ระบบสายดิน และ ระบบป้องกันฟ้า

ระบบสายดิน และ ระบบป้องกันฟ้า
(GROUNDING AND LIGHTNING PROTECTION)

บทนำ
ระบบสายดิน และระบบป้องกันฟ้า เป็นเครื่องมือที่สำคัญที่สุด ที่จะป้องกันการบาดเจ็บของบุคลากร และอุปกรณ์เสียหาย การรบกวนของแม่เหล็กไฟฟ้า (EMI) ปัญหาจากการติดตั้ง ยังมีความจำเป็นต้องพิจารณาเพิ่มเติม grounding และ bonding ให้มีประสิทธิภาพ หลักการและแนวปฏิบัติของระบบ grounding และระบบป้องกันฟ้านี้ จะให้ข้อเท็จจริงพื้นฐานเพื่อใช้ตรวจสอบประเภท และจำนวนของ grounding และระบบป้องกันฟ้า ให้กับระบบ สื่อสาร-อิเล็กทรอนิกส์ อุปกรณ์ตต่างๆ และ ระบบทั่วไป

วัติถุประสวค์
เพื่อเป็นข้อมูลที่จะช่วยกระตุ้นให้ วิศวกรติดตั้ง และบุคคลเกี่ยวข้องโดยตรง ตระหนักและเห็นความสำคัญ พิจารณาความจำเป็น ชนิด และจำนวนของอุปกรณ์ป้องกันที่มีอยู่เป็นเกณฑ์พิจารณา ชนิดและจำนวนของระบบป้องกันที่จำเป็น ก่อนเริ่มต้นการติดตั้งเครื่องมือและอุปกรณ์

ขอบเขต
รายละเอียดนี้มากพอที่จะใช้เป็นข้อมูลอ้างอิงพื้นฐาน สำหรับพิจารณาทำระบบสายดิน และระบบป้องกันฟ้า ให้กับอุปกรณ์วิทยุ; เรดาร์,ไมโครเวฟ ,การแพร่กระจายคลื่น, อุปกรณ์อุตุนิยมวิทยา, สิ่งอำนวยความสะดวก. ระบบอุปกรณ์ต่างๆ รวมถึงระบบสายดินและระบบป้องกันฟ้า ของไฟฟ้ากำลัง และระบบทั่วไป ข้อมูลนี้จะช่วยให้วิศวกรระบบและผู้เกี่ยวข้องสามารถตัดสินใจในการใช้หรือทำระบบสายดินและระบบป้องกันฟ้าได้อย่างเหมาะสม ข้อมูลทั่วไปประกอบด้วย
- พื้นฐานระบบสายดิน (BASIC PRINCIPLE OF GROUNDING)
- พื้นฐานระบบป้องกันฟ้า (BASIC PRINCIPLE OF LIGHTNING PROTECTION)
- การนำไปใช้ (APPLICATION)
- การซ่อมบำรุงทั่วไป (GENARAL MAINTENANCE PROCEDURES)
- เปรียบเทียบการมีระบบสายดินกับไม่มีระบบสายดิน (GROUND SYSTEMS VS. UNGROUND SYSTEMS)

หลักการพื้นฐานของสายดิน
(BASIC PRINCIPLE OF GROUNDING)
วัตถุประสงค์หลักของระบบสายดิน สำหรับอุปกรณ์ และ ระบบต่างๆ คือการให้ความปลอดภัยกับบุคคล. ซึ่งจะเป็นผลได้โดยมั่นใจได้ว่าอุปกรณ์ทั้งหมด สายอากาศ หรือโครงสร้างโดยเฉพาะที่เป็นโลหะ เช่น โครงมอเตอร์ ไดนาโม ชุดควบคุม ท่อร้อยสาย รางน้ำ กล่องอุปกรณ์ที่เคลื่อนที่ได้ หอ และอาคารบ้านเรือน เป็นต้น ควรมีสายดินที่ดีมีค่าความต่างศักยเทียบเท่าดิน เพื่อลดความเป็นไปได้ที่จะทำให้เกิดไฟฟ้าดูดเมื่อไปสัมผัสส่วนต่างๆของอุปกรณ์เหล่านี้
รองลงมาระบบสายดินที่ดีจะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการทำงานและความต่อเนื่องในการซ่อมบำรุงให้กับอุปกรณ์. ระบบสายดินที่ผิด เป็นอันตรายอย่างยิ่ง อาจทำให้เกิด การผสมสัญญาณภายในผิดพลาด, มีสัญญาณรบกวน, สัญญาณขัดข้อง และอุปกรณ์เสียหาย หรือผิดเพี้ยน
พิจารณาลักษณะของดิน และสภาพภูมิอากาศสิ่งแวดล้อมที่แตกต่างกันอย่างยิ่ง การปรับสภาพดินให้เหมือนกันทุกท้องที่ย่อมเป็นไปไม่ได้ ในช่วงก่อนการติดตั้งจะต้องพิจารณา วางแผนขั้นตอนการทำระบบสายดินให้เหมาะสม รวมทั้ง ระบบไฟฟ้า หรือแหล่งจ่ายไฟฟ้าอื่นๆ ให้มีการเชื่อมต่อระบบสายดินทีมีประสิทธิภาพ

คุณสมบัติของดิน (CHARACTERISTICS OF GROUNDS)
ระบบสายดิน หรือ การเชื่อมต่อสายดิน (ground or ground connection) คือการเชื่อมต่อกับดิน โดยใช้แท่งโลหะ (ground rod), โลหะรูปตัวที (T), แท่งเหล็กชุบ (galvanized หรือทองแดง), ฝังท่อน้ำ, แผ่น ground plate ฝัง, สายหรือสายเคเบิลสำหรับสายดินความต้านทานของดิน (ground resistance) เป็นค่าความต้านทานทางไฟฟ้า การไหลของกระแสไฟระหว่างดินและเครื่องมืออุปกรณ์ เมื่อใช้อุปกรณ์สายดิน เช่น แท่งหรือแผ่นฝัง ตั้งแต่สองตัวหรือมากกว่าเชื่อมต่อแบบขนาน ค่าของความต้านทานจะใช้การคำนวณแบบขนาน
องค์ประกอบของค่าความต้านทานของดิน (component of ground resistance)
ค่าความต้านทานของดินเป็นผลจากปัจจัย ต่อไปนี้
- ค่าความต้านทานของสายที่ใช้ และจุดเชื่อมต่อระหว่างสายกับกับขั้วแท่งหรือแผ่นฝัง
- ค่าความต้านทานของแท่งโลหะ (ground rod), แผ่นฝัง หรือวัสดุที่ใช้
- ค่าต้านทานในการสัมผัสระหว่าง แท่ง , แผ่นฝัง หรือวัสดุที่ใช้ กับดิน
- ค่าความต้านทานของดินที่จุดนั้น (earth (soil) resistance)
หมายเหตุ ค่าความต้านทานของดิน (earth (soil) resistance) คือ ค่าความต้านทานเฉพาะที่เฉพาะจุด ใช้เสมือนแหล่งตั้งต้นค่าความต้านทานของดิน ค่านี้จะเปลี่ยนแปลงไปตามภูมิประเทศและสภาวะแวดล้อม ซึ่งค่านี้จะใช้ในการอ้างอิงถึงในการติดตั้งอุปกรณ์

ความต้องการในการเชื่อมต่อของสายดิน (requirements of a satisfactory ground connection) การใช้งานส่วนใหญ่จะไม่ค่อยคำนึงถึงจุดเชื่อมต่อของสายดินให้เป็นไปตามข้อกำหนด แท่งโลหะหรือแผ่นโลหะที่ฝังลงไปในพื้นดิน ตัวมันเองจะต้องมีจุดสัมผัสที่ดีนำไฟฟ้าได้ดี และสามารถทนต่อการกัดกร่อนได้ดีในขณะที่อยู่ในดินและสัมผัสกับดิน นอกจากนั้นจะต้องทนต่อรอยขูดขีดและมีพื้นที่สัมผัสกับดินเพื่อทำให้ความต้านทานอยู่ในเกณฑ์ที่กำหนด ความต้านทานนี้จะต้องคงที่ตลอดฤดูกาลของปี และจะไม่ถูกกระทบจากสิ่งที่คาดไม่ถึงจากผลของกระแสหมุนเวียน (circulating current) ที่เกิกจากอุปกรณ์เครื่องมือ หรือจากการเชื่อมต่อไว้ การออกแบบติดตั้ง จะต้องให้สั้นที่สุด จุดเชื่อมต่อต้องคงทน มีความต้านทาน DC และ AC ต่ำ รองรับกระแสสูงได้ การออกแบบ ติดตั้งต้องสมบูรณ์ และง่ายต่อก่รซ่อมบำรุง

ปัจจัยที่กระทบต่อความต้านทานของพื้นดิน (factors affecting earth resistance) ย่านความต้านทานของพื้นดินแต่ละจุด จะแตกต่างกันไปจากหลาย ohms หลายล้าน ohms ซึ่งเป็นผลเนื่องจากการเกิดปฏิกริยาของไฟฟ้าทางเคมีที่กระทำต่อดินในสภาวะต่างๆ เช่น ความชื้น อุณหภูมิและองค์ประกอบของดิน ปัจจัยผลกระทบดังกล่าวได้กล่าวในส่วนต่อไป
ย่านความต้านทานของดินประเภทต่างๆ (range of resistivity for different kinds of soil)
ตัวอย่างชั้นดินสองชั้นที่มักพบอยู่ด้วยกันเสมอ คือดินชั้นบนมักจะอุดมไปด้วยแร่ธาตุ มีความแห้งและ เป็นตัวนำที่ไม่ดี หน้าดินชั้นบนจะมีความหนาประมาณ ตั้งแต่ 0 ถึง 6 นิ้ว ชั้นดินจริง solum จะอยู่ใต้และติดกับชั้นหน้าดิน ปกติจะชุ่มชื้น แต่อาจไม่มีสารที่จะทำให้เป็นตัวนำที่ดีก็ได้ การแยกชนิดของดินส่วนใหญ่ค่อนข้างง่าย อย่างไรก็ตามการศึกษาประเภทของดินให้ถ่องแท้จะทำให้ได้ค่าความต้านทานที่แน่นอน จากข้อมูลที่เก็บโดยสำนักมาตรฐานในความแตกต่างกันของดิน โดยใช้แท่ง ground rod ยาว 5 ฟุต ตอกลงไปในดินเหลือส่วนที่พ้นพื้นดินไว้ 5/8 นี้ว แล้ววัดค่าความต้านทาน ในหลายๆพื้นที่ของประเทศสหรัฐ พบว่าในดินเหนียว ระบบ grounding พอใช้ได้ แต่อาจไม่ดีในสภาพดินปนทราย และยังมีผลแสดงให้เห็นว่าดินที่มีตวามคล้ายคลึงกันจากสถานที่ต่างกันบางครั้งจะแตกต่างกันมาก 200 ถึง 300 เปอร์เซ็นต์
ผลกระทบจากความชื้นของดิน (Effect of moisture content on soil resistivity)
ผลกระทบของความชื้นของดินต่อค่าความต้านทานดิน แสดงค่าความชื้นเป็นเปอร์เซ็นต์ โดยน้ำหนัก ของดินที่แห้ง การทดสอบดินเหนียวสีแดงที่ความชื้นน้อยกว่า 22 เปอร์เซ็นต์ ถ้าค่อยๆลดควาชื้นลงจะทำให้ค่าความต้านทานเพิ่มขึ้นทันที แสดงให้เห็นว่าความชื้นมีความสำคัญมีผลให้ความต้านทานแตกต่าง จะเห็นว่าค่าความต้านทานของดินที่ต่ำ ความชื้นอย่างเดียวไม่ใช่ปัจจัยต่อการเปลี่ยนแปลงความต้านทานของดิน ตัวอย่างเช่นการตอกแท่งโลหะ (ground rod) ลงไปในท้องลำธารบนภูเขา ค่าความต้านทานอาจจะสูงได้หากดินที่ตรงนั้นไม่มีองค์ประกอบที่เหมาะสม ดังนั้นความชื้นไม่ได้แก้ไขปัญหาที่จะทำให้ความต้านทานต่ำลง แม้ว่าน้ำเค็มเป็นปัจจัยร่วมให้สายดินดีขึ้น แต่ชนิดของดินตรงนั้นอาจไม่ทำให้ควมต้านทานต่ำตามที่ตั้งใจได้
ความแตกต่างของค่าความต้านทานของดินสองชนิด เมื่อความชื้นเพิ่มขึ้น เมื่อพื้นดินแห้ง ตัวอย่างหนึ่งง มีค่าความต้านทานที่ 109 ohms ต่อลูกบาศก์เซนติเมตร. ค่าความต้านทานของอีกตัวอย่างจะแตกต่างกันอย่างมาก ที่ความชื้น 30 เปอร์เซ็นต์ วัดได้ 6,400 ohms และอีกอันหนึ่งวัดได้ 4,200 ohms
ผลกระทบของอุณหภูมิต่อความต้านทานของดิน (Effect of temperature on soil resistivity)
ที่ต่ำกว่า 0 องศาเซลเซียส (32 ฟาเรนไฮน์) น้ำในดินแข็งตัว อุรหภูมิลดลงทำให้ มีผลเป็นอย่างมากต่อความต้านทานของดิน เนื่องจากอุณหภูมิลดลงความต้านทานของดินจะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว ความสัมพันธ์ของความต้านทานของดิน กับการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิในดิน ผลของอุณหภูมิต่อความต้านทานในทราย ที่ความชื้น 15.2 เปอร์เซ็นต์ และเปลี่ยนแปลงจาก 20 เซลเซียส (68 ° F) ถึง 15 เซลเซียส (5 ฟาเรนไฮน์) ในช่วงนี้มีความแตกต่างกันจาก 7.200 ถึง 330,000 ohms ต่อลูกบาศก์เซนติเมตร การเปลี่ยนแปลงระหว่างตวามต้านทานของดินเหนียวสีแดงที่มีความชื้น 18.6 เปอร์เซ็นต์ ที่อุณหภูมิของ -15 เซลเซียส (5 ° F) ถึง 1.11 เซลเซียส (34 ° F) การเปลี่ยนของความต้านทานจาก 35,000 ถึง 1,000 ohms ต่อลูกบาศก์เซนติเมตร ทั้งสองตัวอย่างของดินจะเห็นได้ว่ามีการเปลี่ยนแปลงความต้านทานเด่นชัดในอุณหภูมิต่ำกว่าจุดเยือกแข็ง