ถึงแม้ว่าระบบต่อลงดิน (Grounding System) เป็นเรื่องที่สำคัญของการออกแบบและติดตั้งทางไฟฟ้า แต่ก็เป็นเรื่องที่มีความไม่เข้าใจมากที่สุดเรื่อง หนึ่ง ผลจากความเข้าใจผิดในการออกแบบและติดตั้งระบบต่อลงดินที่ไม่ถูกต้อง ทำให้เกิดความเสียหายที่มีมูลค่าไม่น้อย รวมถึงทำให้เกิดผลกระทบต่อการทำธุรกิจขององค์กร ในบทความนี้ต้องการนำเสนอคำถามที่พบบ่อย ๆ ของระบบต่อลงดินและกระแสรั่วลงดินพร้อมคำตอบ เชิญท่านผู้อ่านติดตามรายละเอียดที่น่าสนใจได้เลยครับ

1. ระบบต่อลงดินโดยตรง (Solidly Grounded)

2. ระบบต่อลงดินด้วยตัวต้านทานมีค่าต่ำ (Low Resistance Grounded: LRG)

3. ระบบต่อลงดินด้วยตัวต้านทานมีค่าสูง (High Resistance Grounded: HRG)

4. Insulated neutral (Ungrounded)

รูปที่ 1 ไดอะแกรมของ Direct Solidly Grounded System แสดงสายเฟสลงดิน (Phase to Ground Fault) และเส้นทางของกระแสรั่วลงดิน (Ground Fault Current Path)

ในกรณีของระบบต่อลงดินโดยตรงตามรูปที่ 1 จะไม่มีอิมพีแดนซ์ต่ออยู่ที่วงจรของสายเส้นศูนย์กับดิน (Neutral to Ground) แต่สายเส้นศูนย์จะต่อลงดินโดยตรง ในระหว่างที่เกิดกระแสรั่วลงดิน แรงดันเฟสกับดิน (Phase to Ground Voltage) จะมีค่าคงที่และกระแสรั่วลงดินจะมีค่าสูงมากจนอาจจะทำให้เกิดความเสียหายกับระบบไฟฟ้าได้ อุปกรณ์ป้องกันตัวที่อยู่ที่ใกล้ที่สุดกับจุดที่เกิดกระแสรั่วลงดินจะทำงานเปิดวงจรเร็วที่สุด

รูปที่ 2 ไดอะแกรมของระบบต่อลงดินชนิด Low Resistance Grounding System แสดงสายเฟสลงดิน (Phase to Ground Fault) และเส้นทางของกระแสรั่วลงดิน (Ground Fault Current Path) ตัวต้านทานที่ต่อลงดิน (Ground Resistor) จะจำกัดปริมาณกระแสรั่วลงดิน

ในกรณีของระบบต่อลงดินด้วยตัวต้านทานมีค่าต่ำ (Low Resistance Grounded: LRG) ตามรูปที่ 2 ในระหว่างที่เกิดกระแสรั่วลงดิน ค่าของกระแสรั่วลงดินจะถูกจำกัดและควบคุมไว้ระหว่าง 25 แอมแปร์ และ 1,000 แอมแปร์ และค่าแรงดันของเฟสกับดินของวงจรที่ไม่เกิดความผิดพร่อง (Un Faulted Phase) จะมีค่าเพิ่มขึ้นเท่ากับ แรงดันระหว่างเฟส (Phase to Phase Voltage Level) ดังนั้นการออกแบบระบบรวมถึงอุปกรณ์ที่เกี่ยวข้องต้องมีฉนวนที่ทนต่อแรงดันระหว่างเฟสได้ เครื่องตัดวงจรไฟฟ้าเมื่อกระแสรั่วลงดิน (Ground Fault Circuit Interrupter) ต้องทำงานเปิดวงจรได้อย่างรวดเร็ว ความเสียหายที่เกิดจากกระแสรั่วลงดินของระบบต่อลงดินชนิดนี้มีไม่มาก โดยตัวต้านทานของสายเส้นศูนย์กับดิน (Neutral Grounding Resistor) เป็นชนิด Short Time Rated ปกติไม่เกิน 10 วินาที

รูปที่ 3 ไดอะแกรมของระบบต่อลงดินชนิด High Resistance Grounding System แสดงสายเฟสลงดิน (Phase to Ground Fault) และเส้นทางของกระแสรั่วลงดิน (Ground Fault Current Path) ตัวต้านทานที่ต่อลงดิน (Ground Resistor) จะจำกัดปริมาณกระแสรั่วลงดินให้มีค่าต่ำมาก ทำให้ระบบยังทำงานอยู่ได้ขณะที่เกิดความผิดพร่องขึ้น

ในกรณีของระบบต่อลงดินด้วยตัวต้านทานมีค่าสูง (High Resistance Grounded: HRG) ตามที่แสดงในรูปที่ 3 กระแสรั่วลงดินจะมีค่าไม่เกิน 10 แอมแปร์ ความต้องการของการใช้ระบบต่อลงดินชนิดนี้ก็คือ ต้องการให้ระบบไฟฟ้ากำลังยังทำงานได้อย่างต่อเนื่องตลอดช่วงของการเกิดกระแสรั่วลงดิน แรงดันเฟสของวงจรที่ไม่เกิดความผิดพร่องจะมีค่าเพิ่มขึ้นเท่ากับแรงดันระหว่างเฟส ฉนวนของระบบไฟฟ้าต้องมีค่าพิกัดไม่น้อยกว่าแรงดันระหว่างเฟส ตัวต้านทานต่อลงดิน (Grounding Resistor) ต้องมีพิกัดทำงานอย่างต่อเนื่องโดยต้องทนต่อกระแส Let Through ในขณะเกิดกระแสรั่วลงดินเป็นเวลานาน

รูปที่ 4 ไดอะแกรมของระบบต่อลงดินชนิด Ungrounded System แสดงสายเฟสลงดิน (Phase to Ground Fault) และเส้นทางของกระแสรั่วลงดิน (Ground Fault Current Path) กระแสรั่วลงดินเกิดจากตัวเก็บประจุของระบบเทียบกับดิน (System Capacitance to Earth) ของวงจรเฟสที่ไม่ผิดพร่อง (Un Faulted Phase) กระแสรั่วลงดินจะมีค่าน้อยมาก ระบบไฟฟ้ากำลังจะทำงานได้อย่างต่อเนื่องตลอดช่วงของการเกิดการผิดพร่อง

ในกรณีของระบบต่อลงดินชนิด Ungrounded System จะไม่มีอิมพีแดนซ์ต่อลงดิน ในขณะที่เกิดความผิดพร่องขึ้น กระแสรั่วลงดินจะเกิดจากตัวเก็บประจุของระบบเทียบกับดินของวงจรเฟสที่ไม่ผิดพร่อง (Un Faulted Phase) กระแสรั่วลงดินจะมีค่าน้อยมากและระบบไฟฟ้ากำลังจะทำงานได้อย่างต่อเนื่องตลอดช่วงของการเกิดการผิดพร่องนี้

หากว่ากระแสรั่วลงดินเกิดขึ้นเป็นอาร์คไฟฟ้าจะทำให้เกิดแรงดันเกินชั่วขณะ (Transient Overvoltage) มีค่าสูง 6–8 เท่าของแรงดันเฟส ซึ่งแรงดันเกินชั่วขณะนี้จะทำให้เกิดความผิดพร่องที่จุดอื่นของระบบไฟฟ้ากำลังได้จนทำให้เกิดความผิดพร่อง Phase to Earth to Phase Fault ตามที่แสดงในรูปที่ 5 จนทำให้เกิดกระแสผิดพร่องที่มีค่าสูง (High Fault Current) และทำให้เกิดความเสียหายร้ายแรงตามมาได้

รูปที่ 5 ไดอะแกรมของระบบต่อลงดินชนิด Ungrounded System แสดง Phase to Ground to Phase Fault และเส้นทางของกระแสรั่วลงดิน (Ground Fault Current Path)

คำถามที่ 2 ระบบต่อลงดินด้วยตัวต้านทานค่าต่ำ (Low Resistance Grounded: LRG) มีข้อดีและข้อเสียอะไรบ้าง เมื่อเทียบกับระบบต่อลงดินด้วยตัวต้านทานค่าสูง (High Resistance Grounded: HRG) และมีค่าความต้านทาน (ในหน่วยเป็นโอห์ม) เท่าไรใช้กำหนดตัวต้านทานค่าต่ำ และตัวต้านทานค่าสูง

คำตอบ ความแตกต่างระหว่างระบบต่อลงดินชนิด LRG และ HRG ได้แก่ แรงดันไฟฟ้า (Voltage) ถ้าเลือกระบบต่อลงดินชนิด HRG กับระบบไฟฟ้าที่มีแรงดันพิกัดเท่ากับ 600 โวลต์หรือต่ำกว่า จะสามารถลดค่ากระแสรั่วลงดินน้อยกว่า 25 แอมแปร์ สำหรับระบบไฟฟ้าที่มีแรงดันพิกัดระหว่าง 600 โวลต์และ 5 กิโลโวลต์ เราสามารถเลือกระบบต่อลงดินชนิด LRG และ HRG อย่างใดอย่าง หนึ่ง โดยค่าความต้านทานต้องทำให้กระแส Let Through Ground Fault มากกว่ากระแส System Capacitive Charging Current  สำหรับระบบไฟฟ้าที่มีแรงดันพิกัดมากกว่า  5 กิโลโวลต์ สามารถใช้ระบบต่อลงดินชนิด LRG โดยลดกระแสรั่วลงดินอยู่ระหว่าง 25 แอมแปร์ และ 1,200 แอมแปร์ (ส่วนใหญ่ใช้ค่าประมาณ 200 แอมแปร์)

พารามิเตอร์ทางไฟฟ้าค่าต่อไปคือกระแส System Capacitive Charging Current ระบบไฟฟ้าทุกระบบจะมีค่าคาปาซิแตนซ์ที่เกิดขึ้นจากสายเคเบิล อุปกรณ์ป้องกันแรงดันเกินชั่วขณะ และตัวเก็บประจุที่ติดตั้งอยู่ในระบบไฟฟ้า โดยทั่วไปกระแส System Capacitive Charging Current จะมีค่าประมาณ 1 แอมแปร์ ต่อ 1,000 kVA ในกรณีที่จำเป็นก็สามารถคำนวณโดยอ้างอิงจากอุปกรณ์ที่ติดตั้งในระบบได้ หรือในระหว่างการทดสอบเมื่อเสร็จงาน (Commissioning & Testing) ก็สามารถวัดค่าจริงจากหน้างานได้ ในการคำนวณหาตัวต้านทานต่อลงดิน (Neutral Grounding Resistance) กระแสรั่วลงดินที่ควบคุมไว้ (I_R) ต้องมากกว่าค่ากระแส System Capacitive Charging Current คำนวณได้จากสูตรต่อไปนี้

R = V_{L – N} /I_R …………………… (1)

โดยที่ 

                R             = Neutral Grounding Resistance

                              V_{L – N}        = Line to Neutral Voltage

                I_R             = Ground Fault Current

สำหรับระบบไฟฟ้าที่แรงดันพิกัดน้อยกว่า 600 โวลต์ กระแส System Capacitive Charging Current จะมีค่าระหว่าง 1 ถึง 3 แอมแปร์ ค่ากระแสรั่วลงดินที่ใช้ในการคำนวณเท่ากับ 5 แอมแปร์ เนื่องจากกระแสรั่วลงดินน้อยกว่า 10 แอมแปร์ ดังนั้นระบบไฟฟ้าที่แรงดันพิกัด 600 โวลต์ จะใช้ระบบต่อลงดินชนิด HRG

สำหรับระบบไฟฟ้าที่แรงดันพิกัดระหว่าง 600 โวลต์ถึง 5 กิโลโวลต์ กระแส System Capacitive Charging Current มีค่าระหว่าง 1 ถึง 10 แอมแปร์ ซึ่งเป็นค่าที่กำหนดให้ใช้ระบบต่อลงดินชนิด LRG หรือ HRG อย่างใดอย่าง หนึ่ง สำหรับระบบไฟฟ้าที่แรงดันพิกัดมากกว่า 5 กิโลโวลต์ กระแส System Capacitive Charging Current มีค่ามากกว่า 25 แอมแปร์ ดังนั้นระบบต่อลงดินที่เลือกใช้จึงเป็นชนิด LRG

ความแตกต่างอีกประการหนึ่งระหว่างระบบต่อลงดินชนิด LRG และ HRG ก็คือระบบต่อลงดินชนิด HRG จะยอมให้ระบบจำหน่าย (Power Supply Distribution) ทำงานอย่างต่อเนื่องในกรณีที่เกิดกระแสรั่วลงดิน 1 จุดในระบบไฟฟ้าโดยไม่เปิดวงจรที่เกิดความผิดพร่อง ทั้งนี้กระแสรั่วลงดินที่เกิดขึ้นจะต้องไม่ทำให้เกิดอันตรายอื่น ๆ เพิ่มเติมในระบบไฟฟ้า

คำตอบ จากมาตรฐานIEEE Std 142–1991 Section 1.4.2 ให้รายละเอียดไว้ว่ามีข้อดีของระบบต่อลงดินได้แก่ มีความปลอดภัยเพิ่มขึ้น ไม่มีแรงดันเกินเกิดขึ้น และสามารถหาตำแหน่งที่เกิดกระแสรั่วลงดินได้โดยง่าย

อย่างไรก็ตามในกรณีที่เลือกใช้ระบบต่อลงดินโดยตรง (Solidly Grounded System) แทนระบบ Ungrounded System จะเป็นการยอมรับอันตรายที่อาจจะเกิดจากอาร์คไฟฟ้า (Electric Arc) และการระเบิดจากไฟฟ้า (Blast) ตามที่ระบุไว้ในมาตรฐาน IEEE Std 141–1993

1.    ลดการลุกไหม้และหลอมละลายของอุปกรณ์ไฟฟ้าที่ผิดพร่อง (Faulted Electric Equipment) เช่น สวิตซ์เกียร์ หม้อแปลงไฟฟ้า สายเคเบิล และมอเตอร์

2.     ลดแรงเครียดทางกล (Mechanical Stress) ในวงจรไฟฟ้าและอุปกรณ์ไฟฟ้าที่กระแสรั่วลงดินไหลผ่าน

3.     ลดความเสี่ยงที่จะเกิดไฟฟ้าดูดที่เกิดจากกระแสรั่วลงดินตกค้าง (Stray Ground Fault Current) ในวงจรไหลกลับ (Ground Return Path)

4.     ลดอันตรายที่อาจจะเกิดจากอาร์คไฟฟ้าและการระเบิดทางไฟฟ้า

5.     ลดโอกาสที่เกิดจากไฟกระพริบ (Momentary Line Voltage Dip) ที่เกิดขึ้นเมื่อเปิดวงจรไฟฟ้าที่เกิดความผิดพร่อง (Clear Faulted Phase)

6.    สามารถควบคุมแรงดันเกินชั่วขณะ ในเวลาเดียวกันสามารถหลีกเลี่ยงการเปิดวงจรที่ผิดพร่องในทันทีในกรณีที่เกิดกระแสรั่วลงดินเป็นครั้งแรก (กรณีที่ใช้ระบบต่อลงดินชนิด HRG)

คำถามที่ 4 ทำไมถึงต้องต่อตัวนำนิวตรอลลด้านทุติยภูมิของหม้อแปลงไฟฟ้ากำลัง Delta–Wye ลงดิน เราสามารถต่อหลอดไฟฟ้าในแต่ละเฟสลงดินเพื่อแสดงว่าเกิดกระแสรั่วลงดินขึ้นแล้วดีหรือไม่ครับ

คำตอบ เทคนิคนี้เป็นระบบ Ungrounded System จากรูปที่ 4 หลอดไฟหรี่แสดงว่าเกิดกระแสรั่วลงดินขึ้นในระบบแล้ว แต่ไม่สามารถระบุตำแหน่งที่เกิดกระแสรั่วลงดินที่แน่นอนได้ เนื่องจากระบบ Ungrounded System จะไม่มีการต่อตัวนำนิวตรอลลงดินโดยตรง (No Direct Neutral to Ground Connection) ดังนั้นจึงไม่มีเส้นทางที่กระแสรั่วลงดินจะไหลกลับไปที่แหล่งกำเนิดไฟฟ้าได้ (No Direct Return Path) ดังนั้นกระแสรั่วลงดินที่เกิดขึ้นจึงเป็นกระแส System Capacitive Charging Current ซึ่งมีขนาดเพียง 1 ถึง 3 แอมแปร์ และเนื่องจากกระแสรั่วลงดินที่มีค่าน้อยมาก จึงไม่มีเครื่องป้องกันกระแสเกินใดจะทำงานเปิดวงจรได้ กระแสรั่วลงดินก็จะยังเกิดขึ้นอยู่ในระบบไฟฟ้าจนกว่าวงจรไฟฟ้าที่ผิดพร่องจะเปิดวงจร

เอกสารอ้างอิง

1. EC&M April 2007: “From the Ground up–PQ Corner” pp. 34–40
2. www.ecmweb.com