การออกแบบระบบป้องกันฟ้าผ่าภายนอกอาคาร (LPS) ตามมาตรฐาน IEC 62305 และ วสท.

1. ความสำคัญของระบบป้องกันฟ้าผ่าภายนอกอาคาร

ฟ้าผ่าเป็นปรากฏการณ์ปลดปล่อยประจุไฟฟ้าที่มีกระแสสูงถึงหลายสิบกิโลแอมแปร์ในเวลาเพียงไม่กี่ไมโครวินาที หากอาคารโรงงานไม่มีระบบป้องกันฟ้าผ่า (Lightning Protection System: LPS) ที่ออกแบบถูกต้อง กระแสฟ้าผ่าจะเลือกเส้นทางลงดินผ่านโครงสร้าง ท่อ หรือระบบไฟฟ้าภายในอาคารเอง ก่อให้เกิดอันตรายต่อชีวิต ไฟไหม้ และความเสียหายต่ออุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์เป็นวงกว้าง ระบบ LPS ภายนอกทำหน้าที่สามอย่างคือ รับฟ้าผ่าที่ตัวนำล่อฟ้า (Air Termination) นำกระแสลงดินผ่านตัวนำลงดิน (Down Conductor) และกระจายประจุลงสู่ดินผ่านระบบรากสายดิน (Earth Termination)

หลักการออกแบบตาม IEC 62305 เริ่มจากการประเมินความเสี่ยง (Risk Assessment) เพื่อกำหนดระดับชั้นการป้องกัน (Class of LPS I ถึง IV) โดยพิจารณาความหนาแน่นฟ้าผ่าในพื้นที่ ขนาดและความสูงของอาคาร ลักษณะการใช้งาน และมูลค่าความเสียหายที่ยอมรับได้ ระดับชั้นการป้องกันที่เลือกจะกำหนดพารามิเตอร์ออกแบบทั้งหมด เช่น รัศมีทรงกลมกลิ้ง ขนาดตาข่ายตัวนำ และระยะห่างของตัวนำลงดิน ดังนั้นการข้ามขั้นตอนประเมินความเสี่ยงแล้วออกแบบตามความเคยชิน จึงเสี่ยงทั้งการป้องกันไม่พอและการลงทุนเกินความจำเป็น

2. การจัดวางตัวนำล่อฟ้าด้วยวิธีทรงกลมกลิ้งและวิธีตาข่าย

วิธีทรงกลมกลิ้ง (Rolling Sphere Method) เป็นเครื่องมือหลักในการตรวจสอบตำแหน่งติดตั้งเสาล่อฟ้า โดยจินตนาการทรงกลมรัศมีตามระดับชั้นการป้องกัน (เช่น 20 เมตรสำหรับ Class I, 30 เมตรสำหรับ Class II, 45 เมตรสำหรับ Class III และ 60 เมตรสำหรับ Class IV) กลิ้งไปรอบอาคาร จุดใดที่ผิวทรงกลมสัมผัสได้คือจุดเสี่ยงที่ฟ้าผ่าอาจลงได้ จึงต้องมีตัวนำล่อฟ้าคอยรับที่จุดนั้น วิธีนี้เหมาะกับอาคารรูปทรงซับซ้อน มีส่วนยื่น หลังคาหลายระดับ หรือมีอุปกรณ์บนดาดฟ้า เช่น ถังน้ำ ชุดระบายอากาศ และเสาสัญญาณ

สำหรับหลังคาแบนพื้นที่กว้าง มักใช้วิธีตาข่าย (Mesh Method) วางตัวนำเป็นตารางบนหลังคาตามขนาดช่องตาข่ายที่มาตรฐานกำหนดของแต่ละระดับชั้น เช่น 5×5 เมตรสำหรับ Class I ไปจนถึง 20×20 เมตรสำหรับ Class IV โดยเสริมแท่งล่อฟ้าสั้นที่ขอบหลังคาและมุมอาคารซึ่งเป็นจุดที่ฟ้าผ่าลงบ่อยที่สุด ทั้งสองวิธีสามารถใช้ร่วมกันได้ในอาคารเดียว และอาจใช้วิธีมุมป้องกัน (Protective Angle Method) เสริมสำหรับโครงสร้างสูงไม่มากหรืออุปกรณ์เดี่ยวบนหลังคา ทั้งนี้ต้องคำนึงถึงระยะแยกห่าง (Separation Distance) จากระบบตัวนำภายในอาคารเสมอ

• รัศมีทรงกลมกลิ้ง: Class I = 20 ม., Class II = 30 ม., Class III = 45 ม., Class IV = 60 ม.
• ขนาดตาข่าย: Class I = 5×5 ม. ไปจนถึง Class IV = 20×20 ม.
• เสริมแท่งล่อฟ้าที่ขอบและมุมอาคารซึ่งเป็นจุดฟ้าผ่าลงบ่อย
• อุปกรณ์บนดาดฟ้าทุกชิ้นต้องอยู่ในเขตป้องกันหรือมีตัวนำล่อฟ้าของตัวเอง
• ตรวจสอบระยะแยกห่าง (Separation Distance) จากระบบตัวนำภายในเสมอ

3. ตัวนำลงดิน รากสายดิน และการประสานศักย์

ตัวนำลงดิน (Down Conductor) ต้องจัดวางให้กระแสฟ้าผ่าแบ่งไหลหลายเส้นทางขนานกันโดยเส้นทางสั้นและตรงที่สุด หลีกเลี่ยงการหักโค้งงอแคบซึ่งจะเกิดแรงดันเหนี่ยวนำสูงและอาจเกิดการสปาร์กข้าม (Side Flash) ระยะห่างระหว่างตัวนำลงดินรอบอาคารกำหนดตามระดับชั้นการป้องกัน เช่น ทุก 10 เมตรสำหรับ Class I ถึงทุก 20 เมตรสำหรับ Class IV และสามารถใช้เหล็กเสริมโครงสร้างหรือเสาโครงเหล็กของอาคารเป็นตัวนำลงดินธรรมชาติ (Natural Component) ได้หากมีความต่อเนื่องทางไฟฟ้าที่พิสูจน์ได้

ระบบรากสายดินควรออกแบบเป็นวงแหวนรอบอาคาร (Ring Earth Electrode Type B) หรือแท่งหลักดินเฉพาะจุด (Type A) ตามลักษณะดินและอาคาร โดยให้ความสำคัญกับรูปทรงการกระจายกระแสมากกว่าตัวเลขความต้านทานเพียงอย่างเดียว ที่สำคัญไม่แพ้กันคือการประสานศักย์เพื่อป้องกันฟ้าผ่า (Lightning Equipotential Bonding) โดยต่อระบบ LPS เข้ากับบัสประสานศักย์หลักของอาคาร และติดตั้งอุปกรณ์ป้องกันเสิร์จ (Surge Protective Device: SPD) ที่เหมาะสมในตู้ไฟฟ้า เพื่อป้องกันแรงดันเกินชั่วครู่ที่จะทำลายอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ภายใน

4. ข้อบกพร่องที่ตรวจพบบ่อยและการบำรุงรักษา

จากการตรวจสอบระบบ LPS ที่ติดตั้งมานาน ข้อบกพร่องที่พบบ่อยคือตัวนำลงดินขาดหรือถูกตัดออกระหว่างงานปรับปรุงอาคาร จุดต่อทดสอบ (Test Joint) ถูกทาสีทับหรือขันแน่นจนเปิดวัดไม่ได้ ตัวนำบนหลังคาหลุดจากตัวจับยึดเพราะความร้อนและแรงลม และการติดตั้งอุปกรณ์ใหม่บนดาดฟ้า เช่น ชุดแอร์หรือแผงโซลาร์เซลล์ โดยไม่ได้ทบทวนเขตป้องกันเดิม ทำให้อุปกรณ์เหล่านั้นกลายเป็นจุดรับฟ้าผ่าโดยไม่ตั้งใจ

แนวทางที่ถูกต้องคือจัดให้มีการตรวจสอบด้วยสายตาอย่างน้อยปีละครั้ง และตรวจวัดค่าทางไฟฟ้าเต็มรูปแบบตามรอบที่มาตรฐานแนะนำสำหรับแต่ละระดับชั้นการป้องกัน ได้แก่ การวัดความต่อเนื่องของตัวนำทุกเส้นทาง การเปิดจุดต่อทดสอบวัดความต้านทานหลักดินแต่ละต้น และการตรวจสภาพ SPD ว่ายังไม่เสื่อมสภาพจากการรับเสิร์จสะสม ทุกครั้งที่มีงานต่อเติมหลังคาหรือติดตั้งอุปกรณ์ใหม่ ควรให้วิศวกรทบทวนแบบเขตป้องกันด้วยวิธีทรงกลมกลิ้งซ้ำก่อนอนุมัติงานเสมอ