การเลือกใช้อุปกรณ์ป้องกันแรงดันดันกระชากจากฟ้าผ่า (SPD Type 1, 2, 3) ในตู้ MDB

1. แรงดันเกินชั่วครู่และบทบาทของ SPD

แรงดันเกินชั่วครู่ (Transient Overvoltage) เกิดได้ทั้งจากฟ้าผ่าโดยตรงลงระบบป้องกันฟ้าผ่าของอาคาร ฟ้าผ่าใกล้เคียงที่เหนี่ยวนำเข้าสายไฟและสายสัญญาณ และการสวิตช์ชิ่งของโหลดขนาดใหญ่ภายในระบบเอง เช่น การปลดสับคาปาซิเตอร์แบงก์และมอเตอร์ แรงดันพุ่งเหล่านี้กินเวลาเพียงระดับไมโครวินาทีแต่มีค่ายอดสูงหลายกิโลโวลต์ เพียงพอที่จะเจาะฉนวนอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ เสื่อมสภาพบอร์ดควบคุมสะสมทีละน้อย และทำให้ระบบ PLC หรือเครื่องมือวัดในโรงงานล้มโดยหาสาเหตุยาก

อุปกรณ์ป้องกันเสิร์จ (Surge Protective Device: SPD) ทำหน้าที่เป็นทางลัดชั่วขณะให้พลังงานเสิร์จไหลลงระบบดินแทนที่จะผ่านเข้าอุปกรณ์ โดยใช้ส่วนประกอบอย่างวาริสเตอร์โลหะออกไซด์ (MOV) หรือแกปประกายไฟ (Spark Gap) ที่เปลี่ยนสถานะจากอิมพีแดนซ์สูงมากเป็นต่ำมากภายในเวลาสั้นกว่าหน้าคลื่นเสิร์จ หลักการป้องกันที่ได้ผลไม่ใช่การพึ่ง SPD ตัวเดียว แต่เป็นการจัดลำดับป้องกันหลายชั้น (Cascaded Protection) จากตู้เมนไปจนถึงหน้าอุปกรณ์สำคัญ

2. การแบ่งประเภท SPD ตามมาตรฐาน IEC 61643-11

มาตรฐาน IEC 61643-11 แบ่ง SPD สำหรับระบบไฟฟ้าแรงต่ำเป็นสามประเภทตามรูปคลื่นทดสอบ Type 1 ทดสอบด้วยคลื่นกระแสอิมพัลส์ 10/350 ไมโครวินาที ซึ่งจำลองกระแสฟ้าผ่าบางส่วนที่ไหลเข้าระบบเมื่อฟ้าผ่าลงอาคารโดยตรง จึงต้องติดตั้งที่ตู้เมนของอาคารที่มีระบบตัวนำล่อฟ้าหรือรับไฟจากสายอากาศ Type 2 ทดสอบด้วยคลื่น 8/20 ไมโครวินาที สำหรับเสิร์จเหนี่ยวนำและสวิตช์ชิ่ง ติดตั้งที่ตู้จ่ายไฟย่อย ส่วน Type 3 ทดสอบด้วยคลื่นผสมแรงดัน-กระแส ติดตั้งใกล้อุปกรณ์ปลายทางที่ไวต่อแรงดัน

พารามิเตอร์เลือกใช้งานที่สำคัญได้แก่ กระแสอิมพัลส์ Iimp สำหรับ Type 1 กระแสดิสชาร์จระบุ In และสูงสุด Imax สำหรับ Type 2 ระดับแรงดันป้องกัน Up ซึ่งต้องต่ำกว่าความคงทนแรงดันอิมพัลส์ของอุปกรณ์ที่ป้องกัน แรงดันใช้งานต่อเนื่องสูงสุด Uc ที่ต้องเหมาะกับระบบการต่อลงดินของอาคาร และพิกัดทนกระแสลัดวงจรร่วมกับอุปกรณ์ป้องกันกระแสเกินของ SPD เอง การประสานระหว่างชั้น Type 1 กับ Type 2 ต้องมีระยะสายหรือคอยล์ดีคัปปลิงเพียงพอเพื่อให้แต่ละชั้นรับพลังงานตามลำดับที่ออกแบบ

• Type 1 (คลื่น 10/350 µs): ตู้เมนอาคารที่มีระบบล่อฟ้าหรือรับไฟสายอากาศ
• Type 2 (คลื่น 8/20 µs): ตู้จ่ายไฟย่อยและ MDB ทั่วไป
• Type 3 (คลื่นผสม): ติดตั้งใกล้อุปกรณ์ปลายทางที่ไวต่อแรงดัน
• Up ต้องต่ำกว่าความคงทนอิมพัลส์ของอุปกรณ์ที่ป้องกัน
• Uc ต้องเลือกให้เหมาะกับระบบการต่อลงดินของอาคาร

3. หลักการติดตั้งที่มีผลต่อประสิทธิภาพจริง

ประสิทธิภาพของ SPD ขึ้นกับการติดตั้งมากพอ ๆ กับตัวอุปกรณ์ กฎสำคัญที่สุดคือความยาวสายต่อรวมจากตัวนำเฟสผ่าน SPD ลงบัสดินต้องสั้นที่สุด โดยแนวปฏิบัติทั่วไปพยายามให้ไม่เกินประมาณ 0.5 เมตร เพราะทุกเมตรของสายมีความเหนี่ยวนำที่สร้างแรงดันเพิ่มขณะกระแสเสิร์จไหลผ่าน ทำให้แรงดันที่อุปกรณ์เห็นจริงสูงกว่าค่า Up บนป้ายมาก หากเลี่ยงสายยาวไม่ได้ให้ใช้การต่อแบบ V-Connection ที่ให้กระแสโหลดไหลผ่านจุดต่อของ SPD โดยตรง

นอกจากนี้ต้องติดตั้งอุปกรณ์ป้องกันกระแสเกินเฉพาะของ SPD (ฟิวส์หรือเบรกเกอร์ตามตารางผู้ผลิต) เพื่อปลด SPD ที่เสื่อมจนลัดวงจรออกจากระบบโดยไม่ดับไฟทั้งตู้ เดินสายดินของ SPD เข้าบัสดินเดียวกับบัสที่อุปกรณ์ป้องกันอ้างอิง หลีกเลี่ยงการเดินสายเข้า-ออกของ SPD ขนานชิดกันเป็นระยะยาวซึ่งเหนี่ยวนำเสิร์จข้ามสายกันเอง และเชื่อมประสานศักย์ (Equipotential Bonding) ระบบท่อโลหะและโครงสร้างเข้าบัสดินตามหลักการป้องกันฟ้าผ่า เพื่อไม่ให้เกิดความต่างศักย์อันตรายระหว่างระบบขณะเกิดเสิร์จ

4. การตรวจสภาพ SPD และข้อผิดพลาดที่พบบ่อย

SPD เป็นอุปกรณ์สิ้นเปลืองโดยธรรมชาติ วาริสเตอร์เสื่อมสะสมทุกครั้งที่รับเสิร์จและเมื่อรับแรงดันเกินความถี่กำลังนาน ๆ อุปกรณ์ส่วนใหญ่จึงมีหน้าต่างแสดงสถานะหรือหน้าสัมผัสแจ้งเตือนระยะไกลเมื่อชุดป้องกันภายในปลดตัวออก ปัญหาที่พบบ่อยที่สุดในภาคสนามคือ SPD ที่แสดงสถานะเสียค้างอยู่นานหลายเดือนโดยไม่มีใครสังเกต เท่ากับระบบไม่มีการป้องกันเลยโดยที่ทุกคนเข้าใจว่ามี รองลงมาคือสายต่อยาวเกินไป การไม่ติดตั้งอุปกรณ์ป้องกันกระแสเกินเฉพาะ และการลืมป้องกันเส้นทางสายสัญญาณที่เข้าสู่อุปกรณ์เดียวกัน

แนวทางปฏิบัติที่ดีคือบรรจุการตรวจหน้าต่างสถานะ SPD ไว้ในรอบตรวจตู้ประจำเดือน ต่อหน้าสัมผัสแจ้งเตือนเข้าระบบ BMS หรือ SCADA เพื่อให้ทราบทันทีเมื่ออุปกรณ์ปลดตัว ตรวจขันจุดต่อสายและถ่ายภาพความร้อนร่วมกับงานบำรุงรักษาตู้ตามปกติ บันทึกเหตุการณ์ฟ้าผ่ารุนแรงหรือไฟกระชากใหญ่ในพื้นที่ไว้เทียบกับสถานะ SPD และวางแผนป้องกันแบบครบเส้นทาง ทั้งสายกำลัง สายโทรศัพท์ สาย LAN และสายสัญญาณเครื่องมือวัดที่เข้าอุปกรณ์สำคัญตัวเดียวกัน เพราะเสิร์จเลือกเข้าทางเส้นที่ไม่ได้ป้องกันเสมอ

• ตรวจหน้าต่างสถานะ SPD ในรอบตรวจตู้ประจำเดือน
• ต่อหน้าสัมผัสแจ้งเตือนเข้าระบบ BMS/SCADA
• รักษาความยาวสายต่อรวมให้สั้นที่สุด (~0.5 เมตร)
• ป้องกันครบทุกเส้นทาง ทั้งสายกำลังและสายสัญญาณ