อุปกรณ์ป้องกันแรงดันกระชาก (SPD) ช่วยปกป้องอินเวอร์เตอร์และอุปกรณ์ที่ไวต่อการเปลี่ยนแปลงของแรงดันไฟฟ้าได้อย่างไร?

ในระบบไฟฟ้าสมัยใหม่ แรงดันไฟฟ้าชั่วคราวและกระแสไฟฟ้ากระชากจากฟ้าผ่าเป็นภัยคุกคามที่ร้ายแรงและมักถูกประเมินต่ำเกินไปต่ออินเวอร์เตอร์ แผงโซลาร์เซลล์ หน่วยควบคุม และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ไวต่อการเปลี่ยนแปลงอื่นๆ อุปกรณ์ป้องกันไฟกระชาก อุปกรณ์ป้องกันแรงดันกระชาก (Surge Protection Device) คือแนวป้องกันแรกและสำคัญที่สุดในการรับมือกับพลังงานกระชากที่ทำลายล้างเหล่านี้ โดยจำกัดแรงดันเกินก่อนที่จะเข้าสู่อุปกรณ์ขั้นตอนถัดไป ความเข้าใจอย่างลึกซึ้งเกี่ยวกับวิธีการทำงานของอุปกรณ์ป้องกันแรงดันกระชากในการให้การป้องกันนี้ จึงเป็นสิ่งจำเป็นอย่างยิ่งสำหรับวิศวกร ผู้บูรณาการระบบทั้งระบบ และผู้จัดการสถานที่ ซึ่งมีหน้าที่รับผิดชอบต่อความน่าเชื่อถือของอุปกรณ์ในระยะยาว

ไม่ว่าจะติดตั้งในระบบพลังงานแสงอาทิตย์บนหลังคา ตู้ควบคุมอุตสาหกรรม หรือโครงสร้างพื้นฐานระบบไฟฟ้าของอาคารเชิงพาณิชย์ อุปกรณ์ป้องกันแรงดันกระชาก (SPD) จะทำงานผ่านกลไกทางกายภาพและทางไฟฟ้าที่แม่นยำ กลไกเหล่านี้สามารถตรวจจับ เบี่ยงเบน และจำกัดแรงดันชั่วคราวภายในไม่กี่ไมโครวินาที เพื่อรักษาความสมบูรณ์ของอินเวอร์เตอร์และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ไวต่อแรงดันทุกชิ้นซึ่งเชื่อมต่อกับวงจรนั้น บทความนี้อธิบายอย่างละเอียดถึงวิธีการทำงานของกลไกเหล่านี้ เหตุใดจึงมีความสำคัญ และสิ่งใดที่ทำให้อุปกรณ์ป้องกันแรงดันกระชากเป็นส่วนประกอบที่ขาดไม่ได้ในกลยุทธ์การป้องกันพลังงานที่แข็งแกร่งทุกประการ

กลไกหลักที่อยู่เบื้องหลังอุปกรณ์ป้องกันแรงดันกระชาก

การเกิดเหตุการณ์แรงดันชั่วคราว

แรงดันไฟฟ้าชั่วคราว ซึ่งมักเรียกว่า 'การกระชาก' หรือ 'สัญญาณพีค' คือ การเพิ่มขึ้นอย่างฉับพลันและมีระยะเวลาสั้นของแรงดันไฟฟ้า ซึ่งสูงกว่าระดับแรงดันปกติที่ใช้งานในวงจรอย่างมาก แรงดันดังกล่าวอาจเกิดจากแหล่งภายนอก เช่น ฟ้าผ่าโดยตรงหรือไม่โดยตรง หรือจากแหล่งภายใน เช่น การเปิด-ปิดโหลดแบบเหนี่ยวนำขนาดใหญ่ การทำงานของธนาคารตัวเก็บประจุ (capacitor bank) และความผิดปกติของระบบจำหน่ายไฟฟ้า (grid faults) โดยเฉพาะในระบบที่ใช้พลังงานแสงอาทิตย์ (photovoltaic systems) สายเคเบิลที่มีความยาวระหว่างแผงโซลาร์เซลล์กับอินเวอร์เตอร์สร้างเงื่อนไขอันเหมาะสมสำหรับพลังงานการกระชากที่ถูกเหนี่ยวนำให้เดินทางเข้าสู่ชิ้นส่วนที่ไวต่อการเปลี่ยนแปลงได้โดยตรง

เมื่อเกิดฟ้าผ่าแม้ในระยะห่างที่ค่อนข้างมากจากติดตั้งอุปกรณ์ คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่เกิดขึ้นสามารถเหนี่ยวนำแรงดันชั่วคราวสูงบนตัวนำกระแสสลับ (AC) และกระแสตรง (DC) ได้ แรงดันชั่วคราวเหล่านี้อาจสูงถึงหลายพันโวลต์ภายในไม่กี่มิลลิวินาที ซึ่งสูงกว่าค่าแรงดันทนของอินเวอร์เตอร์และอุปกรณ์ควบคุมสมัยใหม่เป็นอย่างมาก หากไม่มีอุปกรณ์ป้องกันแรงดันกระชาก (Surge Protection Device) ติดตั้งอยู่ พลังงานนี้จะไหลเข้าสู่อุปกรณ์โดยไม่มีการหยุดยั้ง ส่งผลให้เกิดความล้มเหลวอย่างรุนแรงทันที หรือแย่กว่านั้นคือ การเสื่อมสภาพแบบสะสมซึ่งทำให้อายุการใช้งานของอุปกรณ์สั้นลงโดยไม่มีอาการที่สังเกตเห็นได้ชัดเจน

การเปลี่ยนผ่านภายในระบบไฟฟ้าก็มีอันตรายเท่าเทียมกัน ไดรฟ์ความถี่แปรผัน (Variable Frequency Drives), คอนแทคเตอร์ และการเปิด-ปิดหม้อแปลงไฟฟ้า ล้วนก่อให้เกิดคลื่นแรงดันกระชากที่แพร่กระจายผ่านระบบไฟฟ้า อุปกรณ์ป้องกันแรงดันกระชากที่ติดตั้งไว้ที่จุดสำคัญต่าง ๆ ภายในวงจรจะดักจับคลื่นแรงดันกระชากเหล่านี้ก่อนที่จะส่งผลกระทบต่ออุปกรณ์ที่อยู่ด้านหลังซึ่งมีความไวต่อแรงดันสูง ทำให้การป้องกันแรงดันกระชากมีความสำคัญไม่เพียงแต่ในสภาพแวดล้อมภายนอกอาคารหรือพื้นที่ที่มีโอกาสเกิดฟ้าผ่าเท่านั้น แต่ยังจำเป็นสำหรับการติดตั้งระบบไฟฟ้าในโรงงานอุตสาหกรรมหรือเชิงพาณิชย์ทุกแห่ง

อธิบายกระบวนการจำกัดแรงดันและเบี่ยงเบนกระแส

ที่ใจกลางของอุปกรณ์ป้องกันแรงดันกระชากทุกตัว คือชุดองค์ประกอบที่ทำหน้าที่จำกัดแรงดัน (voltage-clamping components) ซึ่งโดยทั่วไปมักเป็นตัวแปรเรซิสเตอร์ออกไซด์โลหะ (MOVs), ไดโอดกำบังแรงดันชั่วคราว (transient voltage suppression diodes) หรือเทคโนโลยีช่องว่างประกายไฟ (spark gap technologies) ภายใต้สภาวะการใช้งานปกติ องค์ประกอบเหล่านี้จะมีค่าอิมพีแดนซ์สูงมาก และแทบไม่ส่งผลต่อวงจรเลย แต่ทันทีที่แรงดันชั่วคราวเกินค่าเกณฑ์แรงดันจำกัด (clamping voltage threshold) ของอุปกรณ์ องค์ประกอบเหล่านี้จะเปลี่ยนสถานะอย่างรวดเร็วไปเป็นค่าอิมพีแดนซ์ต่ำ และเบี่ยงเบนพลังงานส่วนเกินออกไปจากอุปกรณ์ที่ต้องการป้องกัน

เส้นทางการเบี่ยงเบนนี้จะนำพลังงานฟ้าผ่าที่เกิดขึ้นไปยังระบบต่อกราวด์ ซึ่งพลังงานดังกล่าวจะถูกกระจายออกไปอย่างปลอดภัย การเปลี่ยนผ่านจากอิมพีแดนซ์สูงไปเป็นอิมพีแดนซ์ต่ำใช้เวลาเพียงไม่กี่นาโนวินาทีถึงไม่กี่ไมโครวินาที ซึ่งเร็วพอที่จะปกป้องอุปกรณ์ที่ใช้ไมโครโปรเซสเซอร์ที่ไวต่อการรบกวนมากที่สุดได้อย่างมีประสิทธิภาพ แรงดันไฟฟ้าคงเหลือที่ไปถึงอุปกรณ์ด้านหลังหลังจากการจำกัดแรงดัน (clamping) จะเรียกว่าแรงดันระดับการป้องกัน (protection level voltage) และอุปกรณ์ป้องกันฟ้าผ่าที่ออกแบบมาอย่างดีจะรักษาระดับแรงดันนี้ให้ต่ำกว่าแรงดันทนต่อคลื่นกระชาก (impulse withstand voltage) ของอุปกรณ์ที่กำลังได้รับการป้องกันอย่างมาก

อุปกรณ์ป้องกันแรงดันกระชากแบบ MOV ถูกใช้งานอย่างแพร่หลาย เนื่องจากมีความสามารถในการดูดซับพลังงานได้ดีเยี่ยมในช่วงความกว้างของคลื่นแรงดันกระชากที่หลากหลาย จึงเหมาะเป็นพิเศษสำหรับการใช้งานแบบกระแสตรง (DC) เช่น ระบบพลังงานแสงอาทิตย์แบบโฟโตโวลตาอิก (PV) ซึ่งอุปกรณ์ป้องกันแรงดันกระชากต้องสามารถทนต่อแรงดันไฟฟ้ากระแสตรงอย่างต่อเนื่องได้ ขณะเดียวกันก็พร้อมทำงานทันทีเพื่อกักแรงดันสูงชั่วคราว (clamping) ที่เกิดขึ้นได้ตลอดเวลา การรวมกันของเวลาตอบสนองที่รวดเร็วและกำลังรับพลังงานสูง ทำให้เทคโนโลยีนี้มีความน่าเชื่อถือทั้งในสภาพแวดล้อมที่มีการสลับสัญญาณความถี่สูง และเหตุการณ์ฟ้าผ่าที่เกิดขึ้นไม่บ่อยแต่มีความรุนแรงสูง

หลักการทำงานของอุปกรณ์ป้องกันแรงดันกระชากในการคุ้มครองอินเวอร์เตอร์โดยเฉพาะ

ความเปราะบางของอินเวอร์เตอร์ต่อแรงดันไฟฟ้าชั่วคราว

อินเวอร์เตอร์เป็นหนึ่งในชิ้นส่วนที่ไวต่อแรงดันไฟฟ้ามากที่สุดในระบบพลังงานหมุนเวียนหรือระบบพลังงานอุตสาหกรรมใดๆ โดยอินเวอร์เตอร์ประกอบด้วยทรานซิสเตอร์ไบโพลาร์แบบเกตฉนวน (IGBT), ตัวเก็บประจุ, ไดรเวอร์เกต และแผงควบคุม ซึ่งแต่ละชิ้นส่วนมีค่าความทนทานต่อแรงดันไฟฟ้าที่กำหนดไว้อย่างแม่นยำ แม้แต่เหตุการณ์ชั่วคราวที่กินเวลาเพียงไม่กี่ไมโครวินาที และมีค่าแรงดันเกินกว่าค่าแรงดันสูงสุดที่ชิ้นส่วนนั้นสามารถทนได้ ก็อาจทำให้ชั้นออกไซด์ของเกต IGBT เสียหายอย่างถาวร หรือทำให้ฉนวนภายในตัวเก็บประจุเสื่อมสภาพได้

ในการติดตั้งระบบพลังงานแสงอาทิตย์แบบโฟโตโวลตาอิก (PV) อินเวอร์เตอร์จะตั้งอยู่ที่จุดตัดระหว่างวงจรสายส่งกระแสตรง (DC string circuits) กับเครือข่ายกระแสสลับ (AC output network) ทำให้อุปกรณ์นี้ได้รับผลกระทบจากคลื่นแรงดันกระชาก (transients) ทั้งจากสองฝั่งพร้อมกัน บนฝั่งกระแสตรง คลื่นแรงดันกระชากที่เกิดจากฟ้าผ่าจะเดินทางตามสายเคเบิลของแผงโซลาร์เซลล์ ส่วนบนฝั่งกระแสสลับ เหตุการณ์การเปิด-ปิดระบบจ่ายไฟจากโครงข่าย (grid switching events) และอุปกรณ์ใกล้เคียงอาจส่งคลื่นแรงดันกระชากเข้ามาผ่านขั้วต่อขาออก การติดตั้งอุปกรณ์ป้องกันแรงดันกระชาก (surge protection device) ทั้งที่ขาเข้ากระแสตรง (DC input) และขาออกกระแสสลับ (AC output) ของอินเวอร์เตอร์ จะสร้างเกราะป้องกันที่ช่วยลดความเสี่ยงของการล้มเหลวของอินเวอร์เตอร์อันเนื่องมาจากคลื่นแรงดันกระชากได้อย่างมีนัยสำคัญ

ข้อมูลภาคสนามจากโรงไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์แสดงอย่างต่อเนื่องว่า อินเวอร์เตอร์ที่ทำงานโดยไม่มีอุปกรณ์ป้องกันแรงดันกระชากที่เพียงพอจะมีอัตราการเสียหายสูงขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ โดยเฉพาะในพื้นที่ที่มีความหนาแน่นของฟ้าผ่าบนพื้นดินสูง การเปลี่ยนอินเวอร์เตอร์ที่เสียหายไม่เพียงแต่สิ้นเปลืองค่าใช้จ่ายสูงสำหรับตัวอินเวอร์เตอร์เองเท่านั้น แต่ยังรวมถึงรายได้จากการผลิตไฟฟ้าที่สูญเสียไป ค่าแรงในการซ่อมแซม และปัญหาที่อาจเกิดขึ้นกับเงื่อนไขการรับประกันอีกด้วย อุปกรณ์ป้องกันแรงดันกระชากจึงสามารถคืนทุนให้ตนเองได้เพียงแค่หลีกเลี่ยงเหตุการณ์การเปลี่ยนอินเวอร์เตอร์เพียงครั้งเดียว

กลยุทธ์การจัดวางเพื่อการป้องกันอินเวอร์เตอร์สูงสุด

การจัดวางตำแหน่งทางกายภาพของอุปกรณ์ป้องกันแรงดันกระชากภายในวงจรนั้นมีความสำคัญไม่แพ้ค่าพารามิเตอร์ทางไฟฟ้าของอุปกรณ์นั้นๆ สำหรับการป้องกันที่มีประสิทธิภาพสูงสุด อุปกรณ์ป้องกันแรงดันกระชากควรติดตั้งให้ใกล้กับอุปกรณ์ที่ต้องการป้องกันให้มากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ ยิ่งความยาวของตัวนำระหว่างอุปกรณ์ป้องกันแรงดันกระชากกับอินเวอร์เตอร์ยาวขึ้นเท่าใด ความเหนี่ยวนำคงเหลือในตัวนำนั้นก็จะยิ่งเพิ่มขึ้นเท่านั้น ซึ่งอาจทำให้แรงดันชั่วคราวบางส่วนยังคงปรากฏอยู่ที่ขั้วต่อของอินเวอร์เตอร์

ในระบบพลังงานแสงอาทิตย์ (PV) แนวทางปฏิบัติที่ดีที่สุดคือการติดตั้งอุปกรณ์ป้องกันแรงดันกระชากที่ด้านกระแสตรง (DC) กล่องเครื่องรวม หรือที่ระดับสายสตริง กล่องแยก เพื่อจัดการกับกระแสไฟฟ้ากระชากที่เกิดขึ้นฝั่งอาร์เรย์ และติดตั้งอุปกรณ์ป้องกันกระแสไฟฟ้ากระชากเพิ่มเติมที่ขั้วเข้าของอินเวอร์เตอร์ เพื่อเป็นชั้นการป้องกันที่สอง สำหรับฝั่ง AC จะติดตั้งอุปกรณ์ป้องกันกระแสไฟฟ้ากระชากที่ขั้วออกของอินเวอร์เตอร์ และอีกครั้งที่แผงกระจายกำลังหลัก เพื่อป้องกันไม่ให้สัญญาณรบกวนจากโครงข่ายไฟฟ้าเดินทางย้อนกลับเข้าสู่อินเวอร์เตอร์ แนวทางแบบประสานงานและหลายจุดนี้เรียกว่า การประสานงานระบบป้องกันกระแสไฟฟ้ากระชาก (Surge Protection Coordination) ซึ่งเป็นพื้นฐานสำคัญของกลยุทธ์การป้องกันแรงดันเกินอย่างครอบคลุม

การต่อกราวด์อย่างเหมาะสมถือเป็นเงื่อนไขจำเป็นอย่างยิ่งสำหรับการทำงานที่ถูกต้องของอุปกรณ์ป้องกันกระแสไฟฟ้ากระชาก เส้นทางการเบี่ยงเบนกระแสต้องมีความต้านทานต่ำต่อกราวด์ มิฉะนั้น อุปกรณ์จะไม่สามารถเบี่ยงเบนพลังงานกระแสไฟฟ้ากระชากได้อย่างมีประสิทธิภาพ วิศวกรผู้ออกแบบระบบต้องมั่นใจว่าค่าความต้านทานกราวด์สอดคล้องตามข้อกำหนดในมาตรฐานที่เกี่ยวข้อง เช่น IEC 62305 และ IEC 61643 และต้องทำให้สายนำกราวด์ของอุปกรณ์ป้องกันกระแสไฟฟ้ากระชากสั้นที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ เพื่อลดค่าความเหนี่ยวนำของสายกราวด์

การปกป้องอุปกรณ์ควบคุมและตรวจสอบที่มีความละเอียดอ่อน

เหตุใดอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับการควบคุมจึงมีความเสี่ยงเป็นพิเศษ

นอกเหนือจากอินเวอร์เตอร์ ระบบพลังงานสมัยใหม่ยังพึ่งพาเครือข่ายอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ควบคุมที่มีความละเอียดอ่อนอย่างหนาแน่น ซึ่งรวมถึงคอนโทรลเลอร์ลอจิกแบบเขียนโปรแกรมได้ (PLC), เครื่องบันทึกข้อมูล, ช่องทางการสื่อสาร, เซนเซอร์วัดอุณหภูมิ และหน่วยตรวจสอบระยะไกล อุปกรณ์เหล่านี้โดยทั่วไปทำงานที่แรงดันสัญญาณต่ำ มักอยู่ที่ 5V, 12V หรือ 24V ทำให้มีความเปราะบางต่อแรงดันเกินชั่วคราวแม้เพียงเล็กน้อยมากกว่าอุปกรณ์กำลังหลายเท่า เมื่อเกิดแรงดันเกินชั่วคราว แม้สายไฟฟ้ากำลังจะสามารถทนต่อเหตุการณ์ดังกล่าวได้โดยไม่เสียหาย แต่ก็อาจทำลายไมโครคอนโทรลเลอร์หรือทำให้เฟิร์มแวร์เสียหายได้ทันที

ในสภาพแวดล้อมเชิงอุตสาหกรรม ตู้ควบคุมมักประกอบด้วยเครื่องมือวัดความแม่นยำที่มีมูลค่าหลายแสนดอลลาร์สหรัฐฯ หนึ่งเหตุการณ์ฟ้าผ่าหรือแรงดันกระชาก (surge) เพียงครั้งเดียวที่เกิดจากการเปิด-ปิดโหลดแบบเหนี่ยวนำบนบัสไฟฟ้าเดียวกัน อาจเดินทางผ่านสายสัญญาณเข้าสู่ PLC และโมดูล I/O ทำให้เกิดความล้มเหลวพร้อมกันที่จุดควบคุมหลายจุด สถานการณ์นี้ก่อให้เกิดทั้งค่าใช้จ่ายในการซ่อมแซม ความเสียหายต่อการผลิต (downtime) ความเสี่ยงด้านความปลอดภัย และการสูญเสียข้อมูลที่อาจเกิดขึ้นได้ การติดตั้งอุปกรณ์ป้องกันแรงดันกระชาก (surge protection device) ที่ออกแบบมาเฉพาะสำหรับสายสัญญาณและสายข้อมูล ณ จุดเข้าของตู้ควบคุมแต่ละจุด ถือเป็นแนวทางปฏิบัติมาตรฐานในโรงงานอุตสาหกรรมที่ออกแบบอย่างดี

อินเทอร์เฟซการสื่อสาร เช่น สาย RS-485, Ethernet และ Modbus ที่เชื่อมต่ออุปกรณ์ภาคสนามเข้ากับระบบตรวจสอบ ก็มีความเสี่ยงสูงต่อความเสียหายจากแรงดันชั่วคราวเช่นกัน อุปกรณ์ป้องกันแรงดันกระชากที่ออกแบบมาเฉพาะสำหรับสายสัญญาณจะใช้แรงดันจำกัด (clamping voltage) ที่ต่ำกว่าและองค์ประกอบที่ตอบสนองเร็วกว่าเมื่อเปรียบเทียบกับอุปกรณ์ป้องกันแรงดันกระชากสำหรับสายจ่ายไฟ ซึ่งช่วยให้อุปกรณ์สื่อสารยังคงทำงานได้ตามปกติแม้หลังเหตุการณ์แรงดันกระชากที่เกิดขึ้นใกล้เคียง การป้องกันเส้นทางเหล่านี้อย่างเหมาะสมจะรับประกันว่าความสมบูรณ์ของข้อมูลและความสามารถในการตรวจสอบจากระยะไกลจะยังคงรักษาไว้ได้ทั้งระหว่างและหลังจากเหตุรบกวนทางไฟฟ้าทุกครั้ง

การประสานงานการป้องกันข้ามประเภทอุปกรณ์หลายชนิด

การป้องกันแรงดันกระชากอย่างมีประสิทธิภาพในระบบติดตั้งที่ซับซ้อนนั้นจำเป็นต้องใช้แนวทางแบบระบบแบบบูรณาการ มากกว่าการติดตั้งอุปกรณ์แต่ละชิ้นแยกจากกัน อุปกรณ์ป้องกันแรงดันกระชาก (SPD) ที่เลือกใช้สำหรับแหล่งจ่ายไฟหลักเข้ามาต้องสามารถรองรับแรงดันกระชากที่มีพลังงานสูงสุดได้ ในขณะที่อุปกรณ์ที่ติดตั้งต่อจากนั้นไปยังจัดการกับแรงดันกระชากที่มีระดับพลังงานต่ำลงแต่มีความเร็วสูงขึ้นตามลำดับ แนวทางแบบชั้นๆ นี้ ซึ่งอธิบายไว้ในมาตรฐาน IEC 61643-11 ทำให้มั่นใจได้ว่าแต่ละชั้นของการป้องกันจะรับผิดชอบส่วนของแรงดันกระชากที่ตนออกแบบมาเพื่อรับมือได้ดีที่สุด และไม่มีอุปกรณ์ใดอุปกรณ์หนึ่งต้องรับภาระเกินขีดความสามารถ

การประสานงานด้านพลังงานระหว่างอุปกรณ์ป้องกันแรงดันกระชากที่ติดตั้งไว้ด้านต้นทาง (upstream) และด้านปลายน้ำ (downstream) จะช่วยป้องกันปรากฏการณ์ที่เรียกว่า 'กระแสไหลต่อเนื่อง' หรือ 'การล้มเหลวแบบความร้อนลุกลาม' (thermal runaway) ซึ่งเกิดขึ้นเมื่ออุปกรณ์หนึ่งได้รับภาระเกินขีดความสามารถจนยังคงส่งผ่านกระแสไฟฟ้าต่อไปแม้หลังจากเหตุการณ์แรงดันกระชากสิ้นสุดลงแล้ว อุปกรณ์ที่มีการประสานงานอย่างเหมาะสมจะส่งผ่านความรับผิดชอบในการป้องกันอย่างราบรื่น โดยอุปกรณ์ด้านต้นทางจะดูดซับพลังงานส่วนใหญ่ ในขณะที่อุปกรณ์ป้องกันแรงดันกระชากด้านปลายน้ำจะจัดการกับแรงดันกระชากที่เหลืออยู่ซึ่งลอดผ่านเข้ามา การประสานงานดังกล่าวมีความสำคัญเป็นพิเศษในระบบติดตั้งที่ใช้อุปกรณ์ป้องกันแรงดันกระชากทั้งสำหรับวงจรไฟฟ้ากำลังและวงจรสัญญาณพร้อมกัน

ผู้ออกแบบระบบควรพิจารณาเวลาตอบสนองของอุปกรณ์ป้องกันแรงดันกระชาก (SPD) ด้วย โดยเปรียบเทียบกับระยะเวลาที่แรงดันกระชากที่คาดว่าจะเกิดขึ้นมีการเพิ่มขึ้น (rise time) แรงดันกระชากจากฟ้าผ่าโดยทั่วไปมีระยะเวลาเพิ่มขึ้นประมาณ 8 ไมโครวินาที ขณะที่แรงดันกระชากจากการสลับวงจร (switching transients) อาจมีความเร็วสูงกว่านั้นมาก การเลือกอุปกรณ์ป้องกันแรงดันกระชากที่มีเวลาตอบสนองและระดับแรงดันป้องกันสอดคล้องกับลักษณะภัยคุกคามเฉพาะของสถานที่ติดตั้ง จะทำให้อุปกรณ์ที่ไวต่อการเปลี่ยนแปลงได้รับการป้องกันอย่างแท้จริง แทนที่จะเป็นเพียงการปฏิบัติตามข้อกำหนดตามชื่อ (nominal compliance-based coverage)

เกณฑ์สำคัญในการเลือกอุปกรณ์ป้องกันแรงดันกระชากสำหรับระบบพลังงานแสงอาทิตย์และระบบอุตสาหกรรม

ค่าการระบุทางไฟฟ้าและพารามิเตอร์ประสิทธิภาพ

การเลือกอุปกรณ์ป้องกันแรงดันกระชากที่เหมาะสมเริ่มต้นจากการเข้าใจพารามิเตอร์ทางไฟฟ้าของระบบซึ่งอุปกรณ์นั้นจะใช้ป้องกัน สำหรับแอปพลิเคชันแผงโซลาร์เซลล์แบบกระแสตรง (DC solar PV) แรงดันทำงานต่อเนื่องสูงสุด (Ucpv) ของอุปกรณ์ป้องกันแรงดันกระชากจะต้องสูงกว่าแรงดันวงจรเปิดสูงสุดของสายโซลาร์เซลล์ (PV string) ภายใต้อุณหภูมิต่ำสุดที่คาดว่าจะเกิดขึ้นโดยทั่วไป ค่าแรงดันที่พบได้บ่อยสำหรับอุปกรณ์ป้องกันแรงดันกระชากในระบบ PV ได้แก่ 500 V, 600 V, 800 V, 1000 V และ 1500 V แบบกระแสตรง (DC) ซึ่งครอบคลุมช่วงค่าแรงดันทั้งหมดของสถาปัตยกรรมอินเวอร์เตอร์แบบสตริง (string inverter) และอินเวอร์เตอร์แบบกลาง (central inverter) ที่ทันสมัย

กระแสไฟฟ้าที่ปล่อยออกได้ตามค่าที่ระบุ (In) และกระแสไฟฟ้าสูงสุดที่ปล่อยออกได้ (Imax) แสดงถึงปริมาณกระแสไฟฟ้ากระชากที่อุปกรณ์สามารถรองรับได้ ระบบซึ่งมีค่าการจัดอันดับสูงในพื้นที่ที่มีฟ้าผ่าบ่อยครั้งควรใช้อุปกรณ์ป้องกันกระแสไฟฟ้ากระชากที่มีค่า Imax เท่ากับ 40 กิโลแอมแปร์ หรือสูงกว่านั้น เพื่อให้มั่นใจว่าอุปกรณ์จะยังคงใช้งานได้ตามปกติแม้ต้องรับมือกับเหตุการณ์กระแสไฟฟ้ากระชากหลายครั้งโดยไม่เสื่อมสภาพ ระดับแรงดันไฟฟ้าในการป้องกัน (Up) ควรมีค่าต่ำที่สุดเท่าที่เป็นไปได้เมื่อเปรียบเทียบกับแรงดันไฟฟ้าสูงสุดที่อุปกรณ์สามารถทนต่อแรงดันแบบกระชากได้ โดยหลักทั่วไปคือค่า Up ควรต่ำกว่า 80% ของแรงดันไฟฟ้าสูงสุดที่อุปกรณ์ระบุไว้ว่าสามารถทนได้

การรับรองตามมาตรฐานสากล เช่น IEC 61643-31 สำหรับการใช้งานในระบบพลังงานแสงอาทิตย์ (PV) หรือ IEC 61643-11 สำหรับระบบไฟฟ้ากระแสสลับ (AC) ช่วยให้มั่นใจได้ว่าอุปกรณ์ป้องกันแรงดันกระชากผ่านการทดสอบอย่างเป็นอิสระและสอดคล้องกับเกณฑ์ประสิทธิภาพที่กำหนดไว้ การรับรองจากหน่วยงานที่ได้รับการยอมรับ เช่น TUV และเครื่องหมาย CE ยังบ่งชี้ว่าสินค้าสอดคล้องกับข้อบังคับด้านความปลอดภัยของยุโรปที่เกี่ยวข้อง ซึ่งมีความสำคัญอย่างยิ่งสำหรับโครงการที่ต้องปฏิบัติตามข้อกำหนดด้านประกันภัยหรือการตรวจสอบโดยหน่วยงานกำกับดูแล

การติดตั้งและการพิจารณาการบำรุงรักษา

ควรเลือกอุปกรณ์ป้องกันแรงดันเกินไม่เพียงแต่จากสมรรถนะทางไฟฟ้าเท่านั้น แต่ยังต้องพิจารณาความสะดวกในการติดตั้งและการบำรุงรักษาด้วย อุปกรณ์ที่มีโมดูลแบบเสียบได้ช่วยให้สามารถเปลี่ยนองค์ประกอบการป้องกันที่ใช้งานอยู่ได้โดยไม่จำเป็นต้องถอดสายไฟออกหรือปิดระบบโดยรวม ซึ่งมีความสำคัญสูงมากในสถานที่ที่ต้องใช้งานอย่างต่อเนื่องและไม่สามารถหยุดทำงานได้ เช่น ฟาร์มพลังงานแสงอาทิตย์หรือสายการผลิตในโรงงานอุตสาหกรรม ตัวบ่งชี้สถานะแบบมองเห็นได้หรือช่องสัญญาณระยะไกลช่วยให้เจ้าหน้าที่บำรุงรักษาสามารถตรวจสอบได้อย่างรวดเร็วว่าอุปกรณ์ป้องกันแรงดันเกินยังทำงานได้ตามปกติหรือไม่ หรือได้รับความเสียหายจากการเกิดแรงดันเกินครั้งใหญ่แล้ว

รูปแบบทางกายภาพและข้อกำหนดด้านการติดตั้งบนราง DIN ก็เป็นปัจจัยเชิงปฏิบัติที่ควรพิจารณาเช่นกัน ตู้ควบคุมอุตสาหกรรมส่วนใหญ่ใช้ชุดราง DIN มาตรฐาน ดังนั้นอุปกรณ์ป้องกันแรงกระชากที่ออกแบบมาให้ติดตั้งบนราง DIN จึงสามารถผสานเข้ากับโครงสร้างภายในตู้ควบคุมที่มีอยู่ได้อย่างลงตัว โดยไม่จำเป็นต้องใช้อุปกรณ์เสริมเพิ่มเติม ทั้งนี้ รูปแบบที่มีขนาดกะทัดรัดโดยเฉพาะนั้นมีประโยชน์อย่างยิ่งในการติดตั้งปรับปรุง (retrofit) ซึ่งมักมีพื้นที่ภายในตู้จำกัด แต่จำเป็นต้องเพิ่มระบบป้องกันแรงกระชากให้กับการติดตั้งที่มีอยู่แล้ว

ตารางการบำรุงรักษาควรรวมการตรวจสอบสถานะของตัวบ่งชี้อุปกรณ์ป้องกันแรงดันกระชากเป็นระยะ ๆ และเมื่อเป็นไปได้ ควรทดสอบความต่อเนื่องของอุปกรณ์และคุณภาพของการต่อสายดินให้มีความสมบูรณ์หลังจากเกิดเหตุแรงดันกระชากครั้งใหญ่ที่ทราบแน่ชัด เช่น ฟ้าผ่าโดยตรงในบริเวณใกล้เคียงกับระบบติดตั้ง อุปกรณ์ป้องกันแรงดันกระชากทั้งหมดในวงจรที่ได้รับผลกระทบควรได้รับการตรวจสอบและเปลี่ยนใหม่หากตัวบ่งชี้สถานะแสดงสัญญาณของการเสื่อมสภาพหรือล้มเหลว การจัดเตรียมหน่วยสำรองไว้ล่วงหน้าจะช่วยให้มั่นใจได้ว่าระบบป้องกันจะไม่ขาดหายไปเป็นเวลานานหลังจากเกิดเหตุแรงดันกระชาก

คำถามที่พบบ่อย

อุปกรณ์ป้องกันแรงดันกระชากแตกต่างจากเซอร์กิตเบรกเกอร์อย่างไร

เบรกเกอร์ถูกออกแบบมาเพื่อป้องกันภาวะกระแสเกินที่คงตัวหรือภาวะลัดวงจรโดยการตัดวงจรเมื่อมีกระแสไฟฟ้าไหลผ่านมากเกินไปเป็นระยะเวลาที่มีนัยสำคัญ อุปกรณ์ป้องกันแรงดันกระชาก (Surge Protection Device) นั้นในทางตรงข้าม ถูกออกแบบมาเพื่อรับมือกับแรงดันไฟฟ้าชั่วคราวที่มีพลังงานสูงและเกิดขึ้นอย่างรวดเร็วมาก ซึ่งมีอายุการเกิดเพียงไม่กี่ไมโครวินาที ทั้งสองหน้าที่นี้เสริมกันแต่แตกต่างกันโดยสิ้นเชิง เบรกเกอร์ไม่สามารถตอบสนองได้เร็วพอที่จะป้องกันความเสียหายจากแรงดันกระชากได้ ในขณะที่อุปกรณ์ป้องกันแรงดันกระชากไม่ได้ถูกออกแบบให้รับมือกับกระแสไฟฟ้าลัดวงจรที่คงตัวทั้งสองชนิดนี้จึงเป็นส่วนประกอบที่จำเป็นต่อกลยุทธ์การป้องกันระบบไฟฟ้าอย่างครอบคลุม และมักใช้งานร่วมกันในระบบที่ผ่านการออกแบบมาอย่างดี

ควรเปลี่ยนอุปกรณ์ป้องกันแรงดันกระชากบ่อยแค่ไหน?

อายุการใช้งานของอุปกรณ์ป้องกันแรงดันกระชากขึ้นอยู่กับจำนวนและขนาดของเหตุการณ์แรงดันกระชากที่อุปกรณ์นั้นดูดซับมาตลอดอายุการใช้งาน แต่ละเหตุการณ์แรงดันกระชากจะทำให้ความสามารถในการดูดซับพลังงานของชิ้นส่วนภายในลดลงบางส่วน โดยเฉพาะ MOV (Metal Oxide Varistor) อุปกรณ์ป้องกันแรงดันกระชากสมัยใหม่หลายรุ่นมาพร้อมตัวบ่งชี้สถานะที่เปลี่ยนสีหรือเปิดใช้งานสัญญาณติดต่อระยะไกลเมื่ออุปกรณ์ถึงจุดสิ้นสุดของอายุการใช้งานที่มีประสิทธิภาพ ตามหลักทั่วไป อุปกรณ์ป้องกันแรงดันกระชากในพื้นที่ที่มีฟ้าผ่าบ่อยควรตรวจสอบทุกปี และอุปกรณ์ใดๆ ที่เคยได้รับแรงดันกระชากรุนแรงที่ทราบแน่ชัด ควรทำการทดสอบหรือเปลี่ยนใหม่ ไม่ว่าจะผ่านเวลามานานเท่าใดนับตั้งแต่ติดตั้ง

อุปกรณ์ป้องกันแรงดันกระชากสามารถใช้งานได้ทั้งกับระบบกระแสสลับ (AC) และระบบกระแสตรง (DC) หรือไม่?

ไม่ ตัวป้องกันแรงดันกระชากแบบ AC และ DC ไม่สามารถใช้แทนกันได้ ตัวป้องกันแรงดันกระชากแบบ DC ถูกออกแบบมาโดยเฉพาะเพื่อจัดการกับแรงดันไฟฟ้ากระแสตรงอย่างต่อเนื่องโดยไม่เสื่อมสภาพ เนื่องจากกระแสไฟฟ้ากระแสตรงไม่มีค่าศูนย์ตามธรรมชาติเหมือนกระแสไฟฟ้ากระแสสลับ ทำให้การตัดกระแสที่ไหลต่อเนื่องหลังเหตุการณ์แรงดันกระชากเป็นเรื่องยากยิ่งขึ้น การใช้ตัวป้องกันแรงดันกระชากที่ระบุว่าใช้ได้กับระบบ AC บนวงจร DC อาจส่งผลให้เกิดการลุกลามของอาร์ก (arc persistence) ความล้มเหลวของอุปกรณ์ หรือแม้แต่เกิดเพลิงไหม้ ดังนั้นควรเลือกตัวป้องกันแรงดันกระชากที่มีการระบุอันดับและรับรองสำหรับประเภทแรงดันไฟฟ้าและแอปพลิเคชันเฉพาะที่จะติดตั้ง

ตัวป้องกันแรงดันกระชากมีผลต่อการดำเนินงานปกติของระบบหรือไม่?

ภายใต้สภาวะการใช้งานปกติ อุปกรณ์ป้องกันแรงดันกระชากที่เลือกอย่างเหมาะสมจะมีผลกระทบต่อระบบไฟฟ้าเพียงเล็กน้อยหรือแทบไม่มีผลกระทบเลย เนื่องจากชิ้นส่วนที่ทำหน้าที่ป้องกันมีค่าอิมพีแดนซ์สูงมากเมื่ออยู่ภายใต้แรงดันการใช้งานปกติ จึงไม่ดึงกระแสไฟฟ้าที่วัดได้หรือก่อให้เกิดการตกของแรงดันในระหว่างการใช้งานแบบคงที่ อุปกรณ์นี้จะทำงานเฉพาะในช่วงเหตุการณ์ชั่วคราว (transient events) เมื่อแรงดันไฟฟ้าเกินค่าเกณฑ์การจำกัดแรงดัน (clamping threshold) ซึ่งหมายความว่า การติดตั้งอุปกรณ์ป้องกันแรงดันกระชากไม่ส่งผลให้ประสิทธิภาพของระบบลดลง ไม่เปลี่ยนแปลงคุณภาพของพลังงานไฟฟ้าภายใต้สภาวะการใช้งานปกติ และไม่จำเป็นต้องปรับแต่งพารามิเตอร์การใช้งานของอินเวอร์เตอร์หรืออุปกรณ์ควบคุมที่เชื่อมต่อไว้แต่อย่างใด