เสิร์จ (Surge) มหันตภัยร้ายที่แอบจู่โจมระบบไฟฟ้า

“Surge” เสิร์จ เป็นคำเรียกอย่างไม่เป็นทางการ หมายถึงสภาวะที่แรงดันในระบบไฟฟ้าสูงเกินไปชั่วครู่ อันเนื่องมาจากการเหนี่ยวนำของสภาวะต่างๆ มีผลทำให้คุณภาพไฟฟ้า เช่น ขนาดของแรงดัน (voltage), กระแสไฟฟ้า (current) เกิดการเปลี่ยนแปลงแบบฉับพลันกะทันหัน ถือเป็นรูปแบบหนึ่งของความไม่ปกติทางด้านคุณภาพกำลังไฟฟ้า

ปัญหาคุณภาพกำลังไฟฟ้าเป็นปัญหาที่เกิดขึ้นอยู่เสมอ ยากที่จะหลีกเลี่ยงได้ และส่งผลกระทบต่อผู้ใช้ไฟทุกระดับ โดยเฉพาะอย่างยิ่งภาคธุรกิจและภาคอุตสาหกรรมในยุค Industry 4.0 ซึ่งมีการใช้ระบบคอมพิวเตอร์และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์จำนวนมากในการดำเนินกิจการและควบคุมกระบวนการผลิต

อุปกรณ์คอมพิวเตอร์ อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ และอุปกรณ์ไฟฟ้าต่างๆ เหล่านี้ได้รับการพัฒนาให้มีโครงสร้างขนาดเล็กลง มีไมโครโพรเซสเซอร์ (microprocessor) หรือไมโครคอนโทรลเลอร์ (microcontroller) เป็นตัวควบคุม และมีวงจรไฟฟ้าที่ประกอบขึ้นจากชิ้นส่วนของสารกึ่งตัวนำประเภทซิลิคอนจำนวนมาก ความอัจฉริยะที่เพิ่มมากขึ้นจึงมาพร้อมกับความเปราะบางและความอ่อนไหวเป็นเงาตามตัวไปด้วย

การผันแปรของคุณภาพกำลังไฟฟ้า ไม่ว่าจะเป็นการเปลี่ยนแปลงของค่าแรงดัน, กระแสไฟฟ้า หรือความถี่ ที่เกิดขึ้นอย่างทันทีทันใด อาจส่งผลให้กระบวนการผลิตหยุดชะงัก ข้อมูลสำคัญสูญหาย หรือทำให้อุปกรณ์ต่างๆ ทำงานผิดเพี้ยนหรือเสียหาย นำมาซึ่งการสูญเสียโอกาสทางธุรกิจ ซึ่งก่อให้เกิดมูลค่าความเสียหายต่อองค์กรอย่างยากที่จะประเมินค่าได้

การทำความเข้าใจถึงสาเหตุและผลกระทบของปัญหาอาจเกิดขึ้นในระบบไฟฟ้า จะช่วยให้เราสามารถเตรียมความพร้อมเพื่อรับมือและหาแนวทางป้องกันความเสียหายที่อาจจะเกิดขึ้นได้

บทความนี้จะพาท่านมาทำความเข้าใจกับปัญหาที่เรียกว่า เสิร์จ (Surge) ซึ่งเกิดจากการที่ไฟฟ้ากระชากหรือไฟเกินนั่นเอง

Surge คืออะไร?

          “เสิร์จ” (Surge) เป็นคำเรียกอย่างไม่เป็นทางการ หมายถึงสภาวะที่แรงดันในระบบไฟฟ้าสูงเกินไปชั่วครู่ (ไม่เกิน 1 นาที) อันเนื่องมาจากการเหนี่ยวนำของสภาวะต่างๆ มีผลทำให้คุณภาพไฟฟ้า (Power Quality : PQ) เช่น ขนาดของแรงดัน (voltage), กระแสไฟฟ้า (current) หรือความถี่ทางไฟฟ้า (frequency) เกิดการเปลี่ยนแปลงแบบฉับพลันกะทันหัน ถือเป็นรูปแบบหนึ่งของความไม่ปกติทางด้านคุณภาพกำลังไฟฟ้า (Power Quality Disturbance)

“เสิร์จ” (Surge) เกิดได้จากหลายสาเหตุ ไม่ว่าจะเป็นการปิด-เปิดอุปกรณ์ไฟฟ้า (Loads) ที่มีกำลังขนาดใหญ่, ระบบส่งกำลังไฟฟ้าเกิดลัดวงจร หรือจากความผิดปกติ (Faults) ของระบบไฟฟ้า รวมไปถึงเกิดจากปรากฏการณ์ตามธรรมชาติ (ทั้งฟ้าผ่าโดยตรงหรือฟ้าผ่าบริเวณใกล้เคียง)

ในทางทฤษฎีแล้ว ภาวะแรงดันไฟฟ้าสูงเกินปกติ สามารถจำแนกได้ออกเป็นหลายชนิด ตามที่นิยามไว้ในมาตรฐานสากลต่างๆ อาทิ มาตรฐาน IEEE 1159-2019 และมาตรฐาน IEC 61000-4-30 เป็นต้น

IEEE : Institute of Electrical and Electronics Engineer

IEC : International Electro technical Commission

อย่างไรก็ดี คำจำกัดความเฉพาะ (Terminology) ของภาวะแรงดันไฟฟ้าสูงเกินปกติที่เรียกว่า “เสิร์จ” (Surge) ยังคงมีความคลุมเครือไม่ชัดเจน

• บางแหล่งข้อมูล อ้างอิงว่า Surge หมายถึงภาวะแรงดันไฟฟ้าสูงชนิด Transient
• บางแหล่งข้อมูล อ้างอิงว่า Surge หมายถึงภาวะแรงดันไฟฟ้าสูงชนิด Swell

ซึ่งทั้งสองอย่างมีความแตกต่างกันในหลายประเด็น ทั้งในแง่ของห้วงระยะเวลาที่เกิดเหตุการณ์ (Duration) และขนาดที่ใช้บ่งชี้ความรุนแรง

เสิร์จ (Surge) แบ่งเป็นกี่ชนิด

ดังที่กล่าวแล้วว่า คำว่า “เสิร์จ” (Surge) เป็นคำกว้างๆ ที่สื่อถึงภาวะแรงดันไฟฟ้าสูงเกินปกติอย่างอย่างกะทันหัน ซึ่งในทางทฤษฎีอาจจะหมายถึง Transient หรือ Swell ก็ได้ ซึ่งมาตรฐานสากล IEEE 1159-2019 ได้นิยามรูปแบบลักษณะของภาวะแรงดันไฟฟ้าสูงเกินปกติ ไว้ดังนี้

• ภาวะแรงดันไฟฟ้าสูงเกินชั่วขณะ (TRANSIENT)
       ทรานส์เซียนต์ (Transient) หรือที่เรียกกันในมาตรฐานสากล version ฉบับก่อนๆ ว่า VFTO (Very Fast Transient Overvoltages) และเรียกกันโดยทั่วไปในภาษาไทยว่า ไฟกระโชก หรือไฟกระชาก
       คือ การที่ไฟฟ้ามีการเปลี่ยนแปลงในขนาดของแรงดัน (voltage) หรือกระแส (current) เพิ่มสูงขึ้นจากระดับปกติอย่างฉับพลันทันทีในเสี้ยวเวลาที่สั้นมากๆ หรือในชั่วพริบตา (transient duration) ระดับมิลลิวินาที (ms) หรือไมโครวินาที (µs) หรือนาโนวินาที (ns)
  โดยอาจจะเป็นการเปลี่ยนแปลงในขนาดของแรงดัน (voltage) หรือกระแส (current) อย่างใดอย่างหนึ่งหรือทั้งสองอย่าง แต่ไม่มีการเปลี่ยนแปลงของความถี่กําลังไฟฟ้าในสภาวะคงที่ (Steady State)
  ส่วนใหญ่มักมีสาเหตุมาจากปรากฏการณ์ฟ้าผ่า, การสับหรือปลดอุปกรณ์ตัวเก็บประจุ (capacitor bank) ขนาดใหญ่ในระบบไฟฟ้า หรือจากความผิดพร่อง (Fault) ในระบบสายส่ง (Transmission System) และระบบจำหน่าย (Distribution System) ของการไฟฟ้า
  โดยทั่วไปเหตุการณ์ Transient มักจบภายในรอบคลื่นเดียว (decay to zero within a cycle) หากพิจารณาลักษณะรูปคลื่นสัญญาณไฟฟ้า (power waveform) ที่ปรากฏ จะมีอัตราการเพิ่มขึ้นของแรงดันหรือกระแสด้วยความชันสูงมากลักษณะคล้ายหนาม จึงมีคำเรียกอย่างไม่เป็นทางการว่า Spike ที่แปลว่าหนามนั่นเอง
  ทั้งนี้ Transient สามารถแบ่งออกได้เป็น 2 ชนิด คือ อิมพัลส์ (Impulse) และการสั่น (Oscillation)
  1. ภาวะแรงดันไฟฟ้าสูงเกินชั่วขณะ แบบอิมพัลส์ (Impulsive Transient หรือ Impulse)
     คือ Transient ที่มีการเปลี่ยนแปลงไปในขั้วทิศทางเดียว คือเป็นบวกหรือลบทิศทางใดทิศทางหนึ่ง (positive or negative) มักมีสาเหตุเกิดจากฟ้าผ่าซึ่งเป็นปรากฏการณ์ทางธรรมชาติImpulse สามารถจำแนกย่อยได้อีก 3 รูปแบบ โดยจำแนกตามช่วงเวลาไต่ขึ้น (rise time) ของ Impulse นั้น
     * Rise time หมายถึง ระยะเวลานับตั้งแต่เริ่มเกิดการเปลี่ยนแปลงไปจาก steady state จนถึงจุดสูงสุดของเหตุการณ์ (Magnitude) ซึ่งจะตรงข้างกับช่วงเวลาตก (Fall time หรือ Decay time)1.1) Nanosecond Impulse เป็น Impulse ที่มีช่วงเวลาไต่ขึ้น (rise time) เท่ากับ 5 ns (nanoseconds)และช่วงเวลาที่เกิด (duration) น้อยกว่า 50 ns (nanoseconds)

     1.2) Microsecond Impulse เป็น Impulse ที่มีช่วงเวลาไต่ขึ้น (rise time) เท่ากับ 1 µs (microseconds) และช่วงเวลาที่เกิด (duration) อยู่ระหว่าง 50 ns (nanoseconds) ถึง 1 ms (milliseconds)                                                 

     1.3) Millisecond Impulse เป็น Impulse ที่มีช่วงเวลาไต่ขึ้น (rise time) เท่ากับ 0.1 ms (milliseconds) และช่วงเวลาที่เกิด (duration) มากกว่า 1 ms (milliseconds)

  2. ภาวะแรงดันไฟฟ้าสูงเกินชั่วขณะ แบบสั่น (Oscillatory Transient)
     คือ Transient ที่มีการเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วทันทีทันใดไปในทั้ง 2 ทิศทาง (ทั้งขั้วบวกและขั้วลบ) หากพิจารณารูปคลื่นจะพบว่ามีการแกว่งกวัดขึ้นลงของเส้นคลื่น สาเหตุส่วนใหญ่เกิดจากการสวิตชิงของตัวเก็บประจุแรงสูงขนาดใหญ่ (Switching Capacitor) หรือการต่อโหลดที่เป็นมอเตอร์ไฟฟ้าเข้าสู่ระบบ เป็นต้นOscillatory Transient สามารถจำแนกตามส่วนประกอบความถี่ปฐมภูมิ (Predominant Frequency หรือ Spectral Content) ได้เป็น 3 รูปแบบ
     2.1) Low-frequency Oscillatory Transient (การสั่นแบบชั่วขณะความถี่ต่ำ)
     มีส่วนประกอบความถี่ปฐมภูมิ น้อยกว่า 5 kHz
     มีช่วงเวลา (duration) ตั้งแต่ 0.3 ถึง 50 มิลลิวินาที
     ส่วนใหญ่จะเกิดขึ้นในส่วนของระบบสายส่งย่อย (subtransmission system)
     และระบบจำหน่าย (distribution System) ของการไฟฟ้าฯ ซึ่งเกิดจากการกระตุ้นชุดตัวเก็บประจุ (capacitor bank energization) ส่งผลทำให้เกิดการแกว่งกวัดในช่วงความถี่ระหว่าง 300 – 900 Hz2.2) Medium-frequency Oscillatory Transient (การสั่นแบบชั่วขณะความถี่ปานกลาง)
     มีส่วนประกอบความถี่ปฐมภูมิ 5 – 500 kHz
     มีช่วงเวลา (duration) ระดับสิบไมโครวินาที (Up to 20µs)
     สาเหตุส่วนใหญ่เกิดจากการสวิตชิงชุดตัวเก็บประจุขณะที่มีตัวเก็บประจุกําลังต่ออยู่ก่อน (back-to-back capacitor energization)

     2.3) High-frequency Oscillatory Transient (การสั่นแบบชั่วขณะความถี่สูง)
     มีส่วนประกอบความถี่ปฐมภูมิมากกว่า 500 kHz (0.5 MHz)
     มีช่วงเวลา (duration) ระดับไมโครวินาที (Up to 5µs)
     สาเหตุส่วนใหญ่เกิดจากปัญหาอิมพัลส์ในระบบไฟฟ้า ส่งผลทำให้เกิดการสั่นชั่วขณะ (Oscillation) ของคลื่นสัญญาณไฟฟ้า
     

• ภาวะแรงดันไฟฟ้าสูงเกินชั่วครู่ (SWELL)สเวลล์ (Swell) หรือที่เรียกกันในมาตรฐานสากล version ฉบับก่อนๆ ว่า TOVs (Temporary Over-voltages) และเนื่องจาก Swell ในภาษาอังกฤษแปลว่าบวม ดังนั้นจึงมีบางแหล่งอ้างอิงเรียกว่า “ไฟฟ้าบวม” หรือ “ไฟบวม” ในภาษาไทยคือ การที่กระแสไฟฟ้าไหลมามากเกินชั่วขณะในห้วงเวลาสั้นๆ (Short Duration) เป็นระยะเวลาระหว่างครึ่งรอบคลื่นถึง 1 นาที (0.5 cycle – 1 min)*
  * นานกว่า Transients
  * ความถี่ (f) ของระบบไฟฟ้าในประเทศไทย คือ 50Hz หรือ 50 รอบต่อ 1 วินาที (s)
  ดังนั้น หนึ่งคาบเวลา (T) จึงเท่ากับ 0.02 วินาทีต่อรอบ และครึ่งคาบหรือครึ่งรอบ (0.5 cycle) ก็คือ 0.01 วินาที หรือ 10 มิลลิวินาที (ms)ทำให้ค่าแรงดัน RMS มีขนาดเพิ่มขึ้น คืออยู่ระหว่าง 1.1 – 1.8 pu (เพิ่มขึ้นมากกว่า 10 – 80% ของแรงดันปกติ)

  ภาวะแรงดันไฟเกินชั่วครู่ (Swell) อาจแบ่งออกได้เป็นสามระดับตามระยะเวลา rise time ของเหตุการณ์
  – กรณีที่ rise time อยู่ระหว่าง 0.5 cycle – 30 cycle เรียก Instantaneous Swells
  – กรณีที่ rise time อยู่ระหว่าง 30 cycle – 3 วินาที เรียก Momentary Swells
  – กรณีที่ rise time อยู่ระหว่าง 3 วินาที – 1 นาที เรียก Temporary Swells

  สาเหตุหลักที่ทำให้เกิด Swell ที่พบได้บ่อย คือ การเกิดความผิดพร่องแบบเฟสเดียว (single line-to-ground fault) โดยเฟสที่เกิด fault จะเกิดปัญหาแรงดันเกินชั่วครู่หรือเกิดไฟฟ้าดับ ส่งผลกระทบทำให้เฟสข้างเคียงเกิดแรงดันเกินชั่วครู่ขึ้น นอกจากนี้ยังอาจเกิดขึ้นเนื่องจากการปลดโหลดขนาดใหญ่ที่ใช้กำลังไฟฟ้าสูง (Heavy Loads) ออกจากระบบ หรือมีการต่อชุดตัวเก็บประจุ (capacitor bank) เข้าสู่ระบบไฟฟ้า เป็นต้น
  ตามที่ได้กล่าวไปแล้วก่อนหน้าว่า “เสิร์จ” (Surge) เป็นคำกว้างๆ ที่คำจำกัดความยังคงมีความคลุมเครือไม่ชัดเจน ทั้งภาวะแรงดันไฟฟ้าสูงเกินชั่วขณะ (Transient) และภาวะแรงดันไฟฟ้าสูงเกินชั่วครู่ (Swell) ต่างได้รับการเรียกขนานแบบสับสนและไม่เป็นทางการว่า “เสิร์จ” (Surge) ทั้งคู่

  อย่างไรก็ตาม สิ่งที่มีความชัดเจนประการหนึ่งก็คือ คำว่า “เสิร์จ” (Surge) จะไม่หมายรวมถึงภาวะแรงดันไฟฟ้าสูงเกิน ที่มีความยาวนานมากกว่า 1 นาที ซึ่งมาตรฐานสากลต่างๆ จะเรียกภาวะเช่นนี้ว่า Overvoltage

• ภาวะแรงดันไฟฟ้าเกิน (OVERVOLTAGE)คือ การที่กระแสไฟฟ้าไหลมามากเกิน ทำให้ค่าแรงดัน RMS มีขนาดเพิ่มขึ้นเกินกว่า 1.1 pu (เพิ่มขึ้นมากกว่า 10%) ที่ความถี่เท่าเดิม โดยมีระยะเวลา rise time เป็นเวลานานเกินกว่า 1 นาที
  * โดยส่วนใหญ่ ค่าแรงดัน RMS ในภาวะ Overvoltage จะอยู่ระหว่าง 1.1 – 1.2 pu (เพิ่มขึ้น 10 – 20%)อาจมีสาเหตุเกิดขึ้นจากปลดโหลดขนาดใหญ่ออกจากระบบ, การจ่ายพลังงานให้กับตัวเก็บประจุ (Capacitor), การชดเชยค่ากําลังรีแอกทีพ (reactive power) ในช่วงไม่มีโหลดมากเกินไป หรือความผิดพลาดในการปรับตัวเปลี่ยนจุดแยก (tap changer) ของหม้อแปลง (transformer) ที่ไม่เหมาะสมกับสภาพโหลด (Incorrect tap settings on transformers) เป็นต้นภาวะรบกวน (disturbance) ที่มีระยะเวลาของเหตุการณ์ (event duration) ยาวนานกว่า 1 นาทีนี้ มาตรฐานสากลต่างๆ ทางไฟฟ้า จะ classify ว่าเป็น Long duration disturbance

  ดังนั้น แม้ว่า Surge จะเป็นภาวะที่แรงดันไฟฟ้าสูงเกิน แต่โปรดสังเกตและระมัดระวังความสับสน เพราะภาวะแรงดันไฟฟ้าเกิน (Overvoltage) นั้นไม่จัดว่าเป็นเสิร์จ

ผลกระทบที่เกิดขึ้นจากเสิร์จ

เสิร์จ (Surge) เป็นปัญหาทางไฟฟ้าที่พบได้บ่อยและสร้างความเสียหายได้อย่างมากมาย

แรงดันเสิร์จที่เกิดขึ้นอย่างฉับพลันจากการเหนี่ยวนำของสนามแม่เหล็กไฟฟ้าจากสภาวะต่างๆ สามารถปะปนเข้ามาโดยผ่านได้ทั้งสายไฟ (Power Lines) เข้าสู่ระบบไฟฟ้า หรือผ่านสายสัญญาณ (Data Lines) เข้าสู่ระบบสื่อสาร และทำให้เกิดปัญหารบกวนการทำงานของเครื่องจักร, อุปกรณ์ไฟฟ้า หรือชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ต่างๆ ในระบบได้ หรืออาจมีผลทำให้อุปกรณ์ต่างๆ ที่ต่อใช้งานอยู่ได้รับความเสียหายได้ โดยเฉพาะอุปกรณ์ที่มีความไวและอ่อนไหวต่อแรงดันเสิร์จ (Sensitive Loads) เช่น คอมพิวเตอร์ หรืออุปกรณ์ที่มีวงจรอิเล็กทรอนิกส์ที่มีความคงทนต่ำ

Surge ที่มีขนาดการเปลี่ยนแปลงสูงมากๆ ของค่าแรงดันหรือกระแสไฟฟ้า สามารถทำให้การฉนวน (Insulation) ของระบบไฟฟ้าเสียหาย เนื่องจากอุปกรณ์ต่างๆ ในระบบจะได้รับความเครียดสนามไฟฟ้าสูงกว่าความคงทนของไดอิเล็กทริก (Dielectric Strength) ที่ออกแบบไว้ อย่างไรก็ดี Surge ที่มีค่าโวลต์ต่ำ แต่หากมีระยะเวลาที่เกิดนาน ก็มีพลังงานสะสมมากพอที่จะทำให้อุปกรณ์เสียหายได้

อุปกรณ์หรือโหลดที่มีความอ่อนไหว (Sensitive Loads) ที่มักจะได้รับผลกระทบจากปัญหาเสิร์จ (Surge) ได้แก่ คอมพิวเตอร์, อุปกรณ์ในระบบสื่อสาร, อุปกรณ์ควบคุมทางไฟฟ้า, อุปกรณ์ Power supply, ระบบรักษาความปลอดภัย, เครื่องมืออุปกรณ์วิทยาศาสตร์, อุปกรณ์ PLC* เป็นต้น

* Programmable Logic Control เป็นอุปกรณ์ควบคุมการทำงานของเครื่องจักรหรือกระบวนการทำงานต่างๆ ในโรงงานอุตสาหกรรม

โดยความรุนแรงจะขึ้นอยู่กับ

• ขนาดของแรงดันเกิน (Voltage Magnitude)
• ช่วงเวลาของการเกิดแรงดันเกิน (Time Duration)
• รูปคลื่นของแรงดันเกิน (Wave Shape)
• ความบ่อยครั้งของการเกิดแรงดันเกิน (Frequency of Occurrence)
• ผลกระทบที่เกิดขึ้นกับฉนวนที่เป็นของแข็ง ของเหลว หรือก๊าซ

ความเสียหายที่เกิดขึ้นอาจมีได้ทั้งรูปแบบที่มองเห็นได้ด้วยตาหรือสามารถรับรู้อย่างชัดเจน (Visible Consequences) อาทิ

• ความชำรุดเสียหายทางกายภาพ (physical damages)

เช่น มอเตอร์ไหม้หรือพัง (หรืออาจถึงขั้นระเบิด หากอุปกรณ์นั้นไม่สามารถทนแรงดันเกินที่รุนแรงได้)

• การทำงานหยุดชะงัก (stoppages)
• ระบบล่ม (Downtime)
• ระบบสื่อสารติดๆ ขัดๆ เนื่องจากการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า (Electromagnetic Interference)
• ข้อมูลที่สำคัญสูญหาย เนื่องจากหน่วยความจำของคอมพิวเตอร์ถูกทำลาย
• เกิดเพลิงไหม้

ฯลฯ

หรืออาจจะเป็นความเสียหายที่ไม่อาจรับรู้หรือยากที่จะมองเห็นได้ด้วยตาเปล่า (Invisible Consequences) เช่น

• การเสื่อมสภาพเร็วกว่าปกติ
• อายุการใช้งานที่ลดลง
• ประสิทธิภาพในการทำงานที่ลดลง
• การทำงานที่ผิดพลาดคลาดเคลื่อน
• ความสูญเสียด้านเวลา และโอกาสทางธุรกิจ

ฯลฯ

เหล่านี้ล้วนเป็นต้นทุนความสูญเสียที่ยากจะประเมินค่าความเสียหาย นอกจากนั้นความสูญเสียอาจจะไม่ใช่เพียงด้านทรัพย์สินหรือธุรกิจแต่เพียงอย่างเดียว แต่ยังอาจจะนำมาซึ่งความอันตรายต่อความปลอดภัยในชีวิตของบุคคลอีกด้วย

สาเหตุของการเกิด Surge

Surge อาจเกิดขึ้นได้จากหลายเหตุปัจจัย แต่เราอาจแบ่งแหล่งกำเนิดของสาเหตุที่ทำให้เกิด Surge ได้เป็น 2 ประเภท ได้แก่ แหล่งกำเนิดภายนอก (External Source) และแหล่งกำเนิดภายใน (Internal Source)

1. สาเหตุของแรงดันเกิดที่เกิดจากแหล่งกำเนิดภายนอก (External Source)
             Surge ที่มีต้นกำเนิดมาจากภายนอกของระบบไฟฟ้า ขนาดของแรงดันเสิร์จ (Surge Voltage) ที่เกิดขึ้นจะไม่ได้ขึ้นอยู่กับแรงดันไฟฟ้าของระบบ ตัวอย่างของสาเหตุแรงดันเกินจากภายนอก ได้แก่
   • ปรากฏการณ์ธรรมชาติ เช่น ฝนตกฟ้าคะนอง, พายุ, ฟ้าผ่า และแผ่นดินไหว ฯลฯ

   สภาพอากาศที่แปรปรวน โดยเฉพาะช่วงหน้าฝน ที่มีฝนตกหนัก หรือมีพายุแรง ฟ้าร้อง และอาจมีฟ้าผ่าด้วย ส่งผลให้การจ่ายไฟไปอุปกรณ์ไม่สม่ำเสมอ เพราะในขณะที่ฝนตก ค่าความชื้นในอากาศจะสูงขึ้น ซึ่งภายใต้ภาวะที่มีความชื้นสูงเกินกว่าปกติ จะทำให้ระบบไฟฟ้าทำงานได้ไม่มีประสิทธิภาพ และส่งผลให้เกิดไฟฟ้าลัดวงจรได้ง่ายด้วย

   ฟ้าผ่า (Lightning Strike) เป็นปรากฏการณ์ธรรมชาติที่ทำให้กระแสไฟฟ้าขนาดหลายพันแอมแปร์ (Ampere) จนถึงหลายร้อยกิโลแอมแปร์ (kA) ไหลลงสู่ระบบไฟฟ้า เกิดเป็นอิมพัลส์ (impulse) ที่มีแรงดันเกินขนาดสูง โดยมีระยะเวลาในการเกิดสั้นมาก (Transient Duration) ระดับไมโครวินาที ก่อนที่ค่าจะลดลง

   กลไกการกำเนิดของฟ้าผ่าเกิดขึ้นเมื่อมีการสะสมของประจุไฟฟ้าที่ก้อนเมฆ ขณะเดียวกันก็จะเกิดประจุชนิดตรงกันข้ามที่มีปริมาณเท่ากันสะสมอยู่ที่บริเวณผิวดินใต้ก้อนเมฆด้วย เมื่อประจุไฟฟ้าสะสมอยู่ที่ก้อนเมฆและผิวดินจนมีความต่างศักย์ทางไฟฟ้าหลายล้านโวลต์ จะเกิดการถ่ายเทประจุจากก้อนเมฆลงสู่พื้นดิน

   กระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำนี้อาจมีขนาดตั้งแต่ 2,000 A (2 kA) ถึง 200,000 A (200 kA) และพลังงานเฉลี่ยที่เกิดขึ้นอาจมีมากถึง 55 kWh และเกิดขึ้นอย่างรวดเร็วในช่วงเวลาสั้นมากๆ ตั้งแต่ 10 – 100 ms (microseconds) หรือน้อยกว่า ซึ่งอัตราการเพิ่มขึ้นของกระแสไฟฟ้าที่สูงถึง 200 kA/ms นี้จะทำให้เกิด Impulse ที่มีขนาดแรงดันไฟฟ้าที่สูงมาก

   กระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำจากฟ้าผ่าที่มีขนาดสูงสุดที่เคยบันทึกมา คือ 210 kA แม้ว่าโอกาสเกิดขึ้นจะมีเพียง 0.5% เท่านั้นในพื้นที่มีฝนฟ้าคะนอง แต่ฟ้าผ่าโดยทั่วไปที่มีขนาดกระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำจากน้อยกว่านั้นอาจเกิดขึ้นได้บ่อยครั้ง และสร้างความเสียหายร้ายแรงต่ออุปกรณ์ในระบบไฟฟ้าได้เช่นกัน

   ทั้งนี้ เราสามารถเรียก Transient ที่มีสาเหตุจากฟ้าผ่านี้ว่า เสิร์จฟ้าผ่า (Lightning Surge)

   เสิร์จฟ้าผ่า (Lightning Surge) อาจจะเกิดจากการที่ฟ้าผ่าลงมาโดยตรง (direct lightning strike) หรือเกิดจากการที่ฟ้าผ่าลงมาในบริเวณใกล้เคียง (indirect lightning strike) ที่ส่งผลให้เกิดการวาบไฟตามผิวตีกลับ (back flashover) ของลูกถ้วย (insulator) จากแรงดันเกินฟ้าผ่าก็ได้ โดยกระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำจากฟ้าผ่า (Induced Current) สามารถไหลตามสายส่งของการไฟฟ้าหรือสายเมนไฟฟ้า (Main AC Line) เข้าภายในอาคารผ่านไปยังอุปกรณ์ไฟฟ้าต่างๆ ก่อนที่จะไหลลงดิน (Ground) ในที่สุด

   • การปลด-สับสวิตช์อัตโนมัติของสถานีไฟฟ้าย่อย (Utility Switching)

   การปลด-สับสวิตช์อัตโนมัติของสถานีไฟฟ้าย่อย (Utility Switching) เป็นหนึ่งในสาเหตุจากภายนอกที่ทำให้เกิดเสิร์จได้ (External Surge) เนื่องจากการที่สายส่งของการไฟฟ้าฯ หยุดทำงานไป และกลับมาทำงานใหม่อย่างกะทันหัน จะทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงของกระแสไฟฟ้าในสายส่งแบบกระทันหัน และเราสามารถเรียกแรงดันเกินที่เกิดจากกระบวนการสวิตชิงนี้ว่า แรงดันเกินสวิตชิง (Switching Overvoltage) ซึ่งอาจแสดงด้วยสมการคณิตศาสตร์ v = di/dt

   ขนาด (Amplitude) ของแรงดันเกินสวิตชิง (Switching Overvoltage) จากภายนอกนี้ จะมีขนาดน้อยกว่าแรงดันไฟฟ้าเกินชั่วขณะที่เกิดจากฟ้าผ่า (Lightning Overvoltage)

   • การเกิดสภาวะผิดพร่อง (Fault) ทางไฟฟ้า ในระบบสายส่ง (Transmission System) และระบบจำหน่าย (Distribution System) ของการไฟฟ้า

   เช่น การเสียหายของสายส่ง (Power Line) หรือหม้อแปลงไฟฟ้า (Power Transformer) อันเนื่องจากอุบัติเหตุรถชนเสาไฟฟ้าหรือมีสัตว์ทำให้ไฟฟ้าลัดวงจร ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงพลังงานที่เก็บสะสมอยู่ในรูปของสนามไฟฟ้าที่เกิดขึ้นจากค่าความจุไฟฟ้าของสายส่งอย่างทันทีทันใด และเกิดการแกว่งของแรงดันไฟฟ้าผ่านเข้ามาภายในอาคารได้ ช่วงเวลาการเกิดอยู่ในช่วงสิบถึงหลายร้อยไมโครวินาที

   • กระบวนการสวิชชิง (Switching Operation) ของการไฟฟ้า
          – การกระตุ้นสายส่ง (Line Energization)
     รูปร่างและลักษณะของแรงดันเกินในกรณีของการกระตุ้นสายส่งขึ้นอยู่กับอิมพีแดนซ์ (impedance) ของสายส่ง ชนิดของแหล่งกำเนิดไฟฟ้า และตำแหน่งของการทำงานของอุปกรณ์ตัดตอน เช่น เซอร์กิตเบรกเกอร์ องค์ประกอบความถี่ของสวิตชิงเสิร์จ (Switching Surge) อยู่ในช่วงหลายร้อยกิโลเฮิรตซ์ และช่วงเวลาอยู่ระหว่าง 10 – 40 มิลลิวินาที
          – การสวิตชิงของขดลวดเหนี่ยวนําและหม้อแปลง (Reactor and Transformer Switching)
     การกระตุ้น (energize) อุปกรณ์ที่มีแกนเหล็กสามารถทำให้เกิดการอิ่มตัวและกระแสพุ่งเข้า (inrush current) ซึ่งมีองค์ประกอบของความถี่ตั้งแต่ 50 Hz ถึงหลาย ร้อยกิโลเฮิรตซ์ การปลดอุปกรณ์เหล่านี้สามารถทำให้เกิดภาวะชั่วครู่ที่มีความถี่สูงขึ้น
     – การสวิตชิงตัวเก็บประจุ (Capacitor Bank Switching)
     การกระตุ้นตัวเก็บประจุ หรือการปิดซ้ำของเซอร์กิตเบรกเกอร์ (Restrike of Circuit Breaker) ระหว่างช่วงเวลากระตุ้นและปลด ส่งผลทำให้เกิดกระแสพุ่งเข้าที่มีขนาดและความถี่เป็นกิโลเฮิรตซ์
2. สาเหตุของแรงดันเกิดที่เกิดจากแหล่งกำเนิดภายใน (Internal Source)
             Surge ที่เกิดขึ้นโดยทั่วไป 60 – 80% มักมีต้นกำเนิดมาจากระบบไฟฟ้าภายใน ซึ่งอาจจะเกิดจากการทำงานตามปกติ เช่น การเปิด-ปิดวงจร (Switching) หรือเกิดจากการทำงานที่ผิดปกติ เช่น เกิดความผิดพร่อง (Fault) ขึ้นในระบบไฟฟ้า โดยขนาดของแรงดันเกินที่เกิดขึ้นจะขึ้นอยู่กับระดับแรงดันไฟฟ้าของระบบ ตัวอย่างของสาเหตุแรงดันเกินจากภายใน ได้แก่

• การปลด-สับวงจรไฟฟ้า (Switching Operation)
            ในการทำงานของเครื่องจักร, มอเตอร์ และอุปกรณ์ไฟฟ้า ย่อมต้องมีการปิด-เปิดวงจร (Switch On-Off) เป็นเรื่องปกติ กระบวนการสวิตชิงนี้ทำให้ระบบไฟฟ้าซึ่งมีองค์ประกอบพื้นฐานประกอบด้วย ค่าความต้านทาน (resistance), ค่าความเหนี่ยวนำ (inductance) และค่าความจุไฟฟ้า (capacitance) มีการเปลี่ยนแปลงของสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กอย่างกะทันหัน ส่งผลทำให้แรงดันไฟฟ้าในวงจรมีการเปลี่ยนแปลงในรูปแบบของแรงดันเกินสวิชชิ่ง (Switching Overvoltage)
            แรงดันเกินสวิตชิงที่เกิดจากการปิด-เปิดวงจรไฟฟ้า จะมีลักษณะและขนาดที่แตกต่างกัน ขึ้นอยู่กับสถานะเริ่มต้นของวงจรไฟฟ้า และการทำงานของอุปกรณ์ปลด-สับวงจรในระบบ ตัวอย่างของ operation ที่ทำให้เกิดแรงดันสวิตชิง ได้แก่
  – การต่อชุดตัวเก็บประจุกําลัง (Capacitor) เข้าสู่ระบบไฟฟ้า
  – การปลดโหลดออกจากระบบ (Load Rejection) โดยเฉพาะการปลดโหลดไฟฟ้าที่มีขนาดใหญ่ (Large Loads หรือ Heavy Loads) เช่น การหยุดเดินของเครื่องจักรที่มีมอเตอร์ขนาดใหญ่กินไฟมาก เนื่องจากอุปกรณ์เหล่านี้เมื่อหยุดทำงาน แรงดันไฟฟ้าส่วนหนึ่งที่เหลืออยู่ในมอเตอร์จะไหลกลับเข้าระบบไฟฟ้า ทำให้เกิดแรงดันไฟฟ้าสูงเกินชั่วขณะ
• ความผิดพร่องในระบบไฟฟ้าภายใน (Internal Faults)
            อาทิ การต่อลงดินที่ไม่ถูกต้อง (Poor Grounding) หรือความผิดพร่องอื่นๆ ที่เป็นเหตุให้อุปกรณ์ปลด-สับวงจรและอุปกรณ์ป้องกัน (Protective Device) ทำงาน ยกตัวอย่างเช่น
            เมื่อเกิดการลัดวงจร เซอร์กิตเบรกเกอร์ (Circuit Breaker) จะทำการตัดตอนไฟฟ้า (interrupt) ซึ่งจะเกิดแรงดันฟื้นตัวชั่วขณะ (transient recovery voltage) ขึ้นที่ขั้วทั้งสองของเซอร์กิตเบรกเกอร์ และภายหลังจากการแก้ปัญหาผิดพร่องในระบบ (Fault Clearing) เรียบร้อยแล้ว จะมีการปิดซ้ำของเซอร์กิตเบรกเกอร์ (Circuit Breaker Reclosing) ซึ่งกระบวนการทั้งสองนี้ย่อมมีผลต่อระดับแรงดันไฟฟ้าในระบบ
• การวางแผนระบบไฟฟ้าที่ไม่ดี หรือการสร้างระบบไฟฟ้าที่ไม่ถูกต้องตามมาตรฐาน (Faulty Wiring)        
            เช่น การต่อลงดินที่ไม่ถูกต้อง (Poor Grounding)

การป้องการความเสียหายจากเสิร์จ

เสิร์จ (Surge) อาจทำให้เกิดอันตรายต่อชีวิตและทรัพย์สินของเราได้ หากไม่รีบทำการป้องกัน

แนวความคิดหลักในการป้องกัน Surge คือการหาเส้นทางลัดวงจร (Bypass) ที่สั้นที่สุด โดยสร้างแนวที่มีความต้านทานต่ำเชื่อมต่อไปสู่ตำแหน่งของสายดิน เพื่อให้กระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำที่สูงขึ้นจาก Surge ชนิดต่างๆ ที่ผ่านเข้ามาในระบบ จะได้ไหลไปตามแนวความต้านทานต่ำและลงดินโดยไม่ผ่านอุปกรณ์ไฟฟ้าและอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่สำคัญและมีราคาแพงที่ติดตั้งอยู่ในอาคาร โดยเฉพาะคอมพิวเตอร์ที่เป็นอุปกรณ์ที่ไม่เชิงเส้น (Non-linear Loads)

ด้วยหลักการเช่นนี้ จะทำให้กระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำน้อยลงตามลำดับ และมีผลทำให้แรงดันเสิร์จ (Surge Voltage) ลดลงอีกด้วย

หนึ่งในวิธีการที่ง่ายและสะดวกในการป้องกันผลกระทบที่จะเกิดขึ้นจากปัญหาเสิร์จก็คือ การเลือกใช้อุปกรณ์ Surge Protection Device (SPD) หรือ Surge Protector นั่นเอง ซึ่งในบทความหน้าเราจะพาไปทำความเข้าใจกับกลไกลการทำงานของอุปกรณ์นี้และวิธีการเลือกใช้เพื่อให้เกิดประสิทธิภาพมากที่สุดสำหรับองค์กรของท่าน

สามารถติดต่อขอรายละเอียดเพิ่มเติมได้ที่ บริษัท โฟคอมม์ (ประเทศไทย) จำกัด

โทร : 02-973-1966

Admin : 063-239-3569

E-mail : info@focomm-cabling.com