บทความฉบับนี้จะพิจารณาไปที่โครงร่างของกระแสฟ้าผ่า (Lightning Discharge) ตลอดถึงลักษณะของรูปคลื่น   เพื่อเป็นหลักการสู่การป้องกันให้กับระบบ SCADA แต่อย่างไรก็ตามความสมบูรณ์ของการนำองค์ความรู้จากบทความฉบับนี้ไปสู่ภาคปฏิบัติ อาจจะไม่ครอบคลุมการป้องกันในเชิงบูรณาการจริง ๆ ได้ เพราะจะต้องนำองค์ความรู้ในบทความฉบับนี้ ไปประยุกต์ควบรวมกับองค์ความรู้เกี่ยวกับระบบกราวด์และความเป็นอยู่จริงของระบบงานอีกครั้งหนึ่ง

ในกระบวนการควบคุมการดำเนินงานขององค์กรต่าง ๆ เช่น การไฟฟ้านครหลวง การไฟฟ้าส่วนภูมิภาค โรงงานก๊าซ ระบบจัดการน้ำ ฯลฯ จำเป็นอย่างยิ่งที่จะต้องอาศัยการเฝ้ามอง (Monitoring) และควบคุมติดตามการดำเนินงานของโครงข่ายอย่างใกล้ชิด SCADA หรือระบบควบคุมทางไกลก็เป็นอีกระบบหนึ่งที่สามารถเข้ามาสนับสนุนหน้าที่การทำงานเหล่านี้ได้เป็นอย่างดี

การพิจารณาป้องกันฟ้าผ่าให้กับระบบ SCADA โดยแก่นแท้แล้วมิได้มีหลักคิดที่แตกต่างไปจากการป้องกันระบบงานอิเล็กทรอนิกส์ความไวสูงทั่วไปเลย ซึ่งหลักการป้องกันฟ้าผ่าให้กับระบบ SCADA จะต้องพิจารณาทุกเส้นทางที่ไฟกระโชกซึ่งเป็นผลกระทบทางอ้อมจากปรากฏการณ์ฟ้าผ่าเข้ามาสร้างความเสียหายให้เกิดขึ้นกับระบบงานได้ เช่น ทางด้านแหล่งจ่ายกำลังไฟฟ้า ซึ่งมีทั้ง AC และ DC ภาคสัญญาณอินพุตและเอาต์พุต ซึ่งภาคการทำงานเหล่านี้ล้วนแล้วแต่มีความเกี่ยวข้องกับอิเล็กทรอนิกส์ความไวสูงทั้งสิ้น เป็นต้น

ลักษณะทั่วไปของระบบ SCADA

ระบบ SCADA จะมีหน้าที่โดยตรงในการควบคุมและเก็บข้อมูลในรูปแบบต่าง ๆ ตามหน้าที่ (Function) ของมันตามโครงข่ายของส่วนงานในตำแหน่งต่าง ๆ เพื่อนำสู่การบันทึกลงฐานข้อมูลและนำสู่กระบวนการจัดการควบคุมการดำเนินงานในลำดับต่อไป การจัดการโครงข่ายของระบบ SCADA มีความเป็นไปได้ทั้งรูปแบบที่มีการจัดการควบคุมจากส่วนกลาง (Center Control) หรือแยกการควบคุมไปตามสถานีย่อยต่าง ๆ ในการดำเนินการควบคุมสั่งการ ทั้งนี้ทั้งนั้นก็ขึ้นอยู่กับแต่ละองค์กร ซึ่งมีลักษณะที่แตกต่างกันออกไป สำหรับส่วนประกอบหลักในระบบ SCADA จะประกอบด้วย

1. ส่วนการตรวจจับ (Field Sensors) จะทำหน้าที่ในการแปลงข้อมูลในรูปแบบกายภาพ (ฟิสิกส์) ไปเป็นข้อมูลทางไฟฟ้า ข้อมูลที่ได้จากส่วนการตรวจจับ จะเป็นข้อมูลตั้งต้นที่จะส่งต่อไปยัง RTU ต่อไป

หมายเหตุ การตีความหมายส่วนการตรวจจับ มิได้จำกัดกรอบว่าจะต้องเป็นการแปลงข้อมูลในรูปแบบกายภาพ (ฟิสิกส์) ไปเป็นข้อมูลทางไฟฟ้าเท่านั้น แต่อาจจะอยู่ในรูปแบบของการตรวจสอบสถานะของคุณภาพกำลังไฟฟ้าในตำแหน่งต่าง ๆ เพื่อส่งเป็นสัญญาณข้อมูลให้กับสถานีควบคุม สถานีศูนย์เฝ้ามอง

2. ส่วนกระบวนการจัดการ (Remote Terminal Units หรือ RTU) RTU จะเป็นตัวกลางในการจัดการข้อมูลต่าง ๆ ตลอดถึงการควบคุม โดยจะรับสัญญาณข้อมูลมาจากส่วนการตรวจจับ และส่งออกทางภาคเอาต์พุต เพื่อควบคุมการทำงานของจักรกล (เช่น วาล์วเปิด-ปิดน้ำ) หรือส่งสัญญาณข้อมูลออกทางระบบสื่อสารไปยังสถานีหลัก (Master Station) กระบวนการทำงานของ RTU มีลักษณะการทำงานเช่นเดียวกับ PLC (Programmable Logic Controller) ซึ่งมีความสามารถที่จะควบคุมการทำงานได้ทันที หรือจะรอรับคำสั่งจากสถานีหลัก ทั้งนี้ทั้งนั้นก็ขึ้นอยู่กับเงื่อนไขหน้าที่ที่ได้ถูกกำหนดเอาไว้

3. ส่วนการดำเนินการ (Field Actuators) สำหรับส่วนการดำเนินการจะทำหน้าที่ในการเปลี่ยนสัญญาณไฟฟ้าจาก RTU สู่การสั่งการให้เครื่องจักรกลทำงาน (เช่น วาล์วเปิด-ปิดน้ำ)

4. ส่วนระบบสื่อสาร (Communication System) การเชื่อมต่อระหว่าง RTU กับสถานีหลัก จะกระทำผ่านระบบสื่อสาร ซึ่งอาจจะเป็นไปในรูปแบบโครงข่ายของระบบสายสัญญาณโทรศัพท์ ระบบไฟเบอร์ออปติก หรือวิทยุไมโครเวฟ ทั้งนี้ทั้งนั้นก็ขึ้นอยู่กับองค์กรใดเลือกใช้รูปแบบการสื่อสารเป็นแบบใด

5. สถานีหลัก (Master Station) สถานีหลักจะเป็นศูนย์กลางของข้อมูล ศูนย์กลางการประมวลผลและสั่งการ   เพื่อควบคุมส่วนงาน-เครื่องจักรกลที่อยู่ในโครงข่ายของระบบงานทั้งหมด ตัวอย่างเช่น สถานีหลักโรงงานจ่ายก๊าซ สถานีไฟฟ้า ฯ เป็นต้น

อันตรายจากฟ้าผ่า

เส้นทางการเข้าสู่ระบบ SCADA ของไฟกระโชก ประกอบไปด้วย เส้นทางจ่ายกำลังไฟฟ้า สายสัญญาณอินพุตเอาต์พุตที่เชื่อมต่ออยู่กับตัว RTU ตลอดถึงเส้นทางของระบบสื่อสารที่อาศัยระบบไมโครเวฟ ซึ่งจำเป็นจะต้องติดตั้งเสารับ-ส่งสัญญาณที่มีความสูงเพียงพอ ผลกระทบจากกระแสฟ้าผ่าสามารถเกิดขึ้นได้ทั้งทางตรงและทางอ้อม ยังผลให้เกิดความเสียหายต่อส่วนหรือภาคการทำงานต่าง ๆ ซึ่งโดยทั้งสิ้นเป็นวัสดุ-อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ให้ได้รับความเสียหายอยู่บ่อยครั้ง

ก่อนที่จะมองไปในรายละเอียดจากผลกระทบของกระแสฟ้าผ่าต่อระบบ SCADA ให้มาพิจารณา 2 ปัจจัยสำคัญดังในรูปที่ 1 ซึ่งได้แสดงให้เห็นถึงค่าขนาดความรุนแรงของกระแสฟ้าผ่า (Lightning Stroke) โดย 79% ของกระแสฟ้าผ่าจะมีค่าต่ำกว่า 5 kA 25% ของกระแสฟ้าผ่าจะมีค่ามากกว่า 50 kA เป็นต้น

ส่วนปัจจัยที่ 2 ซึ่งจำเป็นอย่างยิ่งที่จะต้องคำนึงถึง นั่นคือค่า Earth Potential Rise หรือค่าศักย์ไฟฟ้าที่ปรากฏขึ้นที่ผิวดินในช่วงเวลาที่กระแสฟ้าผ่าได้ไหลผ่าน สามารถพิจารณาได้จากรูปที่ 2

รูปที่ 1 กระแสฟ้าผ่าลูกแรก (First Stroke Return Current)

รูปที่ 2 ค่า Earth Potential Rise

ผลจากปรากฏการณ์ฟ้าผ่านำไปสู่การเกิดศักย์ไฟฟ้าปรากฏที่ผิวดิน (Earth Potential Rise) สามารถส่งผลกระทบต่อระบบงานได้โดยรวม ตัวอย่างเช่น ถ้าค่าความต้านทานของระบบกราวด์ (ระบบดิน) มีค่าเท่ากับ 10 โอห์ม และสมมุติให้กระแสฟ้าผ่ามีค่า 50 kA จะก่อให้เกิดศักย์ไฟฟ้าปรากฏที่ผิวดินมีค่า 500 kV  ถ้าระบบกราวด์ของระบบงานมิได้มีการต่อถึงกันทุกจุด (Single Ground Point) ย่อมนำไปสู่การเกิดวงรอบของกระแสกราวด์ (Earth Loop Current หรือ Ground Loop Current) สร้างความเสียหายให้เกิดขึ้นกับระบบงานตามมาในที่สุด

โดยเฉพาะส่วนงานอิเล็กทรอนิกส์ความไวสูง (เช่น ระบบคอมพิวเตอร์ ระบบ PLC เป็นต้น) มักจะได้รับความเสียหายอยู่บ่อยครั้ง ทางออกของปัญหาดังกล่าวมีอยู่ด้วยกัน 1 ทางป้องกันและอีก 1 ทางลดทอน สำหรับ 1 ทางลดทอน เราจะต้องดำเนินการปรับปรุงให้ระบบกราวด์มีค่าความต้านทานต่ำที่สุด (ให้เพิ่มข้อควรระวังในเรื่องความปลอดภัยจากปัญหาแรงดันไฟฟ้าช่วงก้าวและแรงดันไฟฟ้าสัมผัส) ส่วนอีก 1 ทางป้องกัน ให้เราดำเนินการเชื่อมต่อระบบกราวด์ในระบบงานทุกจุดเข้าเป็นระบบกราวด์เดียวกัน (Single Ground Point) เพื่อป้องกันไม่ให้เกิดวงรอบการไหลของกระแสกราวด์ (Ground Loop Current) หากละเลยที่จะดำเนินการต่อกราวด์เป็นจุดเดียวกัน ส่วนการตรวจจับหรือภาคเซนเซอร์ทั้งหลาย ภาครับสัญญาณอินพุต/เอาต์พุต ของ RTU เป็นต้น จะได้รับความเสียหายตามมา

บันทึก คงต้องเน้นย้ำกันหนัก ๆ ในเรื่องการเชื่อมต่อระบบกราวด์ภายในระบบงานให้ถึงกันทุกจุด ทั้งนี้ทั้งนั้นก็เพราะต้องการรักษาให้ระบบกราวด์เกิดศักย์ไฟฟ้าเท่ากัน หรือ Equip-Potential นั่นเอง หากอ้างอิงประสบการณ์ของผู้เขียน    ความเสียหายของระบบระบบงาน เกิดขึ้นจากสาเหตุในเรื่องการแยกลงกราวด์มีความถี่มากที่สุด และสิ่งที่ผู้เขียนอยากฝากถึงคุณผู้อ่านที่รักทุกท่านว่า ไม่ควรใช้สัญชาตญาณหรือความรู้สึกในการปฏิบัติงาน

รูปที่ 3 รูปคลื่นกระแสฟ้าผ่า (1/50 µS waveform)

การพิจารณารูปคลื่นของกระแสฟ้าผ่า สามารถพิจารณาได้จากรูปที่ 3 จากรูปคลื่นเราจะพบว่า อันตรายจากการเปลี่ยนแปลงของกระแสฟ้าผ่าจะมีความไวที่สูงมาก โดยจะมีค่าอยู่ในย่าน 1 ไมโครวินาที และโดยธรรมชาติของสายตัวนำต่าง ๆ ย่อมมีค่าอินดักแตนซ์อยู่ค่าหนึ่งเสมอ ถ้าหากสัญญาณทางไฟฟ้าที่ไหลผ่านสายตัวนำซึ่งมีอัตราการเปลี่ยนแปลงที่เร็ว (dI/dt) สูง ย่อมก่อให้เกิดแรงดันไฟฟ้าตกคร่อมที่สายตัวนำสู่ขึ้นตามไปด้วย โดยสามารถอธิบายได้จากสมการดังต่อไปนี้

  V  =  IR ´ L(dI/dt)

กระแสฟ้าผ่าเมื่อไหลผ่านสายตัวนำ ย่อมทำให้ลักษณะของรูปคลื่นมีการเปลี่ยนแปลงไป อันเป็นผลสืบเนื่องโดยตรงจากค่าอินดักแตนซ์ของสายตัวนำ ซึ่งมาตรฐานสากล เช่น ANSI หรือ IEC เป็นต้น ได้กำหนดพารามิเตอร์ใหม่ คือ รูปคลื่น 8/20 mS (โดยนัยทางนิยามแล้วจะไม่ใช่กระแสฟ้าผ่าอีกแล้ว แต่จะเรียกขานในชื่อใหม่ คือ กระแสไฟกระโชก (Surge Current)) ค่า 8 จะหมายถึงค่า Rise Time ส่วนค่า 20 จะหมายถึง ค่า Duration Time การไหลผ่านสายตัวนำของไฟกระโชกย่อมก่อให้เกิดแรงดันไฟฟ้าชั่วขณะปรากฏตกคร่อมอยู่ที่สายตัวนำเส้นนั้น ๆ และยิ่งสายตัวนำมีความยาวมากขึ้นเท่าไหร่ ก็จะก่อให้เกิดแรงดันไฟฟ้าชั่วขณะปรากฏ ตกคร่อมมากขึ้นไปอีก (ตามกฎของโอห์ม) องค์ความรู้ในเรื่องนี้จะนำไปสู่เรื่องความยาวของสาย Leader ที่ต่อระหว่างเครื่องป้องกันไฟกระโชกกับระบบไฟฟ้า

รูปที่ 4 แรงดันตกคร่อมสายขนาด 4 mm² ยาว 1 เมตร

ในรูปที่ 4 เป็นผลการทดลองจากการจ่ายกระแสไฟกระโชก 8/20 mS ขนาด 3 kA ให้กับสายตัวนำขนาด 4 mm² ยาว 1 เมตร ส่งผลให้เกิดแรงดันไฟฟ้าเกินชั่วขณะตกคร่อมอยู่ที่สายตัวนำประมาณ 600 Vp จากผลการเกิดแรงดันไฟฟ้าเกินชั่วขณะปรากฏตกคร่อมสายนำตัวที่มีค่าสูง ทำให้ในทางปฏิบัติจริงเราจะต้องติดตั้งเครื่องป้องกันไฟกระโชก (แบบขนาน) โดยจะต้องใช้สาย Leader ที่สั้นที่สุด

ส่วนประกอบในการป้องกัน (Protection Component)

ถึงแม้ว่าปัจจุบันส่วนประกอบ (Components) ที่นำมาใช้ป้องกันไฟกระโชกจะมีการผลิตออกมาเป็นจำนวนมากมาย การเลือกนำไปใช้งาน เราจะต้องศึกษาถึงข้อกำหนดทางเทคนิคให้ละเอียด โดยส่วนประกอบที่เราจะเลือกนำมาใช้งานจะต้องมีความสามารถรองรับกับค่าขนาดของกระแสไฟกระโชกได้ รองรับพลังงานได้อย่างเพียงพอ มีความไวในการตอบสนองเพียงพอที่จะไม่ก่อให้เกิดความเสียหายต่อระบบงานอิเล็กทรอนิกส์ความไวสูง และที่สำคัญจะต้องไม่มีผลกระทบต่อกระบวนการทำงานปกติของระบบงาน โดยเฉพาะการป้องกันทางด้านสายตัวนำสัญญาณ ระบบสื่อสาร ซึ่งจะต้องศึกษาในข้อกำหนดทางเทคนิคให้ละเอียด

GAS ARRESTERS

ลักษณะการต่อใช้งาน Gas Arresters สามารถดำเนินการต่อคร่อมระหว่างเฟสกับเฟส หรือเฟสกับนิวทรัล หรือ เฟสกับกราวด์ หรือนิวทรัลกับกราวด์ เพื่อทำหน้าที่เป็นตัวเบี่ยงเบน (Diverter) ทิศทางการไหลของกระแสไฟกระโชก Gas Arresters 2 ขา มีความเหมาะสมสำหรับการนำไปป้องกันไฟกระโชกให้กับสายสัญญาณชนิด 1 คู่สาย (Single Wire) ส่วน Gas Arresters 3 ขา มีความเหมาะสมกับสายสัญญาณที่มีลักษณะเป็นคู่สาย ในความเป็นจริงแล้ว Gas Arresters แบบ 2 ขา เราสามารถนำไปใช้งานในสายสัญญาณลักษณะเป็นคู่สายก็ได้ ซึ่งจะต้องใช้ Gas Arresters จำนวน 2 ตัวด้วยกัน แต่ทว่าปัญหาไม่ได้สำคัญอยู่ที่ความสิ้นเปลืองเพียงอย่างเดียวที่เราจะต้องคำนึงถึง แต่ปัญหาจะอยู่ที่เรื่องความสมดุลของการ

ทำงานของ Gas Arresters ทั้งสองตัว ปัญหาในเรื่องนี้เป็นเรื่องใหญ่มาก และเป็นสาเหตุสำคัญที่นำไปสู่การผลิต Gas Arresters แบบ 3 ขาออกมา

รูปที่ 5 พฤติกรรมการทำงานของ Gas Arresters

Gas Arresters มีความสามารถที่จะเบี่ยงเบนกระแสไฟกระโชกได้สูง แต่ปัญหาหรือข้อด้อยของ Gas Arresters จะมีการตอบสนองต่อการปรากฏขึ้นของไฟกระโชกได้ช้า จึงเป็นเหตุผลสำคัญที่เราไม่สามารถจัดวางให้ Gas Arresters ทำหน้าที่ป้องกันไฟกระโชกเพียงลำพัง

VARISTORS

Varistors คือ ตัวต้านทานปรับค่าได้ชนิดหนึ่ง ซึ่งค่าความต้านทานของตัวมันจะถูกควบคุมด้วยแรงดันไฟฟ้า (Voltage Dependent Resistor) โดยการเปลี่ยนแปลงของค่าความต้านทานจะมีลักษณะไม่เป็นเชิงเส้น

Varistors มีผลการตอบสนองต่อการปรากฏขึ้นของไฟกระโชกได้เร็วและสามารถเป็นทางผ่านเพื่อเบี่ยงเบนไฟกระโชกได้ในระดับกลาง หากเทียบคู่กับวัสดุป้องกันไฟกระโชกทั้งหมด Varistors จะได้รับความนิยมนำมาป้องกันทางด้านสายจ่ายกำลังไฟฟ้ามากที่สุด อันเป็นผลสืบเนื่องมาจากการตอบสนองที่ไวและให้ค่าแรงดัน Clamping ที่ต่ำกว่า Gas Arresters

รูปที่ 6 แสดงให้เห็นถึงกราฟความสัมพันธ์ระหว่างแรงดันกับกระแสของ MOV (Metal Oxide Varistors) รุ่น B60K275 ซึ่งรับประกันจากโรงงานผู้ผลิตว่า สามารถรองรับกระแสไฟกระโชกได้สูงสุด 70 kA ที่รูปคลื่น 8/20 mS เพียง 1 รูปคลื่น แต่ถ้าหากกระแสไฟกระโชกมีค่าขนาดต่ำกว่า 70 kA MOV ก็จะสามารถรองรับกระแสไฟกระโชกได้หลาย ๆ ลูกติดต่อกัน รายละเอียดต่าง ๆ สามารถพิจารณาได้จากคู่มือของผู้ผลิต

รูปที่ 6 กราฟความสัมพันธ์ระหว่าง V และ I ของ MOV รุ่น B60K275 Siemens

SOLID STATE DIODE

ไดโอดที่นำมาใช้งานป้องกันไฟกระโชกจะอยู่ในคลาสพิเศษของซีเนอร์ไดโอด ซึ่งเรียกว่า Transzorb Diode คุณลักษณะเด่นของวัสดุลดทอนชนิดนี้ คือ มีการตอบสนองต่อการปรากฏขึ้นของไฟกระโชกได้เร็วมากและให้ค่าแรงดันไฟฟ้าปล่อยผ่าน (Let Through Voltage) ที่ต่ำมากด้วย ส่วนข้อด้อยจะอยู่ที่เรื่องความสามารถในการรองรับกระแสไฟกระโชกได้ต่ำ ดังนั้นการนำวัสดุชนิดไปใช้งาน จึงออกมาอยู่ในลักษณะการเก็บตกแรงดันไฟฟ้าปล่อยผ่านจากวัสดุลดทอนประเภท Gas Arresters หรือ Varistors

รูปที่ 7 กราฟแสดงความสัมพันธ์ระหว่าง V กับ I ของ Bi-directional Transzorb Diode 36 V

หลักการป้องกัน (Protection Method)

วัสดุป้องกันไฟกระโชกแต่ละชนิด ย่อมมีจุดแข็งและจุดอ่อนของตัวมันอยู่ ดังนั้นการได้มาซึ่งระบบป้องกันไฟกระโชกที่ดีที่สุด เราจะต้องสามารถประยุกต์วัสดุแต่ละชนิดเข้ามาร่วมทำงานอย่างเหมาะสมให้ได้ สำหรับการป้องกันไฟกระโชกทางด้านแหล่งจ่ายกำลังไฟฟ้าของระบบ SCADA สามารถเลือกหลักการป้องกันได้ 2 หลักการ ได้แก่ Surge Diverter กับ Surge Filter

Surge Diverters

ส่วนประกอบหลักของ Surge Diverters คือตัว Metal Oxide Varistors การประยุกต์ใช้งานจะต่ออยู่ในลักษณะขนาน เพื่อทำหน้าที่เบี่ยงเบนกระแสไฟระโชกลงสู่ระบบกราวด์ ข้อควรระวังในการติดตั้ง Surge Diverters จะต้องใช้สาย Leader ที่สั้นที่สุด เพราะถ้าหากสาย Leader ยาวมากเกินไป ประสิทธิภาพในการป้องกันจะตกต่ำลง (แรงดัน Clamping รวมกับแรงดันตกคร่อมสาย Leader จะมีค่าที่สูงมาก) ซึ่งอาจจะไม่เพียงพอกับความสามารถในการทนทานได้ของแหล่งจ่ายไฟฟ้าของ RTU

ในรูปที่ 8 แสดงให้เห็นถึงผลการทดสอบ Surge Diverters โดยกำหนดเป็นการป้อนกระแสไฟกระโชกขนาด 7 kA แล้วดำเนินการวัดค่าแรงดัน Clamping ตรงขั้วของ Surge Diverter (MOV) จะได้ค่าประมาณ 900 Vp แต่ถ้าวัดแรงดันปล่อยผ่านโดยต่อร่วมกับสาย Leader ยาว 600 mm. จะได้ค่าแรงดันไฟฟ้าปล่อยผ่านรวมประมาณ 1,800 Vp ค่าแรงดันไฟฟ้าปล่อยผ่านที่ได้นำเสนอให้เห็นนี้ จะนำไปสู่ข้อควรระวังในงานการติดตั้ง โดยเราจะต้องใช้สาย Leader ให้สั้นที่สุดเท่าที่จะทำได้ในงานภาคสนาม

รูปที่ 8 ค่าแรงดัน Clamping ของ Surge Diverter ขนาด 70 kA มีค่าประมาณ 900 Vp

Surge Filter

การออกแบบวงจรฟิลเตอร์ (Filter) เพื่อป้องกันไฟกระโชก จะเป็นวงจรกรองความถี่ต่ำ (Low pass Filter) อย่างง่ายทั่ว ๆ ไป ซึ่งวงจรกรองความถี่ต่ำผ่านจะถูกนำมาเป็นภาคการทำงานต่อจาก MOV ดังแสดงในรูปที่ 9

การติดตั้ง Surge Filter เรื่องความยาวของสาย Leader จะไม่มีผลต่อประสิทธิภาพการทำงานของ Surge Filter รูปที่ 10 เป็นผลการทดสอบการทำงานของ Surge Filter รุ่น 3 เฟส 200 A ของบริษัท Tercel จำกัด โดยจ่ายแรงดันไฟกระโชกทางอินพุตประมาณ 7 kV จะได้ค่าแรงดันไฟฟ้าปล่อยผ่านประมาณ 160 Vp

รูปที่ 10 รูปคลื่นทดสอบของ Surge Filter

Signal Line Protection

สายสัญญาณหรือสายสัญญาณควบคุมต่าง ๆ จะเชื่อมต่อเข้ากับภาคการทำงานอิเล็กทรอนิกส์ความไวสูงทั้งสิ้น   ดังนั้นจำเป็นจะต้องให้ความสำคัญในเรื่องค่าระดับแรงดันไฟฟ้าปล่อยให้มากขึ้น ในรูปที่ 11 เป็นตัวอย่าง วงจรป้องกันไฟกระโชกทางด้านสายสัญญาณซึ่งมีโครงสร้างของวงจรอยู่ในลักษณะ Multistage โดย Gas Arrester 3 ขา จะเป็นตัวหลักในการเบี่ยงเบนทิศทางการไหลของกระแสไฟกระโชกลงสู่ระบบกราวด์ ตามมาด้วย MOV และตัว Transzorb Diode

รูปที่ 11 วงจรป้องกันไฟกระโชกทางด้านสายสัญญาณ

ปัจจัยที่ใช้ตัดสินใจเลือกตัวป้องกันไฟกระโชกทางสายสัญญาณ จะขึ้นอยู่กับแฟกเตอร์ดังต่อไปนี้

ก) แรงดันทำงาน (Operating Voltage) การเลือกตัวป้องกันไฟกระโชกทางด้านสายสัญญาณ จะต้องเลือกให้ค่าแรงดัน Clamping ของตัวป้องกันสูงกว่าแรงดันทำงาน (ค่าระดับแรงดันไฟฟ้าสูงสุดที่ปรากฏในสายสัญญาณ) แต่จะต้องไม่มีค่าที่สูงเกินไป เพราะจะทำให้ค่าระดับแรงดันไฟฟ้าปล่อยผ่านสูงตามไปด้วย

ตัวอย่างเช่น สายสัญญาณที่มีแรงดันทำงาน 24 Vdc มีค่ากระแสไฟฟ้า 4-20 mA ไหลอยู่ในวงจร สำหรับค่าแรงดัน Clamping ที่เหมาะสมกับสายสัญญาณเส้นนี้ คือ 36 V สภาวะปกติ

ข) กระแสทำงาน (Operating Current) การป้องกันไฟกระโชกทางด้านสายสัญญาณ จะอาศัยตัวป้องกันในลักษณะ Multistage ดังรูปที่ 11 ซึ่งจะมีค่าอิมพีแดนซ์ต่ออนุกรมอยู่กับสายสัญญาณ อิมพีแดนซ์ในที่นี้อาจจะหมายถึงตัวต้านทานหรือตัวอินดักเตอร์ เราจะต้องตรวจสอบให้เกิดความมั่นใจว่า ค่าแรงดันไฟฟ้าที่ตกคร่อมอิมพีแดนซ์ ไม่มีผลกระทบต่อการทำงานของระบบงานใน

ค) ความถี่ทำงาน (Operating Frequency) ความสามารถในการตอบสนองทางความถี่ของ MOV และ Transzorb Diode จะถูกจำกัดด้วยค่าคาปาซิแตนซ์แอบแฝงในตัวของมัน ดังนั้นสายสัญญาณที่มีความสูง จึงไม่เป็นการสมควรเป็นอย่างยิ่งต่อการนำ MOV กับ Transzorb Diode มาทำหน้าที่ในการป้องกัน ตลอดถึงการนำวงจรกรองความถี่ต่ำผ่าน (Low pass Filter) ไปใช้งานในระบบงานงานที่สัญญาณเป็นสัญญาณแบบดิจิตอล ซึ่งรูปคลื่นสัญญาณดิจิตอลมีลักษณะเป็นสี่เหลี่ยม (Square wave) ผลการทำงานของวงจรกรองความถี่ต่ำอาจจะส่งผลกระทบให้สัญญาณดิจิตอลเกิดความไม่ถูกต้อง ท้ายที่สุดแล้วหากสายสัญญาณดังกล่าวเป็นทางผ่านของสัญญาณความถี่สูง คงจะมีเพียง Gas Arrester  เท่านั้นที่จะมีความเหมาะสมในการนำมาทำหน้าที่ป้องกัน ซึ่ง Gas Arrester จะมีค่าคาปาซิแตนซ์แอบแฝงประมาณ 1 pF   สามารถนำไปป้องกันในสายสัญญาณความถี่สูงถึงย่าน GHz โดยจะต้องดำเนินการต่อ Gas Arrester เข้ากับสายสัญญาณและส่วนการชีลด์ให้สมบูรณ์ แหละถ้าเป็นไปได้ตัวถังที่บรรจุตัว Gas Arrester หรือ Enclosure ควรจะออกแบบให้ด้านเข้าและด้านออกมีลักษณะเป็น Spark Gap เพื่อช่วยในการลดค่าแรงดันไฟฟ้าปล่อยผ่าน

การประยุกต์ (Application)

อ้างอิงรูปที่ 12 ซึ่งเป็นการแสดงให้เห็นสายสัญญาณที่ติดตั้งอยู่ระหว่างอาคาร 2 อาคาร  ผลกระทบจากปรากฏการณ์ฟ้าผ่า จะส่งผลให้กระแสไฟกระโชกแยกไหลออกเป็นสองทิศทางตามสายสัญญาณสู่ระบบงานในตัวอาคารทั้งสองด้าน ยังผลให้เกิดความเสียหายต่อตัวระบบงานที่อยู่ปลายทางของสายสัญญาณทั้งสองด้าน

ก) อิทธิพลจากฟ้าผ่าตรง (Direct strike) กระแสฟ้าผ่าตรงที่ไหลลงสู่ระบบกราวด์ (ระบบดิน) ย่อมทำให้เกิดความศักย์ไฟฟ้าขึ้นระหว่างระบบกราวด์ของอาคารทั้งสอง ก่อให้เกิดเป็นวงรอบกระแสดิน (Ground Loop Current) โดยจะมีทิศทางไหลผ่านทางสายสัญญาณ ระบบงานปลายทางของสายสัญญาณทางสองด้าน แล้วกลับมาครบวงจรที่ระบบกราวด์ การแก้ปัญหาเราจะต้องดำเนินการต่อระบบกราวด์ของทั้งสองอาคารเข้าด้วยกัน (Single Ground Point)

ข) อิทธิพลจากการเหนี่ยวนำ (Induction) สนามไฟฟ้าที่เกิดขึ้นในบริเวณรอบ ๆ จุดเกิดปรากฏการณ์ฟ้าผ่า สามารถคัปเปิล กลายเป็นไฟกระโชกปรากฏขึ้นที่สายสัญญาณ (หรือสายตัวนำต่าง ๆ ในระบบงาน) และไหลเข้าไปสร้างความเสียหายให้เกิดขึ้นกับระบบงานที่ต่ออยู่ตรงปลายสายทั้งสองด้าน การแก้ปัญหาเราจะต้องดำเนินการติดตั้งตัวป้องกันไฟกระโชกทางสายสัญญาณทั้งสองด้านของปลายสายสัญญาณ

รูปที่ 12 การป้องกันทางด้านสายสัญญาณ 

การป้องกันระบบ SCADA (SCADA System Protections)

ระบบงานด้านสื่อสารจะเป็นตัวกลางในการเป็นเส้นทางลำเลียงข้อมูลต่าง ๆ จาก RTU สู่สถานีหลัก ระบบงานสื่อสารบางแห่งก็ตั้งอยู่บนภูเขา บางแห่งก็ตั้งอยู่บนพื้นที่ราบทั่ว ๆ ไป ผลลัพธ์ที่เกิดขึ้นในภาคสนาม ระบบสื่อสารมักจะได้รับความเสียหายจากผลกระทบของปรากฏการณ์ฟ้าผ่าอย่างหลีกหนีไม่พ้น

รูปที่ 13 แสดงให้เห็นถึงโครงร่างของระบบสื่อสาร ซึ่งปัจจัยที่จะต้องดำเนินการเพื่อป้องกันผลกระทบจากปรากฏการณ์ฟ้าผ่าได้แก่

ก) การป้องกันฟ้าผ่าตรง (Direct Strike Protection) การป้องกันฟ้าผ่าตรง กระทำได้โดยการติดตั้งหัวล่อฟ้าบนเสารับ-ส่งสัญญาณหรือตำแหน่งสูงสุดบนตัวอาคาร โดยจะต้องมีความสูงที่สามารถครอบคลุมเสาอากาศ (Antenna) ที่ติดตั้งอยู่บนเสารับ-ส่งสัญญาณ หากอ้างอิงตามหลักการ Franklin Rod คือ มุม 45 องศา และนอกเหนือจากสายตัวนำลงดิน (Down Lead) ซึ่งต่ออยู่ระหว่างหัวล่อฟ้ากับระบบกราวด์ที่เราติดตั้งแล้ว ขาของเสารับ-ส่งสัญญาณจะต้องดำเนินการต่อเข้ากับระบบกราวด์ด้วย (สามารถอ้างอิงมาตรฐานการติดตั้งของ TOT)

ข) ระบบกราวด์ (Grounding) หัวใจของการติดตั้งระบบกราวด์มีอยู่ด้วยกัน 2 หลักการใหญ่ ๆ หลักการแรกจะต้องดำเนินการติดตั้งระบบกราวด์ให้มีค่าความต้านทานต่ำที่สุด (เท่าที่สามารถ) หลักการที่สองจะต้องดำเนินการต่อกราวด์ทุกจุดในระบบงานให้ถึงกันทั้งหมด เพื่อจะได้มาซึ่งระบบกราวด์เพียงระบบเดียวในระบบงาน

ค) การต่อส่วนชีลด์ลงกราวด์ (Bonding) จะต้องดำเนินการต่อส่วนชีลด์ของสายสัญญาณลงสู่ระบบกราวด์และจุดที่จะต้องเน้นที่สุด คือ จุดหักเลี้ยวของสายสัญญาณเป็นแนวราบขนานกับพื้นเข้าสู่ตัวอาคาร

ง) เครื่องป้องกันไฟกระโชก (Surge Protection) ให้ดำเนินการติดตั้งเครื่องป้องกันไฟกระโชกทางด้านสายจ่ายกำลังไฟฟ้า สายสัญญาณทุกเส้นทางที่เชื่อมต่อเข้าสู่ตัวอาคาร

รูปที่ 13 การป้องกันระบบงานสื่อสาร

รูปที่ 14 การป้องกันระบบตรวจวัด

จากรูปที่ 14 แสดงให้เห็นถึงโครงร่างตัวอย่างของท่อส่งจ่ายก๊าซ ตัว RTU จะมีการติดตั้งอยู่ในตัวอาคาร มีสายสัญญาณ (สัญญาณอนาลอก) เชื่อมต่อจากวัสดุเซ็นเซอร์ที่ท่อส่งจ่ายก๊าซกับ RTU ความเสียหายที่เกิดขึ้นกับระบบงานจากผลกระทบของปรากฏการณ์ฟ้าผ่า สามารถจำแนกได้ 3 ลักษณะใหญ่ด้วยกัน ลักษณะแรก คือ ฟ้าผ่าตรงลงที่ตัวอาคาร ลักษณะที่สอง คือ เกิดการเหนี่ยวนำขึ้นรอบบริเวณจุดที่เกิดฟ้าผ่า และลักษณะที่สาม คือ เกิดฟ้าผ่าลงตรงบริเวณใกล้ท่อส่งจ่ายก๊าซ ซึ่งบางครั้งอาจจะมีระยะห่างออกไปจากระบบงานเป็นกิโลเมตร ก็สามารถสร้างความเสียหายได้   สำหรับหลักการป้องกันสามารถพิจารณาได้ดังนี้

ก) การป้องกันฟ้าผ่าตรง (Direct Strike Protection) สามารถดำเนินการได้โดยการติดตั้งหัวล่อฟ้า แล้วดำเนินการต่อโครงสร้างที่เป็นเหล็กของตัวอาคารลงสู่ระบบกราวด์ทั้งหมด ซึ่งมีลักษณะเดียวกับกฎของฟาราเดย์

ข) ระบบกราวด์ (Grounding) ระบบกราวด์จะต้องมีการต่อถึงกันเป็นจุดเดียวกันทั้งหมด เพื่อก่อให้เกิดความเป็น Equipotential ส่วนท่อที่มีตัวเซนเซอร์ซึ่งมีระยะห่างจากตัวอาคารมาก ให้ดำเนินการต่อท่อด้วยสายตัวนำลงสู่ระบบกราวด์ เพื่อสร้างเส้นทางการไหลของกระแสฟ้าผ่า

ค) เครื่องป้องกันไฟกระโชก (Surge Protection) ดำเนินการติดตั้งเครื่องป้องกันไฟกระโชกตรงปลายสายสัญญาณทั้งสองด้าน และป้องกันทางด้านสายจ่ายกำลังไฟฟ้า (ไม่ได้แสดงให้เห็นในรูปที่ 14)

ง) ต่อร่วมข้อต่อของท่อ (Insulated Joints) ตรงบริเวณข้อต่อของท่อ จะเป็นสาเหตุให้เกิดเป็นแรงดันไฟกระโชกค่าสูงเกิดขึ้นได้บ่อยครั้ง ก่อให้เกิดการอาร์กขึ้นระหว่างข้อต่อ การป้องกันที่เหมาะสมที่สุดให้ดำเนินการต่อ Gas Arresters คร่อมข้อต่อเอาไว้ เพราะช่วงเวลาที่เกิดแรงดันไฟกระโชก จุดทั้งสองจะถูกต่อเข้าด้วยกันอย่างอัตโนมัติ แต่ในสภาวะปกติจุดทั้งสองจะแยกจากกัน (Insulated)

สรุป

นอกเหนือจากความเข้าใจในหลักการป้องกันฟ้าผ่าให้กับระบบ SCADA และหลักการทำงานของอุปกรณ์ป้องกันไฟกระโชกแล้ว อีกเรื่องหนึ่งที่จะต้องให้ความสำคัญในลำดับต่อมา นั่นคือ โหมดการป้องกัน โดยโหมดการป้องกันสามารถแยกได้ 2 โหมด คือ โหมดการต่อร่วม (Common Mode): L-G กับ Differential Mode: L-L และ L-N หากขาดการป้องกันในโหมดใดโหมดหนึ่ง ระบบงานก็ยังคงไม่มีความปลอดภัยต่อไฟกระโชกอย่างสมบูรณ์

เอกสารอ้างอิง

1.       วัฒนา แก้วดุก, “PQ01-TVSS : Transient Voltage Surge Suppressions”,  www.op-po.net,  2004

2.       Wilson E. Kazibwe, Musoke H. Sendaula “Electric Power Quality Control Techniques”, Van Nostrand Reinhold

3.       J. L. Norman Violette, Dorald  R. J. White, Michael F. Violette, "Electromagnetic Compatibility handbook”, Van Nostrand Reinhold

4.       Siemens, Matsushita “SIOV Metal Oxide Varistors”  

5.       Haris semiconductor, “Transient Voltage Suppression Devices”

6.       NZS/AS1768-1991, Australian, New Zealand Standard “Lightning Protection”

7.       IEEE Std. C62.41-1992  “IEEE Recommended Practice on Surge Voltage in Low-Voltage AC Power Circuit”