สภาพ ground plane ของโลกที่มีอยู่ในดิน

บทนำ
การทำงานของระบบวงจรไฟฟ้าทั่วไปจะอาศัยการเทียบแรงดันไฟฟ้าระหว่างจุดหนึ่งกับอีกจุดหนึ่ง (ซึ่งทำหน้าที่อ้างอิงแรงดัน) เสมอ หรือการเกิดฟ้าผ่าก็เป็นปรากฏการณ์ทางไฟฟ้าซึ่งสามารถเทียบแรงดันไฟฟ้าได้กับแรงดันไฟฟ้าอ้างอิงดิน จะเห็นว่าทุกๆ วงจรไฟฟ้าต้องใช้กฏเกณฑ์นี้

กรณีลายวงจรพิมพ์ (วงจรลายปริ๊นซ์)
หากพิจารณาลายวงจรพิมพ์ของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ต่างๆ สภาพของกราวด์ หรือ ground plane ต้องมีขนาดใหญ่ ครอบคลุม และสอดแทรกไปทุกแห่งบนแผ่นวงจรพิมพ์ กราวด์นี้จะทำให้อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ต่างๆ ในทุกตำแหน่ง บนลายวงจรพิมพ์มาต่อร่วมถึงกันและให้การอ้างอิงแรงดันไฟฟ้าเหมือนกันทั้งหมด สิ่งสำคัญคือตลอดทั้งส่วนของกราวด์ ต้องมีสภาพแรงดันไฟฟ้าที่เท่ากันตลอดทั้งหมด ศัพท์ทางเทคนิคเรียกว่า การ "Same Potential"

แล้วเกิดอะไรขึ้น หากไม่มีการ same potential ?

สภาพแรงดันไฟฟ้าที่แตกต่างกันในส่วนของกราวด์ ทำให้อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์บนส่วนต่างๆ ของลายวงจรพิมพ์ทำงานโดยใช้ การอ้างอิงแรงดันไฟฟ้าไม่เหมือนกัน เหตุการณ์เช่นนี้ทำให้เกิดเป็นการรบกวน (Interference) จากนอยส์ (noise) เข้าไปในวงจรง่ายขึ้น ทำให้ระบบทำงานอย่างไม่มีเสถียรภาพ (ฟังก์ชั่นการทำงานของระบบจะอยู่ใกล้จุดวิกฤตเกินไป) เห็นได้ว่า การให้ความสำคัญกับส่วนอ้างอิงสัญญาณไฟฟ้าหรือกราวด์นั้นสำคัญเป็นอย่างมาก

กรณีระบบไฟฟ้า
ท่านพบเห็นเป็นปกติว่า ไฟฟ้าที่จ่ายเข้าบ้านมีการใช้สาย 2 เส้นคือ สายไฟ (Hot Line) และสายนิวทรัล (Neutral) หากสังเกตอีกนิดจะพบว่าสายนิวทรัลนั้นมีการต่อลงดินที่หม้อแปลงไฟฟ้าด้วย  สายส่งไฟฟ้าทั่วไปเมื่อวางขนานไปกับพื้นดิน ในระดับสูงจากพื้นดินหรือต่ำกว่าก็ตาม แม้ขณะที่ไม่มีโหลดก็สามารถมีกระแสรั่วไหลจากสายไฟผ่านสภาพประจุไฟฟ้าร่วม (Mutual capacitance) ระหว่างสายส่งไฟฟ้ากับดิน โดยดินจะทำหน้าที่เป็นตัวนำไฟฟ้าให้ไหลกลับไปครบวงจร ที่แหล่งกำเนิดแรงดันไฟฟ้านั้นได้ จึงได้มีการกำหนดให้มีสายตัวนำเส้นหนึ่งสำหรับเป็นเส้นทางให้กระแสไฟฟ้าไหลกลับ ได้สะดวกสู่แหล่งกำเนิดและง่ายต่อการติดตั้งใช้งานด้วย เช่นหม้อแปลงไฟฟ้า จำเป็นต้องใช้สายไฟฟ้า 2 เส้นสำหรับจ่ายกระแสไฟฟ้าแบบ 1 เฟส
     ระบบไฟฟ้ากำลัง จำเป็นต้องอาศัยการเทียบแรงดันไฟฟ้ากับส่วนอ้างอิงเพื่อทำให้โหลดไฟฟ้าทุกๆ จุดในระบบทำงาน และรับแรงดันไฟฟ้าที่เหมือนกันทั่วทั้งระบบ ด้วยเหตุว่าดินมีความเหมาะสมทางศักดาไฟฟ้าและสามารถทำหน้าที่เป็นจุดต่อร่วม ของระบบจากจุดหนึ่งไปยังอีกจุดหนึ่งหรือในทุกแห่งที่มีระยะทางไกลออกไปได้ จึงมีการสร้างเป็นข้อกำหนดว่าสายที่ต่อลงดิน มีชื่อว่า "สายนิวทรัล" เพื่อนำเอาสภาพศักดาไฟฟ้าจากดินมาอ้างอิงใช้งานด้วย
     ระบบไฟฟ้ากำลังแบบ 3 เฟส หากเกิดการไม่บาลานซ์เฟสจะมีกระแสไฟฟ้าไหลกลับในสายนิวทรัลไปยังหม้อแปลงไฟฟ้า หรือกรณีไฟฟ้าผิดพร่องลงดิน ตำแหน่งที่ผิดพร่องจะมีกระแสไฟฟ้าไหลกระจายภายในเนื้อดิน (Gradient Current) ไหลกลับไปครบวงจรยังแหล่งกำเนิดแรงดันไฟฟ้าที่เป็นตัวจ่ายกระแสไฟฟ้าผิดพร่องนั้น โดยทั่วไปเราจะคุ้นเคยกับคำว่า การแผ่กระจายสนามแรงดันไฟฟ้า (Gradient Voltage) มากกว่า ซึ่งทั้งสองสิ่งนี้คือปรากฏการณ์ที่มีลักษณะสอดคล้องกัน
      การแผ่กระจายสนามแรงดันไฟฟ้าในดินจะพบว่ามีรัศมีการแผ่กระจายบนผิวดินระยะหนึ่ง หากเรายืนอยู่นอกรัศมีการกระจาย ก็จะได้รับความปลอดภัย แต่ถ้ายืนอยู่ภายในรัศมีการกระจายก็เกิดอันตรายขึ้นได้ เหตุการณ์ดังกล่าวแม้ว่าแหล่งกำเนิด ที่จ่ายกระแสไฟฟ้าผิดพร่องและสถานที่เกิดผิดพร่องไฟฟ้าจะมีระยะห่างกันเพียงใดก็ตาม การแผ่กระจายกระแสไฟฟ้าในดิน ย่อมต้องกลับไปครบวงจรที่แหล่งกำเนิดตัวเอง (อาจเป็น generator หรือหม้อแปลงไฟฟ้ากำลัง) เสมอ

สงสัยหรือไม่ ว่าสภาพการไหลและแผ่กระจายกระแสในดินตั้งแต่จุดที่เกิดผิดพร่องจนถึงแหล่งกำเนิดนั้น มีลักษณะอย่างไร ?

สภาพของ Remote Earth
     ระบบส่งกำลังไฟฟ้า ระบบข่ายสายโทรศัพท์และชุมสายโทรศัพท์หรืออุปกรณ์ไฟฟ้าต่างๆ ทุกชนิดล้วนแต่เป็นระบบ หรืออุปกรณ์ที่มีการต่อลงดินและทำงานโดยไฟฟ้าทั้งสิ้น สภาพฟ้าผ่า ซึ่งก็คือปรากฏการณ์ธรรมชาติที่มีการถ่ายเทประจุไฟฟ้า จำนวนมหาศาลลงสู่ดิน ที่กล่าวมานี้เกิดขึ้นในชั้นบรรยากาศของโลกและส่งผลทางไฟฟ้ากระทำกับพื้นดินทั้งสิ้น
     จากการศึกษาวิจัยของศูนย์วิจัยระบบป้องกัน องค์การโทรศัพท์แห่งประเทศไทย เพื่อค้นหาว่าเนื้อดินส่วนใด สามารถเป็นตัวอ้างอิงไฟฟ้าที่สามารถใช้เป็น ground plane ผลสรุปได้ว่าเนื้อดินบริเวณผิวโลกยังไม่ให้ความสามารถเป็น ground plane แต่ส่วนเนื้อดินที่ลึกลงไประดับหนึ่งจะมีปริมาตรของเนื้อดินที่มีสภาวะการรวมตัวต่อเชื่อมถึงกันอย่างต่อเนื่อง ด้วยปริมาตรมหาศาลทำให้เกิดเป็นสภาพดินที่ให้ค่าความนำกระแสไฟฟ้าที่มีค่าสูงเป็นอนันต์ (ความต้านทานมีค่าเป็นศูนย์) ค่าความนำกระแสไฟฟ้าที่สูงที่สุดของเนื้อดินส่วนนี้ให้ความสามารถในการเป็น ground plane ได้ เรียกเนื้อดินส่วนนี้ว่า "Remote Earth"

แสดง remote earth เนื้อดินที่ให้ค่าความนำไฟฟ้าสูงสุด ต่อเชื่อมถึงกันปกคลุมทั่วไปอยู่ใต้ผิวดิน ที่ความลึกระดับหนึ่ง	remote earth ทำหน้าที่เป็นจุดต่อร่วมวงจรไฟฟ้า

      เมื่อเราปักแท่งกราวด์ลงไปในดินจะเกิดเป็นความต้านทานกราวด์ระหว่างแท่งกราวด์กับ remote earth ทันที การลดความต้านทานกราวด์ทำได้โดยการปักแท่งกราวด์พุ่งเข้าสู่เนื้อดินบริเวณ remote earth หากว่าแท่งกราวด์ไม่สามารถเข้าถึงเนื้อดินส่วน remote earth ก็จะเกิดเป็นสภาพความต้านทานกราวด์
ปัจจุบันองค์การโทรศัพท์ใช้ระบบกราวด์ที่มีค่าความต้านทานกราวด์อ้างอิงกับ remote earth โดยมีข้อกำหนดว่า ความต้านทานกราวด์ต้องไม่เกิน 0.5 โอห์ม ที่ระดับความลึกไม่เกิน 100 เมตร ซึ่งช่วยลดความเสียหายลงได้ถึง 80%

 หน้าแรก