ฟ้าผ่า

       

ข้อเท็จจริงที่ควรรู้

ฟ้าผ่าเป็นปรากฏการณ์ธรรมชาติที่เกิดขึ้นจากการปลดปล่อยประจุไฟฟ้าในอากาศ ฟ้าผ่าที่เกี่ยวข้องกับคนส่วนใหญ่เป็นการปลดปล่อยประจุออกจากเมฆฝนฟ้าคะนองหรือที่นักอุตุนิยมวิทยาเรียกว่า “เมฆคิวมูโลนิมบัส” (Cumulonimbus)

เมฆฝนฟ้าคะนอง มีลักษณะเป็นก้อนเมฆขนาดใหญ่มหึมา บริเวณฐานเมฆ (ขอบล่าง) สูงจากพื้นราว 2 กิโลเมตร ส่วนยอดเมฆ (ขอบบน) อาจสูงได้ถึง 20 กิโลเมตร ภายในก้อนเมฆมีการไหลเวียนของกระแสอากาศอย่างรวดเร็วและรุนแรง ทำให้หยดน้ำและก้อนน้ำแข็งในเมฆเสียดสีกันจนเกิดประจุไฟฟ้า

 

 

“ฟ้าผ่า” มีอย่างน้อย 4 แบบหลัก ได้แก่

1. ฟ้าผ่าภายในก้อนเมฆ ฟ้าผ่าแบบนี้เกิดมากที่สุด และทำให้เมฆเปล่งแสงกระพริบที่คนไทยเราเรียกว่า “ฟ้าแลบ” นั่นเอง
2. ฟ้าผ่าจากเมฆก้อนหนึ่งไปยังอีกก้อนหนึ่ง
3. ฟ้าผ่าจากเมฆลงสู่พื้น เป็นการปลดปล่อยประจุออกจากก้อนเมฆจึงเรียกว่า ฟ้าผ่าแบบลบ (Negative Lightning) ซึ่งเป็นฟ้าผ่าที่อันตรายต่อคน สัตว์ และสิ่งต่างๆ ที่อยู่บนพื้น โดยจะผ่าลงบริเวณ “ใต้เงา” ของเมฆฝนฟ้าคะนองเป็นหลัก
4. ฟ้าผ่าจากยอดเมฆลงสู่พื้น เป็นการปลดปล่อยประจุบวกจากก้อนเมฆจึงเรียกว่า ฟ้าผ่าแบบบวก (Positive Loghtning) สามารถผ่าได้ไกลจากก้อนเมฆได้ถึง 30 กิโลเมตร นั่นคือ แม้ท้องฟ้าเหนือศีรษะของเราจะดูปลอดโปร่ง แต่เราอาจจะถูกฟ้าผ่า (แบบบวก) ได้หากมีเมฆฝนฟ้าคะนองอยู่ห่างไกลออกไปในระยะ 30 กิโลเมตร อันเป็นที่มาของคำว่า “ฟ้าผ่ากลางวันแสกๆ” ซึ่งเป็นฟ้าผ่าที่เกิดขึ้นโดยเราไม่ได้คาดคิดนั่นเอง

ฟ้าผ่าผลกระทบต่อชีวิตคน

ข้อมูลจาก นพ.อดิศักดิ์ ผลิตผลการพิมพ์ศูนย์วิจัยเพื่อสร้างเสริมความปลอดภัยและป้องกันการบาดเจ็บในเด็ก โรงพยาบาลรามาธิบดี ระบุว่า ผู้ถูกฟ้าผ่าประมาณ 1/3 หรือร้อยละ 30 เสียชีวิตในที่เกิดเหตุส่วนที่รอดจะมีความพิการถาวรจากการถูกทำลายระบบประสาท เช่น อัมพาต ตาบอด หูหนวก เป็นต้น

ไฟฟ้าจากฟ้าผ่า มีแรงดันไฟฟ้าสูงถึง 100 ล้านโวลต์มีกระแสไฟฟ้าประมาณ 25-250 กิโลแอมแปร์ (KA) มีอุณหภูมิประมาณ 15,000 องศาเซลเซียส มีความเร็วประมาณ 1/10 ของความเร็วแสง สามารถวิ่งผ่านร่างกายด้วยเวลาเพียง 1/10,000-1/1,000 วินาที จึงส่งผลต่อการเต้นของหัวใจและการทำงานของระบบประสาท

สถิติความสูญเสียจากฟ้าผ่าในประเทศไทย ข้อมูลจากการนำเสนอข่าวประเด็นฟ้าผ่าในสื่อพิมพ์พบว่าตั้งแต่ เดือนมกราคน 2550-มิถุนายน 2552 มีผู้เสียชีวิต 39 คน บาดเจ็บ 16 คน

“ทำไม” จึงห้ามหลบใต้ต้นไม้ใหญ่ในระหว่างที่เกิดฝนฟ้าคะนอง

- เมื่ออวัยวะส่วนใดส่วนหนึ่งไปแตะโดยต้นไม้ จะทำให้กระแสไฟฟ้าวิ่งเข้า ณ จุดสัมผัสโดยตรง
- หากอยู่ใต้ต้นไม้ กระแสไฟฟ้าอาจ “กระโดด” เข้าสู่ตัวคุณทางด้านข้างได้ เรียกว่า ไซด์แฟลช (side Flash) หรือกระแสไฟฟ้าแลบจากด้านข้าง
- แม้จะยืนห่างจากต้นไม้พอสมควร ก็ยังมีโอกาสที่กระแสไฟฟ้าซึ่งวิ่งลงมาตามลำต้นจะไหลลงมาที่โคนต้นแล้วกระจายออกไปตามพื้นโดยรอบกระแสไฟฟ้าไหลตามพื้น (Ground Current) นี้เกิดจาก แรงดันไฟฟ้าช่วงก้าว (step Voltage) และสามารถทำอันตรายคนและสัตว์ที่อยู่ในบริเวณที่กระแสไฟฟ้าไหลผ่านได้ (คนหรือสัตว์ส่วนใหญ่ที่เสียชีวิตใกล้ต้นไม้ที่ถูกฟ้าผ่าจะเกิดจากสาเหตุนี้)
โทรศัพท์มือถือ MP3 ตะกรุด สร้อย แหวน ฯลฯ เป็นสื่อล่อ “ฟ้าผ่า” หรือไม่?

ข่าวกรณีฟ้าผ่าจนทำให้มีผู้เสียชีวิตและบาดเจ็บทั้งในไทยและต่างประเทศ มักถูกระบุว่าโทรศัพท์มือถืออุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ และเครื่องประดับที่ทำจากโลหะเป็นสื่อล่อให้เกิดฟ้าผ่าแต่ความจริงแล้วชิ้นส่วนโลหะขนาดเล็กไม่ใช่ตัวล่อฟ้าผ่าแต่อาจจะมีผลกระทบข้างเคียงได้หากคุณถูกฟ้าผ่า หรืออยู่ใกล้บริเวณที่ถูกฟ้าผ่าทั้งนี้ เนื่องจากฟ้าผ่าทำให้เกิดคลื่นแม่เหล็กแผ่ออกโดยรอบ ซึ่งคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้านี้สามารถทำให้เกิดกระแสเหนี่ยวนำ (induced Current) ขึ้นในโลหะ ส่งผลให้โลหะร้อนขึ้น และทำให้เกิดรอยไหม้บนผิวหนังที่โลหะนั้นสัมผัสอยู่ (ในสหรัฐอเมริกา มีกรณีที่เกิดฟ้าผ่าลงบนต้นไม้ใกล้ๆ บ้าน และทำให้เด็กที่ใส่ลวดดัดฟันได้รับอันตราย เนื่องจากลวดดัดฟันร้อนขึ้น และในรัสเซีย มีกรณีที่โทรศัพท์มือถือละลายคามือผู้หญิงที่ถูกฟ้าผ่า) ในกรณีที่โชคร้ายกว่านั้นหากระแสไฟฟ้าไหลเข้าสู่ร่างกาย ก็เป็นไปได้ว่ากระแสส่วนหนึ่งจะไหลเข้าสู่เส้นลวดหรือโลหะ ทำให้โลหะร้อนขึ้น เกิดเป็นรอยไหม้ ที่ผิวหนัง และทำให้เกิดการบาดเจ็บมากยิ่งขึ้น

ข้อเท็จจริงและคำแนะนำ

โทรศัพท์มือถือและอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ต่างๆ ไม่ใช่สาเหตุของการถูกฟ้าผ่า
ในปัจจุบันยังไม่มีหลักฐานทางวิทยาศาสตร์ที่ยืนยันว่าเป็นตัวล่อฟ้าผ่า แต่หากเกิดฟ้าผ่าในบริเวณใกล้ๆ กับผู้ที่มีอุปกรณ์เหล่านี้อยู่ ก็จะทำให้ผู้นั้นเสี่ยงต่อการได้รับบาดเจ็บมากยิ่งขึ้น เพราะอุปกรณ์ดังกล่าวอาจจะร้อนหรือระเบิดได้ จึงมีข้อแนะนำว่า ควรเลี่ยงการใช้โทรศัพท์มือถือ อุปกรณ์ไฟฟ้าและอิเล็กทรอนิกส์ต่างๆ ขณะเกิดฝนฟ้าคะนอง

คำแนะนำเพื่อความปลอดภัยจากฟ้าผ่า
หลีกเสี่ยงการอยู่ที่โล่งแจ้ง เช่น ทุ่งนา สนามฟุตบอล สระน้ำ สนามกอล์ฟ ฯลฯ หากเลี่ยงไม่ได้ให้ปฏิบัติดังนี้
- อย่าอยู่รวมกลุ่ม
- อย่าอยู่ใต้ต้นไม้ (โดยเฉพาะต้นไม้ใหญ่ที่อยู่โดดเดี่ยวในที่โล่งหากมีต้นไม้เป้นกลุ่มให้เลือกต้นไม้เตี้ย)
- อย่าอยู่ในที่สูง หรือถือวัตถุที่ชูสูงขึ้นไป เช่น ร่ม เบ็ดตกปลา
- ถอดวัตถุหรือเครื่องประดับที่เป็นโลหะออกจากร่างกาย
- อย่าอยู่ในสระน้ำ หรือแหล่งน้ำ
- อย่างอยู่ในตู้โทรศัพท์สาธารณะ
- หลีกเลี่ยงวัตถุที่เป็นโลหะ

ท่านั่งลดอันตราย (กรณีอยู่ที่โล่งแจ้ง)
นั่งยองๆ เท้าชิด มือปิดหู (เพื่อป้องกันเสียง) เขย่งปลายเท้า อย่างนอนราบ เพื่อลดความเสี่ยงกรณีกระแสไหลมาตามพื้น

กรณีอยู่ในรถ

จอดรถ อย่าสัมผัสส่วนที่เป็นโลหะ (ให้นั่งกอดดอกหรือวางมือบนตัก) ปิดหน้าต่างทุกบาน อย่าจอดใต้ต้นไม้ใหญ่ อย่าใช้โทรศัพท์เคลื่อนที่หรืออุปกรณ์แฮนด์ฟรี รถเปิดประทุนหรือรถที่หลังคาไม่ใช่โลหะไม่ปลอดภัย

กรณีอยู่ในอาคาร

ปิดประตูและหน้าต่าง ห้องชั้นในปลอดภัยกว่าห้องที่มีทางออกภายนอก อาคารที่มีสายล่อฟ้าปลอดภัยกว่าอาคารที่ไม่มี
- หลีกเลี่ยงจุดที่ไฟสามารถวิ่งเข้าถึงได้ผ่านทางสายไฟ สายอากาศ สายโทรศัพท์ และท่อน้ำ เช่น อ่างล้างหน้า ฝักบัว
- ถอดสายไฟ สายอากาศ สายโทรศัพท์ สายโมเด็ม ก่อนเกิดฝนฟ้าคะนอง อย่างทำเมื่อเกิดแล้ว
- อยู่ห่างจากเครื่องใช้ไฟฟ้าที่ไม่ถอดสาย
- อย่าใช้โทรศัพท์จะทำให้กระแสไฟฟ้าวิ่งมาตามสายโทรศัพท์เข้าทำอันตรายผู้ใช้โทรศัพท์ได้โดยตรง

ควรติดตั้งสายดิน (Ground)
อุปกรณ์เชื่อมต่อไฟฟ้าเข้าในบ้านเครื่ององใช้ไฟฟ้าในบ้าน และจานดาวเทียม เพื่อความปลอดภัยทั้งชีวิตและทรัพย์สินในบ้าน
“สัญญาณเตือน (พ้น) ภัยฟ้าผ่า”

สัญญาณเตือน...จากร่างกายของเรา
เมื่อรู้สึกว่าเส้นขนบนผิวหนังลุกขึ้น หรือถึงขนาดเส้นผมศีรษะลุกตั้งขึ้น ก็แสดงว่า คุณกำลังเสี่ยงต่อการถูกฟ้าผ่า เนื่องจากเส้นขนและเส้นผมของคุณกำลังถูกเหนี่ยวนำอย่างแรง

สัญญาณเตือน 30/30
กฎจำกัดง่ายๆ ข้อหนึ่งเรียกว่า 30/30 ดังนี้
เลข 30 ตัวแรก มีหน่วยเป็นวินาที หมายถึง หากเห็นฟ้าแลบแล้วได้เสียงฟ้าร้องตามมาภายในเวลาไม่เกิน 30 วินาที ก็แสดงว่า เมฆฝนฟ้าคะนองอยู่ใกล้เพียงพอที่ฟ้าผ่าจะทำอันตรายคุณได้ ให้หาที่หลบที่ปลอดภัยทันที
เลข 30 ตัวหลัง มีหน่วยเป็นนาที หมายถึงว่า หลังจากที่พายุฝนฟ้าคะนองหยุดลงแล้ว (ฝนหยุดและไม่มีเสียงฟ้าร้อง)คุณควรจะรออยู่ในที่หลบอีกอย่างน้อย 30 นาที เพื่อให้มั่นใจว่าเมฆฝนฟ้าคะนองได้ผ่านไป หรือสลายตัวไปแล้ว
อย่างลืม ฟ้าผ่าแบบบวกมักจะเกิดในช่วงท้ายของพายุฟ้าคะนอง แล้วแม้อยู่ห่างในระยะ 30 กิโลเมตรก็ยังอาจเกิดฟ้าผ่าได้

วิธีปฐมพยาบาล ผู้ถูกฟ้าผ่า
- ก่อนอื่นให้สังเกตว่า ในบริเวณที่เกิดเหตุยังมีความเสี่ยงต่อการถูกฟ้าผ่าหรือไม่ ถ้ามี ก็ต้องทำการเคลื่อนย้ายผู้ถูกฟ้าผ่าไปยังตำแหน่งที่ปลอดภัย เพื่อป้องกันตัวเราเองจากการถูฟ้าผ่า
- เราสามารถแตะต้องตัวผู้ถูกฟ้าผ่าได้ทันที เนื่องจากคนที่ถูกฟ้าผ่าไม่มีกระแสไฟฟ้าหลงเหลืออยู่ในตัว ดังนั้น จึงไม่ต้องกลัวว่าเราจะถูกไฟฟ้าดูด (ต่างจากกรณีคนที่ถูกไฟฟ้าดูด)
- การปฐมพยาบาลผู้ได้รับบาดเจ็บจากการถูกฟ้าผ่า จะใช้วิธีเดียวกับผู้ที่ถูกไฟฟ้าช๊อตซึ่งฝ่ายป้องกันอุบัติภัย การไฟฟ้านครหลวง ได้แนะนำวิธีปฐมพยาบาลในเอกสาร “ขั้นตอนผู้ประสบอันตรายจากไฟฟ้า โดยการทำ CPR” ว่า
หากผลได้รับบาดเจ็บหมดสติไม่รู้ตัว หัวใจหยุดเต้น และไม่หายใจ ซึ่งสังเกตได้จากอาการที่เกิดขึ้น คือ ริมผีปากเขียว สีหน้าซีดเขียวคล้ำ ทรวงอกเคลื่อนไหวน้อยมากหรือไม่เคลื่อนไหว ชีพจรบริเวณคอเต้นช้าและเบามาก ถ้าหัวใจหยุดเต้นจะคล้ำชีพจรไม่พบม่านตาขยายค้างไม่หดเล็กลง หมดสติไม่รู้สึกตัว ต้องรีบทำการปฐมพยาบาลทันที เพื่อให้ปอดและหัวใจทำงาน โดยวิธีการผายปอดด้วยการให้ลมทางปาก หรือที่เรียกว่า “เป่าปาก” ร่วมกับนวดหัวใจ โดยวางมือตรงกึ่งกลางลิ้นปี่เล็กน้อย ถ้าทำการปฐมพยาบาลคนเดียวให้นวดหัวใจ 15 ครั้ง สลับกับการเป่าปาก 2 ครั้ง ถ้าทำการปฐมพยาบาลสองคน ให้นวดหัวใจ 5 ครั้งสลับกับการเป่าปาก 1 ครั้ง ก่อนนำผู้ป่วยส่งแพทย์ต่อไป

พรรณนิภา ไกรลาสนฤมิต
ตำแหน่ง Programmer จากสภาวิศวกร

การป้องกันแรงดันไฟฟ้าเกินในอาคารจากเหตุการณ์ฟ้าผ่า

การป้องกันแรงดันไฟฟ้าเกินในอาคารจากเหตุการณ์ฟ้าผ่า

ปัจจุบัน  ผู้ที่ทำงานเกี่ยวข้องหรือมีการใช้อุปกรณ์อิเลคทรอนิกส์ในโรงงานอุตสากรรมและในอาคารสำนักงานต่างๆ เช่น อุปกรณ์คอมพิวเตอร์ สื่อสาร หรืออุปกรณ์ที่ใช้สำหรับควบคุมเครื่องจักรในระบบขบวนการผลิต เช่น ASD หรือ   PLC มักจะประสบปัญหาอุปกรณ์ดังกล่าว มีการ ชำรุดเสียหายบ่อยครั้ง ในขณะมีเหตุการณ์ฝนตกฟ้าผ่า หรือเกิดจากการผิดพร่อง  ( fault ) ในระบบไฟฟ้า ด้วยจากสาเหตุมี แรงดันไฟฟ้าเกินเข้ามา ในอาคารเกินกว่าที่อุปกรณ์สามารถที่จะทนได้     และมักจะคิดว่าระบบป้องกันฟ้าผ่าภายนอกไม่ดีพอหรือเป็นเหตุการณ์สุดวิสัยที่ไม่สามารถจะทำการป้องกันได้ ซึ่งโดยความจริงแล้ว

จุดประสงค์ของการป้องกันฟ้าผ่าภายนอกอาคารนั้น      เพื่อป้องกันความเสียหายทางกลกับอาคารหรือสิ่งปลูกสร้างจากฟ้าผ่าแต่ไม่สามารถป้องกันความเสียหายให้กับอุปกรณ์ที่อยู่ภายในอาคารเนื่องจากเสิร์จได้    และอุปกรณ์ป้องกันต่างๆในระบบ เช่น เซอร์กิตเบรกเกอร์ รีเลย์ต่างๆ ไม่สามารถที่จะทำการป้องกันได้เช่นเดียวกันดังนั้นการป้องกันการชำรุด  ของอุปกรณ์ดังกล่าวควรต้องมีระบบป้องกันฟ้าผ่าภายในอาคาร ซึ่งประกอบด้วย อุปกรณ์ป้องกันแรงดันไฟฟ้าเกิน   ( Surge ProtectionDevice : SPD ) มีการต่อประสานศักย์ไฟฟ้าเท่ากัน การกำบัง ( Shielding ) และมีการต่อลงดิน ( Earthing ) ที่ถูกต้อง   จึงจะสามารถป้องกันไม่ให้อุปกรณ์ภายในอาคารชำรุดเนื่องจากแรงดันไฟฟ้าเกินได้ 

การเข้ามาของแรงดันไฟฟ้าเกินในอาคาร

แรงดันไฟฟ้าเกินที่เข้ามาในอาคารที่เป็นสาเหตุทำให้อุปกรณ์เกิดการชำรุดนั้น ซึ่งเกิดขึ้นจากเหตุการณ์ฟ้าผ่า  สามารถเข้ามาในอาคารได้ดังนี้

                 1. ทางสายตัวนำไฟฟ้า ที่ใช้สำหรับจ่ายไฟฟ้าให้กับระบบงานคอมพิวเตอร์และสื่อสาร   ซึ่งเป็นจุดสำคัญที่เสิร์จจะใช้เป็นทางผ่านเข้ามาในอาคารมากที่สุด โดยมีสาเหตุหลักจากเหตุการณ์ฟ้าผ่า การเกิดฟ้าผ่าอาจเกิดขึ้นโดยตรง   หรือใกล้ในระบบส่งจ่ายหรือจำหน่ายไฟฟ้า ผลทำให้เกิดกระแสเสิร์จขนาดใหญ่วิ่งตามสายตัวนำไฟฟ้าเพื่อหาจุดลงดิน หรือมีเหตุการณ์ฟ้าผ่าที่ ตำแหน่งล่อฟ้าใกล้กับตัวอาคาร ซึ่งด้วยผลของสนามไฟฟ้าที่เกิดขึ้นในบริเวณนั้น   ทำให้เกิดการเหนี่ยวนำระหว่างกระแสฟ้าผ่ากับสายตัวนำไฟฟ้า ทำให้เกิดเสิร์จที่สายดังกล่าวขึ้นและผ่านเข้าสู่ภายในอาคาร  เป็นผลทำให้อุปกรณ์ชำรุดเนื่องจากได้รับแรงดันไฟฟ้าเกินได้

                 2. ทางสายโทรศัพท์ สายนำสัญญาณและสายสื่อสารข้อมูล เป็นอีกทางหนึ่งที่กระแสเสิร์จเข้ามา   โดยเกิดจากการเหนี่ยวนำเข้ามาของกระแสเสิร์จจากเหตุการณ์ฟ้าผ่า เช่นเดียวกับสายตัวนำไฟฟ้าจากสนามแม่เหล็กที่เกิดจากฟ้าผ่าเข้าไปเหนี่ยวนำวงรอบ (Loop) ใดๆในอาคาร เช่น วงรอบระบบไฟฟ้าหรือระบบสื่อสาร เป็นผลทำให้เกิดแรงดันไฟฟ้าเกินในอาคาร

  3. จากระบบการต่อลงดิน ในกรณีระบบมีการต่อลงดินหลายจุด     เมื่อมีเหตุการณ์ฟ้าผ่าและมีกระแสฟ้าผ่าไหลลงระบบรากสายดินจุดหนึ่ง อาจก่อให้เกิดศักย์ไฟฟ้าของจุดลงดินสูงกว่าอีกจุดหนึ่ง  เป็นผลทำให้เกิดกระแสไหลวนขึ้นจากระบบดินจุดหนึ่งผ่านอุปกรณ์ต่างๆไปลงดินอีกจุดหนึ่ง เป็นผลทำให้อุปกรณ์ในระบบเกิดการเสียหายได้

รูป 1 แสดง ทางเดินเสิร์จที่เข้ามาในอาคาร

                   สำหรับมาตรฐานที่เกี่ยวข้องสำหรับการป้องกันเสิร์จในอาคารที่ทั่วโลกนิยมใช้อ้างอิง คือมาตรฐาน IEC หรือ IEEE มาตรฐาน IEC ที่เกี่ยวข้องคือ

                       -  IEC 61024-1 : 1990-03 : Protection of structures against lightning Part 1 : General principles

                       -  IEC 61312-1 : 1995-02 : Protection against lightning electromagnetic impulse Part 1 : General principles

                       -  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 Printciples , Requirement and Tests

            มาตรฐาน IEEE ที่เกี่ยวข้องคือ

- IEEE C62.41-1991 IEEE Recommended practice on SurgeVoltage

 in Low-Voltage AC Power Circuit

- IEEE C62.45-1992 IEEE Guide on Surge Testing for Equipment

 Connected to Low-Voltage AC Power Circuit

 

                และสำหรับประเทศไทยการป้องกันแรงดันไฟฟ้าเกินในอาคาร ได้มีมาตรฐานดังกล่าวแล้วคือการป้องกันแม่เหล็กไฟฟ้า จากฟ้าผ่า ของ " สมาคมวิศวกรรมสถานแห่งประเทศไทยในพระบรมราชูปถัมภ์"

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    ( ตามรูปที่ 1 ) เพื่อการลดทอนของสนามแม่เหล็กไฟฟ้า ( Electromagnetic field ) และทำให้ศักย์ไฟฟ้าในแต่ละย่านการป้องกันเท่ากัน ซึ่งการกำหนดย่านการป้องกันต่าง ๆ จะเป็นประโยชน์ต่อการออกแบบ และการเลือกใช้อุปกรณ์ป้องกันเสิร์จให้เหมาะสมกับขนาดของเสิร์จที่ผ่านเข้ามา การแบ่งโซนดังกล่าวมีรายละเอียดดังนี้ คือ 

                    LPZ 0A   คือ โซนที่มีโอกาสที่จะถูกฟ้าผ่าโดยตรงดังนั้นจึงรับกระแสฟ้าผ่าและคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเต็มที่

                    LPZ 0B   คือ โซนที่ไม่มีโอกาสรับฟ้าผ่าโดยตรง แต่ยังได้รับผลของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า       

โดยยังไม่มีการลดทอนจากผลของแม่เหล็กไฟฟ้าดังกล่าว

                     LPZ 1   คือ โซนที่มีการสวิตชิ่งของอุปกรณ์ภายใน หรือจากการรับกระแสเสิร์จของการเหนี่ยวนำจากฟ้าผ่าเข้า มาตามสายตัวนำไฟฟ้า 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

ในแต่ละย่านการป้องกันฉนวนของอุปกรณ์ควรจะทนแรงดันไฟฟ้าเกินในภาวะชั่วครู่ได้ในระดับกี่ KV เช่น ในย่าน 1 ฉนวนของอุปกรณ์ควรจะทนได้ 6 KV และลดลงตามลำดับย่านการป้องกัน การเลือกอุปกรณ์ป้องกันเสิร์จสำหรับแต่ละย่านจึงควรเลือกให้จำกัดค่าแรงดันไม่ให้เกินค่าที่กำหนดตามมาตรฐาน

             

รูปที่ 3 แสดงการแบ่งประเภทแรงดันไฟฟ้าเกินตามความสัมพันธ์ทางฉนวน( Insulation Coordination ) โดยควบคุมแรงดันแต่ละประเภทการติดตั้ง( Installation Category)

อุปกรณ์ป้องกันเสิร์จจะแบ่งเป็น 2 ประเภท ตามลักษณะการใช้งานคือ อุปกรณ์ป้องกันเสิร์จทางด้าน Power และด้าน Communication และแบ่งตามย่านการติดตั้งใช้งานได้เป็น 2 ชนิด คือ

                 1. Lightning Current Arrester    คุณสมบัติมีความสามารถ Discharge กระแสฟ้าผ่าบางส่วนที่มีขนาดพลังงานมากโดยที่ตัวมันเองหรืออุปกรณ์ป้องกันเสิร์จตัวอื่น 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

อุปกรณ์ป้องกันเสิร์จทางสายตัวนำไฟฟ้าชนิดต่าง ๆ

                1) Air Spark Gap    เป็นอุปกรณ์ป้องกันเสิร์จแบบ  Lightning current arresters         จะติดตั้งที่ตำแหน่งหน้าตู้เมนเซอร์กิตเบรกเกอร์ โดยคุณสมบัติการทำงานของอุปกรณ์เสิร์จดังกล่าวต้องมีความสามารถรับกระแสฟ้าผ่าบางส่วน ( partial lightningcurrent )  จากย่าน  LPZOB  และ  LPZO1   และมีความสามารถดับอาร์คซึ่งเกิดจาก    main follow current    ของระบบด้วยและลดแรงดันเกินที่เกิดจากเสิร์จให้เหลือน้อยจนกระทั่งอุปกรณ์ป้องเสิร์จตัวถัดไป (Overvoltage Arrester ) สามารถทนต่อแรงดันเสิร์จได้และไม่เกิดความเสียหาย        ซึ่งในขณะที่อุปกรณ์ป้องกันเสิร์จดังกล่าวทำงานจะมีกระแสบางส่วนจากระบบไฟฟ้าไหลลงดิน      ซึ่งถ้าปล่อยให้ไหลเป็นเวลานานจะทำให้เกิดการลัดวงจรที่มีพลังงานมากและเซอร์กิตเบรกเกอร์อาจจะทริปได้    ดังนั้นการออกแบบที่ดีจึงจำเป็นต้องควบคุม Spark gap  ให้สามารถดับอาร์คได้ในระดับหนึ่ง      หรือต้องติดฟิวส์ป้องกัน ที่ตำแหน่งหน้าอุปกรณ์ป้องกันเสิร์จดังกล่าว

                2) MOV ( Metal Oxide Varistor )    จะติดตั้งที่ตำแหน่งหน้าตู้เมนเซอร์กิตเบรกเกอร์ หรือแผงเมนย่อยไฟฟ้าเป็นอุปกรณ์ป้องกันเสิร์จ 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     หรือมี   free – contact  เพื่อส่งสัญญาณบอกสถานะ แสดงว่าอุปกรณ์ ป้องกันเสิร์จต้องทำการเปลี่ยนได้แล้ว

                3) อุปกรณ์ป้องกันเสิร์จ แบบ Hybrid Solid Stage Device    จะประกอบด้วย  Zener Diode, Gas Tube   และอาจจะมี Filter รวมอยู่ด้วยโดยจะติดตั้งอยู่ที่หน้าอุปกรณ์ต่าง ๆ เช่น อุปกรณ์คอมพิวเตอร์หรืออุปกรณ์สื่อสาร

              การเลือกขนาดอุปกรณ์ป้องกันเสิร์จ

                การเลือกขนาดอุปกรณ์ป้องกันฟ้าผ่า ต้องคำนึงถึง ข้อมูลเกี่ยวกับขนาดกระแสฟ้าผ่า (kA) และความสำคัญของอุปกรณ์ที่ต้องการป้องกัน เพื่อการออกแบบสำหรับเลือกอุปกรณ์ป้องกันฯที่เหมาะสมทางด้านเทคนิคและด้านเศรษฐศาสตร์ซึ่งตามมาตรฐาน IEC 1312 - 1  โดยกำหนดกระแสฟ้าผ่าสูงสุดมีค่าถึง 200 kA ที่รูปคลื่น10 / 350 ms และมาตรฐาน  IEC1024 - 1   ได้มีการแสดงให้เห็นว่าเมื่อมีฟ้าผ่า ต่อสิ่งปลูกสร้างขึ้นกระแสฟ้าผ่า  50 %  จะกระจายสู่ระบบลงดินส่วนที่เหลือจะกระจาย เข้าสู่ระบบต่าง ๆ ในอาคาร  เช่นระบบไฟฟ้า    ระบบคอมพิวเตอร์หรือระบบสื่อสาร (ตามรูปที่ 4)

รูปที่ 4 กระแสฟ้าผ่าที่กระจายไปตามระบบต่าง ๆ 

       เมื่อพิจารณาระบบไฟฟ้าของโรงงานอุตสาหกรรมและอาคารสำนักงานต่าง จะมีการต่อลงดินเป็นแบบระบบ TN-CS

              ดังนั้นโอกาสกระแสฟ้าผ่าสูงสุดที่ไหลเข้าสู่ภายในอาคารแต่ละเฟสจะมีค่าเท่ากับ 100 kA / 3 เท่ากับ 33 kA   และเนื่องจาก กระแสฟ้าผ่าอาจมีโอกาสเข้าสู่ระบบมากกว่า50 % ของกระแสฟ้าผ่า  ดังนั้นการเลือกใช้ อุปกรณืป้องเสิร์จเพื่อใช้สำหรับติดตั้งป้องกันแรงดันไฟฟ้าเกินทางสายไฟจากภายนอกอาคารก่อนเข้าตู้เมนไฟฟ้าสำหรับโอกาสที่เกิดฟ้าผ่ารุนแรงอาจเลือกขนาดไม่น้อยกว่า 50 kA ต่อเฟส เป็นอย่างต่ำ ทั้งนี้ในทางปฎิบัติการเลือกขนาดของอุปกรณ์ป้องกันดังกล่าว         ต้องมีการคำนึงถึง  ความสำคัญของอุปกรณ์ที่ต้องการจะป้องกัน  อาจเพิ่มขนาดของอุปกรณ์ป้องกัน (kA) ให้มีค่าสูงขึ้น   เพื่อระดับการป้องกันที่ดีขึ้น และทำการเปรียบเทียบราคาที่ระดับ (kA) ต่างๆ           โดยพิจารณาทางด้านการลงทุนด้วยการเลือกใช้อุปกรณ์ป้องกันแรงดันไฟจากภายนอกอาคารและทางสายสัญญาณ  จำเป็นต้องทราบรายละเอียดข้อกำหนด ( Spec )  ของอุปกรณ์ป้องกันแรงดันเกิน แต่ละตัว  เพื่อความสามารถในการทำงานของตัวอุปกรณ์ป้องกันและความปลอดภัยของอุปกรณ์ที่ถูกป้องกันตามที่ออกแบบไว้  

โดยมีข้อพิจารณาดังนี้คือ

              - Norminal Voltage คือ ค่าแรงดันของระบบ เช่น 120 V, 230 VAC เป็นต้น

              - Rate Voltage คือ ค่าแรงดันสูงสุดต่อเนื่องก่อนที่ตัวอุปกรณ์ป้องกัน ฯ จะมีการทำงาน เช่น

 250 V, 275 V เป็นต้น

                 - Norminal Discharge Current คือ ค่ากระแสทดสอบรูปคลื่น 8 / 20 ms ที่ไหลผ่านตัวอุปกรณ์ป้องกัน ฯ เช่น 2.5 kA, 15 kA เป็นต้น

                 - Maximum Norminal Discharge Current  คือ ค่ากระแสทดสอบรูปคลื่น 8 / 20 ms ที่ไหลผ่านตัวอุปกรณ์ป้องกัน ฯ ที่ตัวมันเองไม่ได้รับความเสียหาย เช่น 25 kA, 40 kA เป็นต้น

                 - Lightning Impulse Current คือ ค่าความสามารถของตัวอุปกรณ์ป้องกัน ฯ ดิสชาร์จกระแสอิมพัลส์ ทดสอบรูปคลื่น 10 / 350 ms    ที่ตัวมันเองไม่ได้รับความเสียหายเช่น 60 kA, 75 kA, 100 kA เป็นต้น

            - Protection level up ( Maximum residual voltage ) คือ ค่าแรงดันที่หลังจากอุปกรณ์ป้องกัน ฯ มีการทำงาน เช่น <2.5 kV, <4 kV เป็นต้น

- Response Time คือ ค่าการตอบสนองการทำงานของอุปกรณ์ป้องกัน ฯ เช่น <25 nS, <100 mS เป็นต้นและอุปกรณ์ป้องกันแรงดันไฟฟ้าเกินทางสายสัญญาณจากภายนอกอาคาร ต้องมีการพิจารณาถึงข้อกำหนด (Spec ) ดังนี้

                     -  แรงดันของระบบ เช่น 5, 12, 24, 48, 60 และ 110 Vdc

                     -  กระแสของสัญญาณ เช่น 10, 100 mA

                    -  ช่วงความถี่ เช่น VHF, UHF, Microwave

                    -  พิกัดการส่งสำหรับสายสัญญาณดิจิตอล เช่น 2 Mbit / sec

                    -  ค่าความต้านทานของสาย เช่น 2.2 W

                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 )

                   สนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่เข้ามาภายในอาคารจากฟ้าผ่าสามารถลดทอนสนามแม่เหล็กไฟฟ้าดังกล่าวลงได้ด้วยการกำบังห้องหรืออาคาร ด้วยวิธีตาข่าย ( Mesh ) เป็นการเชื่อมต่อส่วนเหล็กโครงสร้างเข้าด้วยกันทั้งพื้น  ผนัง  เพดาน   บางครั้งอาจเพิ่มเติมลวดตาข่ายบนหลังคาแล้วต่อเชื่อมเข้ากับระบบการต่อลงดิน ผลการลดทอนสนามแม่เหล็กไฟฟ้าดังกล่าวจะมากหรือน้อยกับขนาดความถี่ของตาข่าย ถ้าตาข่ายมีความถี่มากการลดทอนสนามแม่เหล็กไฟฟ้าจะลดเพิ่มขึ้นด้วย การจัดเดินสายตัวนำและสายสัญญาณ

การจัดการเดินสายที่เหมาะสมสามารถลดผลกระทบจากสนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่เข้ามาภายในอาคารได้ ซึ่งการเดินสายตัวนำไฟฟ้ากับสายสัญญาณสื่อสารของคอมพิวเตอร์ที่ลักษณะเป็น Loop เมื่อมีสนามแม่เหล็กไฟฟ้า เข้ามาทำให้เกิดวงรอบการเหนี่ยวนำขึ้นระหว่างสายตัวนำไฟฟ้าและสายสัญญาณสื่อสาร ผลทำให้เกิดแรงดันไฟฟ้าเกินเกิดขึ้นที่สายตัวนำไฟฟ้าและสายสัญญาณสื่อสาร การแก้ไข ต้องพยายามจัดการเดินสายต่าง ๆ ภายในอาคารไม่ให้มีลักษณะเป็น Loop 

การต่อลงดิน

                   การต่อลงดินของระบบไฟฟ้า ระบบป้องกันฟ้าผ่าภายนอกอาคาร ระบบป้องกันฟ้าผ่าภายในอาคาร อุปกรณ์ต่างๆ รวมถึงส่วนที่เป็นโลหะที่อยู่ภายในอาคาร ระบบการลงต่อดิน ควรมีการเชื่อมต่อถึงกัน  เพื่อทำให้ศักย์ไฟฟ้าในระบบเท่ากันตามหลักการ Equipotentail bonding

สรุป

ปรากฏการณ์ฟ้าผ่า เป็นสาเหตุหนึ่งที่ทำให้อุปกรณ์อิเลคทรอนิกส์ที่ไวต่อการเปลี่ยนแปลงกระแส และแรงดัน เกิดการชำรุด เสียหายจากแรงดันไฟฟ้าเกินที่เกิดขึ้นจากเสิร์จ     ซึ่งวิธีการป้องกันฟ้าผ่าภายนอกอาคารนั้นไม่สามารถที่จะป้องกันชำรุดของอุปกรณ์ภายในอาคารจากฟ่าผ่าได้ 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 Against Lightning Electromagnetic Impulse

               [ 3 ]  IEC 664 - 1 / 1992 : Insulation Coordination for Equipment within Low Voltage System, Part 1 Requirements and Test