สายดินแบบเกลียว (grounding strand) มีข้อดีอย่างไรในการเพิ่มความน่าเชื่อถือของระบบสายดิน?

สายดินช่วยเพิ่มความน่าเชื่อถือโดยรวมของระบบอย่างไร

บทบาทหลักของสายดินในการรับประกันประสิทธิภาพการต่อพื้นที่มีเสถียรภาพและเชื่อถือได้

สายดินมีความสำคัญต่อความปลอดภัยทางไฟฟ้า เนื่องจากช่วยสร้างเส้นทางที่มีความต้านทานต่ำสำหรับกระแสไฟขัดข้องและพลังงานกระชากอย่างฉับพลัน สายดินเหล่านี้มีการออกแบบเป็นตอนๆ ซึ่งยังคงสัมผัสกับดินได้ดีแม้อุณหภูมิจะเปลี่ยนแปลงหรือพื้นดินเคลื่อนตัวจากแผ่นดินไหว สิ่งนี้ช่วยลดแรงดันสัมผัสอันตรายลงประมาณ 40% ที่สถานีไฟฟ้าย่อย ตามการศึกษาของหวางและคณะในปี 2021 ความทนทานของระบบนี้ทำให้มีจุดที่อาจเกิดข้อผิดพลาดน้อยลง ซึ่งอธิบายได้ว่าทำไมสถานที่สำคัญหลายแห่ง เช่น หอคอยส่งไฟฟ้าและศูนย์ข้อมูล จึงรายงานเวลาการทำงานได้สูงถึงประมาณ 99.8% ระบบสายดินจึงยังคงทำงานได้อย่างเชื่อถือได้ตลอดเวลา โดยไม่เป็นที่สังเกต ทำให้เป็นสิ่งจำเป็นสำหรับสถานที่ที่ไม่สามารถยอมรับการหยุดชะงักของกระแสไฟฟ้าได้

การเปรียบเทียบตัวนำดิน: เหตุใดสายดินแบบเส้นถักจึงเหนือกว่าทางเลือกอื่นในด้านความทนทานและการนำไฟฟ้า

สายดินแบบเส้นลวดมีพื้นที่ผิวสัมผัสต่อปริมาตรมากกว่าแท่งหรือแผ่นตัวนำแบบแข็ง ซึ่งช่วยให้สามารถกระจายกระแสไฟฟ้าได้ดีกว่า การทดสอบแสดงให้เห็นว่าสายดินแบบเส้นลวดสามารถรองรับกระแสไฟฟ้าได้มากกว่าเหล็กชุบทองแดงทั่วไปประมาณ 25 ถึง 30 เปอร์เซ็นต์ เมื่อพิจารณาตัวเลขการนำไฟฟ้า สายดินแบบเส้นลวดมีค่าอยู่ที่ประมาณ 62% IACS สูงกว่าเหล็กชุบสังกะสีที่มีเพียง 8 ถึง 12% อย่างมาก และยังไม่รวมถึงความทนทานที่เหนือกว่า ด้วยการออกแบบแบบถักพิเศษทำให้สามารถทนต่อแรงเครียดทางกลได้มากกว่าตัวนำแบบเทปแบนถึงประมาณสามเท่า สิ่งนี้มีความสำคัญอย่างยิ่งในพื้นที่ที่เกิดแผ่นดินไหวบ่อย เนื่องจากพื้นดินมีการสั่นสะเทือนอย่างรุนแรง

ผลกระทบของการเลือกวัสดุและการออกแบบที่ทนต่อการกัดกร่อนต่อความน่าเชื่อถือในระยะยาว

การใช้อัลลอยอลูมิเนียมที่มีความบริสุทธิ์สูงร่วมกับเหล็กกล้าไร้สนิมเกรด 316L ช่วยลดปัญหาการกัดกร่อนลงได้ประมาณ 90 เปอร์เซ็นต์เมื่อสัมผัสกับน้ำเค็ม ซึ่งดีกว่าทางเลือกที่ใช้เหล็กชุบสังกะสีทั่วไปอย่างมาก หากเพิ่มชั้นเคลือบโพลิเมอร์ให้กับวัสดุเหล่านี้ วัสดุจะสามารถใช้งานได้นานกว่าห้าสิบปีแม้ในสภาพดินที่เลวร้ายที่สุด โดยเฉพาะในพื้นที่ที่มีค่าความต้านทานเกินหนึ่งหมื่นโอห์ม-เมตร การทดสอบจริงแสดงให้เห็นว่าการปรับปรุงเหล่านี้ช่วยประหยัดได้ประมาณสิบแปดดอลลาร์ต่อปีต่อความยาววัสดุหนึ่งฟุต พร้อมทั้งรักษาระดับความต้านทานไฟฟ้าไว้ต่ำกว่าสองโอห์มตลอดอายุการใช้งานที่ยาวนาน

การลดความต้านทานการต่อสายดินด้วยการจัดเรียงเส้นลวดดินที่เหมาะสม

การลดความต้านทานในหอส่งไฟฟ้าโดยใช้เส้นลวดต่อสายดินที่นำไฟฟ้าได้ดี

เส้นลวดต่อลงดินแบบเหล็กเคลือบทองแดงมีค่าความต้านทานไฟฟ้าต่ำกว่าเหล็กชุบสังกะสีถึง 40% (ตามมาตรฐาน IEEE Std 80-2013) ซึ่งช่วยให้กระแสลัดวงจรถูกกระจายออกไปได้อย่างรวดเร็ว ซึ่งเป็นสิ่งสำคัญสำหรับการป้องกันสถานีไฟฟ้าย่อย ในดินแห้งหรือดินที่มีหิน เส้นลวดชนิดนี้ยังคงความสามารถในการนำไฟฟ้าได้ถึง 85% แม้มีความชื้นเพียง 20% ซึ่งเหนือกว่าแท่งโลหะตันที่มีค่าความต้านทานสูงขึ้น 35% เมื่ออยู่ในสภาวะเดียวกัน

การบรรลุค่าความต้านทานดินต่ำกว่า 1 โอห์ม โดยใช้การออกแบบและจัดวางเส้นลวดขั้นสูง

ระบบต่อศูนย์สามารถมีค่าความต้านทานต่ำกว่า 1 โอห์ม เมื่อติดตั้งในรูปแบบกากบาทตามระดับความลึกหลายชั้น การศึกษาวิจัยเมื่อปีที่แล้วแสดงให้เห็นว่า การจัดวางแบบเกลียวไขว้กัน (crossed-helix) ก็ทำงานได้ดีมากเช่นกัน โดยให้ค่าความต้านทานประมาณ 0.7 หรือ 0.8 โอห์ม เมื่อขั้วไฟฟ้าถูกติดตั้งห่างกันประมาณสองเท่าของความลึกของตัวขั้วเอง สิ่งที่ทำให้วิธีนี้มีประสิทธิภาพดีคือ พื้นที่สัมผัสกับพื้นดินที่เพิ่มขึ้นอย่างมากเมื่อเทียบกับเสาแนวตั้งทั่วไป ซึ่งมีพื้นที่ผิวสัมผัสเพิ่มขึ้นประมาณ 1.5 เท่า ความสัมผัสที่เพิ่มขึ้นนี้ช่วยแก้ปัญหาชั้นดินที่ซับซ้อน ซึ่งวิศวกรมักกังวลอยู่เสมอ หากเติมวัสดุบะตอนไนต์ (bentonite) เป็นวัสดุถมกลับลงไปด้วย ระบบทั้งหมดมักจะรักษาระดับความต้านทานต่ำไว้ได้นานกว่า 15 ปีขึ้นไป ที่สำคัญที่สุด ระบบนี้สอดคล้องกับมาตรฐานการป้องกันฟ้าผ่าทั้งหมดที่กำหนดไว้ใน IEC 62305 ซึ่งเป็นสิ่งที่ผู้เชี่ยวชาญส่วนใหญ่พิจารณาเมื่อออกแบบติดตั้งระบบไฟฟ้าอย่างปลอดภัย

ประสิทธิภาพของสายต่อศูนย์ภายใต้เหตุการณ์ฟ้าผ่าและสัญญาณรบกวนชั่วขณะ

การเสริมประสิทธิภาพในการกระจายแรงกระชากและปกป้องระบบระหว่างเกิดฟ้าผ่า

สายดินมีประสิทธิภาพในการนำกระแสฟ้าผ่าที่มีพลังงานสูง—สูงถึง 200 กิโลแอมป์—ลงสู่พื้นดินโดยไม่เกิดการเสียรูป ด้วยพื้นที่ผิวขนาดใหญ่และความยืดหยุ่น เมื่อเทียบกับตัวนำแบบแข็ง สามารถลดความเสียหายจากแรงดันไฟกระชากได้สูงถึง 40% (IEEE Transactions on Power Delivery, 2023) ทำให้มั่นใจได้ถึงการกระจายประจุอย่างรวดเร็วและการป้องกันโครงสร้างพื้นฐานที่ดียิ่งขึ้น

การรวมเข้ากับระบบป้องกันฟ้าผ่าเพื่อลดแรงดันไฟกระชากอย่างครอบคลุม

สายดินทำงานได้ดีกว่ามากเมื่อใช้ร่วมกับสายป้องกันคลื่นกระชากและตัวจับฟ้าผ่า ซึ่งรวมกันเป็นสิ่งที่วิศวกรเรียกว่า 'ระบบป้องกันแบบประสานงาน' ต่อการพุ่งขึ้นของแรงดันไฟฟ้าอย่างฉับพลัน การกระจายพลังงานของคลื่นกระชากไปยังเส้นทางความต้านทานต่ำหลายเส้นทางทำให้การเหนี่ยวนำแบบแม่เหล็กไฟฟ้าลดลงอย่างมากในระบบไฟฟ้าสามเฟส โดยจากการทดสอบภาคสนามพบว่าสามารถลดการรบกวนแม่เหล็กไฟฟ้าได้ประมาณสองในสาม ส่วนใหญ่คำแนะนำในการป้องกันฟ้าผ่าจะระบุว่า การควบคุมเกรเดียนต์แรงดันให้อยู่ต่ำกว่าประมาณ 1 กิโลโวลต์ต่อเมตรในระหว่างฟ้าผ่าจริง เป็นสิ่งสำคัญที่ช่วยป้องกันความเสียหายของอุปกรณ์

การป้องกันคลื่นแรงดันไฟฟ้าในระบบสามเฟสด้วยการต่อสายนำไฟฟ้าอย่างมีประสิทธิภาพ

เครือข่ายสายดินแบบเชื่อมต่อข้ามกันช่วยกำจัดความต่างศักย์ที่อาจทำให้เกิดแรงดันไฟฟ้ากระชากซึ่งก่อให้เกิดความเสียหาย การศึกษาแสดงให้เห็นว่าระบบดังกล่าวสามารถทำให้ศักย์ไฟฟ้าเท่ากันได้เร็วกว่าถึง 92% เมื่อเทียบกับการต่อพื้นแบบแยกเดี่ยวในช่วงเวลาที่เกิดสภาวะผันผวน (วารสารคุณภาพไฟฟ้า, 2566) ชั้นเคลือบที่ทนต่อการกัดกร่อนรับประกันว่าค่าความต้านทานการต่อพื้นจะต่ำกว่า 0.5 โอห์ม เป็นระยะเวลาเกินกว่า 25 ปี แม้ในสภาพแวดล้อมที่มีความชื้นสูง

การแก้ไขปัญหาความต้านทานของดินด้วยโซลูชันสายดินนำไฟฟ้า

ผลกระทบของความต้านทานของดินที่เปลี่ยนแปลงต่อประสิทธิภาพและความน่าเชื่อถือของการต่อพื้น

ความต้านทานของดินมีความแตกต่างกันค่อนข้างมากขึ้นอยู่กับตำแหน่งที่ตรวจสอบ พื้นที่ที่มีดินทรายในภูมิอากาศแห้งมักวัดค่าได้สูงกว่า 5,000 โอห์ม-เมตร ในขณะที่ดินเหนียวที่เปียกชื้นอาจต่ำกว่า 100 โอห์ม-เมตร ความแตกต่างเหล่านี้มีความสำคัญ เพราะสามารถทำให้ความต้านทานการต่อกราวด์เพิ่มขึ้นถึงสามเท่าของค่าปกติ และเมื่อฤดูกาลเปลี่ยนแปลง ปัญหาก็จะซับซ้อนยิ่งขึ้นสำหรับวิศวกรที่ทำงานกับดินประเภทเม็ด เช่น ดินทราย ซึ่งค่าความต้านทานไฟฟ้าจะเพิ่มขึ้นระหว่าง 40 ถึง 70 เปอร์เซ็นต์ในช่วงที่แห้งแล้ง นั่นจึงเป็นเหตุผลว่าทำไมระบบกราวด์จึงจำเป็นต้องวางแผนอย่างระมัดระวังตั้งแต่เริ่มต้น การเลือกวัสดุที่เหมาะสมและการออกแบบให้รองรับการเปลี่ยนแปลงเหล่านี้ จะช่วยให้มั่นใจได้ว่าระบบไฟฟ้ายังคงปลอดภัยและใช้งานได้ไม่ว่าสภาพธรรมชาติจะเป็นอย่างไร

การใช้สารเติมแต่งที่นำไฟฟ้าและการบำบัดทางเคมีเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพของสายกราวด์

เพื่อต่อสู้กับดินที่มีความต้านทานไฟฟ้าสูง สายดินรุ่นใหม่จึงใช้เบนโทไนต์เคลย์และสารประกอบจากคาร์บอน ซึ่งช่วยลดความต้านทานการสัมผัสลงได้ถึง 62% ในพื้นที่ที่เป็นหิน การใช้กลยุทธ์ที่มีประสิทธิภาพที่สุดคือการรวมกันของ:

1. การปรับสภาพดินล่วงหน้า ด้วยสารละลายแคลเซียม-แมกนีเซียม (ลดความต้านทานเดิมของดินลงได้ 55%)
2. การเคลือบผิวสายดิน ด้วยโลหะผสมนิกเกิล-โครเมียม (คงไว้ซึ่งการนำไฟฟ้า 95% หลังจากใช้งานไป 15 ปี)
3. การฉีดสารหลังติดตั้ง เจลนำไฟฟ้า (ลดการกระตุ้นของความต้านทานได้ถึง 81%)

วิธีการแบบหลายชั้นนี้สามารถรักษาระดับความต้านทานต่ำกว่า 5 โอห์มในดินที่มีความต้านทานเริ่มต้นสูงถึง 10,000 โอห์ม·เมตร ซึ่งเกินมาตรฐาน IEEE 80-2013 สำหรับโครงสร้างพื้นฐานที่สำคัญ

แนวทางปฏิบัติที่ดีที่สุดสำหรับการติดตั้ง การทดสอบ และการบำรุงรักษาระบบสายดิน

เทคนิคการติดตั้งที่ถูกต้องเพื่อเพิ่มการนำไฟฟ้าและการกระจายกระแสไฟฟ้า

เมื่อติดตั้งสายดิน ควรตรวจสอบให้แน่ใจว่ามีการวางสายห่างกันอย่างน้อยสองเท่าของความยาวตนเอง เพื่อไม่ให้สนามความต้านทานทับซ้อนกัน สำหรับพื้นที่ที่มีน้ำค้างแข็งบ่อยครั้ง สายดินเหล่านี้ควรฝังลึกลงไปในพื้นดินมากกว่า 36 นิ้ว เพื่อรักษาระดับการสัมผัสที่ดีกับดิน (ข้อกำหนดนี้ระบุไว้จริงใน NEC 250.53 หากใครสนใจเกี่ยวกับข้อบังคับ) นอกจากนี้ ควรระวังเรื่องการงอสายที่มีมุมแหลม มุมที่แคบกว่า 45 องศานั้นจะสร้างจุดรับแรงเพิ่มเติม ซึ่งอาจทำให้ความต้านทานเชิงประจัย (impedance) เพิ่มขึ้นประมาณ 25-30% ตามรายงานการวิจัยที่เผยแพร่โดย IEEE Power Engineering Society เมื่อปีที่แล้ว พบว่าเมื่อสายดินถูกติดตั้งโดยเว้นระยะห่างอย่างเหมาะสมและควบคุมแรงตึงได้ถูกต้อง จะช่วยลดการกระโดดของแรงดันไฟฟ้าที่เกิดขึ้นทันทีลงได้เกือบครึ่งหนึ่ง เมื่อเทียบกับการติดตั้งที่ผิดวิธี ส่งผลให้ระบบมีความน่าเชื่อถือมากขึ้นอย่างชัดเจนในระยะยาว

การเชื่อมต่อหม้อแปลงไฟฟ้าและอุปกรณ์สำคัญโดยใช้วิธีสายดินที่มีความทนทาน

เมื่อทำงานเกี่ยวกับการต่อสายดินในสถานีไฟฟ้าย่อย สิ่งสำคัญคือต้องใช้ขั้วต่อโลหะสองชนิด (bimetallic lugs) หรือเลือกใช้วิธีเชื่อมแบบอัดความร้อน (exothermic welding) เมื่อต่อสายดินเข้ากับขั้วกลางของหม้อแปลง วิธีเหล่านี้ช่วยลดความต้านทานการต่อลงให้ต่ำกว่า 0.05 โอห์ม ซึ่งส่งผลอย่างมากต่อความสามารถในการทนต่อข้อผิดพลาดของอุปกรณ์ มิฉะนั้นแล้ว การเกิดความร้อนไม่สม่ำเสมอจะกลายเป็นปัญหาที่รุนแรง งานศึกษาล่าสุดจาก EPRI ในปี 2024 พบว่าระบบที่มีการต่อประสานไม่ดีมักจะเสียหายเร็วกว่าปกติถึงสามเท่าเมื่อเผชิญกับกระแสไฟกระชากสูงถึง 10 kA ส่วนการติดตั้งสวิตช์เกียร์นั้นมีข้อกำหนดเฉพาะเกี่ยวกับรัศมีโค้งที่ควรให้ความสำคัญ โดยทั่วไปข้อกำหนดระบุว่ารัศมีการโค้งขั้นต่ำควรอยู่ที่อย่างน้อยแปดเท่าของเส้นผ่านศูนย์กลางตัวนำ การเพิกเฉยต่อแนวทางเหล่านี้อาจส่งผลกระทบอย่างรุนแรงต่อความสามารถของระบบในการส่งกระแสไฟฟ้าได้อย่างปลอดภัยในระยะยาว

การทดสอบและตรวจสอบความต้านทานของดิน เพื่อให้มั่นใจว่าสอดคล้องตามข้อกำหนดและมีความน่าเชื่อถืออย่างต่อเนื่อง

การทดสอบความต้านทานพื้นดินโดยใช้มิเตอร์แบบแหนบไม่เพียงแต่เป็นแนวทางปฏิบัติที่ดี แต่ยังเป็นข้อกำหนดตามระเบียบ เช่น มาตรฐาน OSHA 1910.269 และ NFPA 70E หลังจากการติดตั้ง เจ้าหน้าที่ช่างมักจะตรวจสอบระบบกราวด์ดิ้งโดยใช้วิธีที่เรียกว่า Fall-of-Potential โดยมีเป้าหมายเพื่อให้ได้ค่าอ่านค่าต่ำกว่า 1 โอห์ม สำหรับสายส่งไฟฟ้า และประมาณ 5 โอห์ม สำหรับการใช้งานเชิงพาณิชย์ การพิจารณาข้อมูลที่รวบรวมจากสถานีสาธารณูปโภคกว่า 12,000 แห่ง แสดงให้เห็นถึงสิ่งที่น่าสนใจ นั่นคือ ระบบที่มีการทดสอบสองครั้งต่อปี จะรักษานำไฟฟ้าไว้ได้ประมาณ 89% ของค่าเดิมหลังจากผ่านไป 15 ปี เมื่อเทียบกับเพียง 62% หากไม่มีการทดสอบอย่างสม่ำเสมอ สำหรับพื้นที่ที่ความต้านทานของดินเกิน 100 โอห์ม-เมตร ทีมงานบำรุงรักษา มักแนะนำให้ทำการบำบัดด้วยสารเคมีทุกๆ 3 ถึง 5 ปี เพื่อให้ระบบกราวด์ดิ้งทำงานได้อย่างเหมาะสมในระยะยาว

คำถามที่พบบ่อย

เส้นกราวด์ดิ้งคืออะไร

สายดินเป็นตัวนำประเภทหนึ่งที่ใช้ในระบบไฟฟ้าเพื่อจัดเตรียมเส้นทางสำหรับกระแสไฟรั่ว โดยทำให้มั่นใจในความปลอดภัยจากการกระจายแรงดันไฟฟ้าเกินลงสู่พื้นดิน

ทำไมจึงนิยมใช้สายดินมากกว่าแท่งดินแบบแข็งในระบบสายดิน

สายดินมีพื้นที่ผิวสัมผัสต่อปริมาตรที่มากกว่า มีการนำไฟฟ้าได้ดีกว่า และสามารถกระจายกระแสไฟฟ้าได้มากกว่าเมื่อเทียบกับแท่งดินแบบแข็ง นอกจากนี้ยังทนต่อแรงเครียดเชิงกลได้ดีกว่า ทำให้มีความทนทานในเขตที่มีความเสี่ยงจากแผ่นดินไหว

สายดินช่วยเพิ่มความปลอดภัยในช่วงที่เกิดฟ้าผ่าอย่างไร

สายดินสามารถจัดการกับกระแสไฟฟ้าพลังงานสูงจากฟ้าผ่าได้อย่างมีประสิทธิภาพ เนื่องจากความยืดหยุ่นและพื้นที่ผิวที่ใหญ่ ซึ่งช่วยลดความเสียหายจากแรงดันกระชากและปกป้องโครงสร้างพื้นฐาน

มาตรการใดบ้างที่ช่วยยืดอายุการใช้งานของระบบสายดิน

การใช้วัสดุที่ต้านทานการกัดกร่อน เช่น อลูมิเนียมความบริสุทธิ์สูง และเหล็กกล้าไร้สนิม 316L ร่วมกับชั้นเคลือบโพลิเมอร์ สามารถยืดอายุการใช้งานของระบบสายดินได้อย่างมาก แม้ในสภาวะแวดล้อมที่รุนแรง

จะทำอย่างไรเพื่อให้มั่นใจว่าการต่อสายดินมีประสิทธิภาพในดินที่มีค่าความต้านทานไฟฟ้าสูง?

ในดินที่มีค่าความต้านทานไฟฟ้าสูง ประสิทธิภาพสามารถปรับปรุงได้โดยการใช้สารเติมแต่งที่นำไฟฟ้า เช่น เบนโทไนต์คลей การบำบัดด้วยสารเคมี และชั้นเคลือกวัสดุที่เหมาะสม ซึ่งช่วยลดความต้านทานการสัมผัส