อุปกรณ์ป้องกันไฟกระชากมีจุดประสงค์อะไร?
ผมยังจำกลิ่นไหม้ของแผงวงจร PLC ราคา 9,000 ดอลลาร์หลังจากการถูกฟ้าผ่าได้อยู่เลย แค่ชิ้นส่วนราคาถูกชิ้นเดียวก็อาจช่วยไว้ได้
อุปกรณ์ป้องกันไฟกระชากจะดักจับแรงดันไฟฟ้าและพลังงานส่วนเกิน แล้วผลักลงดินเพื่อให้เครื่องใช้ไฟฟ้าของคุณปลอดภัย ผมผลิตอุปกรณ์เหล่านี้ทุกวันในเมืองเหวินโจว และทดสอบทุกชิ้นตามมาตรฐาน IEC 61643-11
หากคุณรู้ว่าทำไมไฟกระชากจึงเกิดขึ้น และกล่องเล็กๆ นั้นช่วยป้องกันได้อย่างไร คุณก็จะสามารถเลือกชิ้นส่วนที่ถูกต้องและหยุดการจ่ายค่าเสียหายที่คุณไม่คาดคิดได้
เหตุใดจึงจำเป็นต้องมีการป้องกันไฟกระชาก? ความเสี่ยงและความเสียหายที่เกิดจากไฟกระชาก?
ฉันเคยเห็นฟ้าผ่าทำให้สายการผลิตทั้งหมดหยุดทำงานในเมืองมิลานครั้งหนึ่ง ทั้งไดรฟ์ ระบบ HMI และแม้แต่เครื่องชงกาแฟก็ดับพร้อมกัน
ไฟกระชากอาจเกิดจากฟ้าผ่า เบรกเกอร์ตัด หรือมอเตอร์ขนาดใหญ่ และอาจทำลายฮาร์ดไดรฟ์ แผงวงจร และข้อมูลได้ ไฟกระชากเพียงครั้งเดียวอาจมีค่าใช้จ่ายมากกว่าอุปกรณ์ป้องกันไฟกระชากที่ใช้งานได้นานถึงหนึ่งปี
ที่มาของคลื่นกระแทก
ไฟกระชากคือแรงดันไฟฟ้าสูงที่เกิดขึ้นเป็นช่วงสั้นๆ เพียงไม่กี่ไมโครวินาที ฟ้าผ่าเป็นแหล่งกำเนิดหลัก แต่ส่วนใหญ่มักเกิดขึ้นภายในโรงงาน เมื่อมอเตอร์ขนาด 100 กิโลวัตต์หยุดทำงาน ขดลวดจะผลักพลังงานกลับเข้าไปในสายไฟ แรงดันไฟฟ้ากระชากนั้นอาจสูงถึง 2 กิโลโวลต์ และเดินทางไปตามสายเคเบิลเดียวกันกับที่จ่ายไฟให้กับ PLC ของคุณ ผมทดสอบเหตุการณ์เช่นนี้ทุกสัปดาห์ในห้องปฏิบัติการของผม เราเปิดมอเตอร์ หยุดมันอย่างกะทันหัน และสังเกตการเปลี่ยนแปลงของแรงดันไฟฟ้า การถูกฟ้าผ่าในบริเวณใกล้เคียงจะเพิ่มพลังงานเข้าไปอีก พลังงานจากทั้งสองแหล่งกำเนิดรวมกันคือสิ่งที่เครื่องจักรของคุณได้รับในวันที่เกิดพายุ
ผลกระทบของไฟกระชากต่ออุปกรณ์ของคุณ
ไดรฟ์สมัยใหม่ใช้ MOSFET ขนาด 600 โวลต์ ซึ่งจะเสียหายที่ 900 โวลต์ ไฟกระชาก 1.5 กิโลโวลต์ สามารถทำลายมันได้ในครั้งเดียว หลังจากไฟกระชาก ไดรฟ์จะลัดวงจร ฟิวส์ขาด และสายไฟจะหยุดทำงาน ค่าแรงยังคงคิดอยู่ที่ 200 ดอลลาร์ต่อชั่วโมง ลูกค้ารายหนึ่งสูญเสียเงิน 38,700 ดอลลาร์ในคืนเดียว ไฟกระชากยังทำให้ฉนวนในมอเตอร์และหม้อแปลงเสียหาย คุณอาจไม่เห็นความเสียหายในวันแรก แต่ทองแดงจะเปลี่ยนเป็นสีดำและชิ้นส่วนจะเสียในอีกหกเดือนต่อมา ความเสียหายที่มองไม่เห็นนี้เองที่ทำให้ผู้ซื้อหลายคนคิดว่า "เรื่องแบบนี้จะไม่เกิดขึ้นที่นี่" จนกว่าจะได้รับบิลค่าใช้จ่าย
ตารางแสดงต้นทุนจริงที่ฉันเคยเห็น
| เว็บไซต์ | วันที่เข้าชม | ความเสียหาย | เวลาหยุดทำงาน | ต้นทุนรวม |
| โรงงานพลาสติก มิลาน | 2023-07 | ไดรฟ์ 3 ตัว + PLC 1 ตัว | 14 | 38,700 เหรียญสหรัฐ |
| สายแก้ว สหราชอาณาจักร | 2023-11 | เซอร์โวไดรฟ์ 2 ตัว | 6 | 18,500 เหรียญสหรัฐ |
| ฟาร์มพลังงานแสงอาทิตย์ ประเทศสเปน | 2024-01 | อินเวอร์เตอร์ 5 ตัว | 2 | 12,000 เหรียญสหรัฐ |
| โรงงานขนาดเล็ก ประเทศเยอรมนี | 2022-09 | 1. บอร์ด CNC | 1 | 4,200 เหรียญสหรัฐ |
ตารางแสดงให้เห็นว่าแม้แต่คำสั่งหยุดการขาดทุนระยะสั้นก็มีต้นทุนสูงกว่าชุดคำสั่ง SPD เต็มรูปแบบเสียอีก
ความเสี่ยงที่ซ่อนเร้น: ข้อมูลและความปลอดภัย
ไฟกระชากจะลบข้อมูลใน PLC และทำให้รีเลย์ความปลอดภัยทำงาน โรงงานผลิตแก้วแห่งหนึ่งบอกผมว่า ไฟกระชากครั้งหนึ่งทำให้ตัวนับล็อตการผลิตรีเซ็ต ส่งผลให้เตาหลอมเทส่วนผสมผิด ต้องขุดแก้วออกมาด้วยมือ ทำให้เสียเวลาทำงานที่มีความเสี่ยงเพิ่มขึ้น 20 ชั่วโมง และสูญเสียเงินไป 50,000 ดอลลาร์ หากระบบความปลอดภัยทำงานผิดเวลา พนักงานอาจได้รับบาดเจ็บ ผมขายอุปกรณ์ป้องกันไฟกระชากสำหรับทองแดง แต่ผมรู้สึกสบายใจกว่าเมื่อรู้ว่าพนักงานปลอดภัยด้วย
เหตุใดประกันภัยจึงไม่เพียงพอ
ผู้ซื้อบางรายเชื่อมั่นในประกันภัย มันจ่ายเป็นเงินสด แต่ไม่สามารถดึงลูกค้าที่เสียไปกลับคืนมาได้ เมื่อคุณส่งสินค้าผิดนัด ผู้ซื้อก็จะไปหาแหล่งอื่น การผิดนัดเพียงครั้งเดียวอาจทำให้คุณเสียสัญญาห้าปีไปได้ ระบบ SPD (Special Purpose Vehicle) ใช้เวลาในการหยุดทำงานน้อยกว่าหนึ่งชั่วโมง และช่วยให้ยอดสั่งซื้อคงอยู่ตลอด
อุปกรณ์ป้องกันไฟกระชากมีจุดประสงค์อะไร? — หน้าที่พื้นฐานและหลักการทำงาน?
ผมยังคงยิ้มทุกครั้งที่เห็นไฟ LED สีเขียวบนแผงควบคุม เพราะมันหมายความว่ากล่องเล็กๆ นั้นโดนกระแทกมา แต่ฮาร์ดไดรฟ์ยังใช้งานได้อยู่
อุปกรณ์ป้องกันไฟกระชากจะตรวจจับแรงดันไฟฟ้าสูง ดักจับพลังงานส่วนเกิน และส่งลงดินภายในเวลาไม่กี่นาโนวินาที มันจะจำกัดกระแสไฟฟ้าเพื่อให้โหลดได้รับกระแสไฟฟ้าในระดับที่ปลอดภัย และผมทดสอบทุกชุดการผลิตที่ 20 กิโลแอมป์ในเมืองเหวินโจว
MOV ทำงานอย่างไร
ตัวต้านทานโลหะออกไซด์ (MOV) เป็นแผ่นเซรามิกที่ทำหน้าที่เหมือนสวิตช์ ที่แรงดัน 230 โวลต์ มันจะเปิดอยู่และใช้กระแสไฟน้อยกว่า 0.3 มิลลิแอมป์ เมื่อแรงดันไฟสูงกว่า 275 โวลต์ แผ่น MOV จะปิดลงทันทีและค่าความต้านทานจะลดลงเหลือต่ำกว่า 1 โอห์ม กระแสไฟกระชากจะไหลผ่าน MOV ไม่ใช่ผ่านฮาร์ดไดรฟ์ แรงดันไฟที่ตกคร่อมฮาร์ดไดรฟ์จะอยู่ที่ประมาณ 700 โวลต์ ซึ่งต่ำกว่าเส้นอันตราย 900 โวลต์มาก หลังจากกระแสไฟกระชากสิ้นสุดลง MOV จะเปิดอีกครั้งและรอรับกระแสไฟครั้งต่อไป ผมเคยเห็นแผ่น MOV แผ่นหนึ่งสามารถรับงานถ่ายภาพได้ถึง 23 ครั้งก่อนที่จะเสียหาย
เหตุใดความยาวของสายดินจึงสำคัญกว่าขนาดของ MOV
ผู้ซื้อหลายรายมักขอ "ค่า kA ที่สูงกว่า" แต่ลืมเรื่องสายไฟไป สายดินสั้นแค่ 25 ซม. จะทำให้แรงดันไฟฟ้าผ่านได้ 980 V ถ้าเพิ่มเป็น 55 ซม. แรงดันไฟฟ้าผ่านจะพุ่งขึ้นไปถึง 1,450 V ทำให้ไดรฟ์เสียหายแม้ว่า MOV จะเป็นตัวเดียวกันก็ตาม ผมฝึกอบรมช่างติดตั้งให้ดัดสายดินเพียงครั้งเดียวแล้วขันน็อตยึดเข้ากับแท่ง PE โดยตรง ขั้นตอนนี้ฟรีและดีกว่าการจ่ายเงินซื้อชิ้นส่วน 100 kA เสียอีก
ตารางแสดงความสัมพันธ์ระหว่างระยะการซึมผ่านกับความยาวของดิน
| เอิร์ธเทล | ความเหนี่ยวนำ | การซึมผ่าน @ 20 kA | ผลลัพธ์สำหรับไดรฟ์ 600 โวลต์ |
| 25 ซม. | 0.25 µH | 980 โวลต์ | ปลอดภัย |
| 55 ซม. | 0.55 µH | 1.250 โวลต์ | เสี่ยง |
| 80 ซม. | 0.80 µH | 1.450 โวลต์ | ตาย |
หลอดปล่อยก๊าซสำรอง
MOV มีอายุการใช้งานจำกัด ส่วนหลอดปล่อยประจุแก๊ส (GDT) ทนแรงกระแทกได้มากกว่า แต่ทำงานช้ากว่า เราจึงต่อวงจรทั้งสองแบบขนานกัน MOV จะเริ่มทำงานภายใน 25 นาโนวินาทีและจำกัดแรงกระแทกแรกไว้ ส่วน GDT จะทำงานที่ 600 โวลต์และรับกระแสไฟสูงในอีก 100 ไมโครวินาทีถัดไป จากนั้น MOV ก็จะพักและมีอายุการใช้งานยาวนานขึ้น เราเรียกการออกแบบนี้ว่าแบบไฮบริด และปัจจุบันเป็นมาตรฐานสำหรับฟาร์มพลังงานแสงอาทิตย์ในเยอรมนีที่ต้องการอายุการใช้งาน 20 ปี
การตัดการเชื่อมต่อทางความร้อนช่วยป้องกันไฟไหม้
เมื่อ MOV เสียหาย มันอาจเกิดการลัดวงจรและร้อนจัด สวิตช์ความร้อนภายในเครื่องของเราจะตัดที่อุณหภูมิ 120 องศาเซลเซียส และดึงชิ้นส่วนนั้นออกจากวงจร สวิตช์ถูกยึดติดกับแผ่น MOV ด้วยหมุดย้ำ ดังนั้นมันจึงได้รับความร้อนเท่ากัน ผมทดสอบมันในเตาอบที่อุณหภูมิ 1 องศาเซลเซียสต่อนาที มันต้องตัดวงจรก่อนที่แผ่นจะไหม้ ชิ้นส่วนราคาแค่หนึ่งเซ็นต์นั้นช่วยปกป้องแผงควบคุมและชื่อเสียงของผมได้
สัญญาณระยะไกลสำหรับไซต์อัจฉริยะ
โรงงานขนาดใหญ่ต้องการทราบข้อมูลเดี๋ยวนี้ ไม่ใช่เดือนหน้า เราจึงเพิ่มไมโครสวิตช์ที่ให้หน้าสัมผัสแบบแห้ง หน้าสัมผัสนี้จ่ายไฟให้กับ PLC 24 โวลต์ เมื่อ SPD เสีย HMI จะเปลี่ยนเป็นสีแดง ผู้ซื้อสั่งซื้อตลับสำรองก่อนพายุลูกต่อไป ผมจัดส่งให้ในวันเดียวกัน และเวลาหยุดทำงานลดลงจากหลายชั่วโมงเหลือเพียงไม่กี่นาที
วิธีเลือกอุปกรณ์ป้องกันไฟกระชากที่เหมาะสม?
ผมเคยส่งชิ้นส่วนขนาด 40 kA ให้กับคนคนหนึ่งที่ต้องการแค่ 10 kA เท่านั้น เขาจ่ายเงินเป็นสองเท่าและยังบอกว่ามันเป็นการประกันความปลอดภัยที่คุ้มค่า
เลือกแรงดันไฟฟ้าที่ต่ำที่สุดเท่าที่จะจ่ายได้ จับคู่กระแสไฟกระชากกับความเสี่ยง และตรวจสอบให้แน่ใจว่าชิ้นส่วนนั้นเข้ากับแผงควบคุมและวิธีการบำรุงรักษาของคุณ ผมส่งเอกสารสรุปข้อมูลหนึ่งหน้าไปพร้อมกับใบเสนอราคาทุกฉบับ
ขั้นตอนที่ 1: ค้นหาระดับความเสี่ยงของคุณ
ดูที่แหล่งจ่ายไฟ สายส่งเหนือศีรษะในเขตที่มีพายุต้องใช้ประเภท 1 สายเคเบิลใต้ดินในสำนักงานที่สะอาดต้องใช้ประเภท 2 สายเคเบิลยาวที่เชื่อมต่อกับ PLC ต้องใช้ประเภท 3 ผมขอถามสามคำถาม: (1) อาคารนี้เคยถูกพายุพัดมาก่อนหรือไม่? (2) โหลดมีความสำคัญหรือไม่? (3) สายเคเบิลยาวหรือไม่? ถ้าตอบว่า "ใช่" ข้อใดข้อหนึ่ง เราจะเพิ่มอย่างน้อยประเภท 2
ขั้นตอนที่ 2: เลือกค่าแรงดันไฟฟ้าที่เหมาะสม
สำหรับแรงดัน 230 V เราใช้แรงดันต่อเนื่องสูงสุด 275 V สำหรับ 480 V เราใช้ 550 V ชิ้นส่วนที่มีพิกัดแรงดันต่ำเกินไปจะสึกหรอเร็ว ชิ้นส่วนที่มีพิกัดแรงดันสูงเกินไปจะจำกัดแรงดันช้าและทำให้ไดรฟ์รับแรงดันไฟเกิน ผมจึงเลือกพิกัดแรงดันให้เท่ากับแรงดันไฟขาเข้าบวกเพิ่มอีก 15% วิธีนี้จะช่วยยืดอายุการใช้งานและลดการรั่วไหลของแรงดันไฟ
ขั้นตอนที่ 3: จับคู่กระแสไฟกระชาก
มาตรฐาน IEC 62305 กำหนดระดับการป้องกันไว้ 3 ระดับ คือ 25 kA, 40 kA และ 60 kA สำนักงานในเมืองจะพบกระแสไฟฟ้าประมาณ 10–15 kA ต่อปี ส่วนโรงงานริมชายฝั่งจะพบกระแสไฟฟ้าสูงถึง 40 kA ผมจำหน่ายอุปกรณ์ป้องกันกระแสเกิน 40 kA เป็นมาตรฐานสำหรับภาคอุตสาหกรรม หากสถานที่นั้นมีสายล่อฟ้า เราจะเพิ่มอุปกรณ์ป้องกันกระแสเกินชนิด 25 kA Type 1 ที่แผงหลัก และอุปกรณ์ป้องกันกระแสเกินชนิด 40 kA Type 2 ที่แผงย่อย ต้นทุนต่ำและให้การป้องกันที่ครอบคลุมเต็มที่
ตารางสรุปตัวเลือกด่วนที่ผมส่งให้เจฟฟ์
| ประเภทไซต์ | เมนบอร์ด | คณะอนุกรรมการ | ซ็อกเก็ต | หมายเลขชิ้นส่วน |
| สำนักงานเมือง | — | 20 kA ชนิด 2 | 10 kA ชนิด 3 | LKX - 20, LKX - 10 |
| โรงงาน | 25 kA ชนิด 1 | 40 kA ชนิด 2 | 10 kA ชนิด 3 | LKX - 25, LKX - 40, LKX - 10 |
| ฟาร์มพลังงานแสงอาทิตย์ | 25 kA ชนิด 1 | 40 kA ชนิด 2 กระแสตรง | — | LKX - 40 - DC |
| ห้องข้อมูล | 25 kA ชนิด 1 | 40 kA ชนิด 2 | 20 kA ชนิด 3 | LKX - 40, LKX - 20 - RJ45 |
ตรวจสอบขนาดและรูปทรง
แผงบางแผงอาจมีพื้นที่จำกัด เราจึงมีขนาดความกว้าง 18 มม. และ 36 มม. ให้เลือก หากรางเต็ม เราจะแบ่ง SPD ออกเป็นสองราง DIN หรือใช้ฐานแบบเสียบปลั๊กเพื่อให้ผู้ใช้สามารถเปลี่ยนเฉพาะตลับได้เท่านั้น ผมขอรูปถ่ายของแผงและทำเครื่องหมายช่องว่างที่ว่างอยู่ด้วยสีแดง ไม่มีใครชอบเจอเรื่องไม่คาดฝันในวันติดตั้งหรอก
ลองพิจารณาเรื่องการเปลี่ยนอะไหล่ดู
ไฟ LED สีเขียวเหมาะสำหรับไซต์ขนาดเล็ก ส่วนหน้าสัมผัสระยะไกลจะเหมาะกว่าสำหรับไซต์ขนาดใหญ่ หากไซต์ทำงานตลอด 24 ชั่วโมง 7 วันต่อสัปดาห์ เราจะเพิ่มชุดสายไฟแบบต่อตรงเพื่อให้สามารถเปลี่ยนชิ้นส่วนได้ขณะที่เครื่องยังทำงานอยู่ ค่าใช้จ่ายเพิ่มขึ้นเพียง 3 ดอลลาร์ และไม่มีเวลาหยุดทำงาน เจฟฟ์บอกผมว่า การประหยัดเวลาทำงานเพียงหนึ่งกะก็คุ้มค่ากับค่าสั่งซื้อ SPD ทั้งหมดแล้ว
บทสรุป
อุปกรณ์ป้องกันไฟกระชากจะดูดซับพลังงานส่วนเกินและช่วยรักษาให้สายไฟของคุณใช้งานได้ต่อไป เลือกแบบที่มีอัตราการไหลของพลังงานต่ำ ปรับระดับความเสี่ยงให้เหมาะสม แล้วคุณจะได้รับความอุ่นใจด้วยเวลาใช้งานที่สั้นกว่าหนึ่งชั่วโมง