ธรรมชาติของฟ้าผ่า
ฟ้าผ่าเกิดจากการถ่ายเทประจุระหว่าง 2 วัตถุ โดยก่อนการเกิดฟ้าผ่าแต่ละครั้งจะมีหัวนำร่อง (step leader) คือ pathของไอออนอากาศที่เริ่มเกิดการ partial break down แต่ยังไม่สัมผัสพื้นดิน โดยเคลื่อนที่ลงมาจากก้อนเมฆเมื่อหัวนำร่องเคลื่อนที่เข้ามาใกล้วัตถุมากพอจะเกิดกระบวนการเหนี่ยวนำทำให้พื้นดินต้องสร้าง pathขึ้นไปเชื่อม (upward leader) โดยระยะทางนี้เรียกว่า “ระยะฟ้าผ่า (striking distance)” เมื่อเชื่อม path ได้สำเร็จแล้ว ภายในระยะเวลาอันสั้นเราจะเห็นแสงวาบขนาดใหญ่จากการถ่ายเทประจุอย่างสมบูรณ์ก่อให้เกิดลำกระแสฟ้าผ่าวิ่งเข้าหาวัตถุ เกิดคลื่นเสียงจากการแตกตัวของอากาศ รวมถึงสนามแม่เหล็กไฟฟ้ารอบๆจุดที่เกิดฟ้าผ่าโดยหลักการของระยะฟ้าผ่านี้เอง เป็นที่มาของหลักการออกแบบระบบป้องกันฟ้าผ่าด้วยวิธี Rolling sphere
Rolling Sphere คืออะไร?
การออกแบบระบบป้องกันฟ้าผ่าตามมาตรฐาน IEC62305ใช้สำหรับคำนวณจุดติดตั้ง Air terminal โดยการวาดทรงกลมล้อมรอบวัตถุหรืออาคารที่สนใจ ในลักษณะราวกับกลิ้งทรงกลมผ่านวัตถุนั้น ๆ ซึ่งจุดที่วัตถุหรืออาคารสัมผัสกับทรงกลม หมายถึง จุดที่จำเป็นจะต้องติดตั้ง Air terminal โดยรัศมีทรงกลมเทียบได้กับระยะ striking distance เพื่อออกแบบระดับการป้องกันตามความเสี่ยงที่ยอมรับได้ตามมาตรฐาน บริเวณที่อยู่ภายใต้การกลิ้งของทรงกลมนี้ถือได้ว่าได้รับการป้อง
ระบบป้องกันฟ้าผ่าตามมาตรฐาน IEC ประกอบด้วยส่วนสำคัญดังนี้
1. Air terminal ตัวนำล่อฟ้า โลหะปลายแหลม ซึ่งปลายแปลมดังกล่าวมีความเครียดสนามไฟฟ้าสูง ทำให้เกิดการ breakdown ของอากาศง่าย ติดตั้งไว้ที่ยอดของอาคาร เพื่อเพิ่มโอกาสในการผ่าลงบริเวณดังกล่าวแล้วนำกระแสลงสู่ดิน แบ่งออกเป็น
•Franklin Rod (Conventional Rod)
เป็น Air terminal แบบดั้งเดิม มีลักษณะเป็นแท่งโลหะยาวปลายแหลม สามารถใช้ทองแดง อลูมิเนียม หรือเหล็กขึ้นอยู่กับ สภาพ environment ทำหน้าที่ล่อและรองรับกระแสฟ้าผ่า ส่งต่อกระแสสู่ดินผ่านสาย down conductor
•Early Streamer Emission (ESE)
เป็นแท่งโลหะที่ทำการปรับแต่ง จนมีคุณสมบัติเพิ่มระยะล่อฟ้าให้มากกว่าปกติ ทำให้ช่วยลดจำนวน Air terminal ลงไปได้เยอะพอสมควร แต่อย่างไรก็ตาม มาตรฐาน IEC ยังไม่รองรับ เนื่องจากพบว่า ESE ไม่สามารถทำได้ตามที่กล่าวอ้าง ทำให้มีพื้นที่บางส่วนไม่ได้รับการป้องกันจากฟ้าผ่า ซึ่งอาจก่อให้เกิดอันตรายต่อชีวิตและทรัพย์สินได้
•Charge Transfer System (*CTS)
นอกจากสามารถออกแบบให้เป็นตัวล่อฟ้าแล้ว ยังมีคุณสมบัติกระจายประจุที่อยู่บริเวณรอบ ๆ จนทำให้มีโอกาสเกิดฟ้าผ่าลงบริเวณดังกล่าวได้ยากกว่าปกติ ถึงแม้ว่า CTS จะเสื่อมสภาพหรือทำงานผิดพลาด ตามมาตรฐาน IEC จะถือได้ว่า CTS เป็น Franklin Rod และไม่ส่งผลเสียต่อการป้องกันฟ้าผ่าหรือที่เรียกว่ากัน fail-safe design
REPCO มีประสบการณ์ในการออกแบบระบบป้องกันฟ้าผ่าที่ผสมผสานด้วยระบบ CTS ซึ่งทำให้ลดความเสี่ยงจากฟ้าผ่าลงไปได้ สามารถลดความสูญเสียนับเป็นมูลค่าโรงงานละหลายสิบล้านบาทเลยทีเดียว
2. Down Conductor ตัวนำลงดิน เป็นโลหะที่ให้กระแสฟ้าผ่าไหลผ่านก่อนลงสู่ดิน โดยมากแล้วจะใช้สายไฟฟ้าที่มีขนาดเหมาะสมและควรติดตั้งฉนวนหุ้มป้องกันอันตรายสู่คนเมื่อเกิดฟ้าผ่า นอกจากนี้ยังสามารถใช้ตัวโครงสร้างของอุปกรณ์ที่มีความหนาเพียงพอตามมาตรฐาน ในการนำกระแสฟ้าผ่าลงดินได้เช่นกัน
นอกจากนี้ในบางกรณีทางบริษัท REPCO ก็แนะนำให้ใช้อุปกรณ์ประเภท flexible bypass conductor ที่มีความยืดหยุ่นสูง สามารถคงความสามารถในการนำกระแสสูง แม้จุดสัมผัสมีการเคลื่อนที่ อิงตามมาตรฐานAPI545 เช่น บริเวณ floating roof ของถังบรรจุสารเคมี เพราะสามารถยืดหดความยาวให้เหมาะสมกับการใช้งานได้ ลดปัญหาจากจาก sparking ได้มากเลยทีเดียว
3. Surge protection ตัวป้องกันเสิร์จ เป็นอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์และสารบางชนิด
(metal oxide varistor) ที่ใช้ลดความรุนแรงหากมีแรงดันไฟฟ้าเกิน ในขณะเกิดฟ้าผ่า โดยการปรับความต้านทานลง สามารถติดตั้งทั้งในวงจรภาคกำลัง และ ภาคควบคุม
ทางบริษัทเน้นการเลือกใช้ surge ที่มี indicator เตือนเพื่อบอกว่าอุปกรณ์ไม่พร้อมใช้งานแล้ว และเลือก brand ที่มีมาตรฐาน ผ่านการรับรองจากสถาบันต่างๆ
4. Grounding System ระบบหลักดิน เป็นแท่งเหล็กยาวปักไว้ในดิน สำหรับให้กระแสฟ้าผ่า ระบายลงสู่พื้นดินเพื่อลดความอันตราย โดยต้องออกแบบให้มีความต้านทานที่ต่ำตามมาตรฐาน หากจุดติดตั้งมีอุปสรรค เช่น ดินแข็งมาก พื้นที่ในการปักหลักดินมีน้อยเกินไป บริษัท REPCO ก็มีทางออกให้ใช้หลักดินประเภทอื่นๆ เช่น การใส่ electrolytic compound ลงใน chemical ground rod เพื่อให้ได้ความต้านทานที่ต่ำในพื้นที่จำกัด รวมไปถึงการออกแบบเพิ่มจุดในการฝัง rod เป็นต้น
ระบบเตือนภัยจากฟ้าผ่า (Lightning Alert System)
แม้ว่าเราสามารถออกแบบระบบป้องกันฟ้าผ่าได้ตามมาตรฐานแล้วก็ตาม แต่ในบางครั้งที่เกิดฟ้าผ่า ปริมาณกระแสฟ้าผ่าที่เกิดขึ้น หรือผลกระทบจากสนามแม่เหล็กไฟฟ้าขณะเกิดฟ้าผ่า อาจไม่สามารถคาดการณ์ได้
การใช้ระบบเตือนภัยก่อนเกิดฟ้าผ่าสามารถทำให้สามารถ คาดการณ์และลดกิจกรรมเสี่ยงกลางแจ้ง หรือกิจกรรมอันตรายอื่นๆ เช่น การโหลดสารเคมีไวไฟ การ switch load ในโรงไฟฟ้าเป็นต้น
ปัจจุบันทางบริษัท REPCOได้ใช้เทคโนโลยีในการเตือนภัยฟ้าผ่าที่สามารถเตือนในระยะสั้นสามารถพยากรณ์เหตุการณ์ฟ้าผ่าล่วงหน้าได้ราว 5-10 นาที อาศัยหลักการ การวัดสนามไฟฟ้าในอากาศ (kV/m) ผ่าน electric field meter หากสนามไฟฟ้ามีค่าสูง ก็จะมีโอกาสสูงที่จะเกิดฟ้าผ่า แต่ทั้งนี้ยังพบปัญหาการเกิด false-alarm (ไม่เกิดฟ้าผ่าจริง) ค่อนข้างสูง
ขณะนี้ทางบริษัทก็ได้ทำการใช้เทคโนโลยีทางด้าน machine learning และการวัดพารามิเตอร์อื่นๆประกอบ จะสามารถทำให้เราทราบถึงรูปแบบของการเกิดฟ้าผ่าได้แม่นยำ รวดเร็วมากขึ้นในอนาคต รวมถึงสามารถประสานข้อมูลดังกล่าวเข้ากับระบบ Digital Reliability Platform ของโรงงานเพื่อบริหารจัดการได้อย่างทันท่วงที
