ระบบป้องกันฟ้าผ่า (สายล่อฟ้า) LPI แบบ Early Streamer Emission (ESE)

ระบบป้องกันฟ้าผ่าแบบ Early Streamer Emission หรือ ESE เป็นระบบดักรับฟ้าผ่าที่ใช้หัวล่อฟ้าประสิทธิภาพสูงติดตั้งเหนือจุดสูงสุดของอาคาร หัวล่อฟ้าถูกออกแบบให้เริ่มสร้างสตรีมเมอร์นำขึ้นด้านบนเร็วกว่าหัวล่อฟ้าอ้างอิงตามเงื่อนไขการทดสอบ ทำหน้าที่กำหนดจุดรับฟ้าผ่าที่ออกแบบไว้ แล้วนำกระแสผ่านสายตัวนำลงดินเข้าสู่ระบบหลักดิน

จุดเด่นของระบบ ESE

• หัวล่อฟ้าหนึ่งต้นครอบคลุมพื้นที่ได้กว้างตามผลการคำนวณ
• ลดจำนวนหัวล่อฟ้าและแนวตัวนำบนหลังคาเมื่อเทียบกับระบบตาข่ายในบางโครงการ
• เหมาะกับอาคารหรือพื้นที่เปิดขนาดใหญ่
• ติดตั้งง่ายกว่าในอาคารที่มีรูปทรงหลังคาไม่ซับซ้อน
• ลดผลกระทบต่อความสวยงามของอาคาร
• ไม่ต้องใช้แหล่งจ่ายไฟภายนอก
• มีหลายรุ่นให้เลือกตามพื้นที่และระดับการป้องกัน
• ใช้ร่วมกับสายตัวนำลงดินแบบฉนวนได้
• ตรวจสอบหัวล่อฟ้าและเส้นทางสายได้สะดวก
• เหมาะสำหรับโครงการใหม่และการปรับปรุงอาคารเดิม

ผลิตภัณฑ์ ESE ของ LPI ใช้ชื่อ Stormaster ESE ผลิตจาก Stainless Steel 316 และมีรุ่นตามค่า Advance Time ได้แก่ ESE-15, ESE-30, ESE-50 และ ESE-60 โดย LPI ระบุว่าผลิตภัณฑ์ได้รับการทดสอบตามมาตรฐาน NF C 17-102:2011

หลักการทำงาน

ในช่วงที่สนามไฟฟ้าระหว่างก้อนเมฆกับพื้นดินเพิ่มสูงขึ้น จะเกิด Downward Leader เคลื่อนที่จากก้อนเมฆลงสู่พื้นดิน ขณะเดียวกัน วัตถุบนพื้นดินสามารถสร้าง Upward Leader หรือสตรีมเมอร์เคลื่อนขึ้นไปด้านบน หัวล่อฟ้า ESE ถูกออกแบบให้สร้าง Upward Streamer ภายใต้เงื่อนไขที่กำหนดได้เร็วกว่าหัวล่อฟ้าอ้างอิง โดยมีลำดับการทำงานดังนี้

1. สนามไฟฟ้าบริเวณอาคารเพิ่มสูงขึ้น
2. หัว ESE ตอบสนองต่อสนามไฟฟ้าโดยไม่ต้องใช้แหล่งจ่ายไฟภายนอก
3. เกิดการปล่อยสตรีมเมอร์ขึ้นจากหัวล่อฟ้า
4. สตรีมเมอร์เชื่อมต่อกับแนวประจุที่เคลื่อนลงมาจากก้อนเมฆ
5. จุดรับฟ้าผ่าถูกกำหนดไว้ที่หัว ESE
6. กระแสฟ้าผ่าไหลผ่านหัวล่อฟ้าและชุดเสา
7. สาย Down Conductor นำกระแสลงสู่ระบบหลักดิน
8. กระแสกระจายตัวลงสู่มวลดิน
9. ระบบ Bonding และ Surge Protection Device ช่วยลดผลกระทบจากความต่างศักย์และไฟกระชาก

หัวล่อฟ้า ESE ไม่ได้ป้องกันไม่ให้เกิดฟ้าผ่า แต่ทำหน้าที่ดักรับฟ้าผ่าภายในพื้นที่ที่ผ่านการออกแบบ แล้วจัดเตรียมเส้นทางระบายกระแสลงดินอย่างควบคุม

ค่า Early Streamer Emission Advance Time

ประสิทธิภาพของหัว ESE แสดงด้วยค่า ΔT หรือ Advance Time มีหน่วยเป็นไมโครวินาที ซึ่งได้จากการเปรียบเทียบเวลาการเกิด Upward Leader ของหัว ESE กับหัวล่อฟ้าอ้างอิงภายใต้ขั้นตอนทดสอบของมาตรฐาน ผลิตภัณฑ์ LPI Stormaster มีรุ่นหลัก ได้แก่

ตัวเลข 15, 30, 50 และ 60 หมายถึงค่า ΔT ไม่ใช่รัศมีป้องกันเป็นเมตรโดยตรง รัศมีป้องกันจริงต้องคำนวณตามมาตรฐาน โดยพิจารณาร่วมกับ

• รุ่นและค่า ΔT ของหัว ESE
• ระดับการป้องกัน LPL I–IV
• ความสูงหัวล่อฟ้าเหนือพื้นที่อ้างอิง
• รูปทรงและระดับความสูงของอาคาร
• อุปกรณ์และสิ่งกีดขวางบนหลังคา
• ระดับพื้นที่ที่ต้องการป้องกัน
• สภาพแวดล้อมโดยรอบ

จึงไม่ควรระบุว่าหัว ESE รุ่นหนึ่งมีรัศมีป้องกันคงที่ทุกโครงการ

ระดับการป้องกัน

การออกแบบตาม NF C 17-102 แบ่งระดับการป้องกันออกเป็น 4 ระดับ

LPL I ให้พื้นที่ป้องกันที่เข้มงวดกว่า LPL IV ดังนั้นเมื่อใช้หัว ESE รุ่นเดียวกันและความสูงเท่ากัน รัศมีป้องกันที่คำนวณสำหรับ LPL I จะน้อยกว่า LPL IV

ส่วนประกอบหลักของระบบ ESE

1. Stormaster ESE Air Terminal

หัวล่อฟ้าประสิทธิภาพสูงติดตั้งบนยอดเสา ทำหน้าที่เป็นจุดรับฟ้าผ่าหลัก คุณสมบัติที่ LPI ระบุ ได้แก่

• ผลิตจาก Stainless Steel 316
• เหมาะกับการติดตั้งภายนอกอาคาร
• ไม่ต้องใช้แหล่งจ่ายไฟจากภายนอก
• มีหลายรุ่นตามค่า ΔT
• ผ่านการทดสอบตาม NF C 17-102:2011
• ได้รับการทดสอบจากห้องปฏิบัติการแรงดันสูง ITE HV Laboratory ตามข้อมูลผู้ผลิต
• เป็นผลิตภัณฑ์ที่ได้รับการรับรอง Australian Made

2. Mast หรือเสาติดตั้งหัวล่อฟ้า

ใช้ยกหัว ESE ให้อยู่เหนือจุดสูงสุดและสิ่งกีดขวางในพื้นที่ที่ต้องการป้องกัน ระดับความสูงของหัวเหนือพื้นผิวมีผลต่อรัศมีป้องกัน เสาต้องได้รับการออกแบบให้รองรับ

• น้ำหนักหัวล่อฟ้าและอุปกรณ์
• แรงลม
• การสั่นสะเทือน
• สภาพแวดล้อม
• การกัดกร่อน
• แรงที่เกิดขึ้นกับฐานยึด
• ข้อกำหนดโครงสร้างอาคาร

การเพิ่มความสูงเสาอาจเพิ่มพื้นที่ป้องกันได้ แต่ต้องไม่เกินเงื่อนไขการคำนวณและข้อจำกัดของมาตรฐาน

3. Mast Base และ Guy Wire

ฐานเสาใช้ยึดเสาล่อฟ้าเข้ากับหลังคาหรือโครงสร้าง สำหรับเสาที่มีความสูงมากอาจต้องติดตั้ง Guy Wire หรือชุดค้ำยันเพื่อเพิ่มความมั่นคง ต้องตรวจสอบการรับน้ำหนักและระบบกันซึมบริเวณฐานร่วมกับวิศวกรโครงสร้างและงานสถาปัตยกรรม

4. Down Conductor

ทำหน้าที่นำกระแสฟ้าผ่าจากหัว ESE ลงสู่ระบบหลักดิน อาจใช้ตัวนำเปลือยตามมาตรฐาน หรือสายตัวนำเฉพาะตามแบบระบบ แนวทางสำคัญ ได้แก่

• เดินสายให้สั้นและตรงที่สุด
• หลีกเลี่ยงการโค้งหักมุม
• หลีกเลี่ยงการเดินเป็นวง
• ยึดสายให้แข็งแรง
• ป้องกันความเสียหายในบริเวณที่บุคคลเข้าถึง
• รักษาระยะห่างจากสายไฟและชิ้นส่วนโลหะ
• ติดตั้งจำนวนเส้นตามข้อกำหนดของมาตรฐาน
• กระจายตำแหน่งสายรอบโครงสร้างเมื่อกำหนดให้มีมากกว่าหนึ่งเส้น

NF C 17-102 โดยทั่วไปกำหนดให้ระบบ ESE มีเส้นทาง Down Conductor อย่างน้อยสองเส้นต่อหัวเมื่อสามารถติดตั้งได้ แต่รายละเอียดต้องยืนยันกับประเภทอาคาร ข้อกำหนดโครงการ และมาตรฐานฉบับที่ใช้อ้างอิง

5. HVSCPLUS Insulated Downconductor

LPI มีตัวเลือกสายตัวนำลงดินแบบฉนวน HVSCPLUS ซึ่งพัฒนาสำหรับรับกระแสทรานเซียนต์จากฟ้าผ่า ใช้ในกรณีที่ต้องควบคุมระยะ Separation Distance หรือลดความเสี่ยงการเกิด Side Flash ใกล้ชิ้นส่วนโลหะและระบบภายในอาคาร การใช้ HVSCPLUS ต้องติดตั้งด้วยชุด Upper Termination และ Lower Termination ที่กำหนด และต้องเป็นไปตามคู่มือของผู้ผลิต ไม่ควรต่อหรือดัดแปลงเหมือนสายไฟฟ้าทั่วไป

6. Conductor Fixing

อุปกรณ์ยึด Down Conductor เข้ากับผนัง เสา หรือโครงสร้าง ช่วยควบคุมแนวสายและป้องกันการเคลื่อนตัวจากแรงลมและแรงทางกล

7. Lightning Event Counter

อุปกรณ์นับจำนวนครั้งที่มีกระแสฟ้าผ่าไหลผ่าน Down Conductor ใช้เป็นข้อมูลประกอบการตรวจสอบและบำรุงรักษาระบบ หลังพบว่าตัวนับเพิ่มจำนวน ควรตรวจสอบ

• หัว ESE และเสาติดตั้ง
• จุดต่อและข้อต่อ
• สาย Down Conductor
• Test Joint
• ระบบหลักดิน
• สภาพ Surge Protection Device
• ร่องรอยความร้อนหรือประกายไฟ

ตัวนับฟ้าผ่าไม่ได้ใช้ป้องกันฟ้าผ่าและไม่ได้บอกความรุนแรงทั้งหมดของเหตุการณ์ แต่ใช้ยืนยันว่ามีกระแสผ่านเส้นทางนั้น

8. Test Joint

จุดต่อที่สามารถถอดแยกสาย Down Conductor ออกจากระบบหลักดิน เพื่อใช้ตรวจสอบความต่อเนื่องและวัดค่าระบบสายดิน

9. Earth Electrode System

ระบบหลักดินรับกระแสจาก Down Conductor และกระจายลงสู่มวลดิน อาจประกอบด้วย

• แท่งหลักดิน
• ตัวนำรัศมี
• Ring Earth
• Earth Grid
• Earth Plate
• Foundation Earth
• Earth Pit
• สารปรับปรุงค่าความต้านทานดิน

ระบบหลักดินควรออกแบบจากผลการวัด Soil Resistivity และพิจารณาพฤติกรรมของกระแสความถี่สูง ไม่ควรพิจารณาเฉพาะค่าความต้านทานดินในสภาวะความถี่ต่ำ

10. Equipotential Bonding

เชื่อมประสานส่วนโลหะและระบบหลักดินเพื่อลดความต่างศักย์ เช่น

• โครงสร้างเหล็ก
• ท่อโลหะ
• รางเดินสาย
• ระบบไฟฟ้า
• ระบบสื่อสาร
• ระบบ Fire Alarm
• ระบบ CCTV
• ระบบ Nurse Call
• ระบบปรับอากาศ
• ระบบกราวด์ของอาคาร

การ Bonding ต้องดำเนินการตามแบบและผลการคำนวณ เพื่อป้องกัน Side Flash โดยไม่สร้างเส้นทางกระแสที่ไม่เหมาะสม

11. Surge Protection Device

หัว ESE ป้องกันผลกระทบจากฟ้าผ่าโดยตรงภายนอกอาคาร แต่ไม่สามารถป้องกันแรงดันกระชากที่เหนี่ยวนำหรือเข้าสู่อาคารผ่านสายบริการได้ทั้งหมด จึงต้องติดตั้ง Surge Protection Device ร่วมด้วย เช่น

• Type 1 บริเวณตู้เมนรับไฟ
• Type 2 บริเวณตู้จ่ายไฟ
• Type 3 ใกล้อุปกรณ์ปลายทางที่มีความไวสูง
• Surge Protection Device สำหรับสายโทรศัพท์
• Surge Protection Device สำหรับสายข้อมูลและเครือข่าย
• Surge Protection Device สำหรับ CCTV และระบบควบคุม
• Surge Protection Device สำหรับสายสัญญาณจากภายนอก

การเลือก Surge Protection Device ต้องประสานระดับการป้องกัน พิกัดแรงดัน ระบบกราวด์ และระบบไฟฟ้าของอาคาร

การคำนวณรัศมีป้องกัน

รัศมีป้องกัน ESE ไม่ได้วัดเป็นทรงกระบอกคงที่ แต่เปลี่ยนแปลงตามระดับความสูงที่พิจารณา พื้นที่ป้องกันจึงมีลักษณะเป็นปริมาตรรอบหัวล่อฟ้า การคำนวณตาม NF C 17-102 ใช้ตัวแปรสำคัญ ได้แก่

• รัศมีพื้นที่ป้องกัน
• ความสูงหัว ESE เหนือระดับพื้นที่ที่ต้องการป้องกัน
• รัศมี Rolling Sphere ตามระดับ LPL
• ระยะทางล่วงหน้าที่คำนวณจากค่า Advance Time
• ค่า Advance Time ของหัว ESE

ค่ารัศมีต้องคำนวณแยกในแต่ละระดับ เช่น หลังคาหลัก ดาดฟ้าห้องเครื่อง ขอบอาคาร และพื้นดิน ไม่ควรใช้รัศมีที่ระดับพื้นดินแทนพื้นที่ทุกระดับของอาคาร

ขั้นตอนการออกแบบ

1. สำรวจตำแหน่งและขนาดพื้นที่
2. ประเมินความเสี่ยงจากฟ้าผ่า
3. กำหนดมาตรฐานที่โครงการยอมรับ
4. กำหนด Lightning Protection Level
5. เลือกรุ่น Stormaster ตามค่า ΔT
6. กำหนดตำแหน่งและความสูงของหัว ESE
7. คำนวณรัศมีป้องกันในทุกระดับ
8. ตรวจสอบสิ่งกีดขวางและอุปกรณ์บนหลังคา
9. กำหนดจำนวนและเส้นทาง Down Conductor
10. คำนวณ Separation Distance
11. ออกแบบระบบ Earthing และ Bonding
12. ออกแบบ Surge Protection Device สำหรับไฟฟ้าและสัญญาณ
13. ตรวจสอบโครงสร้างฐานเสาและแรงลม
14. จัดทำแบบ รายการอุปกรณ์ และรายละเอียดการติดตั้ง

LPI มีบริการออกแบบ ESE ตาม NF C 17-102 พร้อมแบบ 3 มิติ รายการวัสดุ และข้อกำหนดทั่วไปสำหรับแต่ละโครงการ

พื้นที่ใช้งานที่เหมาะสม

• โรงพยาบาล
• อาคารสำนักงาน
• โรงงานและคลังสินค้า
• สนามบิน
• โรงแรมและรีสอร์ต
• ศูนย์การค้า
• โรงเรียนและมหาวิทยาลัย
• อาคารสูง
• เสาโทรคมนาคม
• สถานีไฟฟ้าและสาธารณูปโภค
• ฟาร์มโซลาร์
• ระบบผลิตพลังงาน
• พื้นที่เกษตรกรรม
• ลานเก็บวัสดุ
• อาคารและพื้นที่เปิดที่ต้องการลดจำนวนหัวล่อฟ้า

การตรวจสอบและบำรุงรักษา

ควรตรวจสอบตามรอบที่มาตรฐานและแผนบำรุงรักษากำหนด รวมถึงหลังเกิดฟ้าผ่าหรือมีงานปรับปรุงอาคาร รายการตรวจสอบประกอบด้วย

• สภาพหัว Stormaster ESE
• ความแน่นของหัวและเสา
• สนิมหรือการกัดกร่อน
• ฐานเสาและ Guy Wire
• ความต่อเนื่องของ Down Conductor
• สภาพฉนวนของ HVSCPLUS หากมี
• จุด Upper และ Lower Termination
• จุดต่อและอุปกรณ์ยึดสาย
• Lightning Event Counter
• Test Joint
• Earth Pit และหลักดิน
• ค่าความต้านทานและความต่อเนื่องของระบบ
• ระบบ Equipotential Bonding
• สถานะของ Surge Protection Device
• พื้นที่ป้องกันหลังมีการต่อเติมอาคาร

LPI มีอุปกรณ์ Air Terminal Tester สำหรับตรวจสอบหัวล่อฟ้ารุ่นที่รองรับตามขั้นตอนของผู้ผลิต แต่การทดสอบหัวเพียงอย่างเดียวไม่ทดแทนการตรวจสอบระบบทั้งหมด

มาตรฐานและข้อควรระวัง

มาตรฐานหลักที่ LPI ระบุสำหรับผลิตภัณฑ์ Stormaster ESE คือ NF C 17-102:2011 โดยหัว Stormaster ทั้ง 4 รุ่นแสดงอยู่ในหมวดผลิตภัณฑ์ที่อ้างอิงมาตรฐานนี้ สิ่งสำคัญคือมาตรฐานแต่ละชุดไม่ได้รับรองวิธี ESE เหมือนกันทั้งหมด

• NF C 17-102 – มีวิธีออกแบบและทดสอบ ESE โดยเฉพาะ
• IEC 62305 และ BS EN 62305 – ใช้วิธี Conventional เช่น Rolling Sphere, Mesh และ Protective Angle และไม่ได้ให้ค่ารัศมีเพิ่มจาก Advance Time แบบ ESE
• NFPA 780 – ไม่ได้กำหนดวิธีคำนวณรัศมี ESE ตาม NF C 17-102
• AS 1768 – เน้นแนวทางระบบ Conventional และไม่ได้ให้วิธีคำนวณ ESE ตามค่า ΔT

ดังนั้นก่อนเลือกใช้ต้องตรวจสอบว่าเจ้าของโครงการ ที่ปรึกษา บริษัทประกัน หน่วยงานท้องถิ่น และข้อกำหนดทางกฎหมายยอมรับ NF C 17-102 หรือไม่ ไม่ควรนำรัศมีจาก NF C 17-102 ไปอ้างว่าเป็นรัศมีตาม IEC 62305 หรือมาตรฐานอื่น

โดยสรุป ระบบ LPI Stormaster ESE เป็นระบบดักรับฟ้าผ่าที่ออกแบบตามหลัก Early Streamer Emission และ NF C 17-102:2011 ช่วยกำหนดจุดรับฟ้าผ่าและครอบคลุมพื้นที่ตามรัศมีที่คำนวณ ระบบที่สมบูรณ์ต้องประกอบด้วยหัว ESE เสาติดตั้ง Down Conductor ระบบหลักดิน Equipotential Bonding และ Surge Protection Device พร้อมผ่านการออกแบบ ตรวจวัด และบำรุงรักษาตามมาตรฐานที่โครงการยอมรับ