|
What is surge ?
ความหมายของ เสิร์จ (Surge) หรือไฟกระโชก ในทางไฟฟ้าหมายถึง ความเปลี่ยนแปลงทางไฟฟ้าชั่วคราวซึ่งสิ่งที่เปลี่ยนแปลงไปก็คือ แรงดันไฟฟ้า กระแสไฟฟ้า หรือ ความถี่ และเนื่องจากเป็นปรากฏการณ์ชั่วขณะจึงหมายถึง รูปลักษณะที่ปรากฏเป็นพัลซ์แคบๆ (Short Duration Pules) ซึ่งเมื่อเกิดขึ้นกับ สายจ่ายไฟฟ้าจึงเกิดในลักษณะที่ผสมรวม (Superimposing) ไปบนรูปคลื่นไซน์ของไฟกระแสสลับปกติโดยที่ไม่จำกัดว่าจะเกิดขึ้นในลักษณะไฟลบหรือไฟ บวก ดังตัวอย่างในรูป
ซึ่งเมื่อเกิดขึ้นก่อให้เกิดสภาพของแรงดันเกิดแบบเฉียบพลันขึ้นกับระบบไฟฟ้าไฟกระโชกอาจมีขนาดเพียงสองสามเท่าของ แรงดันไฟปกติหรืออาจสูงถึงหลายสิบ เท่าในขณะที่ช่วงเวลาของการเกิดอาจสั้นเพียง 0.5 ไมโครวินาที ไปจนถึงหลายมิลลิวินาที ลักษณะที่เกิดนอกจากเป็นพัลซ์เดี่ยวแล้วก็อาจเกิดในรูปของหลายพัลซ์ต่อ เนื่อง (Multipulse) หรือแบบออสซิเลชั่นพัลซ์ (Oscillation Pulse) ได้ด้วย แหล่งกำเนิดหลักของไฟกระโชกทางสายจ่ายไฟฟ้าก็คือ ฟ้าผ่า (Lightning Surge)
Selection guide for power line surge
สายจ่ายไฟฟ้านับเป็นทางเข้าที่สำคัญอย่างยิ่งของ เสิร์จ (Surge) หรือไฟกระโชกที่จะเข้ามาทำอันตรายให้กับระบบงานของเรา ไม่จำกัดเฉพาะจะเป็นระบบ สื่อสารหรือคอมพิวเตอร์แต่หมายรวมเอาระบบงานที่มีอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์เป็นองค์ประกอบ เราพบว่ากว่าครึ่งของความเสียหายอันเนื่องมาจากฟ้าผ่าและไฟ กระโชกของอุปกรณ์และระบบงานอิเล็กทรอนิกส์เกิดขึ้นทางด้านของสายจ่ายไฟฟ้า ในขณะที่อุปกรณ์ที่ทำหน้าที่ป้องกันที่มีจำหน่ายอยู่ในปัจจุบันมีมากมายหลาย ชนิดยากที่จะสรุปเลือกได้ว่าตัวใดที่เหมาะสมกับความต้องการของระบบงาน บทความนี้แม้จะไม่ได้ชี้ชัดลงไปว่าแบบใดลักษณะไหนดีที่สุด แต่ก็ให้แง่คิดและแนว ทางในการพิจารณาตลอดจนข้อมูลอ้างอิงจากมาตราฐานสากลต่างๆที่เกี่ยวข้อง อาทิ ANSI / IEEE เป็นต้น
แนวคิดในการเลือก
แนวคิดหรือหลักเกณฑ์ในการเลือกอุปกรณ์ป้องกันเครื่องป้องกันไฟกระโชกซึ่งจำเพาะแต่ไฟกระโชกทางสายจ่ายไฟฟ้าแต่ยังใช้ได้กับการป้องกันสายนำสัญญาณ ชนิดอื่นๆด้วยมีดังนี้
-
ในสภาวะปกติแล้วเครื่องป้องกันจะต้องไม่ก่อให้เกิดผลที่ผิดปกติหรือเลวร้ายต่อสัญญาณของระบบงานที่ผ่านตัวมันตรงนี้พอสรุปได้ว่าใส่เครื่องป้องกันแล้ว ต้องไม่ทำให้สัญญาณผิดเพี้ยนหรือขาดหายไปถ้าเป็นไฟฟ้าก็ต้องไม่ก่อให้เกิดสภาพไฟตก(จนผิดปกติ) รูปคลื่นซายน์ผิดเพี้ยนหรือเกิดฮาโมนิคที่ไม่พึง ประสงค์ ดังนั้นตรงนี้ผู้ใช้ต้องมีความเข้าใจเป็นอย่างดีว่า สัญญาณที่อยู่บนวงจรที่ต้องการป้องกันเป็นเช่นไร และจะต้องเข้าใจการทำงานและคุณสมบัติ ของเครื่องป้องกันว่าเป็นอย่างไรจะมีผลกระทบต่อกันหรือไม่
-
ในสภาวะวิกฤติที่มีไฟกระโชกเกิดขึ้นแล้วเครื่องป้องกันทำงาน แรงดันผ่านที่ไปปรากฏต่อระบบงานต้องไม่สูงเกิดกว่าขีดจำกัด ( Surge Withstand Rating ) ที่ระบบงาน (หรืออุปกรณ์ในระบบงาน) จะทนได้ ตรงนี้พอจะสรุปได้ว่าผู้ใช้จะต้องมีความรู้ต่อระบบงาน อุปกรณ์ในระบบงานว่ามีขีดจำกัด ทางไฟฟ้าอย่างไรบ้างซึ่งแน่นอนว่าข้อมูลพวกนี้สามารถหาได้จากคู่มือเครื่องหรือจากผู้ผลิตเอง นอกจากนี้ยังจะต้องตรวจสอบคุณสมบัติของเครื่องป้องกัน ที่จะเลือกเข้าใช้งานด้วยว่า คุณสมบัติเรื่องแรงดันผ่านเป็นอย่างไร
-
ในสภาวะวิกฤติที่มีไฟกระโชกเกิดขึ้นแล้วเครื่องป้องกันทำงาน เครื่องป้องกันจะต้องมีความเร็วสูงพอที่จะตอบสนองต่อไฟกระโชกทันการณ์ก่อนที่จะเกิด ความเสียหายต่อระบบงาน (หรืออุปกรณ์ในระบบงาน) ที่ป้องกัน
-
ในสภาวะวิกฤติที่มีไฟกระโชกเกิดขึ้นแล้วเครื่องป้องกันทำงาน เครื่องป้องกันจะต้องสามารถทนต่อระดับไฟกระโชกที่เข้ามาได้โดยไม่ถูกทำลายก่อน ข้อนี้ ยากหน่อยตรงที่เราไม่รู้จะไปหาข้อมูลที่ไหนว่าระดับของไฟกระโชกที่จะเข้ามาระบบงานของเราเป็นอย่างไร เพราะในแต่ละครั้งก็มักจะไม่เท่ากันเสมอไป ดังนั้นในสำหรับข้อนี้วิธีการที่ง่ายที่สุดก็คือคัดเลือกเครื่องป้องกันที่มีพิกัดไฟกระโชกสูงที่สุดเท่าที่จะทำได้ เพราะจะทำให้ทนทานใช้งานได้นาน อย่างไร ก็ตามก็คงจะต้องคำนึงถึงความเหมาะสมด้านงบประมาณด้วย
Type of protection devices
ชนิดของตัวป้องกัน
ตัวป้องกันหรืออุปกรณ์ป้องกันที่ใช้งานกันอยู่ในปัจจุบันทุกชนิดทำงานด้วยการเบี่ยงถ่ายพลังงานของไฟกระโชกลงสู่ดินมิให้ผ่านเข้าไปสู่ระบบงานแบ่งออกได้ 2 ชนิด ตามลักษณะของมันคือ
ชนิดลัดวงจรไฟฟ้า (Crowbar Device)
อุปกรณ์ประเภทนี้จะทำงานเมื่อมีแรงดันตกคร่อมตัวของมันเกินกว่าค่าแรงดันพลังทลายประจำตัว (Breakdown Voltage) ตัวของมันจะเปลี่ยนสภาพจาก ค่าความต้านทานสูงเป็นค่าความต้านทานต่ำมากจนถือได้ว่าลัดวงจรไฟฟ้าลงดิน อุปกรณ์ประเภทนี้ได้แก่ สปาร์คแกป (Spark Gap Arrester) แก็สดิสชาร์จ (Gas Discharge Tube) อุปกรณ์ประเภทนี้มี
ีข้อดี ในด้านที่สามารถรองรับพลังงานไฟกระโชกได้มากใช้งานได้นานทนทาน
ข้อเสีย ตรงที่เมื่อทำงานแล้วจะลัดวงจรไฟฟ้าไปชั่วขณะ (ประมาณครึ่งลูกคลื่น) ซึ่งในระหว่างนั้นกระแสตาม (Follow On Current)ซึ่งเกิดจากแรงดันไฟปกติ ที่มีต่อค่าอิมพิแดนซ์ลัดวงจรของตัวป้องกันจะทำความเสียหายให้เกิดแก่ตัวป้องกันได้
ดังนั้นในทางปฏิบัติสำหรับวงจรไฟฟ้าแล้วเราจะไม่ใช้อุปกรณ์นี้ตามลำพัง แต่จะใช้ร่วมกับอุปกรณ์ที่สามารถจำกัดกระแสตามดังกล่าวได้ นอกจากปัญหาเรื่อง กระแสตามแล้ว ความเร็วตอบสนอง (Response Time) ต่ำ และ ค่าแรงดันผ่านมีค่าสูง ( High Let Through Voltage) ก็ถือเป็นข้อด้อยส่วนหนึ่งของ อุปกรณ์ประเภทนี้
ชนิดควบคุมแรงดันไฟฟ้า (Clamping Device)
อุปกรณ์ประเภทนี้ทำงานเมื่อมีแรงดันตกคร่อมตัวมันเกินกว่าค่าแรงดันแคล็มป์ (Clamping Voltage) โดยตัวมันจะเปลี่ยนสภาพจากค่าความต้านสูงเป็นค่า ความต้านทานต่ำแต่ไม่ถึงกับลัดวงจรอุปกรณ์ประเภทนี้ได้แก่ MOV ( Metel Oxide Varistor) ซึ่งมี
ข้อดี ตรงที่ไม่ลัดวงจรไฟฟ้า ความเร็วตอบสนองสูง แรงดันผ่านต่ำกว่า
ข้อเสีย อยู่ที่ความสามารถในการรองรับพลังงานต่ำกว่าและจะเสื่อมสภาพลงทุกครั้งที่รองรับไฟกระโชก
Filtering circuit
เนื่องจากไฟกระโชกเป็นอิมพัลซ์ซึ่งมีองค์ประกอบของความถี่สูงอยู่มากอยู่ในช่วงความถี่ 5 ถึง 50 กิโลเฮิรตซ์ ซึ่งเป็นส่วนทำให้ช่วงหน้าคลื่น (Wave Front) มีช่วงเวลาสั้นหรือ Rate of rise (dv/dt) มีค่าสูงความถี่สูงนี้เองที่มีอันตรายต่ออุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ ดังนั้นการประยุกต์ใช้วงจรกรองความถี่ต่ำผ่านหรือ LPF (Low Pass Filter) จึงเป็นอีกส่วนหนึ่งที่จะช่วยให้ลดความรุนแรงของไฟกระโชกลงอย่างไรก็ตามการออบแบบ LPF สำหรับการป้องกันไฟกระโชกนี้ แตกต่างจากการออกแบบ LPF สำหรับงานป้องกันด้าน RFI (Radir Frequency Interference) เนื่องจากแบบแรกจะต้องออกแบบให้สามารถรองรับ กำลังงานไฟฟ้าขนาดใหญ่ได้โดยไม่เสียสภาพ
จากรูปแบบต่างๆของ LPF ซึ่งมีข้อดีข้อเสียแตกต่างกันพอจะสรุปได้ดังนี้
PI Filter เป็นวงจรที่ออกแบบมากให้ผลการทำงานที่สมบูรณ์ที่สุด แต่มีข้อเสียที่ตัวเก็บประจุด้านอินพุทจะมีโอกาสสูงที่จะถูกทำลายจากไฟกระโชกที่เข้ามา
L Filter เป็นวงจรที่ให้ผลการทำงานในระดับที่ใช้งานไม่มีความเสี่ยงต่อตัวเก็บประจุด้านอินพุทเหมือนแบบแรกข้อด้อยเห็นจะเป็นความไม่สมมาตร กล่าวคือให้ การป้องกันในทิศทางจาก Line to Equipment มากกว่า
T-Filter เป็นวงจรที่ออกแบบในลักษณะสมมาตร (Bi-Directional) ก็จริงแต่มีข้อเสียในกรณีที่หากไฟกระโชกเกิดขึ้นในด้านของ Equipment เช่นเกิดจาก การเดินเครื่องจักรไฟฟ้าขนาดใหญ่ ไฟกระโชกที่เกิดขึ้นจะไม่ถูกลดทอนลงอย่างที่ควรจะเป็นแต่จะสะท้อนกลับเนื่องจากขดลวดเหนี่ยวนำทางขวามือกลับไปเป็น อันตรายต่อระบบงานอิเล็กทรอนิกส์ที่อยู่บนวงจรไฟฟ้าเดียวกันกับเครื่องจักรดังกล่าว นอกจากนี้แล้วก็ยังมีเกร็ดเล็กเกร็ดน้อยอีก เช่น ขดลวดเหนี่ยวนำที่ใช้ใน LPF สำหรับงานป้องกันไฟกระโชกควรจะเป็นแกนอากาศเพื่อป้องกันปัญหาเรื่องการอิ่มตัวของแกน (Core Saturaion) เป็นต้น
HV Laboratory in Iskra has been established since 2000 with the opening of our new Current Strike Crowbar Generator (TUG-200) as the non-profit inside-pendent body for the purpose of testing and research development of our new SPD (Surge Protective Device) products. We are also open for carrying the tests for foreign manufacturers and utilities according to the International standards or to providing the best services to meet clients' needs.
Command
board of TUG-200 |
Surge
Current Generator HVPG 10/1000 |
|||||||
Testing services according
to:
ISO, IEC - International standards
EN - European standards
LVD (Low Voltage Directive)
National standards (SIST, OVE, VDE, etc.)
Testing services for the following product:
Surge Protective Devices (SPDs)
Fuses
Relays
Components and materials
Electrical installations
Test and measurement equipment:
Short circuit current testing for short periods up to 1200 Vrms, 150
Arms
Environmental tests:
- Climatic chambers
Lightning Impulse Voltage tests:
- Surge generator 10/700 us up to 10 kV
Lightning Impulse Current tests:
- Current generator 4/10 us up to 100 kA (Shunt 0.5 m ohm)
- Current generator 8/20 us up to 200 kA (Pearson 1426)
- Current generator 10/350 us up to 100 kA (Pearson 1426)
- Current generator 10/1000 us up to 1 kA (Shunt 20 m ohm)
- Current generator 10/2000 us up to 1 kA (Shunt 20 m ohm)
Hybrid surges tests:
- Hybrid generator 1.2/50 us 8/20 us, 8 kV 4 kA (Zi= 2 ohm)
Various other lightning tests upon request
Oscilograms of some tests:
Design guidelines and directives
Today's electrical environment needs surge protection
With the advent of the microprocessor, the world has experienced a proliferation of sensitive electronic components into our every walk of life from the household appliances we use, to the sophisticated computing and communications systems which serve our competitiveness as nations.
Our hunger for the life style which such advances have brought shows no sign of abating, however these very advances in circuit integration and miniaturization have come with a cost - lower immunity to interference and a greater susceptibility to damage from over-voltages. To put this in perspective, the energy needed to cause failure to the typical integrated electronics of today, is less than one millionth of what, in the past could safely be sustained by vacuum tube technology. Add to this our increasingly polluted power distribution networks where electrical disturbances such as switching surges, lightning strikes, induced noise and poor supply regulation are all too common, andwe have a recipe for equipment damage.
This damage may be all too obvious, as evident in catastrophic system failures, or may present itself in more subtle mechanisms such as accelerated component degradation, reduced equipment life and lost or corruption of data. In extreme cases, such overvoltage surges and transients can cause facility fires and risk to human life.
The consequence of an unexpected power surge can be catastrophic tomost businesses or facilities. To fully evaluate this cost over the design life of the facility, it is necessary to consider not only the repair and replacement cost of capital damage, but more importantly, the less tangible costs associated with operational downtime, corrupted or lost data and forgone opportunities, to name just a few. Facility managers are all too aware that as the electronic systems under their jurisdiction become more complex and integrated into our every day operations, our reliance upon their smooth and continuous operation increases and the implementation of cost effective protection measures become a critical component of their job.
This catalogue details the extensive range of SPDs intended for use on power distribution networks.
We also provide separate catalogues covering the protection
of:
Lowvoltage data and signal lines
Telecommunication and subscriber line protection
RF coaxial protection
As well as a number of application guides formore specialised application such as -marine systems, wind generation facilities, photovoltaic systems, airport navigational aids and railway signalling. We would be happy to provide you with a copy upon request.
Causes of over-voltage surges and transients
Over-voltages originate frommany sources, including:
Atmospheric discharges resulting in direct strikes to structures or
systems, or large induced voltages
Over-voltage cause by power switching transients
Faults in power distribution systems such as line-to-ground contacts,
or commingling of power and lowvoltage telecommunication lines
Power regulation faults as can occur near large industrial consumers
of power or near electrified rail systems
Relative Causes of damage to Capital Investments
Statistics periodically issued by insurance companies indicate that over-voltages account for nearly one third of all major causes of damage to capital equipment and facilities. This picture is compounded if one considers the true cost by damage caused by such over-voltages by summing the:
Equipment repair/ + Data recovery + Non-productive
replacement costs costs operational downtime
