว้ว่า เมื่อกระแสชั่วคราวไหลผ่าน จะเลือกเดินทางตามเส้นทางที่มีความต้านทานต่ำที่สุด ไม่ใช่เส้นทางที่สั้นที่สุดเสมอไป ดังนั้น การต่อลงดินจึงไม่ใช่เพียงแค่สิ่งที่ 'น่ามี' เท่านั้น แต่เป็นสิ่งจำเป็นอย่างยิ่งยวดสำหรับการทำงานที่ถูกต้องของระบบอุปกรณ์ป้องกันแรงดันกระชากทุกระบบ

การสลายพลังงานโดยไม่เกิดภาวะร้อนล้นหรือความเครียดเกินขีดจำกัดของระบบ

อุปกรณ์ป้องกันฟ้าผ่าที่ใช้ตัวแปรความต้านทานออกไซด์ของโลหะ (MOV) ทำงานโดยการดูดซับและกำจัดพลังงานลูกคลื่นไฟฟ้าส่วนเกินผ่านกระบวนการที่เรียกว่า การนำกระแสแบบควบคุม ซึ่งสามารถย้อนกลับได้ตามความจำเป็น และไม่จำเป็นต้องใช้ช่องว่างแบบสูญเสีย (sacrificial gaps) หรือกลไกปล่อยก๊าซแบบดั้งเดิมอีกต่อไป สิ่งที่ทำให้อุปกรณ์เหล่านี้มีประสิทธิภาพสูงคือ ลักษณะความต้านทานแบบไม่เป็นเชิงเส้น (nonlinear resistance characteristics) ซึ่งช่วยให้สามารถสลับสถานะได้อย่างรวดเร็วระหว่างการเป็นฉนวนและตัวนำ จึงช่วยรักษาแรงดันตกค้าง (residual voltage) ให้อยู่ในระดับต่ำแม้เมื่อเผชิญกับกระแสไฟฟ้าลูกคลื่นส่วนเกินขนาดใหญ่ที่วัดได้เป็นพันแอมแปร์ นอกจากนี้ ปัจจัยด้านความร้อนยังถูกผสานไว้ในกระบวนการออกแบบอุปกรณ์ป้องกันฟ้าผ่าเหล่านี้ตั้งแต่ต้น เมื่ออุปกรณ์ดูดซับพลังงาน ความร้อนจะกระจายตัวทั่วโครงสร้างแผ่นคอมโพสิตและเปลือกด้านนอก แทนที่จะสะสมอยู่บริเวณใดบริเวณหนึ่ง ซึ่งช่วยป้องกันการเกิดจุดร้อนจัด (hotspots) หรือสถานการณ์เลวร้ายยิ่งกว่านั้น เช่น อุณหภูมิเพิ่มสูงขึ้นจนควบคุมไม่ได้ ข้อมูลภาคสนามจาก EPRI แสดงให้เห็นว่า หน่วยอุปกรณ์ที่มีขนาดเหมาะสมและติดตั้งอย่างถูกต้องสามารถลดอัตราความล้มเหลวของอุปกรณ์ลงได้ประมาณสองในสามในสภาพการใช้งานจริง สาเหตุของความน่าเชื่อถือระดับนี้คือ อุปกรณ์ป้องกันฟ้าผ่าเหล่านี้ส่วนใหญ่จะทำงานอยู่ภายในช่วงอุณหภูมิที่ปลอดภัย จึงสามารถปกป้องส่วนประกอบสำคัญที่อยู่ด้านหลัง เช่น หม้อแปลงไฟฟ้าและอุปกรณ์สวิตช์เกียร์ (switchgear) ได้อย่างมีประสิทธิภาพ โดยไม่ก่อให้เกิดภาระเพิ่มเติมต่อระบบไฟฟ้าโดยรวม

แรงดันตกค้างและประสานฉนวนสำหรับการป้องกันที่เชื่อถือได้

การจัดสมดุลแรงดันตกค้างของตัวจำกัดฟ้าผ่าให้สอดคล้องกับค่า BIL ของอุปกรณ์

แรงดันตกค้าง ซึ่งโดยพื้นฐานแล้วคือแรงดันไฟฟ้าสูงสุดที่วัดได้ระหว่างขั้วต่อของอุปกรณ์ป้องกันฟ้าผ่าขณะเกิดการปล่อยกระแสฟ้าผ่า ถือเป็นปัจจัยที่สำคัญที่สุดประการหนึ่งในการประสานงานระบบฉนวน เพื่อให้อุปกรณ์ได้รับการป้องกันอย่างเหมาะสม ค่าตัวเลขนี้จำเป็นต้องคงอยู่ต่ำกว่าระดับแรงดันฉนวนพื้นฐาน (Basic Insulation Level: BIL) ของอุปกรณ์ที่เชื่อมต่ออยู่อย่างมาก ตามผลการวิจัยของ EPRI เมื่อแรงดันตกค้างสูงเกินประมาณ 85% ของเกณฑ์ BIL ความเสี่ยงจะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว ข้อมูลดังกล่าวบ่งชี้ว่าอัตราความล้มเหลวของฉนวนในขดลวดหม้อแปลงเพิ่มขึ้นประมาณ 72% โดยเฉพาะอย่างยิ่ง อุปกรณ์ป้องกันฟ้าผ่าแบบเมทัลออกไซด์วาไรสเตอร์ (MOV) ในปัจจุบันสามารถควบคุมหรือ 'จับ' คลื่นแรงดันสูงได้อย่างแม่นยำมากขึ้น เนื่องจากเทคนิคการจัดเรียงแผ่นดิสก์ที่ดีขึ้นและวิธีการปรับสมดุลแรงดันที่ได้รับการพัฒนาอย่างต่อเนื่อง ความก้าวหน้าเหล่านี้ช่วยรักษาค่าแรงดันตกค้างให้คงที่แม้ในสภาวะที่มีกระแสไฟฟ้าสูงมาก การดำเนินการให้ถูกต้องนี้หมายถึงการใส่ใจในหลายแง่มุมพื้นฐานที่เกี่ยวข้องกับกระบวนการประสานงาน

• ยืนยันว่าแรงดันไฟฟ้าตกค้างสูงสุด (ที่กระแสปล่อยไฟฟ้าตามค่าที่กำหนด) คิดเป็น 85% ของค่า BIL ของอุปกรณ์
• พิจารณาการเพิ่มขึ้นของแรงดันไฟฟ้าแบบเหนี่ยวนำตามแนวตัวนำต่อกราวด์ โดยเฉพาะในช่วงคลื่นแรงดันกระชากที่มีอัตราการเปลี่ยนแปลงของกระแสต่อเวลา (dI/dt) สูง
• ตรวจสอบค่าระยะปลอดภัยใหม่หลังจากมีการปรับปรุงระบบหรือมีการเปลี่ยนแปลงระดับกระแสลัดวงจร

แนวทางที่มีวินัยเช่นนี้ช่วยป้องกันไม่ให้เกิดความล้มเหลวของฉนวนอย่างรุนแรง ซึ่งจะหลีกเลี่ยงการหยุดให้บริการสถานีไฟฟ้าย่อยที่อาจก่อให้เกิดค่าใช้จ่ายมากกว่า 500,000 ดอลลาร์สหรัฐฯ สำหรับการซ่อมแซม การหยุดดำเนินงาน และความเสียหายที่เกิดขึ้นโดยอ้อม

การประยุกต์ใช้ในโลกแห่งความเป็นจริง: การปกป้องหม้อแปลงไฟฟ้า เบรกเกอร์ และสถานีไฟฟ้าย่อย

ตัวป้องกันฟ้าผ่าทำหน้าที่เป็นเกราะป้องกันหลักสำหรับระบบไฟฟ้าที่สำคัญ โดยเบี่ยงเบนพลังงานฟ้าผ่าที่เป็นอันตรายออกไปจากส่วนประกอบที่บอบบางก่อนที่จะเกิดความเสียหาย ในการติดตั้งกับหม้อแปลงไฟฟ้า โดยเฉพาะอย่างยิ่งหม้อแปลงที่บรรจุน้ำมัน ช่างติดตั้งจะวางตัวป้องกันฟ้าผ่าไว้ใกล้กับปลอกฉนวนแรงสูง (high voltage bushings) เพื่อคุ้มครองฉนวนของขดลวดให้ปลอดภัย หากไม่มีการป้องกันที่เหมาะสม คลื่นแรงดันไฟฟ้ากระชากแบบฉับพลันอาจก่อให้เกิดความล้มเหลวอย่างรุนแรงภายในอุปกรณ์เหล่านี้ เนื่องจากยอดแรงดันไฟฟ้าที่พุ่งสูงอย่างเฉียบพลัน ตัวตัดวงจร (circuit breakers) ก็สร้างความท้าทายอีกรูปแบบหนึ่ง เนื่องจากก่อให้เกิดคลื่นแรงดันไฟฟ้าจากการสลับ (switching surges) เมื่อตัดกระแสไฟฟ้า ตัวป้องกันฟ้าผ่าช่วยจำกัดยอดแรงดันไฟฟ้าเหล่านี้ ซึ่งหากไม่มีการจำกัดอาจทำให้ขั้วต่อสึกหรอเร็วขึ้น หรือรบกวนกระบวนการดับอาร์กให้ทำงานผิดพลาด ทั่วทั้งสถานีไฟฟ้าย่อย (substation) วิศวกรจะติดตั้งตัวป้องกันฟ้าผ่าไว้ที่จุดต่าง ๆ หลายจุด ได้แก่ บริเวณทางเข้าสายจ่าย (feeder entrances), จุดเชื่อมต่อกับบัสบาร์ (busbars) และใกล้กับอุปกรณ์สำคัญ เพื่อสร้างระบบป้องกันแบบหลายชั้น แนวทางนี้ช่วยป้องกันไม่ให้คลื่นแรงดันไฟฟ้าแพร่กระจายไปยังอุปกรณ์ที่เชื่อมต่อกัน และตามผลการศึกษาของสถาบันวิศวกรไฟฟ้าและอิเล็กทรอนิกส์ (IEEE) ระบุว่า สามารถลดอัตราความล้มเหลวของหม้อแปลงไฟฟ้าลงได้ประมาณ 40% ในพื้นที่ที่ประสบปัญหาฟ้าผ่าบ่อยครั้ง นอกจากนี้ หลักการพื้นฐานหนึ่งยังเป็นแนวทางในการตัดสินใจติดตั้งอีกด้วย นั่นคือ ตัวป้องกันฟ้าผ่าต้องติดตั้งให้อยู่ใกล้กับอุปกรณ์ที่ต้องการคุ้มครองมากกว่าจุดอื่นใดที่คลื่นแรงดันไฟฟ้าอาจเข้ามา ดังนั้นกระแสไฟฟ้าจึงไหลผ่านตัวป้องกันฟ้าผ่าด้วยเส้นทางที่มีความต้านทานต่ำกว่าโดยธรรมชาติ แทนที่จะไหลผ่านวัสดุฉนวนแล้วก่อให้เกิดความเสียหาย

คำถามที่พบบ่อยเกี่ยวกับตัวกันฟ้า

ตัวกันฟ้าคืออะไร?

ตัวกันฟ้าคืออุปกรณ์ที่ใช้ในระบบไฟฟ้าเพื่อปกป้องอุปกรณ์ต่างๆ จากแรงดันสูงผิดปกติที่เกิดจากฟ้าผ่าหรือเหตุการณ์การเปิด-ปิดวงจร โดยทำหน้าที่สร้างเส้นทางที่มีความต้านทานต่ำไปยังพื้นดิน เพื่อเบี่ยงเบนกระแสไฟฟ้าส่วนเกินออกไปอย่างปลอดภัย จึงช่วยป้องกันส่วนประกอบที่ไวต่อแรงดันได้อย่างมีประสิทธิภาพ

ตัวกันฟ้าทำงานอย่างไร?

ตัวกันฟ้าจะคงสถานะที่มีความต้านทานสูงไว้ในขณะที่แรงดันอยู่ในภาวะปกติ เพื่อทำหน้าที่เป็นฉนวน เมื่อแรงดันผันผวนสูงกว่าค่าที่กำหนดไว้ล่วงหน้า ตัวกันฟ้าจะเปลี่ยนไปสู่สถานะที่มีความต้านทานต่ำอย่างรวดเร็ว และนำกระแสไฟฟ้าแรงสูงเหล่านั้นลงสู่พื้นดิน ซึ่งช่วยปกป้องระบบโดยรวมได้อย่างมีประสิทธิภาพ

บทบาทของตัวแปรความต้านทานออกไซด์โลหะ (MOV) ในตัวกันฟ้าคืออะไร?

วาเรสเตอร์ออกไซด์โลหะ หรือ MOV มีบทบาทสำคัญอย่างยิ่งในตัวจับฟ้าผ่า เนื่องจากลักษณะความสัมพันธ์แบบไม่เป็นเชิงเส้นระหว่างแรงดันไฟฟ้ากับกระแสไฟฟ้า ภายใต้สภาวะการใช้งานปกติ MOV จะมีค่าความต้านทานสูงและกระแสไหลรั่วต่ำ แต่เมื่อเกิดสภาวะแรงดันกระชาก ค่าความต้านทานจะลดลงอย่างมาก ทำให้สามารถผ่านกระแสขนาดใหญ่ได้ และป้องกันอุปกรณ์จากการถูกทำลายด้วยระดับแรงดันที่สูงเกินไป

เหตุใดการต่อสายดินจึงมีความสำคัญต่อตัวจับฟ้าผ่า?

การต่อสายดินมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อประสิทธิภาพของตัวจับฟ้าผ่าในการนำกระแสแรงดันกระชากไปยังพื้นดินอย่างปลอดภัย เส้นทางการต่อสายดินที่มีอิมพีแดนซ์ต่ำจะช่วยลดความเสียหายที่อาจเกิดขึ้นกับอุปกรณ์ โดยป้องกันไม่ให้เกิดแรงดันพุ่งสูงขึ้น (voltage spikes) และลดความต่างศักย์อันตรายระหว่างชิ้นส่วนต่าง ๆ