ระบบป้องกันฟ้าผ่าสำหรับอาคาร (Lightning protection system for buildings)

ระบบป้ องกนั ฟ้ าผ่าสาหรับอาคาร เรียบเรียงโดย นาย อภเิ ชษฐ์ ทรงสาราญ สาขาวชิ าไฟฟ้ ากาลงั วทิ ยาลยั เทคนิคสุโขทัย

ระบบป้ องกนั ฟ้ าผ่าสาหรับอาคาร (Building Lightning System Protection)1 บทนา ฟ้ าผา่ เป็ นปรากฏการณ์ธรรมชาติอยา่ งหน่ึง ซ่ึงจะผา่ ที่ไหนเมื่อไหร่ไม่มีโอกาสรู้ล่วงหนา้ ไดเ้ ลย เม่ือเกิดฟ้ าผ่ามกั จะเกิดความเสียหายแก่สิ่งที่ถูกผ่า เช่น บา้ นเรือนและสิ่งท่ีมีชีวิตที่อยู่ในบริเวณน้ัน จากการคน้ พบของเบนจามิน แฟรงคลิน (Benjamin Franklin) ในปี 1706-1790 น้นั ทาใหม้ นุษยส์ ามารถท่ีจะเอาชนะธรรมชาติบางอยา่ งได้ แต่การเกิดฟ้ าผา่ ตามธรรมชาติน้นั เราไม่อาจท่ีจะหา้ มได้ ดงั น้นั การป้ องกนั อนั ตรายจากฟ้ าผา่ น้นั สามารถทาได้ หากมีระบบสายล่อฟ้ าท่ีดีเพอื่ ล่อใหฟ้ ้ าผา่ ลงบนสายล่อฟ้ าที่จดั ทาไว้ หากมีฟ้ าผา่เกิดข้ึนในบริเวณน้นั กระแสจานวนมากจากฟ้ าผ่าที่เกิดจากการคายประจุจากกอ้ นเมฆจึงว่ิงลงสู่พ้ืนโลกได้สะดวก และรวดเร็วไม่เกิดความเสียหาย

การป้ องกนั ฟ้ าผา่ การป้ องกนั ฟ้ าผา่ น้นั ในปัจจุบนั น้ีนิยมใชก้ นั อยสู่ องวธิ ี คือ- วธิ ีของกรงฟ้ าราเดย์ (Faraday cage)- วธิ ีการใชส้ ารกมั มนั ตภาพรังสี (Radio active)2 การป้ องกนั ฟ้ าผ่าโดยใช้กรงฟาราเดย์ (Faraday cage) 2.1 หลกั ล่อฟ้ า (Air terminal) อาจจะเป็ นเสาโลหะหรือสายตวั นาซ่ึงยึดไวบ้ นยอดสูงสุดของสิ่งก่อสร้างหรือบริเวณท่ีต้องการป้ องกัน หลกั ล่อฟ้ าน้ีนิยมใช้แบบปลายแหลม เพ่ือให้ความเขม้ ของสนามไฟฟ้ า(Electric field stress) ที่จุดน้นั มีคา่ สูงกวา่ บริเวณที่อยใู่ กลเ้ คียง หลกั ล่อฟ้ าน้ีมีหนา้ ที่ล่อใหฟ้ ้ าผา่ ลง หลกั ล่อฟ้ ามีรูปร่างตา่ ง ๆ ดงั รูปท่ี 2 2.2 จะติดต้งั หลกั ล่อฟ้ าจานวนกี่หลกั ในแต่ละอาคาร ตามมาตรฐานจะกาหนดวา่ หลกั ล่อฟ้ าหน่ึงตน้ จะมีรัศมีป้ องกนั เป็นทรงกรวยเทา่ กบั 45 องศา ทามุมกบั แกนของหลกั ล่อฟ้ ารูปที่ 3 รัศมีท่ีคุม้ ครองของหลกั ล่อฟ้ าตามมาตรฐาน แต่อยา่ งไรก็ตามถา้ หากตอ้ งการให้ระบบป้ องกนั ฟ้ าผา่ มีความมนั่ ใจสูง มุมที่ป้ องกนั ไดจ้ ริงควรจะใช้มุม 30 องศา ดงั น้นั ในการติดต้งั หลกั ล่อฟ้ าตามลกั ษณะส่วนบนของหลงั คาตึก จานวนหลกั ล่อฟ้ าของแต่ละอาคารจะไมเ่ ท่ากนั บางแห่งมีหลายหลกั ดงั รูปท่ี 4-5 แต่บางแห่ง ก็มีหลกั ล่อฟ้ าเพียงจุดเดียวเท่าน้นั ถา้ หลกั ล่อฟ้ าน้นั มีความสูงมากพอที่จะมีรัศมีคุม้ ครองอาคารน้นั ได้ท้งั หมด สาหรับระยะห่างของหลกั ล่อฟ้ าน้นั ข้ึนอยู่กบั ความสูงของหลกั ล่อฟ้ า เน่ืองจากการออกแบบทางสถาปนิกไม่นิยมใหเ้ ห็นหลกั ล่อฟ้ าจึงมกั ใชห้ ลกั ล่อฟ้ าที่มีความสูงเพียง 30-60 เซนติเมตร จึงตอ้ งใชห้ ลกั ล่อฟ้ าจานวนมาก ดงั น้นั ระยะห่างของหลกั ล่อฟ้ า x ในรูปท่ี 4 และ 5 น้นั ไม่ควรห่างกนั เกิน 8 เมตร เพราะช่วงเสาของตึกจะอยปู่ ระมาณ 4 เมตร ใชร้ ะยะห่างของช่วงเสาสองช่อง 8 เมตร ก็จะทาให้คุม้ ครอบไดห้ มดและสวยงาม 2.3 การติดต้งั หลกั ล่อฟ้ ากบั อาคารที่มีหลงั คาหลายระดบั การติดต้งั หลกั ล่อฟ้ ากบั หลงั คาที่มีหลายระดบัน้นั บางคนเขา้ ใจผิดวา่ อาคารที่ระดบั ต่าลงมาไม่จาเป็ นตอ้ งมีการป้ องกนั ที่ถูกตอ้ งแลว้ น้นั จะตอ้ งทาการ

ป้ องกนั ดว้ ยเพียงแต่ใช้หลกั ล่อฟ้ าใหล้ ดนอ้ ยลงมาไดใ้ นส่วนท่ีติดกบั อาคารที่มีระดบั สูงกวา่ เพราะวา่ หลกัล่อฟ้ าของอาคารที่มีระดงั สูงกวา่ มีรัศมีคุม้ ครองเป็นมุม 45 องศาถึงระดบั ต่ากวา่ 7 2.4 การติดต้งั ล่อฟ้ าตามแนวราบ ในบางคร้ังสถาปนิกไม่ตอ้ งการให้มีหลกั ล่อฟ้ าปรากฎให้เห็นบนตวัอาคารเลย เพราะจะทาให้ตึกหมดความสวยงาม ดงั น้นั หลกั ล่อฟ้ าอาจเปล่ียนเป็ น แบบสายตวั นา วางตามแนวราบได้ โดยระยะห่างของสายล่อฟ้ าตามแนวราบไมค่ วรเกิน 10 เมตร2.5 ขนาดของหลกั ล่อฟ้ าหรือสายล่อฟ้ า- ทองแดง, อะลูมิเนียม, ทองเหลือง, เหล็กกลั วาไนซ์ 50 ตารางมิลลิเมตร- ทองแดงเส้นแบน, เหล็กอาบสังกะสี 20x2.5 ตารางมิลลิเมตร- อะลูมิเนียมแบน 20x4.0 ตารางมิลลิเมตร 2.6 การจดั วางสายล่อฟ้ ากับอาคารหลังคาทรงแหลม และหลังคาทรงราบ การวางหลักล่อฟ้ าหรือสายล่อฟ้ าน้นั จะข้ึนอยกู่ บั ลกั ษณะของอาคารและหลงั คาวา่ เป็ นแบบใด การจดั วางเสาล่อฟ้ าและสายล่อฟ้ าตามแนวระนาบ โดยจะตอ้ งวางหลกั ล่อฟ้ าและสายล่อฟ้ าใหส้ ามารถคุม้ ครองพ้ืนที่ท่ีตอ้ งการป้ องกนั ไดท้ ุกจุด เม่ือเกิดฟ้ าผา่ เกิดข้ึนจะตอ้ งใหฟ้ ้ าผา่ ลงที่หลกั ล่อฟ้ าหรือสายล่อฟ้ าที่ติดต้งั ไว้ เพอื่ ใหก้ ารป้ องกนั ที่ทาไวม้ ีความสมบรู ณ์แบบจะตอ้ งไม่ใหจ้ ุดใดจุดหน่ึงบนหลงั คาอยจู่ ากหลกั ล่อฟ้ าหรือสายล่อฟ้ าเกิน 10 เมตร 2.7 สายตวั นาลงดิน (Down conductor) ปกติแลว้ สายตวั นาลงดินที่ใชจ้ ะใชล้ วดทองแดงตีเกลียวที่มีขนาดใหญพ่ อท่ีจะนาประจุไฟฟ้ าลงดินไดอ้ ยา่ งรวดเร็ว สายตวั นาลงดินน้ีจะต่อกบั หลกั ล่อฟ้ าหรือสายล่อฟ้ าและมีจานวนสายตวั นาลงดินมากพอ สาหรับจานวนสายตวั นาลงดิน ส่วนขนาดของสายตวั นาลงดินมกั จะใช้สายไฟที่เป็ นสายทองแดงเปลือยตีเกลียวขนาดพ้ืนที่หนา้ ตดั โตกวา่ 50 ตารางมิลลิเมตร การติดต้งั สายตวั นาลงดินสามารถติดต้งั ได้ 3 แบบคือ- ร้อยท่อเดินภายในเสาโครงสร้าง- ร้อยทอ่ เดินตามดา้ นนอกของตวั อาคาร- ใชโ้ ครงสร้างเป็นตวั นาลงดิน ก. การติดต้งั สายตวั นาลงดินโดยร้อยท่อเดินภายในเสาโครงสร้างวิธีน้ีมีขอ้ ดีคือ สวยงามแต่มีขอ้ เสียในการตรวจซ่อมและขณะก่อสร้างจะตอ้ งมีการควบคุมกนั อยา่ งใกลช้ ิด

ข. การติดต้งั สายตวั นาลงดินโดยเดินร้อยท่อตามดา้ นนอกของอาคาร วธิ ีการน้ีมีขอ้ ดีคือติดต้งั และทาการซ่อมไดส้ ะดวก แต่มีขอ้ เสียคือทาใหอ้ าคารไม่คอ่ ยสวยงาม การติดต้งั สายตวั นาลงดินน้ีก่อนร้อยทอ่ จะตอ้ งทาจาระบีบนสายทองแดงเปลือยก่อนเพื่อป้ องกนั การเกิดออกไซด์ ถา้ ไม่ร้อยท่อติดต้งั เปลือยก็ทาไดแ้ ต่สายไฟเปลือยเม่ือใชไ้ ปนานจะเกิดออกไซด์ ซ่ึงจะทาใหเ้ กิดความยงุ่ ยากตอ่ การซ่อมบารุงภายหลงั ค. การติดต้งั สายตวั นาลงดินโดยใช้โครงสร้างเหล็กเป็ นสายตวั นาลงดินวิธีน้ีเราจะใช้โครงเหล็กของตวัอาคารเป็ นสายตวั นาลงดิน ดงั น้นั ในการใชส้ ายตวั นาลงดินแบบน้ีจะตอ้ งมีการเช่ือมโครงเหล็กใหต้ ่อถึงกนัจริง ๆ ซ่ึงจะทาใหร้ าคาของการเช่ือมมีราคาสูงเพราะจะตอ้ งมีการควบคุมขณะท่ีก่อสร้างอยา่ งจริงจงั อีกอยา่ งการเชื่อมสายเขา้ กบั โครงสร้างเหลก็ จะตอ้ งเช่ือมดว้ ยวธิ ีเอกโซเทอร์มิก ( Exo thermic welding ) จึงจะไดผ้ ลจริง ๆ 9.2.8 หลกั สายดิน ( Earth electrode) หลกั สายดินเราอาจใชแ้ ท่งโลหะหรือแผน่ โลหะท่ีไม่ผกุ ร่อนง่าย เช่นทองแดง เหล็กกลั วาไนซ์ ฝังลึกลงไปจนถึงช้ันของดินทีมีความช้ืนเพ่ือให้มีการจ่ายประจุลงดินได้อย่างรวดเร็ว จานวนหลกั ของสายดินจะมากหรือนอ้ ยน้นั ข้ึนอยกู่ บั ค่าความตา้ นทานทางไฟฟ้ าของระบบ กรณีที่ตอ้ งการมากกวา่ 1 ตน้ ระยะห่างระหวา่ งตน้ ไม่ควรเกินกวา่ 1.80 เมตร เพ่ือป้ องกนั การเกิดสเตปโวลต์เตจ( Step voltage ) ซ่ึงเป็นอนั ตรายต่อบุคคลท่ีเดินอยใู่ กลห้ ลกั สายดิน หลกั สายดินน้ีจะตอ้ งต้งั ใหห้ ่างจากระบบกราวดจ์ ริงของตวั ตึก ไม่เช่นน้นั เมื่อเกิดฟ้ าผา่ จะทาใหเ้ กิดมีแรงดนั เพมิ่ ข้ึนแก่ระบบไฟฟ้ าตามปกติได้3 การป้ องกนั ฟ้ าผ่าโดยใช้สารกมั มนั ตภาพรังสี ( Radio active) เน่ืองจากวิธีการป้ องกันฟ้ าผ่าของกราฟฟาราเดย์น้ันมีข้อเสียคือ ไม่สวยงามเน่ืองจากมีหลกั ล่อฟ้ าสายล่อฟ้ า และสายตวั นาลงดินเป็ นจานวนมาก ท้งั ยงั มีพ้ืนท่ีบางส่วนไม่อยู่ในรัศมีท่ีป้ องกนั ได้ จะตอ้ งใช้หลกั ล่อฟ้ าและหลกั สายดินอยา่ งละ 16 หลกั แต่สามารถป้ องกนั พ้ืนท่ีไดเ้ พยี ง 1809 ตารางฟุตเทา่ น้นั สาหรับดา้ นขา้ งตึกซ่ึงมีพ้ืนท่ี 90,000 ตารางฟุตน้นั ไม่อยูใ่ นรัศมีของการป้ องกนั โดยวิธีกรงฟาราเดย์ อีกท้งั ในการออกแบบตึกสถาปนิกผอู้ อกแบบมกั จะไม่ยอมให้อุปกรณ์ส่วนอ่ืนมาประกอบตวั ตึกซ่ึงจะมีผลทาให้อาคารหมดความสวยงาม ดงั น้นั เพ่ือแกข้ อ้ เสียของวธิ ีน้ีการป้ องกนั ตวั อาคารที่มีความพิถี พิถนั เรื่องความสวยงามและความปลอดภยั จึงเปลี่ยนมาใชว้ ธิ ีการป้ องกนั โดยใช้ สารกมั มนั ตภาพรังสี 3.1 สารกมั มนั ภาพรังสีจะอยสู่ ่วนใดของจาน ระบบป้ องกนั ที่ใชส้ ารกมั มนั ตภาพรังสีน้นั จะมีรูปร่างชุ ด ล่ อ ฟ้ า ท่ี มี ชื่ อ ท า ง ก า ร ค้ า ว่ า พ รี เ ว น ซ์ เ ต อ ร์ ( Preventor ) ซ่ึ ง เ ป็ น ผ ลิ ต ภั ณ ฑ์ ข อ งบริษทั Bristish Lightning Preventor Limited ปลายแหลมของตวั พรีเวนเตอร์ทาจากแท่งทองแดง ตวั จานมีขนาดเส้นผา่ ศูนยก์ ลาง 23 เซ็นติเมตร สูง 12 เซ็นติเมตร หนกั 2 กิโลกรัมภายในจานเป็ นฟอยล์ ( Foil) บรรจุดว้ ยสารกมั มนั ตภาพรังสี เรเดียม 226 ( Radium 226 ) หรือ อเมริเซียม 241 ( Amerecium 24 ) ซ่ึง

ผสมกบั ทองคาเชื่อมติดกบั ฟอยล์ ดงั น้นั ที่ตวั จานจะแผร่ ังสีแอลฟ่ า ( a - Aljpha ) เบตา้ ( b - Bata ) และแกรมม่า ( g - Grammar ) ซ่ึงจะสร้างสนามแมเ่ หลก็ ท่ีมีความเขม้ สูงรอบแทง่ ทองแดง 3.2 ขีดความสามารถของพรีเวนซ์เตอร์ที่มีขายในทอ้ งตลาดพรีเวนซ์เตอร์หรือระบบล่อฟ้ าที่มีขายในทอ้ งตลาดทาจากสารกมั มนั ตภาพรังสีอเมริเซียน 241 มีท้งั หมด สี่ขนาด คือP มีรัศมีป้ องกนั ได้ 35 เมตร ระยะต่าสุดที่ติดต้งั ได้ 4.6 เมตร คิดเป็นพ้นื ท่ี 3,850 ม2P\" 100 \" \" 4.5 \" \" 7,850 ม 2P\" 60 \" \" 6.0 \" \" 20,100 ม 2P\" 200 \" \" 6.0 \" \" 31,400 ม 2ซ่ึง P 4 น้ีทางบริษทั ผผู้ ลิตแนะนาใหใ้ ชก้ บั อาคารท่ีมีความสูงเกิน 150 ฟุตข้ึนไป 3.3 ชุดป้ องกนั ฟ้ าผ่าโดยใช้สารกมั มนั ตภาพรังสีพรีเวนซ์เตอร์ ประกอบดว้ ยอะไรบา้ งและมีเขตป้ องกนัอยา่ งไรชุดป้ องกนั ฟ้ าผา่ น้ีจะประกอบไปดว้ ยก. ตวั พรีเวนซ์เตอร์ ซ่ึงตรงกบั หมายเลขหน่ึงจะติดต้งั อยเู่ หนือเสาอากาศโทรทศั น์หมายเลข 4ข. สายตวั นาลงดิน ซ่ึงต่อจากตวั พรีเวนซ์เตอร์เดินผา่ นหลงั คาแลว้ ต่อลงกบั หลกั สายดิน สาหรับเขตป้ องกนั น้นั หมายเลข 5 จะแสดงเขตที่เป็ นรูปวงกลมที่สามารถควบคุมบริเวณท่ีจะล่อให้ประจุจากกอ้ นเมฆผ่าลงมา ส่วนหมายเลข 6 เป็ นรูปกรวยที่ตวั พรีเวนซ์เตอร์สามารถป้ องกันบา้ นและบริเวณขา้ งเคียงจากฟ้ าผา่ ได้ ซ่ึงจะเห็นวา่ อุปกรณ์ที่ป้ องกนั ฟ้ าผา่ โดยใชส้ ารกมั มนั ตภาพรังสีน้ีใช้อุปกรณ์น้อยมากสาหรับการป้ องกนั อาคารจะมีอุปกรณ์ที่เป็นกล่องทดสอบ ( Test box ) เขา้ มาอีก3.4 ขอ้ เสียของระบบป้ องกนั โดยใชส้ ารกมั มนั ตภาพรังสี คือ- มีราคาแพง - สารกมั มนั ตภาพรังสีช่วงคร่ึงชีวติ (Half life ) เม่ือใชไ้ ปนาน ๆ จะเส่ือมประสิทธิภาพอาจจะลดลงได้

- จะตอ้ งมีการตรวจสอบระบบใหด้ ีอยเู่ สมอเนื่องจากวา่ ใชอ้ ุปกรณ์ป้ องกนั เป็ นจานวนนอ้ ย หากจุดใดจุดหน่ึงเกิดบกพร่องระบบจะไมส่ ามารถป้ องกนั ฟ้ าผา่ ไดเ้ ลยแหล่งอา้ งอิงhttp://www.siaminspector.com/index.php?lay=show&ac=article&Id=539859202&Ntype=9(วนั ท่ีคน้ ขอ้ มูล 20 กรกฎาคม 2560)