Hệ thống chống sét lan truyền có bao nhiêu cấp bảo vệ?

Với nhiều thiết bị điện tử, máy móc đắt tiền được lắp đặt, cũng như để an toàn tính mạng, việc lắp đặt hệ thống chống sét nói chung, thiết bị chống sét nói riêng là hết sức quan trọng. Hiểu rõ thiết bị chống sét hoạt động thế nào, bảo vệ ra sao còn quan trọng hơn, nhằm lựa chọn đúng thiết bị chống sét, cũng như lắp đặt hợp lý để chúng có thể hoạt động hoàn hảo.

Việc chọn thiết bị chống sét sao cho phù hợp hệ thống lưới điện được lắp đặt phải được xác định căn cứ trên các yếu tố kỹ thuật của thiết bị chống sét (chống quá áp đột ngột tức thì).
 

Các yếu tố quan trọng cần quan tâm khi chọn thiết bị chống sét

Có hai yếu tố quan trọng của thiết bị chống sét trên đường nguồn là điện áp cho qua (let-through voltage) và cường độ dòng sét (Surge rating).
 

Điện áp cho qua

Căn cứ IEC 62305, khi xảy ra hiện tượng quá áp do sét đánh, điện áp lớn nhất tại điểm kết nối với thiết bị chống sét chính là điện áp cho qua. Điện áp cho qua càng thấp sẽ tạo ra cơ hội sống sót lớn hơn cho thiết bị kết nối phí sau thiết bị chống sét.

Tiêu chuẩn công nghiệp xác định dòng điện áp cho qua dựa trên sự kết hợp test thiết bị chống sét với hai dạng sóng (wave-forms) tiêu chuẩn 3kA 8/20µs và 6kV 1.2/50µs. Cần phải thận trọng khi so sánh điện áp cho qua vì sự khác nhau của song xung và của điều kiện thử nghiệm được sử dụng.

Cường độ dòng sét

Cường độ dòng sét là thước đo của khả năng chịu xung sét của thiết bị chống sét. Cần hết sức cẩn trọng khi xem xét cường độ dòng sét.

Điều này rất quan trọng để hiểu về cường độ dòng sét. Theo tiêu chuẩn AS1768 thì dòng sét lớn nhất có thể xảy ra tại nhiều điểm để đi vào thiết bị như sau:

Ví dụ điển hình dòng sét lớn nhất xảy ra dạng sóng:

- Cat C – khả năng cao Đường điện cao thế 70KA 8/20µs

- Cat C Đường nguồn tổng 20KA 8/20µs

- Cat B Đường ngồn nhánh 3KA 8/20µs

- Cat A Đường nguồn thiết bị 200A 0,5µs/100kHz

Bảng 1. Cường độ dòng sét tối đa theo tiêu chuẩn AS1768

Trong nỗ lực kéo dài thời gian hoạt động của thiết bị chống sét, khả năng chịu dòng xung sét có thể lớn hơn nhiều lần cường độ dòng sét như trong bảng 1.

MOV (Metal Oxide Varistors) là thành tố được sử dụng trong hầu hết các thiết bị chống sét cho đường nguồn điện. Số lần xung sét mà

MOVs có thể chị được (không bị hư) phụ thuộc vào cường độ dòng sét (ví dụ ở bảng 2).

Cường độ xung sét của MOVs với dạng sóng 8/20µs Số lần xung sét mà thiết bị thuộc Cat C có khả năng chịu được:
- 20kA 1
- 40kA 5
- 80kA 25
- 120kA 60
- 160kA 120
- 200kA 190

Bảng 2. Mối quan hệ giữa cường độ dòng sét và tuổi thọ của MOVs

Như kết quả nghiên cứu về mối liên hệ giữa cường độ dòng sét và tuổi thọ (thời gian hoạt động) của MOVs trong phòng thí nghiệm và ngoài môi trường thực tế. Novaris đã thiết lập đề xuất cho lựa chọn thiết bị chống sét:

Vị trí catalogues Ví dụ điển hình Dòng sét chịu được của thiết bị (8/20µs):

- Cat C – khả năng cao Đường điện cao thế 200KA

- Cat C Đường nguồn tổng 160KA

- Cat B Đường ngồn nhánh 40KA

- Cat A Đường nguồn thiết bị 8kA

Bảng 3. Đề xuất chọn cường độ dòng sét chịu được của MOVs
 

Các loại thiết bị chống sét

Ở đây có hai loại thiết bị chống sét cho đường nguồn: thiết bị cắt sét (surge diverters) và thiết bị lọc sét (surge filters). Điểm khác biệt để nhận ra sự khác nhau giữa chúng là cách kết nối: thiết bị cắt sét mắc song song còn thiết bị lọc sét thì mắc nối tiếp với đường nguồn điện.
 

Thiết bị cắt sét

Thiết bị cắt sét được mắc song song với đường nguồn điện. Chúng mang đến một sự bảo vệ bằng việc kẹp dòng điện áp tăng vọt trên nguồn điện và chuyển gần như hoàn toàn năng lượng của dòng sét xuống đất.

Dòng sét cho qua của thiết bị cắt sét là từ 700V đến 900V. Nó đủ thấp để bảo vệ các thiết bị không nhạy cảm với điện áp (như máy móc lớn, đèn,…), nhưng lại không đủ thấp để bảo vệ các thiết bị điện tử nhạy cảm (như máy tính, PLCs, và các thiết bị điện tử,…).

Hơn nữa, bởi vì thiết bị cắt sét được mắc song song (shunt-connected), nên điện áp cho qua chịu ảnh hưởng của chiều dài dây kết nối.
 

Thiết bị lọc sét

Thiết bị lọc sét được mắc nối tiếp với đường nguồn điện (series-connected). Chúng bao gồm ba giai đoạn bảo vệ.
 

Giai đoạn Diễn giải Chức năng

1. Line side surge diverter Chuyển năng lượng của dòng xung sét xuống đất và kẹp điện áp tăng

2. Bộ lọc chậm Làm suy giảm điện áp tăng vọt;

Cân bằng năng lượng của dòng sét giữa các đường dây và đường phụ tải của thiết bị cắt sét;

Làm chậm tốc tăng điện áp;

Cung cấp bổ sung bộ lọc chống ồn

3. Dây phụ tải cắt sét Là giai đoạn kẹp điện áp cuối cùng và bảo vệ chống lại sự dội ngược điện áp được tạo ra bởi đường thoát sét.


Bảng 4. Ba giai đoạn bảo vệ của thiết bị lọc sét.


Thiết bị lọc sét có mức điện áp cho qua vào khoảng từ 200V đến 600V. Và là mức đủ thấp để bảo vệ tất cả các thiết bị. Bên cạnh đó, vì thiết bị lọc sét mắc nối tiếp nên điện áp cho qua không phụ thuộc vào độ dài của dây dẫn kết nối. Nhưng nó lại phụ thộc vào dòng tải của nguồn điện.
 

Làm sao để lựa chọn đúng thiết bị cắt sét hoặc lọc sét phù hợp với hệ thống điện hoặt máy móc, thiết bị công trình

Để có hiệu quả tốt nhất trong việc lựa chọn và lắp đặt thiết bị chống sét, chúng ta sẽ tiếp cận theo giai đoạn (cấp bảo vệ):

1. Cài đặt thiết bị cắt sét có chỉ số cắt sét 160kA tại đường nguồn tổng

Nó sẽ chuyển gần như hoàn toàn năng lượng của dòng sét xuống đất.

Nguồn tổng (Main switchboards) được định nghĩa trong tiêu chuẩn AS1768 tại category C, nơi dòng sét lan truyền lớn nhất với dạng song 8/20µs là 20kA. Thiết bị cắt sét với chỉ số cắt sét 160kA sẽ chịu được khoảng 120 lần xung sét với cường độ 20kA, như vậy sẽ có thời gian hoạt động lâu dài.

Tất nhiên, chúng ta có thể dung thiết bị cắt sét có chỉ số cắt sét lớn hơn 160kA.
 

2. Cài đặt thiết bị cắt sét có chỉ số cắt sét 40kA tại các đường nguồn phân phối

Thiết bị cắt sét này sẽ tiếp tục chuyển nguồn năng lượng còn lại xuống đất và kẹp điện áp tăng để bảo vệ các thiết bị không nhạy cảm với điện áp.

Nguồn phân phối (distribution boards) được định nghĩa tại category B của tiêu chuẩn AS1768, nơi có dòng sét đo được vào khoảng 3kA (8/20µs). Và với cường độ đó thiết bị cắt sét với chỉ số cắt lên tới 40kA sẽ có thời gian hoạt động dài lâu.
 

3. Cài đặt thiết bị lọc sét có chỉ số cắt sét 8kA (có thể lớn hơn) tại đầu nguồn cấp cuối cho thiết bị quan trọng

Thiết bị này sẽ tiếp tục kẹp điện áp tăng và cung cấp them bộ lọc để bảo vệ toàn diện thiết bị quan trọng. Đây là thiết bị để lọc những xung nhiễu điện có tần số - mật độ lớn mà thiết bị cắt sét không làm được.

Nguồn cấp cuối (Final sub-circuits) được định nghĩa trong tiêu chuẩn AS1768 tại category A, nơi cường độ dòn sét thực tế đo được vảo khoảng 500A (0.5µs/100kHz). Với cường độ này, thiết bị lọc sét có chỉ số cắt 8kA sẽ có thể hoạt động bình thường trong thời gian dài.

Trong đó:
NC (non-critical): thiết bị không nhạy cảm.
C (Critical): Thiết bị nhạy cảm.

Nếu một nguồn phân phối gồm hầu hết là các thiết bị nhạy cảm thì việc cài đặt riêng biệt thiết bị lọc sét 8kA trên mỗi tiểu mạch cuối cùng là không hiệu quả và chi phí cao. Thay vào đó bằng một bộ lọc sét 40kA có thể lắp đặt tại đầu đường ngồn phân phối chính. Điều này sẽ mang đến sự bảo vệ toàn diện các thiết bị nhạy cảm đầu cuối.

Điều này được minh họa trong hình 3 dưới đây:

Một cách khác để bảo vệ toàn bộ thiết bị đầu cuối (bao gồm các thiết bị nhạy cảm và không nhạy cảm với điện áp) là cài đặt một bộ lọc sét 160kA lắp đặt tại đầu nguồn tổng. Điều này được minh họa theo hình 4 dưới đây: