ทำเรื่องใหญ่เกินไปหรือเปล่า (Are you doing too much?)

ทำเรื่องใหญ่เกินไปหรือเปล่า
(Are you doing too much?)

โดย นายคิว

เมื่อเราพูดถึงระบบสายดิน (Ground Wiring) และระบบลงดิน (Earthing) หลายคนมักจะแยกกันไม่ออกและมักจะเหมารวมเอาว่าเป็นเรื่องเดียวกัน ดังนั้นเวลาแก้ปัญหาความเสียหายทางไฟฟ้า (Electrical Interruption) จึงมักจะแก้ทั้งสายดินและระบบลงดิน โดยเฉพาะปัญหาไฟฟ้ากระโชก (Lightning Electrical Surge) จากการเกิดฟ้าผ่า (Lightning) หรือ Electrostatic Discharge  มักจะสรุปว่ากราวนด์ (Ground) ไม่ดี แล้วก็เลยเถิดไปถึงว่าต้องมีค่าความต้านทานดินต่ำจึงจะแก้ปัญหาได้ เมื่อเร็วๆนี้คุยกับเพื่อนที่ใช้อุปกรณ์ Motorola บอกว่าอุปกรณ์ทนมาก กลัวอยู่อย่างเดียวคือฟ้าผ่า ไม่รู้จะทำไง ติดอุปกรณ์ป้องกันฟ้าผ่าก็แล้ว ยังพังอีก กะจะจ้างทำระบบดินใหม่หมด ก็เลยบอกว่า คุณกำลัง  ทำเรื่องใหญ่เกินไปหรือเปล่า ไม่ต้องขนาดนั้น เดี๋ยวจะคุยให้ฟัง

ถ้าเรามานั่งปะติดปะต่อให้ดีจะเห็นว่าเราขาดการบูรณาการ (Integration) ความรู้เรื่องนี้กันจริงๆจังๆ ทำให้เราแก้ปัญหาเรื่องหนึ่งด้วยวิธีๆหนึ่ง และแก้อีกปัญหาหนึ่งด้วยอีกวิธีหนึ่ง เช่น (ตัวอย่างที่ผมชอบยกเป็นหลักคิด) ในการออกแบบวงจรอิเล็คทรอนิคส์บนเครื่องบิน จะเห็นว่าไม่มีระบบลงดิน ไม่มีค่าความต้านทานดิน แต่มีระบบสายดิน เครื่องมือบนเครื่องบินก็สามารถป้องกันปัญหาผลกระทบจากไฟฟ้ากระโชกได้ ประเด็นคือต้องทำให้เกิดการประสานศักย์ (Equi-potential Plane and Bonding) กันทั้งระบบ ในขณะที่เมื่อติดตั้งบนดินกลับบอกว่าต้องมีระบบดินที่มีค่าความต้านทานต่ำ (Low Resistance Earth) เพื่อลดผลกระทบจะได้มีทางไปของไฟกระโชก แม้ติดอุปกรณ์ป้องกันไฟกระโชกแล้วก็ตาม ไม่มีการพูดถึงการประสานศักย์กันเลย

ผมบอกเพื่อนผมไปว่าเรื่องนี้แก้ไม่ยากหรอกครับ ใช้ตู้ที่ออกแบบโดยไอแทคไปเลย (www.itacinnovation.com)  จะได้ไม่ต้องไปคิดให้ปวดหัวว่าจะแก้ยังไง จะออกแบบระบบดินยังไงให้ป้องกันได้ผล 100 เปอร์เซ็นต์ เพื่อนผมถามว่าแน่ใจได้ไง ผมก็บอกว่าก็ดูผลที่เค้าทดสอบสิครับ กับหลักการที่ผมกำลังจะพูดต่อไปนี้ครับ

หลักการตู้เขาก็คล้าย (ผมขอย้ำนะครับว่าแค่คล้าย) หลักการของเครื่องบินแหละครับ เพียงแต่ว่ามีการเดินสายมาจากนอกตัวตู้ครับ เพราะฉะนั้นก็จะมีเรื่องของการติดอุปกรณ์ป้องกันมาเกี่ยวข้องครับ ทีนี้เรามาดูแนวคิดในเรื่องนี้นะครับ เอาแบบง่ายๆนะครับ ไม่ต้องสมการมากมาย เดี๋ยวจะเบื่อก่อน

 อยากป้องกันปัญหาความเสียหายของเครื่องมืออิเล็กทรอนิคส์จากฟ้าผ่าที่ผ่านเข้ามาเป็นไฟกระโชกไม่ต้องกังวลเรื่องค่าความต้านทานดินครับ ติดอุปกรณ์ป้องกันให้ครบ และประสานศักย์ให้ได้ทั้งระบบ จบข่าวเลยครับ เดี๋ยวค่อยมาพูดถึงเรื่องการติดอุปกรณ์ป้องกันนะครับ เพราะฟ้าผ่าทุกครั้งไม่ได้มีไฟกระโชกเข้ามาทุกครั้ง แต่ทุกครั้งจะมีการเกิด Step Voltage  ครับ ดังนั้นเรามาพูดเรื่องความจำเป็นที่จะต้องทำให้เกิดการประสานศักย์ก่อนครับ

เมื่อไรก็ตามที่มีฟ้าผ่าลงดินจะเกิด Step Voltage หรือแรงดันช่วงก้าวขึ้นในดิน ซึ่งสร้างความเสียหายให้กับอุปกรณืไฟฟ้า โดยที่มักจะได้ยินคนพูดว่าฟ้าผ่ามาทางดิน ลักษณะการเกิดความเสียหายต่อเครื่องมืออิเล็คทรอนิคส์สามารถอธิบายได้จากรูปข้างล่าง

If a high voltage source strikes the ground the voltage is dissipated through the ground in widening circles until it is reduced to zero, if a person was standing near the centre of the discharge there would be a voltage difference between 2 points the closer to the discharge point the higher the voltage, as an example cows have been killed when they are close to a lightning strike but not hit by the lightning, this is due to the voltage difference between their legs, i.e. step voltage.

จะเห็นว่าถ้าหากตัวของเราแทนอุปกรณ์อิเล็คทรอนิคส์สองตัวที่ต่อถึงกันเช่นตัวจ่ายไฟฟ้า (Power Supply) กับตู้โทรศัพท์  (PABX) หรือจะเป็นตัวจ่ายไฟฟ้าของคอมพิวเตอร์กับภาครับสายแลน (LAN) จากฮับ (hub) ก็ได้ ทั้งตัวจ่ายไฟฟ้าอ้างอิงกราวนด์ (Ground Reference) จากการไฟฟ้าฯ ขณะที่ตู้โทรศัพท์อ้างอิงกราวนด์จากที่ลงใหม่ของตู้โดยช่างติดตั้ง ซึ่งแทนได้ด้วยขาทั้งสองข้างของคนในรูป ขาหนึ่งเป็นกราวนด์ตู้จ่ายไฟฟ้า อีกขาหนึ่งเป็นกราวนด์ตู้โทรศัพท์ เป็นไงครับ แค่ห่างกันก้าวเดียวความต่างศํกย์ก็ 8,000 โวลท์แล้ว อะไรจะเหลือล่ะครับ วงจรอิเล็คทรอนิคส์ข้างในก็พังครับ ผมถึงบอกกับโมโตโรล่าว่าติดตัวป้องกันก็ช่วยไม่ได้เพราะปัญหาอยู่ที่นี่ครับ

ทีนี้คนก็เข้าใจว่าลงกราวนด์เดียวแล้วลากสายกราวนด์ทุกอันมารวมกัน ก็ถูกครับ แต่ไม่หมด เพราะในความเป็นจริงจะมีอุปกรณ์ที่แต่ละตัวห่างจากจุดกราวนด์อ้างอิงไม่เท่ากัน ไม่เป็นไรหรอกครับถ้าไม่เกินเมตร แต่ถ้าเกินล่ะครับ ก็เหมือนยืนกันคนละกราวนด์อยู่ดี ผมถึงบอกว่าต้องประสานศักย์ให้ได้ทั้งระบบนะครับ ดูจากสมการศักย์ไฟฟ้าตกคร่อม (Voltage Drop) ของสายข้างล่างนี้ครับ

                        V = Ldi/dt+IR

ประมาณว่าสายยาว 1 เมตรมีค่า L เท่ากับ 1 ไมโครเฮนรี่ และในขณะเกิดฟ้าผ่า อัตราการเปลี่ยนแปลงของกระแสไฟฟ้าประมาณว่า 30 กิโลแอมแปร์ต่อไมโครวินาที ถึงแม้ว่าทองแดงจะนำไฟฟ้าและอาจถือได้ว่ามีค่าความต้านทาน R ใกล้เคียงศูนย์ ศักย์ไฟฟ้าตกคร่อมสายก็ยังจะสูงได้ถึง 30 กิโลโวลท์เลยเห็นมั้ยครับ

เห็นมั้ยครับว่าการลากสายมารวมกันที่กราวนด์เดียวก็ยังไม่ถูกทั้งหมด ถ้าไกลกันมากก็อาจใช้การทำกราวนด์แมทเป็นตารางๆก็ได้ครับ แต่เห็นความยุ่งยากมั้ยครับ ผมถึงบอกเพื่อนให้ใช้ตู้ของไอแทคไงครับ เพราะเขาคิดออกแบบมาให้หมดแล้ว ไม่เชื่อก็ให้เขาไปทดลองให้เราดูที่ศูนย์เชี่ยวชาญฯที่มีอุปกรณ์ยิงไฟกระโชกขนาดใหญ่ให้ดูก็ได้ครับ

ทีนี้มาถึงการติดอุปกรณ์ป้องกัน ซึ่งตู้ไอแทคเขาก็มีตามที่เราต้องการ แต่ถ้าเราจะติดเอง จะแน่ใจได้ไงว่าป้องกันไฟกระโชกได้ เพราะมีแต่คนบอกว่าไม่มีใครรู้ขนาดไฟกระโชกได้ เพราะฉะนั้นอาจเอาไม่อยู่แล้วก็ต้องยอมให้อุปกรณืของเราพัง ผู้ใช้ฟังดูก็ยอมรับได้ แต่ผมบอกว่าไม่ต้องยอมรับหรอกครับ เพราะเราประมาณได้ครับ แต่ที่พังไม่ใช่เพราะมาเยอะเกินไป แต่เพราะตัวป้องกันไม่เหมาะกับสิ่งที่ต้องป้องกันต่างหาก นั่นคือให้ยาไม่ถูกโรคครับ

อุปกรณ์ป้องกันมีหน้าที่ควบคุมแรงดันที่เข้ามามากเกินกว่าที่อุปกรณ์ที่ป้องกันจะทนได้ให้อยู่ในระดับที่กำหนด ซึ่งอุปกรณ์ป้องกันก็เหมือนกับค่าความต้านทานที่เปลี่ยนค่าได้ที่จะเริ่มทำงานเมื่อค่าศักย์ไฟฟ้าเกินกว่าจุดทำงาน คล้ายวงจรไฟฟ้าอย่างง่ายข้างล่างนี้

 

จะเห็นว่าการควบคุมแรงดันไม่ได้พูดถึงการลงดิน อย่างวงจรข้างบน ศักย์ไฟฟ้าที่ตกคร่อมค่าความต้านทานก็คือศักย์ไฟฟ้าที่ปรากฏต่อภาระ (load) จะมากน้อยขึ้นกับตัวป้องกันที่เราเลือก สำคัญคือจุดอ้างอิงหรือคือขั้วลบในที่นี้ของภาระและตัวป้องกันต้องเป็นจุดเดียวกัน  เพราะฉะนั้นถ้าภาระเราเป็นหลอดไฟทั่วไป มอเตอร์ หรืออะไรก็ตามที่ไม่ใช่อิเล็คทรอนิคส์ เราก็กังวลแต่ขนาดก็พอ ซึ่งนักวิทยาศาสตร์ทั้งหลายเขาทดลองมาแล้วว่า ประมาณไม่เกิน 2-3 เท่าของศักย์ใช้งาน ในที่นี้ 220 โวลท์ ก็ประมาณไม่เกิน 660 โวลท์ หรือ 600 โวลท์ถ้าไม่อยากให้ภาระช้ำมาก ข้อนี้เราอย่าไปสงสัยว่าใช่หรือ เพราะถ้างั้นเราคงต้องไปหาคำตอบว่า E = MC² จริงหรือเปล่า เราเหลือหน้าที่นี้ให้นักวิทยาศาสตร์หาคำตอบกันต่อไป ถ้าเมื่อไรที่มีการยืนยันว่า 3 เท่ามากไป ก็ค่อยมาว่ากันนะครับ

เพราะฉะนั้นถ้าเราอยู่ห่างไกลผู้คน ในชนบท มีโอกาสรับกระแสไฟกระโชกคนเดียวโดดๆ ก็ประมาณว่าไฟกระโชกอาจมีขนาดถึง 50 kA  ก็ได้ (ถ้าอยู่ในเมือง 3-10 kA ก็พอครับ) แล้วเราก็ดูข้อมูลทางเทคนิคของอุปกรณ์ป้องกันว่าทดสอบภายใต้กระแสขนาดนี้แล้วสามารถควบคุมศักย์ไว้ตามที่เราต้องการมั้ย ที่อ้างกันว่าถ้ามากเป็นร้อยล่ะ ก็ดูที่ร้อย แต่ถามจริงเถอะครับเรากำลังพูดถึงไฟกระโชกทางสายหรือฟ้าผ่าตรงครับ ไฟกระโชกทางสายไม่มากขนาดนั้นหรอกครับ ต้องบอกก่อนนะครับว่าไฟกระโชก (Surge or Transient) กับไฟเกิน (Temporary Overvoltage) คนละคุณสมบัติกันนะครับ ถ้าไฟเกินต้องใช้ตัวตัดไฟหรือสเตบิไลเซอร์ครับ อย่าไปเชื่อใครที่จะเอาตัวป้องกันไฟกระโชกไปป้องกันไฟเกินนะครับ ไม่ใช่ยาทัมใจนะครับ เพราะสิ่งที่ต่างกันคือความชันหน้าคลื่นกับช่วงเวลาของปัญหา ไฟกระโชกรับพลังงาน (ควบคุมศักย์ไฟฟ้า) ได้เป็นไมโครวินาที แต่ไฟเกินนี่เป็นมิลลินาทีหรือนาที เขาถึงมีอุปกรณ์แก้ปัญหาแต่ละชนิดต่างกันครับ พูดมาตั้งนาน ผมแค่จะบอกว่าวิธีที่ผมแนะนำนั้นเพียงพอแล้วล่ะครับที่คุณจะอุ่นใจได้ว่าอุปกรณ์ป้องกันจะทำงานป้องกันได้ แต่ต้องไม่ลืมว่าต้องหมั่นตรวจสอบสภาพว่ามันสมบุรณ์มั้ยนะครับ เพราะอุปกรณ์พวกนี้ยิ่งทำงานยิ่งเสื่อม เสื่อมก็คือหมดสภาพ ป้องกันไม่ได้ ตรวจปีละครั้งก็โอเคครับ

ทีนี้ถ้าภาระเป็นเครื่องอิล็คทรอนิคส์ล่ะครับ ควบคุมขนาดไว้ได้พอมั้ย ต้งอบอกว่าไม่พอครับ ก็ดูเวลาเราเข้าไปดูโรงงานอิเล็คทรอนิคส์สิครับ เขายังต้องให้พนักงานใส่สายกราวนด์ป้องกันไฟฟ้าสถิตย์ไปทำให้ชิ้นส่วนอิเล็คทรอนิคส์พังเลย ไฟฟ้าสถิตย์นี่ขนาดเล็กมากเลยนะทำไมทำให้ชิ้นส่วนพังได้ ไม่ใช่ขนาดหรอกครับ แต่เป็นอัคราการเปลี่ยนแปลงของศักย์ไฟฟ้าเหมือนตอนเราลงจากรถในหน้าหนาวแล้วโดประตูดูด ซึ่งเป็นช่วงสั้นแต่ไวนั่นแหละครับที่ทำให้อุปกรณ์พัง ภาษาช่างคือ dV/dt ครับ

วิธีแก้ก็คือหาอุปกรณ์ป้องกันที่มีส่วนในการลดความรุนแรงนี้ได้ด้วยการกรอง dV/dt ครับ แค่นี้ก็จบข่าวครับ เมื่อติดอุปกรณืป้องกันก็อย่าลืมหลักการประสานศักย์นะครับ อย่าไปสนค่าความต้านทานดินเลยครับ

เป็นไงครับ ผมก็คุยแบบง่ายๆแบบนี่ล่ะครับ จะได้เข้าใจกันทุกคนครับ ไว้คุยกันใหม่เรื่องความต้านทานดินนะครับ