SPD ทำอะไร?

อุปกรณ์ป้องกันไฟกระชาก (SPD) คืออุปกรณ์ที่ใช้เพื่อป้องกันอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์จากไฟกระชากหรือแรงดันไฟฟ้าชั่วขณะ อุปกรณ์เหล่านี้เชื่อมต่อแบบขนานกับวงจรไฟฟ้าของโหลดที่ต้องการการป้องกัน และยังสามารถใช้ในเครือข่ายจ่ายไฟได้ในทุกระดับ บทความนี้จะเจาะลึกถึงหลักการทำงานของอุปกรณ์ป้องกันไฟกระชากและบทบาทสำคัญในระบบไฟฟ้า

ไฟกระชากคืออะไร?

ไฟกระชากคือแรงดันไฟฟ้าเกินชั่วขณะที่สามารถสูงถึงหลายสิบกิโลโวลต์ โดยมีระยะเวลาในระดับไมโครวินาที แม้ว่าจะมีระยะเวลาสั้นๆ แต่ปริมาณพลังงานที่สูงอาจทำให้เกิดปัญหาร้ายแรงกับอุปกรณ์ที่เชื่อมต่อกับสายไฟ เช่น การเสื่อมสภาพก่อนวัยอันควรของส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์ อุปกรณ์ขัดข้อง หรือการหยุดชะงักในการให้บริการ และความสูญเสียทางการเงิน

ที่มาของไฟกระชาก

ฟ้าผ่าเป็นที่รู้จักกันว่าเป็นแหล่งกำเนิดไฟกระชากที่สำคัญที่สุด โดยมีการบันทึกฟ้าผ่าที่มีแรงดันไฟฟ้าตั้งแต่หนึ่งล้านถึงหนึ่งพันล้านโวลต์ และกระแสไฟฟ้าระหว่าง 10,000 ถึง 200,000 แอมแปร์ อย่างไรก็ตาม ฟ้าผ่าเป็นเพียงส่วนหนึ่งของเหตุการณ์ชั่วขณะทั้งหมดในโรงงาน เนื่องจากเหตุการณ์ชั่วขณะสามารถเกิดขึ้นได้จากทั้งแหล่งภายนอก (เช่น ฟ้าผ่า) และแหล่งภายใน โรงงานควรมีทั้งระบบป้องกันฟ้าผ่าและติดตั้งอุปกรณ์ป้องกันไฟกระชาก

ฟ้าผ่า: แหล่งกำเนิดไฟกระชากที่ทำลายล้างมากที่สุด ตามมาตรฐาน IEC 61643-12 พลังงานจากฟ้าผ่าสามารถสูงถึง 200 kA อย่างไรก็ตาม สำหรับการอ้างอิง การประมาณการระบุว่า 65% น้อยกว่า 20kA และ 85% น้อยกว่า 35kA

การเหนี่ยวนำ: แหล่งที่มา ได้แก่ ฟ้าผ่าจากเมฆสู่เมฆ หรือผลกระทบจากฟ้าผ่าในบริเวณใกล้เคียง ซึ่งกระแสไฟจะเหนี่ยวนำให้เกิดแรงดันไฟฟ้าเกินบนสายจ่ายไฟหรือตัวนำโลหะอื่นๆ

ไม่มีทางที่จะรู้ได้อย่างแท้จริงว่าเมื่อใด ที่ไหน ขนาด หรือระยะเวลา/รูปคลื่นของไฟกระชาก ดังนั้น ภายในมาตรฐานจึงมีการตั้งสมมติฐานบางอย่างและได้เลือกรูปคลื่นหลัก 2 แบบเพื่อจำลองเหตุการณ์ไฟกระชากที่แตกต่างกัน:

- การนำไฟฟ้า

  การนำไฟฟ้า หรือ 10/350μs จำลองพลังงานจากผลกระทบโดยตรงจากฟ้าผ่า

- การเหนี่ยวนำ
  การเหนี่ยวนำ หรือ 8/20μs จำลองพลังงานจากผลกระทบจากฟ้าผ่าทางอ้อม

แหล่งที่มาภายใน:

- มาจากการสลับของกริดสาธารณูปโภค การตัดการเชื่อมต่อของมอเตอร์ หรือโหลดอุปนัยอื่นๆ พลังงานจากแหล่งเหล่านี้ยังถูกวิเคราะห์ด้วยรูปคลื่น 8/20

- แรงดันไฟฟ้าเกินชั่วขณะไม่ได้เกิดขึ้นเฉพาะในสายจ่ายไฟเท่านั้น และยังพบได้ทั่วไปในสายใดๆ ที่เกิดจากตัวนำโลหะ เช่น โทรศัพท์ การสื่อสาร การวัด และข้อมูล

บทบาทของอุปกรณ์ป้องกันไฟกระชาก

อุปกรณ์ป้องกันไฟกระชากควบคุมแรงดันไฟฟ้าชั่วขณะโดยการเบี่ยงเบนหรือจำกัดกระแสไฟกระชาก ปกป้องอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ละเอียดอ่อนที่เชื่อมต่อกับอุปกรณ์เหล่านั้น เช่น คอมพิวเตอร์ โทรทัศน์ เครื่องซักผ้า และวงจรความปลอดภัย (เช่น ระบบตรวจจับไฟไหม้และไฟฉุกเฉิน) อุปกรณ์เหล่านี้มีวงจรอิเล็กทรอนิกส์ที่ละเอียดอ่อนซึ่งมีแนวโน้มที่จะได้รับความเสียหายจากแรงดันไฟฟ้าเกินชั่วขณะ ดังนั้น อุปกรณ์ป้องกันไฟกระชากจึงมีบทบาทสำคัญในการปกป้องระบบติดตั้งไฟฟ้า

หากไม่มี SPD ที่เหมาะสม เหตุการณ์ชั่วขณะอาจทำให้อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์เสียหายและนำไปสู่การหยุดทำงานที่มีค่าใช้จ่ายสูง ดังนั้น ความสำคัญของอุปกรณ์ป้องกันไฟกระชากในการปกป้องอุปกรณ์ไฟฟ้าจึงไม่สามารถกล่าวเกินจริงได้

SPD ทำงานอย่างไร?

มีส่วนประกอบที่ไม่เป็นเชิงเส้นอย่างน้อยหนึ่งส่วนของ SPD ซึ่งภายใต้เงื่อนไขที่แตกต่างกัน จะเปลี่ยนระหว่างสถานะอิมพีแดนซ์สูงและต่ำ ที่แรงดันไฟฟ้าในการทำงานปกติ SPDs จะอยู่ในสถานะอิมพีแดนซ์สูงและไม่มีผลต่อระบบ เมื่อเกิดแรงดันไฟฟ้าชั่วขณะบนวงจร SPD จะเปลี่ยนไปสู่สถานะการนำไฟฟ้า (หรืออิมพีแดนซ์ต่ำ) และเบี่ยงเบนพลังงานและกระแสไฟชั่วขณะกลับไปยังแหล่งกำเนิดหรือกราวด์ ซึ่งจะจำกัดหรือหนีบแอมพลิจูดของแรงดันไฟฟ้าให้อยู่ในระดับที่ปลอดภัยกว่า หลังจากที่เบี่ยงเบนไฟชั่วขณะแล้ว SPD จะรีเซ็ตกลับไปที่สถานะอิมพีแดนซ์สูงโดยอัตโนมัติ

หลักการทำงานของอุปกรณ์ป้องกันไฟกระชากมีดังนี้:

- การทำงานปกติ

  ในกรณีที่ไม่มีไฟกระชาก อุปกรณ์ป้องกันไฟกระชากจะไม่มีผลต่อระบบที่ติดตั้งอยู่ ทำหน้าที่เป็นวงจรเปิด รักษา

  การแยกตัวระหว่างตัวนำไฟฟ้าและกราวด์

- ระหว่างไฟกระชาก
  เมื่อเกิดไฟกระชาก อุปกรณ์ป้องกันไฟกระชากจะลดอิมพีแดนซ์ลงในระดับนาโนวินาทีและเบี่ยงเบนกระแสไฟกระชาก ณ จุดนี้

  SPD ทำตัวเหมือนวงจรปิด ลัดวงจรแรงดันไฟฟ้าเกินและจำกัดไว้ที่ค่าที่ยอมรับได้สำหรับอุปกรณ์ที่เชื่อมต่อทางไฟฟ้า

  ปลายน้ำ

- หลังไฟกระชาก
  เมื่อไฟกระชากหยุดลง อุปกรณ์ป้องกันไฟกระชากจะคืนค่าอิมพีแดนซ์เดิมและกลับสู่สถานะวงจรเปิด ดำเนินการต่อ

  ตรวจสอบสภาพแรงดันไฟฟ้าในระบบไฟฟ้า

3P หรือ 4P? เมื่อใดที่จำเป็นต้องใช้ขั้ว N-PE?

อุปกรณ์ป้องกันไฟกระชาก (SPDs) ติดตั้งแบบขนานต้นน้ำจากอุปกรณ์ไฟฟ้าในตำแหน่งที่ในระหว่างเหตุการณ์แรงดันไฟฟ้าเกิน อุปกรณ์ SPD จะทำหน้าที่เป็นเส้นทางอิมพีแดนซ์ต่ำไปยังโลก ซึ่งจะนำพลังงานแรงดันไฟฟ้าสูงออกจากอุปกรณ์ปลายน้ำก่อนที่พิกัดความทนทานต่อแรงดันไฟฟ้าจะเกินขีดจำกัด จึงหลีกเลี่ยงความเสียหาย

คำถามทั่วไปเกี่ยวกับ SPDs คือความแตกต่างระหว่างการใช้งานอุปกรณ์ 3 ขั้วและ 4 ขั้ว ในกรณีของระบบสายไฟ TN-C-S ตัวนำกลางเชื่อมต่อโดยตรงกับโลก (ลิงก์ MEN) หากติดตั้ง SPD ภายใน 10 เมตรของลิงก์ MEN นี้ จำเป็นต้องใช้อุปกรณ์ 3 ขั้วเท่านั้น ขั้ว N-PE เพิ่มเติมที่จัดให้โดยอุปกรณ์ 4 ขั้วจะซ้ำซ้อนในสถานการณ์นี้ เนื่องจากมีเส้นทางไปยังโลกอยู่แล้วผ่านตัวกลางผ่านลิงก์ MEN

อย่างไรก็ตาม หากติดตั้ง SPD ที่ระยะทางมากกว่า 10 เมตรจากลิงก์ MEN จำเป็นต้องใช้ SPD 4 ขั้ว เนื่องจากอิมพีแดนซ์ไปยังโลกเพิ่มขึ้นตามความยาวสายเคเบิล พลังงานไฟกระชากจึงมีศักยภาพที่จะเข้าสู่เครือข่ายหลังจากลิงก์ MEN และทำให้อุปกรณ์ปลายน้ำเสียหาย

การจำแนกประเภทของตัวป้องกัน

อุปกรณ์ป้องกันแบ่งออกเป็นประเภทต่างๆ ตามความสามารถในการปล่อยประจุ

ประเภทที่ 1:
■ ทดสอบด้วยรูปคลื่น 10/350 μs (การทดสอบ Class I) ซึ่งจำลองกระแสไฟที่เกิดจากการโจมตีโดยตรงจากฟ้าผ่า
■ ความสามารถในการปล่อยกระแสไฟที่สูงมากไปยังโลก ทำให้มีระดับการป้องกันแรงดันไฟฟ้า Up สูง

■ ต้องมาพร้อมกับตัวป้องกัน Type 2 ปลายน้ำ ออกแบบมาเพื่อใช้ในแผงจ่ายไฟขาเข้าซึ่งมีความเสี่ยงสูงที่จะเกิดฟ้าผ่า ตัวอย่างเช่น ในอาคารที่มีระบบป้องกันภายนอก

ประเภทที่ 2:

■ ทดสอบด้วยรูปคลื่น 8/20 μs (การทดสอบ Class II) ซึ่งจำลองกระแสไฟที่เกิดจากเหตุการณ์การสลับหรือฟ้าผ่าบน
   สายจำหน่ายหรือบริเวณใกล้เคียง

■ ความสามารถในการปล่อยกระแสไฟสูงไปยังโลก ทำให้มีระดับการป้องกันแรงดันไฟฟ้า Up ปานกลาง ออกแบบมาเพื่อใช้ในแผงจ่ายไฟที่ตั้งอยู่
   ปลายน้ำของตัวป้องกัน Type 1 หรือในแผงจ่ายไฟขาเข้าในพื้นที่ที่มีการสัมผัสกับฟ้าผ่าต่ำ

ประเภทที่ 3:

■ ทดสอบด้วยรูปคลื่นรวม 1.2/50 μs - 8/20 μs (การทดสอบ Class III) ซึ่งจำลองกระแสไฟและแรงดันไฟฟ้าที่สามารถเข้าถึงอุปกรณ์
   ที่จะได้รับการปกป้อง

■ ความสามารถในการปล่อยกระแสไฟปานกลางไปยังโลก ทำให้มีระดับการป้องกันแรงดันไฟฟ้า Up ต่ำ ติดตั้งเสมอปลายน้ำของ Type 2
   การป้องกันที่ออกแบบมาเพื่อปกป้องอุปกรณ์ที่ละเอียดอ่อนหรืออุปกรณ์ที่อยู่ห่างจากอุปกรณ์ Type 2 มากกว่า 20 เมตร

คุณสมบัติ SPD ตามมาตรฐาน IEC 61643

พารามิเตอร์ตัวป้องกัน:

- Up ระดับการป้องกัน: แรงดันไฟฟ้าตกค้างสูงสุดระหว่างขั้วของอุปกรณ์ป้องกันในระหว่างการประยุกต์ใช้กระแสไฟสูงสุด

- In กระแสไฟพิกัด: กระแสไฟสูงสุดในรูปคลื่น 8/20 μs ที่อุปกรณ์ป้องกันสามารถทนได้ 20 ครั้งโดยไม่ถึงจุดสิ้นสุดของอายุการใช้งาน

- Imax กระแสไฟปล่อยสูงสุด: กระแสไฟสูงสุดที่มีรูปคลื่น 8/20 μs ที่อุปกรณ์ป้องกันสามารถทนได้

- Uc แรงดันไฟฟ้าใช้งานต่อเนื่องสูงสุด: แรงดันไฟฟ้าที่มีประสิทธิภาพสูงสุดที่สามารถใช้กับขั้วของอุปกรณ์ป้องกันได้อย่างถาวร

  อุปกรณ์

- Iimp กระแสไฟกระชาก: กระแสไฟสูงสุดที่มีรูปคลื่น 10/350 μs ที่อุปกรณ์ป้องกันสามารถทนได้โดยไม่ถึงจุดสิ้นสุดของอายุการใช้งาน

จะเริ่มต้นการออกแบบการป้องกันได้ที่ไหน?

ในฐานะที่เป็นต้นกำเนิดของการติดตั้ง แผงสวิตช์หลักคือจุดเริ่มต้นของการออกแบบ SPDs บนเครือข่าย

จะเริ่มต้นการออกแบบการป้องกันได้อย่างไร?

ดังที่กล่าวไว้ก่อนหน้านี้ การออกแบบการป้องกัน SPD ไม่ได้ขึ้นอยู่กับพิกัดความผิดพลาดที่กำหนดโดยหม้อแปลงไฟฟ้า มันขึ้นอยู่กับระดับการสัมผัสหน้าไฟกระชาก ดังนั้น เราต้องติดตั้ง SPD อะไรในแผงสวิตช์หลัก?

ดูแผนภาพด้านบนจากมาตรฐาน IEC 63205-1 ซึ่งแสดงการกระจายของฟ้าผ่าสูงสุดที่พิจารณา: 200kA @ 10/350μs

ในสถานการณ์ที่เลวร้ายที่สุด พลังงาน 50% นี้จะถูกนำออกไปสู่โลก ทำให้เกิดศักยภาพ 100kA ทั่วทั้งเครือข่าย 3 เฟสและเป็นกลาง

ขอแนะนำให้ใช้ SPD Type 1 25kA @ 10/350μs (Iimp) อย่างยิ่งสำหรับกรณีที่ฟ้าผ่าลงบนหรือใกล้กับการเชื่อมต่อสายดินของอาคาร โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่ออาคารมีสายล่อฟ้า

ใน “สถานการณ์ปกติ” ถือว่าฟ้าผ่าโดยตรงไปยังเครือข่ายจะอยู่ห่างจากการติดตั้งในระยะทางที่พลังงานอีก 50% จะกระจายไปยังโลกผ่านตัวนำอื่นๆ ก่อนเข้าสู่จุดเชื่อมต่อของคุณ ในสถานการณ์นี้ ขอแนะนำให้ใช้อุปกรณ์ที่มี Type 1 12.5kA @ 10/350μs (Iimp) นอกจากนี้ ตามมาตรฐาน IEC 61643-12 12.5 kA เป็นพิกัด kA ขั้นต่ำเมื่อจำเป็นต้องใช้ Type 1

หากระดับการสัมผัสของการติดตั้งต่ำกว่าสถานการณ์ที่อธิบายไว้ข้างต้น อาจพิจารณาใช้ Type 2 SPD (Imax) พร้อมกับความเสี่ยงและต้นทุนของอุปกรณ์และการหยุดทำงาน

ฉันจำเป็นต้องติดตั้งอุปกรณ์ป้องกันไฟกระชากในระยะที่สามหรือไม่?

อาจพิจารณาติดตั้งอุปกรณ์ป้องกันไฟกระชากในระยะที่สามที่โหลดสุดท้าย ขึ้นอยู่กับว่าโหลดนั้นเป็นอย่างไร มีความสำคัญ ราคาแพง ต้นทุนการหยุดทำงาน และมีความละเอียดอ่อนเพียงใด หากต้นทุนของอุปกรณ์และ/หรือการหยุดทำงานสูง การติดตั้งอุปกรณ์ Type 3 (1.5/50μs) ในระยะที่สามจะช่วยลดความเสี่ยงของพลังงานไฟกระชากสุดท้ายที่จะเข้าสู่อุปกรณ์ของคุณ

ตัวอย่างการใช้งานที่ควรมีอุปกรณ์ป้องกันไฟกระชากในระยะที่ 3 ได้แก่:

■ โรงพยาบาล

■ ศูนย์ข้อมูล
■ สนามบิน
■ การธนาคารและการประกันภัย
■ การขนส่ง