มารู้จักระบบต่อลงดินชนิด Isolated Ground (IG) กันเถอะ

ขวัญชัย กุลสันติธำรงค์
kwanchai2002@hotmail.com

 
    สวัสดีครับ ท่านผู้อ่านทุกท่าน ในปัจจุบัน เครื่องใช้ไฟฟ้าเกือบทั้งหมดประกอบด้วยชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ ไม่ว่าจะเป็นอุปกรณ์ไฟฟ้าที่ขับเคลื่อนด้วยมอเตอร์ก็จะมีชุดควบคุมมอเตอร์ชนิด Variable Speed Drive (VSD) เป็นส่วนประกอบอยู่ หรือหลอดไฟฟ้าแสงสว่างชนิดแก๊สดิสชาร์จ (Gas Discharge Lighting) ก็จะมีบัลลาสต์อิเล็กทรอนิกส์ (Electronic Ballast) เป็นอุปกรณ์ควบคุมรวมอยู่ด้วยหรือแม้กระทั่งสวิตซ์อัตโนมัติ (Circuit Breaker) หรือรีเลย์ป้องกันยังต้องมีชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์เป็นส่วนประกอบอยู่ภายใน (Electronic Based Design) การใช้งานอุปกรณ์ไฟฟ้าอิเล็กทรอนิกส์อย่างแพร่หลายทำให้ระบบไฟฟ้ากำลังเกิดความไวต่อความแปรปรวน (Power Disturbance) และเกิดการรบกวนของสัญญาณคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (Electromagnetic Interference EMI) และนำไปสู่ปัญหาของการใช้งานของอุปกรณ์ไฟฟ้าในที่สุด
    

   เนื่องจากการเปลี่ยนแปลงของแรงดันไฟฟ้าเทียบกับดินของอุปกรณ์ไฟฟ้า (Equipment Grounding Potentials) มีผลต่อการทำงานของอุปกรณ์ไฟฟ้าอิเล็กทรอนิกส์ จึงทำให้จำเป็นต้องมีระบบต่อลงดินเฉพาะเพื่อลดสัญญาณรบกวนทางไฟฟ้า (Electrical Noise) สำหรับติดตั้งอุปกรณ์ไฟฟ้าอิเล็กทรอนิกส์ดังกล่าวขึ้น โดยระบบต่อลงดินที่มาตรฐาน NEC รับรองให้สามารถติดตั้งได้โดยมีความปลอดภัยก็คือ ระบบต่อลงดินชนิด Isolated Ground (IG) ในบทความฉบับนี้ต้องการนำเสนอรายละเอียดที่น่าสนใจถึงหลักการ การประยุกต์ใช้งานในสถานการณ์ต่าง ๆ ติดตามรายละเอียดได้เลยครับ

ระบบต่อลงดินชนิด Isolated Ground (IG)
     ระบบต่อลงดินชนิด Isolated Ground (IG) ใช้กับระบบไฟฟ้ากระแสสลับ โดยมาตรฐาน NEC Section 250.96 (B) อนุญาตให้ใช้ระบบต่อลงดินชนิดนี้เพื่อลดสัญญาณรบกวนทางไฟฟ้าในตัวนำที่การต่อลงดิน (Grounding Conductor)

รูปที่ 1 รูปแบบมาตรฐานของระบบไฟฟ้ากำลังที่มีการต่อลงดินชนิด Isolated Ground (IG)

     จากรูปที่ 1 เป็นตัวอย่างของระบบไฟฟ้ากำลังที่ใช้เต้ารับไฟฟ้าชนิด IG ตามที่มาตรฐาน NEC อนุญาตให้ใช้ได้ โดยขั้วดินของเต้ารับไฟฟ้า IG นี้จะไม่ต่อกับสายดินของท่อสายหรือบริภัณฑ์ไฟฟ้า (Equipment Grounding) แต่สายดิน IG นี้จะเป็นตัวนำหุ้มฉนวน (Isolated Conductor) ต่อเนื่องจากเต้ารับไฟฟ้า IG Receptacle ต่อเชื่อมโดยตรงเข้ากับระบบต่อลงดินของระบบไฟฟ้ากำลังที่เมนสวิตซ์เท่านั้น

สายดินชนิด IG Wiring และกระแสรั่วลงดิน
     ระบบต่อลงดินชนิด Isolated Ground (IG) นี้จะมีสายดิน IG Wire ที่เป็นเส้นทางที่มีประสิทธิภาพ เมื่อเกิดกระแสรั่วลงดินที่อุปกรณ์ไฟฟ้าตามรูปที่ 2 สายดิน IG Wire จะมีการคำนวณขนาดตามที่มาตรฐาน NEC กำหนดไว้จึงมีค่าอิมพีแดนซ์ที่ต่ำเพียงพอที่จะทำให้กระแสรั่วลงดิน (Ground Fault Current) มีขนาดเพียงพอที่จะทำให้สวิตซ์ทำงานเปิดวงจรได้อย่างปลอดภัย

รูปที่ 2 แสดงเส้นทางที่กระแสรั่วลงดินไหลผ่านไปตามสายดินของระบบต่อลงดินชนิด Isolated Ground (IG) กลับไปยังแหล่งจ่ายพลังงานไฟฟ้า

     มาตรฐาน NEC Section 250.96 (B) ได้กำหนดรูปแบบอี่นของระบบต่อลงดินชนิด Isolated Ground (IG) ขึ้นตามที่แสดงในรูปที่ 3 โดยสามารถจะกั้นแยก (Isolate) สิ่งห่อหุ้มของอุปกรณ์ (Equipment Enclosure) จากท่อสาย (Raceway) ชนิดโลหะที่มีตัวนำของวงจรย่อยที่จ่ายพลังงานไฟฟ้าให้กับอุปกรณ์ไฟฟ้าเดินสายอยู่ภายใน โดยใช้อุปกรณ์ประกอบที่ไม่ใช่โลหะ (Non–metallic Fitting) ที่จุดที่ท่อสายสัมผัสกับสิ่งห่อหุ้มของอุปกรณ์ไฟฟ้า ในลักษณะนี้สายดินของอุปกรณ์ไฟฟ้าก็จะถูกกั้นแยก (Isolated) จากท่อสายชนิดโลหะ เกิดเป็นระบบต่อลงดินชนิด Isolated Ground (IG) ขึ้น  โดยให้ผลเช่นเดียวกับการใช้เต้ารับไฟฟ้าชนิด IG (IG Receptacle)

รูปที่ 3 แสดงระบบไฟฟ้ากำลังชนิด Isolated Ground (IG) ที่มีการต่ออุปกรณ์ไฟฟ้ากับแหล่งจ่ายไฟฟ้าโดยตรง (Direct Connected)

การต่อลงดินชนิด Isolated Ground (IG) ที่ไม่ถูกต้อง
     มีการตีความอย่างผิด ๆ ว่าขั้วดินหรือสายดินของอุปกรณ์ไฟฟ้าอิเล็กทรอนิกส์ต้องลงดินเฉพาะแยกต่างหากจากระบบดินของแหล่งจ่ายพลังงานไฟฟ้า (Power Ground) ตามที่แสดงในรูปที่ 4 โดยขั้วดินของเต้ารับไฟฟ้า Isolated Ground ต่อเข้ากับ Isolated Ground Busbar ที่แผง Distribution Board โดยมีการต่อลงดินเฉพาะ (Separate Earth Grounding Electrode) ที่แผงไฟฟ้านี้

รูปที่ 4 แสดงระบบต่อลงดินชนิด Isolated Ground (IG) ที่ไม่ถูกต้องและไม่ปลอดภัย

     การต่อลงดินเฉพาะ (Separate Earth Grounding Electrode) ที่แผงไฟฟ้านี้ขาดความปลอดภัยเนื่องจากเส้นทางที่กระแสรั่วลงดินจะไหลกลับไปที่แหล่งจ่ายพลังงานไฟฟ้านั้นจะมีค่าอิมพีแดนซ์ที่สูงทำให้กระแสรั่วลงดินที่เกิดขึ้นจะมีค่าน้อยจนสวิตซ์อัตโนมัติไม่สามารถเปิดวงจรได้

รูปที่ 5 การต่อลงดินเฉพาะ (Separate Earth Grounding Electrode) ที่แผงไฟฟ้าจะทำให้เส้นทางของกระแสรั่วลงดินไม่มีประสิทธิภาพ

     จากรูปที่ 5 เมื่อเกิดกระแสรั่วลงดินที่อุปกรณ์ไฟฟ้า กระแสรั่วลงดินจะไหลกลับไปที่แหล่งจ่ายพลังงานไฟฟ้า แต่เนื่องจากไม่มีเส้นทางที่นำกระแสรั่วลงดินที่ต่ออย่างดี (Permanent Ground–fault Path) ระหว่างตัวนำที่ต่อลงดินที่แผงไฟฟ้าย่อยกับตัวนำที่ต่อลงดินที่เมนสวิตซ์ กระแสรั่วลงดินก็จะไหลกลับอย่างอิสระไปที่แหล่งจ่ายพลังงานไฟฟ้าซึ่งจะมีค่าความต้านทานหลายพันมิลลิโอห์มซึ่งจะมีค่าสูงมากเมื่อเทียบกับสายดินที่ต่ออย่างดีซึ่งมีค่าความต้านทานเพียงไม่กี่มิลลิโอห์มเท่านั้น ทำให้กระแสรั่วลงดินมีค่าน้อยจนสวิตซ์อัตโนมัติไม่สามารถเปิดวงจรได้อย่างรวดเร็วในเวลาที่กำหนด

      นอกจากนี้ความต่างศักย์ระหว่างระบบดินทั้งสองทำให้เกิด Common–mode (N–G) Voltage ขึ้น ทำให้เกิดสัญญาณรบกวนทางไฟฟ้ามากขึ้นมีผลต่อการทำงานของอุปกรณ์ไฟฟ้าอิเล็กทรอนิกส์ ซึ่งการต่อระบบต่อลงดินตามรูปที่ 4 นี้ขัดต่อวัตถุประสงค์ของระบบต่อลงดินชนิด Isolated Ground (IG) ที่กำหนดโดยมาตรฐาน NEC

 สรุป
     บางทีการใช้คำว่า Isolated Ground อาจจะไม่เหมาะสมก็ได้ เพราะทำให้เกิดการตีความที่ผิด ดังนั้นควรใช้คำว่า “Insulated Ground” เพราะวัตถุประสงค์ของระบบต่อลงดินชนิด Isolated Ground นั้นไม่ได้ต้องการแยกระบบต่อลงดินของอุปกรณ์ไฟฟ้าอิเล็กทรอนิกส์ออกจากระบบต่อลงดินของระบบไฟฟ้ากำลัง แต่ต้องการที่จะใช้ “วิธีหุ้มฉนวน หรือ Insulate” สายดินของอุปกรณ์ไฟฟ้าอิเล็กทรอนิกส์ และควบคุมตำแหน่งของการต่อลงดินที่เมนสวิตซ์ของระบบไฟฟ้า ระบบไฟฟ้ากำลังที่มีการต่อลงดินชนิด Isolated Ground (IG) ที่ต่ออย่างถูกต้องจะสามารถลดสัญญาณรบกวนทางไฟฟ้าและไม่ทำให้ความปลอดภัยทางไฟฟ้า (Electrical Safety) ลดลงแต่อย่างใด

 
เอกสารอ้างอิง
1. The How’s and Why’s of IG Wiring–PQ Corner EC&M August 2008 page 24–32