ฟ้าผ่าและการป้องกันอันตรายจากการเกิดฟ้าผ่า

เนื่องจากฟ้าผ่าเป็นเรื่องที่อยู่เหนือการควบคุมของมนุษย์ ดังนั้นการศึกษาเกี่ยวกับฟ้าผ่าเพื่อหาทางป้องกันอันตรายที่อาจเกิดขึ้น ต้องทำความเข้าใจใน กระบวนการเกิดฟ้าผ่า แรงดันเกินที่เกิดขึ้นในระบบ อุปกรณ์ล่อฟ้า วิธีการติดตั้งอุปกรณ์ รวมถึงสายดิน เพื่อให้ความเสียหายที่เกิดขึ้นทั้งทางตรงและ ทางอ้อมลดความรุนแรงลงและอยู่ในวงจำกัด

การเกิดฟ้าผ่า

"ฟ้าผ่า" เป็นปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติ โดยเริ่มจากการก่อตัวของเมฆฟ้าผ่า (Cumulonimbus Cloud) ที่มีทั้งประจุบวกและลบอยู่ในก้อนเมฆ เมื่อการสะสมประจุ มากขึ้นก็ทำให้ศักดาไฟฟ้าระหว่างก้อนเมฆกับพื้นดินมีการพัฒนา เพิ่มสูงขึ้นจนถึงจุดสูงสุดที่ทำให้เกิดการถ่ายเทประจุไฟฟ้าปริมาณมหาศาล ระหว่างก้อนเมฆกับพื้นดิน
ที่เรียกว่า ฟ้าผ่า กระบวนการดังกล่าวมีขั้นตอนดังนี้คือ

1. เริ่มก่อตัวของประจุไฟฟ้าทั้งประจุบวก (P) และประจุลบ (N) ภายในก้อนเมฆฟ้าผ่า	2. การถ่ายเทประจุบวกและลบภายในก้อนเมฆชั้นต่างๆ โดยชั้นที่ ไม่เกิดความแปรปรวนจะแสดงศักย์ไฟฟ้าเป็นบวก และชั้นที่อยู่ต่ำ เกิดความแปรปรวนจะแสดงศักย์ไฟฟ้า เป็นลบและเคลื่อนตัวต่ำลง ตามแรงดึงดูดของโลก
3. ที่ฐานก้อนเมฆแสดงศักย์ไฟฟ้าเป็นลบเคลื่อน ตัวต่ำลงสู่พื้นดินที่มีศักย์ไฟฟ้าเป็นบวก มากกว่า	4. เมื่อก้อนเมฆเคลื่อนตัวลงต่ำทำให้ความต่างศักย์ระหว่าง ก้อนเมฆ กับพื้นดินเพิ่มสูงขึ้น
5. เกิด step leader ขึ้น มีศักย์ไฟฟ้าเป็นลบ เคลื่อนที่ลงสู่พื้นดินที่มีศักย์ไฟฟ้าเป็นบวก	6. เกิด upward streamers ขึ้น มีศักย์ไฟฟ้าเป็นบวก เคลื่อนที่ เข้าหา step leader ที่มีศักย์ไฟฟ้าเป็นลบ
7. step leader เคลื่อนที่ชนกับ upward streamers เกิด lightning channel current ขึ้นและกระแสจะเริ่มไหล	8. ประจุบวกที่พื้นดินซึ่งมีจำนวนมากเคลื่อนที่ขึ้นสู่ก้อนเมฆ ที่มีประจุ บวกน้อยกว่าเรียกกระบวนการนี้ว่า return stroke ซึ่งจะมี กระแสไหล
9. ศักย์ไฟฟ้าบริเวณฐานก้อนเมฆพยายามถ่าย ประจุ เพื่อกลับสู่สภาวะสมดุลเรียกกระบวนการ นี้ว่า J & K phenomena	10. ศักย์ไฟฟ้าลบที่อยู่สูงกว่า ส่งถ่ายประจุลบมายัง ฐานก้อน เมฆ ซึ่งแสดงศักย์ไฟฟ้าเป็นบวกมากกว่า เกิดเป็นลำแสง เรียกว่า Dart leader ถ้าการส่งถ่ายยังเหลือศักย์ไฟฟ้าลบ อยู่บริเวณฐานก้อน เมฆมีปริมาณมากเมื่อเทียบกับพื้นดิน จะทำให้เกิด ฟ้าผ่าซ้ำได้

จากรูปจะพบว่าขั้นตอนที่ 8 จะมีกระแสฟ้าผ่าไหลสูงสุดซึ่งเหมาะสมที่จะวัดค่ากระแสและนำมากำหนดค่าความต้านทาน ระหว่างแท่งกราวด์กับ remote earth เพื่อใช้ในการออกแบบระบบกราวด์ของระบบล่อฟ้าต่อไป

อุปกรณ์และการติดตั้งในระบบล่อฟ้าสำหรับเสาอากาศ

อุปกรณ์ที่ต้องใช้

1. อุปกรณ์ Air Terminal เป็นหลักล่อฟ้าที่ติดตั้งอยู่บนสุดของเสาอากาศ (กรณีที่ติดตั้งบนเสาอากาศ) ซึ่งมีรายละเอียดโดยย่อดังนี้

1.1 หัว Air Terminal เป็นแบบฟาราเดย์ (Multipoint) ทำด้วยทองแดงชุบดีบุก
1.2 ก้านต่อระหว่างหัว Air Terminal กับสาย Down Lead ทำด้วยทองแดงชุบดีบุก
1.3 ลูกถ้วยฉนวนไฟฟ้าเซรามิค ใช้เป็นตัวแยก (Isolator) ทางด้านไฟฟ้าระหว่างหัว Air Terminal กับโครงสร้างเสาอากาศ กล่าวคือเพื่อให้ทางเดินของกระแสฟ้าผ่า ที่ไหลลงสู่ดินผ่านเฉพาะที่หัว Air Terminal และสาย Down Lead ลงดินเท่านั้น ไม่ให้ผ่านโครงสร้างเสาอากาศ
1.4 ก้านยึด Air Terminal เป็นท่อเหล็กอาบสังกะสี (Hot Dip Galvanize) ขนาดเส้นผ่าศูนย์กลาง 2 นิ้ว หนา 2 มม. ยาว 4 เมตร โดยประมาณ ยึดติดอยู่บนยอด เสาอากาศ โดยปลายบนสุดของชุด Air Terminal เป็นตำแหน่งที่สูงที่สุดของเสาอากาศ

2. สายตัวนำลงดิน (Down Lead หรือ Down Conductor)

2.1 เป็นสายทองแดงหุ้มฉนวนสีดำขนาด 70 ตร.มม. ฉนวนมีอัตราทนแรงดันไฟฟ้า 750 โวลท์ สามารถทนอุณหภูมิได้ถึง 70 องศาเซลเซียส
2.2 เดินสาย down lead นี้จากบนยอดของเสาอากาศ โดยเชื่อมต่อกับก้านต่อ Air terminal แบบ exothermic ลงมาตามโครงสร้างหลักของเสาอากาศ (Main leg) ไปยังแท่งกราวด์ฟ้าผ่า (Lightning ground)

2.3 ยึดสาย down lead เข้ากับโครงเหล็กของเสาอากาศให้มั่นคงแข็งแรง และไม่ให้มีการแกว่งได้โดยใช้ clamp ยึดสายไฟทุกระยะ 3 เมตร
2.4 สาย down lead และหัว Air terminal จะถูกแยกทางไฟฟ้า (Electrical isolation) อย่างเด็ดขาดจากโครงสร้างเสาอากาศ นั่นคือกระแสฟ้าผ่าจะไหลผ่านเฉพาะที่หัว Air terminal และสาย down lead ลงดินเท่านั้นโดยไม่ผ่านโครงสร้างเสาอากาศ

บริเวณด้านล่างเสาอากาศ ให้เดินสายเชื่อมโยงเป็น ground ring รอบเสาอากาศดังรูป

1. สำหรับเสาอากาศแบบ Self Support

2. สำหรับเสาอากาศแบบ Guy Mast

สาย down lead ที่เดินลงมาให้ต่อกับแท่งกราวด์ของระบบล่อฟ้าดังรูป

2.5 (Option) อุปกรณ์ตรวจจับจำนวนครั้งและขนาดของการเกิดฟ้าผ่า (Lightning counter) โดยติดตั้งเข้ากับสาย down lead ในตำแหน่งที่สะดวกกับการตรวจสอบที่ฐาน ของเสาอากาศและมีย่านการวัดกระแสฟ้าผ่า 3 ขนาดคือ ขนาดมากกว่า 1000 แอมป์ 5000 แอมป์และ 10000 แอมป์ ทำงานโดยไม่ต้องใช้แหล่งจ่ายไฟ ตัวอย่างอุปกรณ์และ การติดตั้งแสดงดังรูป

3. กราวด์ฟ้าผ่า (Lightning ground)

3.1 เป็นแท่งกราวด์เดี่ยว ที่ทำจากท่อเหล็กอาบสังกะสี (Hot dip galvanize) เส้นผ่าศูนย์กลางประมาณ 1 นิ้ว ฝังลึกลงไปในดิน โดยกำหนดความต้านทานดินน้อยกว่า 0.5 โอห์มซึ่งเป็นค่าความต้านทานที่วัดเทียบกับ remote earth เท่านั้น
3.2 เป็นแท่งกราวด์ที่ถูกเชื่อมต่อกับสาย down lead เพียงเส้นเดียวและเป็นการเชื่อมต่อแบบ exothermic
3.3 ติดตั้งบ่อพักคอนกรีตเสริมเหล็กสำเร็จรูป (Hand hole) พร้อมฝาปิด ณ หัวแท่งกราวด์

ข้อมูล :