Nguyên lý hoạt động của thiết bị chống sét lan truyền (surge protection device) – SPD

Nguyên lý hoạt động của thiết bị chống sét lan truyền (surge protection device) – SPD

Kema Vietnam xin giới thiệu với Quý vị kiến thức về thiết bị chống sét lan truyền SPD như sau

Thiết bị chống sét lan truyền (SPD) kết nối song song có trở kháng cao. Một khi điện áp quá tải tức thì xuất hiện đột ngột trong hệ thống, trở kháng của thiết bị giảm xuống vì vậy dòng điện tăng đột ngột được truyền qua SPD, bỏ qua các thiết bị nhạy cảm.

Thiết bị chống sét lan truyền là một thành phần của hệ thống được lắp đặt để bảo vệ hệ thống điện máy móc và thiết bị điện tử.

Thiết bị này được nối song song với mạch cung cấp điện của các bộ phận chịu tải mà nó phải bảo vệ. Nó cũng có thể được sử dụng ở tất cả các cấp của mạng lưới cung cấp điện.

Đây là loại bảo vệ quá áp tốt và hiệu quả nhất.
 

Nguyên lý hoạt động của thiết bị chống sét lan truyền

SPD được thiết kế để hạn chế quá tải đột ngột phát sinh từ khí quyển và truyền dòng diện (dạng sóng) xuống mặt đất, nên để hạn chế biên độ của điện áp quá tải này đến một giá trị không gây hại cho việc lắp đặt điện và thiết bị chuyển mạch điện cũng như các thiết bị điều khiển.
 

Thiết bị chống sét lan truyền loại bỏ quá áp (overvoltages) trong những trường hợp nào?

– Ở chế độ thông thường, giữa pha và trung tính hoặc mặt đất;

– Trong chế độ phân chia, giữa giai đoạn và trung tính.

Trong trường hợp có quá áp vượt quá ngưỡng hoạt động, thiết bị chống sét lan truyền sẽ

– Dẫn năng lượng xuống đất, trong chế độ thông thường;

– Phân phối năng lượng cho các dây dẫn khác trong chế độ phân chia.
 

Có bao nhiêu kiểu (Type/Class) thiết bị chống sét lan truyền SPD?

Thiết bị chống sét lan truyền Loại 1 (Type 1 SPD)

Được khuyến cáo sử dụng trong trường hợp cụ thể như tòa nhà, xí nghiệp, nhà máy công nghiệp, … đã được bảo vệ bởi hệ thống chống sét hoặc lồng lưới chống sét trực tiếp.

Nó bảo vệ cho hệ thống điện được lắp đặt chống sét đánh trực tiếp. Nó có thể xả dòng ngược do dòng sét lan truyền dội ngược từ dây dẫn đất đến dây dẫn của hệ thống lưới điện.

Type 1 SPD được đặc trưng bởi dòng điện dạng sóng 10/350 μs.
 

Thiết bị chống sét lan truyền loại 2 (Type 2 SPD)

Là hệ thống bảo vệ chính cho tất cả các thiết bị điện hạ thế. Được lắp đặt trong mỗi tủ điện (electrical switchboard), nó ngăn ngừa sự lan truyền quá áp trong hệ thống điện và bảo vệ các tải.

Type 2 SPD được đặc trưng bởi dạng sóng điện 8/20 μs.
 

Thiết bị chống sét lan truyền loại 3 (Type 3 SPD)

Những SPD này có dung lượng xả thấp. Do đó, chúng phải được lắp đặt một cách bắt buộc như là một thiết bị bổ sung cho Type 2 SPD và trong vùng lân cận các tải nhạy cảm.

Type 3 SPD được đặc trưng bởi sự kết hợp của các sóng điện áp (1.2 / 50 μs) và sóng dòng (8/20 μs).
 

Quy chuẩn Thiết bị chống sét lan truyền

  Direct lightning stroke Indirect lightning stroke
IEC 61643-1 Class I test Class II test Class III test
IEC 61643-11/2011 Type 1 : T1 Type 2 : T2 Type 3 : T3
EN/IEC 61643-11 Type 1 Type 2 Type 3
Former VDE 0675v B C D
Type of test wave 10/350 8/20 1.2/50 + 8/20

 

Note 1: Có tồn tại thiết bị kết hợp T1+ T2 SPD (or Type 1 + 2 SPD) nhằm kết hợp bảo vệ tải khỏi dòng sét trực tiếp và gián tiếp.
Note 2: Một số T2 SPD cũng có thể đảm nhận chức năng như  T3 SPD.
 

Đặt tính của thiết bị chống sét lan truyền

Tiêu chuẩn quốc tế IEC 61643-1 Edition 2.0 (03/2005) định nghĩa các đặc tính và kiểm tra cho SPD kết nối với các hệ thống phân phối điện hạ thế (Low voltage)

Những đặc điểm chung của thiết bị chống sét lan truyền SPD

Uc: điện áp hoạt động liên tục tối đa
Đây là điện áp AC hoặc DC, mà SPD có thể hoạt động. Giá trị này được lựa chọn theo điện áp định danh và hệ thống nối đất của hệ thống điện.

Up: Cấp độ bảo vệ điện áp (tại dòng In)
Đây là điện áp tối đa trên các đầu cuối của SPD khi nó hoạt động. Điện áp này đạt được khi dòng điện chạy trong SPD bằng In. Mức độ bảo vệ điện áp được chọn phải thấp hơn khả năng chịu tải quá tải của tải. Trong trường hợp sét đánh, điện áp trên các đầu cuối của SPD nói chung vẫn còn nhỏ hơn In.

In: dòng điện xả hay còn gọi là dòng phát thải
Đây là giá trị đỉnh (cao nhất) của dòng điện dạng sóng 8/20 μs mà SPD có khả năng xả tối thiểu 20 lần.
 

Tại sao In lại quan trọng?

Tương ứng với dòng chảy xả định mức mà SPD có thể chịu được ít nhất 20 lần: giá trị cao hơn của In có nghĩa là SPD sẽ có tuổi thọ dài hơn, do đó chúng ta nên chọn giá trị In cao hơn giá trị cực tiểu 5kA.
 

Type 1 SPD

Iimp: Impulse current

Đây là giá trị đỉnh của dòng điện 10/350 μs mà SPD có khả năng xả 5 lần.
 

Tại sao Iimp quan trọng?

Tiêu chuẩn IEC 62305 yêu cầu dòng xung có giá trị tối đa là 25kA cho mỗi cực của hệ thống điện ba pha. Điều này có nghĩa là đối với mạng 3P + N, SPD có thể chịu được tổng dòng xung tối đa 100kA đến từ kết nối mặt đất.

Ifi: Autoextinguish follow current
Chỉ áp dụng cho công nghệ khoảng cách tia lửa điện. Đây là dòng điện (50 Hz) mà SPD có thể tự ngắt sau khi có sự phóng điện. Dòng điện này phải luôn luôn lớn hơn dòng ngắn mạch tiềm tàng tại điểm lắp đặt.
 

Type 2 SPD

Imax: Dòng điện xả tối đa

Đây là giá trị đỉnh của dòng điện dạng sóng 8/20 μs mà SPD có khả năng xả một lần.
 

Tại sao Imax quan trọng?

Nếu chúng ta so sánh 2 thiết bị Type 2 SPD với cùng một In, nhưng khác Imax: SPD có giá trị Imax cao hơn có “lề an toàn” cao hơn và có thể chịu được dòng điện tăng cao mà không bị hư hỏng.
 

Type 3 SPD

Uoc: Uoc: Điện áp mạch mở được áp dụng trong các Class III (Type 3) tests.
 

Các điểm chính

– Chống sét lan truyền hạ thế hay điện áp thấp (Low Voltage SPD)
Có nhiều loại thiết bị rất khác nhau, cả về công nghệ và cách sử dụng đều được chỉ định bởi thuật ngữ này. SPD điện áp thấp được thiết kế dạng modul để dễ dàng lắp đặt trong các tủ điện hạ thế.

Ngoài ra còn có các thiết bị chống sét lan truyền (SPDs) tương thích với ổ cắm điện, nhưng các thiết bị này có khả năng xả dòng thấp.

– Chống sét lan truyền (SPD) cho mạng truyền thông (Telecom), mạng công nghệ thông tin (IT)
Các thiết bị này bảo vệ mạng điện thoại, mạng chuyển mạch và mạng điều khiển tự động (bus) chống lại các đợt quá tải đến từ bên ngoài (sét đánh) và các thiết bị bên trong mạng lưới cung cấp điện (thiết bị gây ô nhiễm, vận hành thiết bị đóng cắt, vv).

– Chống sét lan truyền bảo vệ thiết bị nhà máy như: cảm biến, bộ điều khiển truyền động, drive điều khiển động cơ, biến tầng, biến dòng, … hay thuộc lĩnh vực Đo lường và điều khiển quá trình (Measurament and control technology – MCR)

– Chống sét lan truyền bảo vệ thiết bị thu – phát: truyền hình, Đầu thu, TV, CCTV camera, …

– Chống sét lan truyền bảo vệ thiết bị điện tử nhạy cảm, quan trọng, đắt tiền như: thiết bị nhà thông minh, thiết bị IoT, thiết bị điều khiển nhà yến, thiết bị điện tử hiện đại khác

Các thiết bị chống sét lan truyền như vậy cũng được cài đặt trong RJ11, RJ45, … kết nối hoặc được tích hợp vào tải.
 

Các ký hiệu liên quan đến thiết bị chống sét lan truyền Surge protection device

Thiết bị chống sét lan truyền (Surge Protection Device – SPD)
Là thiết bị nhằm hạn chế sự quá áp đột biến lan truyền trên đường dây bằng cách chuyển hướng dòng điện nguy hiểm này sang nơi khác một cách an toàn. Chúng có chứa ít nhất một linh kiện phi tuyến. Loại SPD một cổng được đấu nối song song hoặc loại SPD 2 cổng được đấu nối tiếp.

Loại của thiết bị chống sét (Type of surge protectors)
Các thiết bị chống sét nguồn điện AC được chia thành 3 loại theo tiêu chuẩn IEC 61643-11 và EN 61643-11 theo 3 mức độ thử nghiệm khác nhau. Các mức độ kiểm tra này sẽ phụ thuộc vào vị trí lắp đặt của SPD trong mạng lưới AC và các điều kiện bên ngoài. Thông số này phân thành 3 loại:

Thiết bị chống sét loại 1 (Type 1 surge protectors)
Thiết bị chống sét loại 1 được thiết kế để lắp đặt ở vị trí có nguy cơ bị sét đánh trực tiếp là rất cao, đặc biệt là khi tòa nhà được trang bị các đầu cột thu lôi. Trong trường hợp này, tiêu chuẩn EN 61643-11 và IEC 61643-11 đòi hỏi SPD phải được kiểm tra thử nghiệm theo mức 1 (class 1): kiểm tra này được đặc trưng bởi việc đưa vào xung điện có dạng sóng 10/350 μs để mô phỏng các hệ quả dòng sét đánh trực tiếp gây ra. Do đó các thiết bị loại 1 phải đặc biệt mạnh mẽ để dẫn dòng điện xung năng lượng cao. Các thiết bị loại 1 này chúng ta thường gọi là thiết bị cắt sét sơ cấp.

Thiết bị chống sét loại 2 (Type 2 surge protectors)
Thiết bị cắt sét lan truyền type 2 được thiết kế để lắp đặt tại ngõ vào của hệ thống điện, trong tủ phân phối chính, hoặc gần các thiết bị nhạy cảm mà công trình không trang bị kim thu sét. Thiết bị được kiểm tra theo bài kiểm tra mức II (class 2) theo tiêu chuẩn IEC61643-11 hoặc EN61643-11 và dựa trên dòng xung dạng sóng 8/20μs. Các thiết bị loại 2 này chúng ta thường gọi là thiết bị cắt sét thứ cấp.

Thiết bị chống sét loại 3 (Type 3 surge protectors)
Trong trường hợp đối tượng cần bảo vệ là các thiết bị điện tử rất nhạy cảm với dòng điện hoặc nằm tách biệt thì chúng cần phải được bảo vệ lặp lại thêm lần nữa: những SPD năng lượng thấp này là loại 2 hoặc 3. Các bộ chống sét cho các thiết bị đầu cuối này được thử nghiệm với một dạng sóng kết hợp (1,2/50 μs – 8/20 μs) theo bài kiểm tra cấp III (class 3).

Kiểu bảo vệ (Methods of protection)
Đây là thông số chỉ ra kiểu hay hướng bảo vệ trong SPD, chúng có thể kết nối kiểu Pha – Đất (L-G) (kiểu thông thường), Pha – Trung tính (L-N) (kiểu so lệch), hoặc kết hợp cả hai. Các kiểu kết nối này được gọi là kiểu bảo vệ.

Cảnh báo của thiết bị chống quá áp (Overvoltage protector alarm)
Thông số này biểu hiện có hay không và kiểu báo hiệu về tình trạng hoạt động của SPD. Cảnh báo hư hỏng có thể bằng chỉ thị màu trực quan, bằng đèn led, bằng chuông reo hoặc được trang bị tiếp điểm cho phép kết nối cảnh báo từ xa. Cảnh báo cho biết SPD ngắt kết nối trong trường hợp hỏng để tránh sự cố trên hệ thống điện.

Điệp áp định mức (Un) (Nominal voltage)
Tham số về giá trị của điện áp xoay chiều hay một chiều của đường dây trong điều kiện bình thường để các SPD hoạt động chính xác.

Điện áp hoạt động tối đa (Uc) (Maximum operating voltage)
Thông số này chỉ ra SPD còn có thể hoạt động liên tục với mức điện áp cụ thể nào đó, nếu cao hơn mức này thì SPD sẽ bị hư hỏng.

Qúa điện áp ngắn hạn ( UT ) (Temporary overvoltage)
Quá điện áp ngắn hạn UT (TOV) là giá trị R.M.S. tối đa mà SPD có thể chịu được trong 5 giây mà không bị hư hỏng. Trong nhiều trường hợp, thông số UT bằng hoặc vượt trội so với Uc. Một bài kiểm tra bổ sung là cần thiết cho hệ thống điện xoay chiều TT, để mô phỏng một quá điện áp tạm thời «cao áp» (TOV) giữa N và PE (áp dụng cho 1200 Vac, 300 A trong 200 ms): sự phù hợp với thử nghiệm này đòi hỏi việc sử dụng các sơ đồ CT2 (ống phóng khí chuyên biệt giữa N và PE).

Dòng hoạt động lớn nhất (IL) (Maximum working current)
Giá trị RMS của dòng điện xoay chiều hoặc giá trị của dòng điện liên tục trên một đường dây ở điều kiện hoạt động bình thường mà SPD vẫn hoạt động chính xác.

Dòng phóng định mức (In) (8/20 μs) (nominal discharge current)
Dòng phóng điện danh định (In) là mức dòng điện xung một thiết bị chống sét loại 1 hoặc loại 2 có thể chịu đựng lặp lại (15 xung) mà không bị phá hủy.

Dòng phóng điện tối đa cho thiết bị loại 2 (Imax) (maximum discharge current for type 2)
Dòng phóng điện cực đại (Imax), áp dụng đối với thiết bị chống sét loại 2, là dòng điện xung 8/20μs tối đa mà SPD vẫn có thể chịu được và không bị phá hủy.

Dòng phóng điện xung cho thiết bị loại 1 (Iimp) (impulse current for type 1)
Dòng điện xung (Iimp), được sử dụng trong thử nghiệm cấp 1 (Class I) đối với SPD loại 1, là dòng xung điện có dạng sóng 10/350μs tối đa SPD có thể chịu được mà không bị phá hủy. Thử nghiệm này mô phỏng theo hiệu ứng tác động khi sét đánh trực tiếp vào hệ thống nguồn AC.

Dòng phóng theo (If) (follow current)
Đây là thông số về giá trị dòng của hệ thống điện đi qua SPD sau một dòng phóng điện xung quá áp. Đơn vị là kAeff.

Dòng phóng điện tổng (Itotal) (total discharge current)
Tham số về tổng lưu lượng dòng phóng điện xung đi qua dây PE hoặc PEN của một SPD đa cực.

Khả năng chịu ngắn mạch – Isccr (short circuits capability)
SPD và bộ phận ngắt mạch liên quan (cầu chì) được thử nghiệm tại một giá trị dòng ngắn mạch tối đa (ví dụ: 25kA): giá trị Isccr này cần cao hơn dòng ngắn mạch của mạng điện tại vị trí lắp đặt thiết bị.

Cấp độ bảo vệ (Up) (level of protection)
Điện áp dư hay điện áp sót tối đa của SPD trong quá trình phóng dòng xung 8/20μs (tại giá trị tối đa của In hoặc Iimp).

Cấp bảo vệ tại dòng định mức In : Up-In (level of protection at In)
Đây là thông số hiển thị giá trị điện áp sót (hay điện áp dư) của SPD trong quá trình phóng dòng xung 8/20μs tại một giá trị được xác định (In hoặc Iimp). Tùy theo nhà sản xuất và công nghệ áp dụng mà Up này sẽ khác nhau ở cùng một giá trị Un, (với công nghệ VG, một số thiết bị SPDs có giá trị Up này là rất thấp)

Điện áp với sóng kết hợp sóng (điện áp mạch hở cho thiết bị loại 3 – Uo.c– (voltage with combination wave (open circuit voltage) Uo.c. for type 3)
Tham số này chỉ được sử dụng cho kiểm tra cấp III, áp dụng đối với SPD loại 3 và một sóng kết hợp (1,2/50 μs trong mạch hở – 8/20 μs trong ngắn mạch).

Thời gian đáp ứng – tr (response time)
Thông số thời gian đáp ứng (hay thời gian nhạy đáp) đặc trưng cho tốc độ kích hoạt bảo vệ của SPD. Nó có thể thay đổi theo độ dốc của dạng sóng áp dụng, mặc dù nói chung thời gian đáp ứng cho các varistor được coi là 25 ns, trong khi đối với bộ phóng điện (spark gap) là 100 ns.

Khả năng khống ché dòng phóng theo (follow up current extinguishing capability)
Khi các bộ phóng điện (spark gap) hay ống phóng điện khí (gas discharge tube) phóng điện, chất điện môi bị phá vỡ làm xuất hiện hồ quang điện, và kết quả là xảy ra sự ngắn mạch giữa 2 dây dẫn được bảo vệ. Khi điện áp làm việc trở lại mức bình thường, hồ quang điện & sự ngắn mạch phải được khống chế triệt tiêu. Khả năng dập tắt dòng phóng theo cho biết dòng điện mà thiết bị chống sét có khả năng tự dập tắt để trở về điều kiện cách điện bình thường.

Năng lượng đặc trưng W/R cho thử nghiệm thiết bị loại 1 (specific energy w/r for type 1 tests)
Năng lượng bị tiêu tán bởi dòng điện xung Iimp trên 1 đơn vị điện trở, bằng với tích phân năng lượng trong điện trở tương đương suốt quá trình phóng điện. Đơn vị là kJ/Ω or kA2s.

Bảo vệ quá dòng dự phòng (backup overcurrent protection)
Một thiết bị bảo vệ quá dòng (cầu chì hoặc thiết bị ngắt điện), là một bộ phận của hệ thống điện, nằm ở trước TBCS và ở vị trí mà nó có thể bị quá nhiệt và ngắt mạch để kết thúc sự ngắn mạch mà TBCS không thể thực hiện được

Điện áp đánh thủng của thiết bị chuyển điện áp (sparkover voltage of a voltage switching spd)
Là giá trị điện áp tối đa trước khi xảy ra sự phóng điện đánh thủng giữa các điện cực trong khe phóng điện của một SPD.

Nhiệt độ làm việc (ϑ) (working temperature)
Dải nhiệt độ mà SPD có thể hoạt động bình thường đúng chức năng của chúng.