ระบบป้องกันฟ้าผ่าสำหรับอาคาร (Building Lightning System Protection)

 

1 บทนำ

     ฟ้าผ่าเป็นปรากฏการณ์ธรรมชาติอย่างหนึ่ง  ซึ่งจะผ่าที่ไหนเมื่อไหร่ไม่มีโอกาสรู้ล่วงหน้าได้เลย เมื่อเกิดฟ้าผ่ามักจะเกิดความเสียหายแก่สิ่งที่ถูกผ่า เช่น บ้านเรือนและสิ่งที่มีชีวิตที่อยู่ในบริเวณนั้น  จากการค้นพบของเบนจามิน แฟรงคลิน (Benjamin Franklin) ในปี 1706-1790 นั้น ทำให้มนุษย์สามารถที่จะเอาชนะธรรมชาติบางอย่างได้ แต่การเกิดฟ้าผ่าตามธรรมชาตินั้นเราไม่อาจที่จะห้ามได้  ดังนั้นการป้องกันอันตรายจากฟ้าผ่านั้นสามารถทำได้ หากมีระบบสายล่อฟ้าที่ดีเพื่อล่อให้ฟ้าผ่าลงบนสายล่อฟ้าที่จัดทำไว้ หากมีฟ้าผ่าเกิดขึ้นในบริเวณนั้นกระแสจำนวนมากจากฟ้าผ่าที่เกิดจากการคายประจุจากก้อนเมฆจึงวิ่งลงสู่พื้นโลกได้สะดวก และรวดเร็วไม่เกิดความเสียหาย

การป้องกันฟ้าผ่า การป้องกันฟ้าผ่านั้นในปัจจุบันนี้นิยมใช้กันอยู่สองวิธี คือ

- วิธีของกรงฟาราเดย์ (Faraday cage)

- วิธีการใช้สารกัมมันตภาพรังสี (Radio active)

 

2 การป้องกันฟ้าผ่าโดยใช้กรงฟาราเดย์ (Faraday cage)

     2.1 หลักล่อฟ้า (Air terminal) อาจจะเป็นเสาโลหะหรือสายตัวนำซึ่งยึดไว้บนยอดสูงสุดของสิ่งก่อสร้าง หรือบริเวณที่ต้องการป้องกัน หลักล่อฟ้านี้นิยมใช้แบบปลายแหลม เพื่อให้ความเข้มของสนามไฟฟ้า (Electric field stress) ที่จุดนั้นมีค่าสูงกว่าบริเวณที่อยู่ใกล้เคียง หลักล่อฟ้านี้มีหน้าที่ล่อให้ฟ้าผ่าลง หลักล่อฟ้ามีรูปร่างต่าง ๆ ดังรูปที่ 2

     2.2 จะติดตั้งหลักล่อฟ้าจำนวนกี่หลักในแต่ละอาคาร ตามมาตรฐานจะกำหนดว่าหลักล่อฟ้าหนึ่งต้นจะมีรัศมีป้องกันเป็นทรงกรวยเท่ากับ 45 องศา ทำมุมกับแกนของหลักล่อฟ้า  ดังรูปที่ 3

รูปที่ 3 รัศมีที่คุ้มครองของหลักล่อฟ้าตามมาตรฐาน

     แต่อย่างไรก็ตามถ้าหากต้องการให้ระบบป้องกันฟ้าผ่ามีความมั่นใจสูง มุมที่ป้องกันได้จริงควรจะใช้มุม 30 องศา ดังนั้นในการติดตั้งหลักล่อฟ้าตามลักษณะส่วนบนของหลังคาตึก จำนวนหลักล่อฟ้าของแต่ละอาคารจะไม่เท่ากัน บางแห่งมีหลายหลัก ดังรูปที่ 4-5 แต่บางแห่ง

 

     ก็มีหลักล่อฟ้าเพียงจุดเดียวเท่านั้น  ถ้าหลักล่อฟ้านั้นมีความสูงมากพอที่จะมีรัศมีคุ้มครองอาคารนั้นได้ทั้งหมด สำหรับระยะห่างของหลักล่อฟ้านั้นขึ้นอยู่กับความสูงของหลักล่อฟ้า เนื่องจากการออกแบบทางสถาปนิกไม่นิยมให้เห็นหลักล่อฟ้าจึงมักใช้หลักล่อฟ้าที่มีความสูงเพียง 30-60 เซนติเมตร จึงต้องใช้หลักล่อฟ้าจำนวนมาก ดังนั้นระยะห่างของหลักล่อฟ้า x ในรูปที่ 4 และ 5 นั้นไม่ควรห่างกันเกิน 8 เมตร เพราะช่วงเสาของตึกจะอยู่ประมาณ 4 เมตร ใช้ระยะห่างของช่วงเสาสองช่อง 8 เมตร ก็จะทำให้คุ้มครอบได้หมดและสวยงาม

     2.3 การติดตั้งหลักล่อฟ้ากับอาคารที่มีหลังคาหลายระดับ การติดตั้งหลักล่อฟ้ากับหลังคาที่มีหลายระดับนั้น  บางคนเข้าใจผิดว่าอาคารที่ระดับต่ำลงมาไม่จำเป็นต้องมีการป้องกัน  ที่ถูกต้องแล้วนั้น  จะต้องทำการป้องกันด้วยเพียงแต่ใช้หลักล่อฟ้าให้ลดน้อยลงมาได้ในส่วนที่ติดกับอาคารที่มีระดับสูงกว่า  เพราะว่าหลักล่อฟ้าของอาคารที่มีระดังสูงกว่ามีรัศมีคุ้มครองเป็นมุม 45 องศาถึงระดับต่ำกว่า7

     2.4 การติดตั้งล่อฟ้าตามแนวราบ ในบางครั้งสถาปนิกไม่ต้องการให้มีหลักล่อฟ้าปรากฎให้เห็นบนตัวอาคารเลย เพราะจะทำให้ตึกหมดความสวยงาม ดังนั้นหลักล่อฟ้าอาจเปลี่ยนเป็น แบบสายตัวนำ วางตามแนวราบได้ โดยระยะห่างของสายล่อฟ้าตามแนวราบไม่ควรเกิน 10 เมตร

     2.5 ขนาดของหลักล่อฟ้าหรือสายล่อฟ้า

- ทองแดง, อะลูมิเนียม, ทองเหลือง, เหล็กกัลวาไนซ์           50 ตารางมิลลิเมตร

- ทองแดงเส้นแบน, เหล็กอาบสังกะสี                                    20x2.5 ตารางมิลลิเมตร

- อะลูมิเนียมแบน                                                                   20x4.0 ตารางมิลลิเมตร

     2.6 การจัดวางสายล่อฟ้ากับอาคารหลังคาทรงแหลม และหลังคาทรงราบ การวางหลักล่อฟ้าหรือสายล่อฟ้านั้น จะขึ้นอยู่กับลักษณะของอาคารและหลังคาว่าเป็นแบบใด การจัดวางเสาล่อฟ้าและสายล่อฟ้าตามแนวระนาบ  โดยจะต้องวางหลักล่อฟ้าและสายล่อฟ้าให้สามารถคุ้มครองพื้นที่ที่ต้องการป้องกันได้ทุกจุด  เมื่อเกิดฟ้าผ่าเกิดขึ้นจะต้องให้ฟ้าผ่าลงที่หลักล่อฟ้าหรือสายล่อฟ้าที่ติดตั้งไว้  เพื่อให้การป้องกันที่ทำไว้มีความสมบูรณ์แบบจะต้องไม่ให้จุดใดจุดหนึ่งบนหลังคาอยู่จากหลักล่อฟ้าหรือสายล่อฟ้าเกิน 10 เมตร

     2.7 สายตัวนำลงดิน (Down conductor) ปกติแล้วสายตัวนำลงดินที่ใช้จะใช้ลวดทองแดงตีเกลียวที่มีขนาดใหญ่พอที่จะนำประจุไฟฟ้าลงดินได้อย่างรวดเร็ว  สายตัวนำลงดินนี้จะต่อกับหลักล่อฟ้าหรือสายล่อฟ้าและมีจำนวนสายตัวนำลงดินมากพอ  สำหรับจำนวนสายตัวนำลงดิน ส่วนขนาดของสายตัวนำลงดินมักจะใช้สายไฟที่เป็นสายทองแดงเปลือยตีเกลียวขนาดพื้นที่หน้าตัดโตกว่า 50 ตารางมิลลิเมตร  การติดตั้งสายตัวนำลงดินสามารถติดตั้งได้ 3 แบบคือ

     - ร้อยท่อเดินภายในเสาโครงสร้าง

     - ร้อยท่อเดินตามด้านนอกของตัวอาคาร

     - ใช้โครงสร้างเป็นตัวนำลงดิน

     ก. การติดตั้งสายตัวนำลงดินโดยร้อยท่อเดินภายในเสาโครงสร้างวิธีนี้มีข้อดีคือ สวยงามแต่มีข้อเสียในการตรวจซ่อมและขณะก่อสร้างจะต้องมีการควบคุมกันอย่างใกล้ชิด

     ข. การติดตั้งสายตัวนำลงดินโดยเดินร้อยท่อตามด้านนอกของอาคาร วิธีการนี้มีข้อดีคือติดตั้งและทำการซ่อมได้สะดวก แต่มีข้อเสียคือทำให้อาคารไม่ค่อยสวยงาม การติดตั้งสายตัวนำลงดินนี้ก่อนร้อยท่อจะต้องทาจาระบีบนสายทองแดงเปลือยก่อนเพื่อป้องกันการเกิดออกไซด์ ถ้าไม่ร้อยท่อติดตั้งเปลือยก็ทำได้แต่สายไฟเปลือยเมื่อใช้ไปนานจะเกิดออกไซด์ ซึ่งจะทำให้เกิดความยุ่งยากต่อการซ่อมบำรุงภายหลัง

     ค. การติดตั้งสายตัวนำลงดินโดยใช้โครงสร้างเหล็กเป็นสายตัวนำลงดินวิธีนี้เราจะใช้โครงเหล็กของตัวอาคารเป็นสายตัวนำลงดิน ดังนั้นในการใช้สายตัวนำลงดินแบบนี้จะต้องมีการเชื่อมโครงเหล็กให้ต่อถึงกันจริง ๆ ซึ่งจะทำให้ราคาของการเชื่อมมีราคาสูงเพราะจะต้องมีการควบคุมขณะที่ก่อสร้างอย่างจริงจัง อีกอย่างการเชื่อมสายเข้ากับโครงสร้างเหล็กจะต้องเชื่อมด้วยวิธีเอกโซเทอร์มิก ( Exo  thermic  welding ) จึงจะได้ผลจริง  ๆ

     9.2.8 หลักสายดิน ( Earth electrode) หลักสายดินเราอาจใช้แท่งโลหะหรือแผ่นโลหะที่ไม่ผุกร่อนง่าย เช่นทองแดง เหล็กกัลวาไนซ์ ฝังลึกลงไปจนถึงชั้นของดินทีมีความชื้นเพื่อให้มีการจ่ายประจุลงดินได้อย่างรวดเร็ว จำนวนหลักของสายดินจะมากหรือน้อยนั้นขึ้นอยู่กับค่าความต้านทานทางไฟฟ้าของระบบ กรณีที่ต้องการมากกว่า 1 ต้น ระยะห่างระหว่างต้นไม่ควรเกินกว่า 1.80  เมตร  เพื่อป้องกันการเกิดสเตปโวลต์เตจ ( Step  voltage ) ซึ่งเป็นอันตรายต่อบุคคลที่เดินอยู่ใกล้หลักสายดิน หลักสายดินนี้จะต้องตั้งให้ห่างจากระบบกราวด์จริงของตัวตึก ไม่เช่นนั้นเมื่อเกิดฟ้าผ่าจะทำให้เกิดมีแรงดันเพิ่มขึ้นแก่ระบบไฟฟ้าตามปกติได้

3 การป้องกันฟ้าผ่าโดยใช้สารกัมมันตภาพรังสี  ( Radio active)

     เนื่องจากวิธีการป้องกันฟ้าผ่าของกราฟฟาราเดย์นั้นมีข้อเสียคือ ไม่สวยงามเนื่องจากมีหลักล่อฟ้า สายล่อฟ้า และสายตัวนำลงดินเป็นจำนวนมาก ทั้งยังมีพื้นที่บางส่วนไม่อยู่ในรัศมีที่ป้องกันได้ จะต้องใช้หลักล่อฟ้าและหลักสายดินอย่างละ 16 หลัก แต่สามารถป้องกันพื้นที่ได้เพียง 1809 ตารางฟุตเท่านั้น  สำหรับด้านข้างตึกซึ่งมีพื้นที่ 90,000 ตารางฟุตนั้นไม่อยู่ในรัศมีของการป้องกันโดยวิธีกรงฟาราเดย์ อีกทั้งในการออกแบบตึกสถาปนิกผู้ออกแบบมักจะไม่ยอมให้อุปกรณ์ส่วนอื่นมาประกอบตัวตึกซึ่งจะมีผลทำให้อาคารหมดความสวยงาม ดังนั้นเพื่อแก้ข้อเสียของวิธีนี้การป้องกันตัวอาคารที่มีความพิถี พิถันเรื่องความสวยงามและความปลอดภัยจึงเปลี่ยนมาใช้วิธีการป้องกันโดยใช้ สารกัมมันตภาพรังสี

     3.1 สารกัมมันภาพรังสีจะอยู่ส่วนใดของจาน ระบบป้องกันที่ใช้สารกัมมันตภาพรังสีนั้นจะมีรูปร่าง

ชุดล่อฟ้าที่มีชื่อทางการค้าว่าพรีเวนซ์เตอร์  ( Preventor ) ซึ่งเป็นผลิตภัณฑ์ของบริษัท  Bristish  Lightning  Preventor  Limited ปลายแหลมของตัวพรีเวนเตอร์ทำจากแท่งทองแดง  ตัวจานมีขนาดเส้นผ่าศูนย์กลาง  23  เซ็นติเมตร  สูง  12  เซ็นติเมตร  หนัก  2  กิโลกรัมภายในจานเป็นฟอยล์ ( Foil ) บรรจุด้วยสารกัมมันตภาพรังสี เรเดียม  226 ( Radium  226 ) หรือ อเมริเซียม  241 ( Amerecium  24 ) ซึ่งผสมกับทองคำเชื่อมติดกับฟอยล์ ดังนั้นที่ตัวจานจะแผ่รังสีแอลฟ่า ( a  -  Aljpha )  เบต้า  ( b - Bata )  และแกรมม่า ( g - Grammar ) ซึ่งจะสร้างสนามแม่เหล็กที่มีความเข้มสูงรอบแท่งทองแดง

     3.2 ขีดความสามารถของพรีเวนซ์เตอร์ที่มีขายในท้องตลาดพรีเวนซ์เตอร์หรือระบบล่อฟ้าที่มีขายในท้องตลาดทำจากสารกัมมันตภาพรังสีอเมริเซียน  241  มีทั้งหมด  สี่ขนาด  คือ

P ₁ มีรัศมีป้องกันได้   35 เมตร ระยะต่ำสุดที่ติดตั้งได้   4.6   เมตร   คิดเป็นพื้นที่     3,850   ม ²

P ₂ "                         100    "                        "                4.5     "                   "           7,850   ม ²

P ₃ "                           60    "                        "                6.0     "                   "         20,100   ม ²

P ₄ "                         200    "                       "                 6.0     "                   "         31,400   ม ²

ซึ่ง P ₄ นี้ทางบริษัทผู้ผลิตแนะนำให้ใช้กับอาคารที่มีความสูงเกิน   150   ฟุตขึ้นไป

     3.3 ชุดป้องกันฟ้าผ่าโดยใช้สารกัมมันตภาพรังสีพรีเวนซ์เตอร์ ประกอบด้วยอะไรบ้างและมีเขตป้องกันอย่างไร

ชุดป้องกันฟ้าผ่านี้จะประกอบไปด้วย

     ก. ตัวพรีเวนซ์เตอร์ ซึ่งตรงกับหมายเลขหนึ่งจะติดตั้งอยู่เหนือเสาอากาศโทรทัศน์หมายเลข  4

     ข. สายตัวนำลงดิน ซึ่งต่อจากตัวพรีเวนซ์เตอร์เดินผ่านหลังคาแล้วต่อลงกับหลักสายดิน

     สำหรับเขตป้องกันนั้นหมายเลข 5 จะแสดงเขตที่เป็นรูปวงกลมที่สามารถควบคุมบริเวณที่จะล่อให้ประจุจากก้อนเมฆผ่าลงมา ส่วนหมายเลข 6 เป็นรูปกรวยที่ตัวพรีเวนซ์เตอร์สามารถป้องกันบ้านและบริเวณข้างเคียงจากฟ้าผ่าได้ ซึ่งจะเห็นว่าอุปกรณ์ที่ป้องกันฟ้าผ่าโดยใช้สารกัมมันตภาพรังสีนี้ใช้อุปกรณ์น้อยมาก สำหรับการป้องกันอาคารจะมีอุปกรณ์ที่เป็นกล่องทดสอบ ( Test  box )  เข้ามาอีก

3.4 ข้อเสียของระบบป้องกันโดยใช้สารกัมมันตภาพรังสี  คือ

     - มีราคาแพง

      - สารกัมมันตภาพรังสีช่วงครึ่งชีวิต (Half  life ) เมื่อใช้ไปนาน ๆ จะเสื่อมประสิทธิภาพอาจจะลดลงได้

     - จะต้องมีการตรวจสอบระบบให้ดีอยู่เสมอเนื่องจากว่าใช้อุปกรณ์ป้องกันเป็นจำนวนน้อย หากจุดใดจุดหนึ่งเกิดบกพร่องระบบจะไม่สามารถป้องกันฟ้าผ่าได้เลย