ทำไมสายดินถึงมีขนาดเล็กกว่าสายไฟร้อน

การพิจารณาขนาดสายดิน

ขนาดของสายดินไม่จำเป็นต้องเท่ากับสายไฟฟ้า (เฟสหรือฮอต) อย่างไรก็ตาม ขนาดของมันต้องปฏิบัติตามกฎระเบียบที่ระบุไว้ในรหัสไฟฟ้า เช่น รหัสไฟฟ้าแห่งชาติ (NEC) ในสหรัฐอเมริกา ปัจจัยสำคัญหลายประการที่มีผลต่อขนาดที่เหมาะสมของสายดิน:

แม้ว่าจะไม่เกิดขึ้นบ่อย แต่ในกรณีที่มีการเดินสายยาวหรือวงจรที่จำเป็นต้องลดความต้านทานลง สายดินอาจต้องเพิ่มขนาด นี่เป็นเพราะสายดินที่ยาวสามารถทำให้แรงดันตกต่ำได้มาก ซึ่งทำให้ความต้านทานของทางเดินดินเพิ่มขึ้น เพื่อลดปัญหานี้และรับประกันความปลอดภัยและความเชื่อถือได้ของระบบไฟฟ้า สายดินอาจต้องมีขนาดเท่ากับสายเฟส

ในการติดตั้งไฟฟ้าบางประเภท วิศวกรอาจเลือกใช้สายดินที่มีขนาดเท่ากับสายเฟสเพื่อความปลอดภัยเพิ่มเติม การปฏิบัตินี้พบบ่อยในระบบสำคัญที่ความล้มเหลวทางไฟฟ้าอาจมีผลร้ายแรง หรือในพื้นที่ที่รหัสไฟฟ้าท้องถิ่นกำหนดมาตรฐานที่เข้มงวดขึ้น โดยการใช้สายดินขนาดใหญ่ ระบบสามารถจัดการกับกระแสไฟฟ้าที่ผิดปกติได้ดีขึ้น ลดความเสี่ยงของการช็อกไฟฟ้าและการเสียหายของอุปกรณ์

การเข้าใจขนาดสายดินในวงจรไฟฟ้า

เมื่อสายดินมีขนาดเล็กกว่าสายไฟฟ้า

ในวงจรไฟฟ้าหลายแห่ง สายดิน (หรือสายดิน) มักจะมีขนาดเล็กกว่าสายเฟส (ฮอต) และสายกลาง และการออกแบบนี้มีพื้นฐานจากปัจจัยสำคัญหลายประการ:

หน้าที่ของแต่ละประเภทของสาย

• สายเฟส: สายนี้มีหน้าที่ขนส่งกระแสไฟฟ้าเต็มโหลดในระหว่างการทำงานปกติของวงจร จ่ายพลังงานไฟฟ้าให้กับอุปกรณ์และเครื่องใช้ไฟฟ้าที่เชื่อมต่อ

• สายกลาง: มีหน้าที่เป็นทางกลับของกระแสไฟฟ้า ขนส่งกระแสไฟฟ้าเท่ากับสายเฟสกลับไปยังแหล่งกำเนิดไฟฟ้า

สายดิน: หน้าที่หลักคือให้ทางสำหรับกระแสไฟฟ้าที่ผิดปกติ เช่น กระแสที่เกิดขึ้นในระหว่างวงจรลัดวงจรหรือการรั่วไหลของไฟฟ้า โดยการเปลี่ยนทางกระแสที่ผิดปกตินี้ สายดินช่วยป้องกันอุปกรณ์และป้องกันอันตรายจากการช็อกไฟฟ้า อย่างสำคัญ สายดินไม่มีส่วนร่วมในการขนส่งกระแสไฟฟ้าปกติของวงจร

ความต้องการขนส่งกระแสไฟฟ้า

เนื่องจากสายดินทำการนำกระแสไฟฟ้าเฉพาะในกรณีที่เกิดข้อผิดพลาด จึงไม่จำเป็นต้องรับกระแสไฟฟ้าที่ต่อเนื่องเหมือนสายเฟส กระแสไฟฟ้าที่ผิดปกติมักจะไหลเพียงระยะเวลาสั้น ๆ จนกระทั่งอุปกรณ์ป้องกันกระแสไฟฟ้าเกิน เช่น วงจรตัดกระแสหรือฟิวส์ ทำงานเพื่อตัดวงจร ดังนั้น สายดินสามารถมีขนาดที่ทนทานต่อกระแสไฟฟ้าที่สั้น ๆ นี้โดยไม่ทำให้เกิดความร้อนสูง ออกแบบให้นำกระแสไฟฟ้าที่ผิดปกติเพียงพอให้อุปกรณ์ป้องกันตัดวงจร ระยะเวลาสั้น ๆ ของกระแสไฟฟ้าที่ผิดปกติช่วยลดความเสี่ยงของการสะสมความร้อนสูง ทำให้สามารถใช้สายที่มีขนาดเล็กกว่า ลดค่าใช้จ่ายและปริมาณวัสดุ แต่ยังคงมาตรฐานความปลอดภัยและประสิทธิภาพที่จำเป็น หากใช้สายดินขนาดใหญ่เกินไป จะทำให้ค่าใช้จ่ายเพิ่มขึ้นโดยไม่ได้ประโยชน์ด้านความปลอดภัยเพิ่มเติมอย่างมาก

การพิจารณาการตกต่ำของแรงดัน

การตกต่ำของแรงดันไม่ได้เป็นปัญหาสำคัญในการออกแบบสายดิน เนื่องจากสายดินไม่นำกระแสไฟฟ้าอย่างต่อเนื่อง นอกจากนี้ สายดินมักจะติดตั้งในระยะทางสั้น ระยะทางสั้นนี้ช่วยให้กระแสไฟฟ้าที่ผิดปกติสามารถถูกนำออกไปยังดินอย่างรวดเร็ว กระตุ้นวงจรตัดกระแสทำงานโดยไม่ทำให้สายดินร้อนสูง ดังนั้น สามารถใช้สายดินขนาดเล็กโดยไม่ส่งผลกระทบต่อประสิทธิภาพของวงจร

มาตรฐานการกำหนดขนาดตามรหัส

รหัสไฟฟ้าแห่งชาติ (NEC): NEC ให้คำแนะนำรายละเอียดในตาราง 250.122 ที่ระบุขนาดขั้นต่ำของสายดินอุปกรณ์ (EGC) ข้อกำหนดเหล่านี้ขึ้นอยู่กับการจัดอันดับของอุปกรณ์ป้องกันกระแสไฟฟ้าเกิน เช่น วงจรตัดกระแสหรือฟิวส์ ที่ป้องกันวงจร

คณะกรรมการไฟฟ้าระหว่างประเทศ (IEC): คล้ายกับ NEC ข้อกำหนด IEC กำหนดขนาดขั้นต่ำของสายดิน อย่างไรก็ตาม แนวทาง IEC ทั่วไปพิจารณาปัจจัยเช่น ขนาดของสายเฟสและกระแสไฟฟ้าที่ผิดปกติสูงสุดที่คาดว่าจะเกิดขึ้น รหัสเหล่านี้รับประกันว่าสายดินมีขนาดเหมาะสม ไม่เล็กเกินไปซึ่งอาจนำไปสู่ความล้มเหลวในกรณีที่เกิดข้อผิดพลาด หรือใหญ่เกินไปซึ่งจะเป็นการสิ้นเปลือง

ตัวอย่างที่ใช้จริง

• สำหรับวงจรที่ได้รับการป้องกันด้วยวงจรตัดกระแส 15 แอมป์ สายฮอตมักจะเป็น #12 AWG และสายดินต้องมีขนาดอย่างน้อย #14 AWG สำหรับทองแดง

• สำหรับวงจรที่ได้รับการป้องกันด้วยวงจรตัดกระแส 20 แอมป์ สายฮอตเป็น 10 AWG และสายดินควรเป็นอย่างน้อย #12 AWG สำหรับทองแดง

• ในกรณีของวงจรตัดกระแส 50 แอมป์ สายฮอตเป็น #6 AWG และขนาดขั้นต่ำของสายดินคือ 10 AWG สำหรับทองแดง

• สำหรับวงจรตัดกระแส 100 แอมป์และแผงควบคุม ที่สายบริการเป็น #4 AWG สายดินต้องมีขนาดอย่างน้อย #8 AWG สำหรับทองแดง

• สำหรับบริการ 200 แอมป์ สายฮอตเป็นอย่างน้อย #3/0 AWG และสายดินควรเป็น #4 AWG

• วงจรที่มีวงจรตัดกระแสขนาดใหญ่ เช่น ที่มีการจัดอันดับที่ 600 แอมป์ ต้องใช้สายดินที่มีขนาดสอดคล้องกันเพื่อรับกระแสไฟฟ้าที่ผิดปกติ

แม้ว่าสายดินจะมีขนาดเล็กกว่าสายเฟสในกรณีส่วนใหญ่ แต่ก็มีข้อยกเว้น

เมื่อสายดินมีขนาดเท่ากับสายไฟฟ้า

มีสถานการณ์เฉพาะที่สายดินต้องมีขนาดเท่ากับสายไฟฟ้า:

สายต่อพันธะ

เมื่อสายดินใช้สำหรับการต่อพันธะ เช่น การเชื่อมต่อส่วนประกอบโลหะของอุปกรณ์ไฟฟ้ากับระบบดิน อาจต้องมีขนาดเท่ากับสายไฟฟ้า เพื่อให้สามารถนำกระแสไฟฟ้าที่ผิดปกติได้อย่างมีประสิทธิภาพและรักษาความสมบูรณ์ของการเชื่อมต่อพันธะ ให้การป้องกันที่เชื่อถือได้ต่ออันตรายทางไฟฟ้า

สายขนาดใหญ่

สำหรับวงจรที่ใช้สายขนาดใหญ่ (เช่น 3/0 AWG หรือใหญ่กว่า) NEC กำหนดให้ใช้สายดินขนาดใหญ่ขึ้น เพื่อรับรองว่าระบบดินสามารถรับกระแสไฟฟ้าที่ผิดปกติที่สูงจากวงจรขนาดใหญ่และรักษาความปลอดภัยของการติดตั้งไฟฟ้า

การใช้งานอุปกรณ์พิเศษ

อุปกรณ์ที่มีความอ่อนไหวหรือมีความจุสูงบางประเภท เช่น การติดตั้งพลังงานแสงอาทิตย์ (PV) อาจต้องใช้สายดินที่มีขนาดเท่ากับสายเฟส การกำหนดขนาดนี้จำเป็นเพื่อรับรองการไหลของกระแสไฟฟ้าที่ผิดปกติอย่างมีประสิทธิภาพและลดความต้านทาน ทำให้เพิ่มความปลอดภัยและประสิทธิภาพของอุปกรณ์และระบบไฟฟ้า

ผลกระทบที่เกิดจากการกำหนดขนาดสายดินที่ไม่ถูกต้อง

สายดินในระบบไฟฟ้าไม่จำเป็นต้องมีขนาดเท่ากับสายฮอตหรือสายกลางเสมอไป อาจมีขนาดใหญ่กว่าหรือเล็กกว่า เมื่อใช้สายดินขนาดใหญ่ แม้จะไม่มีความเสี่ยงต่อระบบไฟฟ้า แต่ก็มีค่าใช้จ่ายเพิ่มขึ้นเนื่องจากต้องใช้วัสดุเพิ่มเติม ในกรณีที่ต้องการความยาวเพิ่มเติม สามารใช้กล่องต่อสายเพื่อขยายสายโดยไม่ทำให้ระบบดินเสียความสมบูรณ์

จริงๆ แล้ว สายดินขนาดใหญ่มีข้อดีหลายประการและสามารถเป็นประโยชน์อย่างมากในสถานการณ์บางอย่าง ด้วยความต้านทานที่ต่ำ สายขนาดใหญ่สามารถลดการตกต่ำของแรงดันได้ ทำให้การเชื่อมต่อไฟฟ้ามีความเสถียรมากขึ้น ซึ่งเป็นสิ่งที่สำคัญอย่างยิ่งในระบบที่ต้องการความสามารถในการขนส่งกระแสไฟฟ้าที่สูง ด้วยการลดการสูญเสียแรงดัน สายดินขนาดใหญ่ช่วยรักษาความสม่ำเสมอของระบบไฟฟ้า ทำให้ระบบมีความเชื่อถือได้และปลอดภัยมากขึ้น

ในทางตรงกันข้าม การใช้สายดินที่มีขนาดเล็กเกินไปอาจนำไปสู่ปัญหาที่ร้ายแรง สายที่มีขนาดเล็กมีความต้านทานไฟฟ้าสูง ซึ่งอาจส่งผลต่อการทำงานของกลไกการทริปของวงจรตัดกระแสแบบแม่เหล็ก ทำให้วงจรตัดกระแสไม่ทำงานอย่างรวดเร็วเมื่อเกิดข้อผิดพลาด อนุญาตให้กระแสไฟฟ้าที่อันตรายไหลผ่านระบบ นอกจากนี้ สายดินที่มีขนาดเล็กอาจไม่สามารถรับกระแสไฟฟ้าที่ผิดปกติที่สูงได้ ทำให้เกิดความร้อนสูง ในกรณีที่รุนแรง ความร้อนสูงอาจทำให้สายดินหลอมละลาย สร้างความเสี่ยงในการเกิดไฟไหม้และทำให้ทรัพย์สินและชีวิตอยู่ในความเสี่ยง

เพื่อรับรองความปลอดภัยและประสิทธิภาพที่ดีที่สุดของระบบไฟฟ้า เป็นสิ่งสำคัญที่ต้องใช้สายดินที่มีขนาดเหมาะสม ตัวอย่างเช่น ในบริการ 100 แอมป์ที่มีระยะทาง 150 ฟุต สายดินขนาด 8 AWG (American Wire Gauge) มักจะแนะนำ ปฏิบัติตามข้อกำหนดการกำหนดขนาดเหล่านี้ช่วยป้องกันอันตรายทางไฟฟ้าและรับรองว่าระบบดินทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพ ให้การป้องกันที่เชื่อถือได้ในกรณีที่เกิดข้อผิดพลาด