สายดินหรือสายกราวด์

คำนิยามของสายดินเหนือศีรษะ (Ground Wire)

สายดินเหนือศีรษะ หรือที่เรียกว่าสายดิน เป็นส่วนประกอบสำคัญของระบบป้องกันฟ้าผ่า มันประกอบด้วยตัวนำหนึ่งหรือมากกว่าหนึ่งตัวที่ติดตั้งอยู่เหนือสายส่งไฟฟ้า โดยทอดจากโครงสร้างหนึ่งไปยังอีกโครงสร้างหนึ่ง สายเหล่านี้ถูกต่อพื้นดินอย่างรอบคอบทุกระยะตามความยาวของมัน

ฟังก์ชันหลักของสายดินคือการรับแรงฟ้าผ่าโดยตรงที่อาจเป้าหมายไปที่สายนำเฟสของสายส่งไฟฟ้า ด้วยการเปลี่ยนทางกระแสฟ้าผ่าให้ไหลลงสู่พื้นดินอย่างปลอดภัย มันปกป้องสายนำไฟฟ้าที่สำคัญจากการเสียหาย ทำให้ระบบส่งกำลังไฟฟ้าทำงานได้อย่างไม่หยุดชะงัก ควรทราบว่าแม้ว่าสายดินจะมีประสิทธิภาพสูงในการป้องกันฟ้าผ่า แต่มันไม่มีผลในการลดแรงดันเกินจากการเปลี่ยนแปลงสถานะภายในระบบไฟฟ้า

เมื่อมีการฟ้าผ่าที่กลางสายดิน จะเกิดคลื่นไฟฟ้าขึ้นและแพร่กระจายไปในทิศทางตรงข้ามตามสาย คลื่นเหล่านี้จะไปถึงหอคอยส่งไฟฟ้าที่อยู่ใกล้เคียง ซึ่งออกแบบมาเพื่อเปลี่ยนทางพลังงานไฟฟ้าลงสู่พื้นดินอย่างปลอดภัย อย่างไรก็ตาม ประสิทธิภาพของสายดินขึ้นอยู่กับปัจจัยสำคัญหนึ่งคือ ความต้านทานระหว่างฐานหอคอยและพื้นดินต้องต่ำเพียงพอ ความต้านทานสูงสามารถขัดขวางการระบายกระแสฟ้าผ่าอย่างมีประสิทธิภาพ ลดความสามารถของสายดินในการปกป้องสายส่งไฟฟ้า และอาจนำไปสู่แรงดันเกินและการเสียหายของอุปกรณ์

หากความต้านทานระหว่างฐานหอคอยและพื้นดินไม่ต่ำ และสายดินหรือหอคอยถูกฟ้าผ่า ฟ้าผ่าจะทำให้เกิดศักย์ไฟฟ้าสูงมาก ศักย์ไฟฟ้าสูงนี้สามารถทำให้เกิดการฟ้าผ่าจากหอคอยไปยังสายนำเฟสหนึ่งหรือมากกว่า เรียกว่าการฟ้าผ่ากลับ

การฟ้าผ่ากลับเกิดขึ้นเมื่อผลคูณของกระแสไฟฟ้าของหอคอยและอิมพิแดนซ์ของหอคอยเกินระดับฉนวนของสายส่งไฟฟ้า เพื่อลดความเสี่ยงนี้ วิธีที่มีประสิทธิภาพหนึ่งคือการลดความต้านทานฐานหอคอย ในพื้นที่ที่มีความต้านทานของดินสูง มักใช้แท่งขับเคลื่อนและเคาน์เตอร์โพส

เคาน์เตอร์โพสเป็นตัวนำที่ฝังอยู่ใต้ดิน ทำจากเหล็กกล้าชุบสังกะสี สำหรับเทอร์มินัลเหนือศีรษะ เคาน์เตอร์โพสมีหน้าที่เป็นเทอร์มินัลพื้นดินเฉพาะทาง บทบาทของมันคือการลดอิมพิแดนซ์ของสัญญาณไฟฟ้าที่เชื่อมต่อกับพื้นดินและเพิ่มการคู่ขนานระหว่างสายดินและตัวนำ ทำให้ประสิทธิภาพในการป้องกันฟ้าผ่าของระบบดีขึ้น

ในสายส่งไฟฟ้า มีเคาน์เตอร์โพสสองประเภทหลักที่ใช้งานคือเคาน์เตอร์โพสแบบขนานและเคาน์เตอร์โพสแบบเรเดียล

เคาน์เตอร์โพสแบบขนาน

เคาน์เตอร์โพสแบบขนานประกอบด้วยตัวนำหนึ่งหรือมากกว่าหนึ่งตัวที่วางอยู่ใต้ดินตลอดความยาวของสายส่งไฟฟ้า ตัวนำเหล่านี้เชื่อมต่อกับสายดินเหนือศีรษะที่ทุกหอคอยและเสา รูปแบบนี้ช่วยกระจายกระแสไฟฟ้าอย่างสม่ำเสมอในระหว่างการฟ้าผ่า ลดโอกาสของการสะสมแรงดันสูงและลดโอกาสของการฟ้าผ่ากลับ

เคาน์เตอร์โพสแบบเรเดียล

เคาน์เตอร์โพสแบบเรเดียลมีลักษณะเป็นสายที่ขยายออกในรูปแบบเรเดียลจากฐานของขาหอคอย จำนวนและขนาดของสายเหล่านี้ถูกกำหนดอย่างรอบคอบตามสองปัจจัยสำคัญ คือ ตำแหน่งทางภูมิศาสตร์ของหอคอยและสภาพดินที่มีอยู่ ตัวแปรเหล่านี้มีบทบาทสำคัญในการเพิ่มประสิทธิภาพของเคาน์เตอร์โพสในการลดความต้านทานฐานหอคอยและเพิ่มประสิทธิภาพในการป้องกันฟ้าผ่าของสายส่งไฟฟ้า

มุมป้องกันหรือมุมคุ้มครอง

มุมป้องกันหรือมุมคุ้มครองถูกกำหนดเป็นการวัดมุมระหว่างแนวตั้งของสายดินและสายนำเฟสที่ต้องการป้องกัน ตามประเพณี มุมนี้วัดเป็นมุมระหว่างเส้นแนวตั้งที่ผ่านสายดินและเส้นที่เชื่อมต่อระหว่างสายดินและสายนำเฟสที่อยู่นอกสุด มุมนี้เป็นพารามิเตอร์สำคัญในการออกแบบและประเมินระบบป้องกันฟ้าผ่าของสายส่งไฟฟ้าเหนือศีรษะ เนื่องจากมันมีผลโดยตรงต่อความสามารถของสายดินในการรับแรงฟ้าผ่าและปกป้องสายนำเฟสจากการเสียหาย

การปรับปรุงการป้องกันและการกำหนดค่าสายดิน

ในการป้องกันฟ้าผ่าที่เหมาะสมสำหรับสายส่งไฟฟ้าเหนือศีรษะ จำเป็นต้องลดมุมคุ้มครอง มุมระหว่าง 20° ถึง 30° ถือว่ามีประสิทธิภาพและปลอดภัยในการให้การป้องกันที่เพียงพอแก่สายนำเฟส วิศวกรมักหลีกเลี่ยงการตั้งมุมคุ้มครองเกิน 40° เนื่องจากจะลดประสิทธิภาพในการป้องกันและเพิ่มความเสี่ยงของการฟ้าผ่าโดยตรงที่สายนำ

ในระบบไฟฟ้าแรงสูงสมัยใหม่ ซึ่งมักมีสายนำที่มีระยะห่างกว้าง ระบบสายดินสองเส้นกลายเป็นบรรทัดฐาน ระบบสองเส้นนี้ให้การป้องกันที่ดีกว่าระบบสายดินเดียว การใช้สายดินสองเส้นไม่เพียงแต่เพิ่มการครอบคลุมและการรับแรงฟ้าผ่า แต่ยังมีประโยชน์ทางไฟฟ้าหลายประการ เช่น อิมพิแดนซ์ของระบบสายดินสองเส้นต่ำ ทำให้สามารถระบายกระแสไฟฟ้าที่เกิดจากฟ้าผ่าได้อย่างมีประสิทธิภาพ นอกจากนี้ สายดินสองเส้นยังเพิ่มการคู่ขนานระหว่างสายดินและสายนำเฟส ทำให้การจัดการประจุไฟฟ้าดีขึ้น ลดโอกาสของแรงดันเกิน และเพิ่มความน่าเชื่อถือและความทนทานของโครงสร้างส่งไฟฟ้าแรงสูง