Nội dung bài viết
Sau một trận mưa giông, nhiều nhà xưởng, tòa nhà và hộ gia đình gặp cùng một tình trạng: biến tần báo lỗi không khởi động, camera mất hình, bộ nguồn PLC cháy, inverter điện mặt trời ngừng phát. Thiết bị hỏng thì phải thay, nhưng thiệt hại lớn hơn thường là thời gian dừng máy chờ sửa chữa. Thiết bị chống sét lan truyền SPD là khoản đầu tư nhỏ trong tủ điện giúp giảm đáng kể những rủi ro này. Bài viết tổng hợp các lợi ích chính của SPD và những công trình nên ưu tiên lắp đặt.
1. Bảo vệ thiết bị điện tử đắt tiền
Thiết bị hiện đại ngày càng nhiều bo mạch điện tử: biến tần, PLC, màn hình HMI, bộ nguồn, camera, đầu ghi, máy tính, inverter năng lượng mặt trời, thiết bị y tế, thang máy. Các linh kiện bán dẫn trong đó chỉ chịu được điện áp xung ở mức hạn chế. Theo IEC 60364-4-44, thiết bị tiêu thụ thông thường thuộc cấp chịu xung 2,5 kV, thiết bị nhạy cảm chỉ 1,5 kV, trong khi xung sét lan truyền có thể lên tới hàng chục kV.
SPD dẫn dòng xung xuống đất và giới hạn điện áp còn lại đặt lên thiết bị ở mức Up. Ví dụ theo catalogue, SPD Tengen TGU3-C40 có Up ≤ 1,8 kV, TGU3-C20 có Up ≤ 1,5 kV, thấp hơn mức chịu xung của thiết bị thông thường. Nhờ vậy xung được "chặn" tại tủ điện thay vì đi vào bo mạch.
2. Giảm thời gian dừng máy và gián đoạn sản xuất
Với nhà máy, chi phí thay một bo mạch biến tần có khi nhỏ hơn nhiều so với thiệt hại khi dây chuyền phải dừng vài giờ hoặc vài ngày chờ thiết bị thay thế. Với tòa nhà, hỏng hệ thống thang máy, bơm nước, báo cháy hay camera ảnh hưởng trực tiếp đến an toàn và sinh hoạt.
SPD hoạt động tự động trong vài chục nano giây rồi trở lại trạng thái bình thường, không cắt điện hệ thống khi xử lý xung. Hệ thống tiếp tục vận hành, người dùng thường không nhận ra đã có một xung vừa đi qua.
3. Kéo dài tuổi thọ thiết bị
Không chỉ sét, lưới điện còn có xung đóng cắt xảy ra hằng ngày khi đóng cắt động cơ lớn, tụ bù, máy biến áp, máy hàn. Mỗi xung nhỏ không làm hỏng thiết bị ngay, nhưng tích lũy dần làm linh kiện lão hóa: tụ điện suy giảm, lớp cách điện yếu đi, bộ nguồn hỏng "không rõ lý do" sau một thời gian dùng.
SPD hấp thụ cả những xung nhỏ này, giúp thiết bị làm việc trong điều kiện điện áp sạch hơn và bền hơn.
4. Giảm nguy cơ cháy nổ, tăng an toàn
Xung quá áp lớn có thể gây phóng điện đánh thủng cách điện trong tủ điện, ổ cắm, thiết bị, dẫn đến phát lửa. SPD đạt chuẩn có bộ ngắt nhiệt tự tách phần tử bảo vệ khi lão hóa, kết hợp thiết bị bảo vệ dự phòng (aptomat hoặc cầu chì) phía trước để cách ly SPD khỏi lưới khi hỏng. Nhờ đó chính SPD không trở thành nguồn gây cháy.
5. Dễ giám sát và bảo trì
SPD thế hệ mới được thiết kế để người vận hành dễ biết khi nào cần thay:
- Cửa sổ báo trạng thái ngay trên mặt SPD. Ví dụ Tengen TGDY55: xanh là bình thường, đỏ là hỏng.
- Tiếp điểm báo từ xa (tùy chọn) đưa tín hiệu về PLC hoặc hệ thống giám sát tòa nhà, báo động ngay khi SPD cần thay. Tengen TGU3 có loại kèm tiếp điểm NO/NC.
- Module cắm rút: khi module hỏng chỉ cần rút ra cắm module mới, không phải tháo dây, không phải cắt điện lâu. Catalogue TGDY55 ghi rõ module có thể đặt mua riêng.
6. Đáp ứng yêu cầu thiết kế và tiêu chuẩn
Bộ tiêu chuẩn IEC 60364 về hệ thống lắp đặt điện hạ áp có phần riêng về bảo vệ chống quá áp (IEC 60364-4-44) và lựa chọn, lắp đặt SPD (IEC 60364-5-53). SPD được thử nghiệm theo IEC 61643-11. Nhiều hồ sơ thiết kế tủ điện, dự án nhà xưởng, tòa nhà, trạm viễn thông và hệ điện mặt trời có yêu cầu SPD ngay từ khâu thiết kế. Lắp SPD đúng loại giúp công trình dễ đáp ứng yêu cầu nghiệm thu của chủ đầu tư và đơn vị tư vấn.
Công trình nào nên ưu tiên lắp SPD?
| Công trình | Lý do nên lắp | Gợi ý |
|---|---|---|
| Nhà xưởng có biến tần, PLC, máy CNC | Thiết bị điện tử đắt tiền, dừng máy gây thiệt hại lớn | SPD Type 1 hoặc Type 2 ở tủ tổng, Type 2 ở tủ phân phối khu máy |
| Công trình có kim thu sét | Dòng sét đổ xuống đất làm tăng điện thế hệ nối đất, gây xung trên hệ thống điện | Cần SPD Type 1 ở tủ tổng |
| Nguồn cấp bằng đường dây trên không, vùng nông thôn, đồi núi | Đường dây dài dễ bị sét cảm ứng | SPD ở tủ tổng, trạm bơm |
| Hệ điện mặt trời áp mái | Dàn pin trên mái, cáp DC dài, inverter đắt tiền | SPD chuyên dụng phía DC và SPD phía AC |
| Bơm tưới năng lượng mặt trời ở nhà vườn | Dàn pin đặt ngoài vườn trống trải, cáp DC dài, biến tần bơm là thiết bị đắt nhất | SPD DC cho dàn pin, MCB DC, nối đất khung pin (xem mục bên dưới) |
| Tòa nhà, văn phòng, trường học, bệnh viện | Thang máy, báo cháy, camera, máy chủ | SPD tủ tổng và tủ tầng |
| Hệ camera, mạng, trạm viễn thông | Cáp tín hiệu dài chạy ngoài trời | Thêm SPD chuyên cho đường tín hiệu |
Tình huống thực tế: xưởng cơ khí sau mùa mưa bão
Một xưởng cơ khí 3 pha ở ven đô, nguồn cấp bằng đường dây trên không, có 6 biến tần cho băng tải và bơm, một tủ PLC và hệ camera. Sau một mùa mưa bão, xưởng phải thay bo điều khiển của 2 biến tần và bộ nguồn PLC, dây chuyền dừng gần hai ngày chờ linh kiện.
Phương án bảo vệ đề xuất:
- Tủ điện tổng: SPD Type 1, ví dụ Tengen TGU3-B25 4P (Iimp 25 kA), vì nguồn đi dây trên không.
- Tủ phân phối khu biến tần: SPD Type 2, ví dụ Tengen TGU3-C40 4P (Imax 40 kA, Up ≤ 1,8 kV).
- Tủ PLC đặt xa: thêm SPD sát tủ theo khuyến nghị của nhà sản xuất PLC.
- Hệ camera: SPD cho đường tín hiệu và nguồn camera.
- Kiểm tra hệ nối đất: SPD chỉ phát huy tác dụng khi điện trở nối đất đạt yêu cầu thiết kế.
Chi phí cho các SPD này thường chỉ bằng một phần nhỏ so với giá trị thiết bị được bảo vệ và thiệt hại khi dừng máy.
Hệ bơm tưới năng lượng mặt trời cho nhà vườn
Nhiều nhà vườn trồng cây ăn trái, cà phê, sầu riêng đang dùng bơm chạy bằng năng lượng mặt trời: dàn pin đặt ngoài vườn, cấp điện một chiều cho biến tần bơm 5,5 kW hoặc 7,5 kW, biến tần chạy động cơ bơm giếng hoặc bơm tưới. Cấu hình phổ biến tại VITCO là biến tần Megmeet kết hợp MCB DC 2P Tengen để đóng cắt phía dàn pin.
Theo catalogue Megmeet, dòng MV810/MV820 (SP2) là biến tần chuyên cho bơm năng lượng mặt trời, dựa trên nền tảng MV800: có thuật toán MPPT (hiệu suất tới 99 %), dùng được cho động cơ không đồng bộ, PMSM và BLDC, nhận cả nguồn DC từ dàn pin và nguồn AC từ lưới với chức năng tự chuyển nguồn, tự nghỉ và tự chạy lại theo cường độ nắng, chống bơm chạy khô, ghi lại tổng thời gian chạy và lượng nước đã bơm, phù hợp tưới ruộng vườn và cấp nước sinh hoạt.
Vì sao hệ bơm mặt trời đặc biệt cần chống sét?
- Dàn pin khung kim loại đặt ngoài vườn trống trải, thường là điểm cao nhất xung quanh, trong khi mùa tưới trùng mùa mưa giông.
- Cáp DC từ dàn pin về tủ biến tần dài, dễ bị sét đánh gần cảm ứng xung điện áp.
- Biến tần bơm là thiết bị đắt nhất của hệ thống. Sổ tay biến tần Megmeet MV810/MV820 ghi rõ: hư hỏng do cháy, lũ lụt, sét đánh mạnh thuộc trường hợp phải trả phí sửa chữa kể cả khi còn trong thời hạn bảo hành 18 tháng.
- Bơm hỏng giữa mùa khô nghĩa là cây thiếu nước, thiệt hại lớn hơn nhiều so với giá thiết bị.
Bộ bảo vệ đề xuất cho tủ bơm mặt trời:
- MCB DC 2P phía dàn pin, ví dụ Tengen TGBG-63DC 2P (dữ liệu sản phẩm: DC 500 V/600 V, khả năng cắt 6 kA, đường cong C). Chọn điện áp định mức DC cao hơn điện áp hở mạch lớn nhất của chuỗi pin (điện áp này tăng khi trời lạnh) và dòng định mức theo dòng của chuỗi pin. Khi ghép nhiều chuỗi song song, bảo vệ từng chuỗi bằng cầu chì DC Tengen RT18-PV.
- SPD DC chuyên cho điện mặt trời (theo IEC 61643-31) đặt ở đầu vào DC của tủ biến tần, có điện áp Ucpv cao hơn điện áp hở mạch lớn nhất của dàn pin. Khi dàn pin đặt xa tủ, cân nhắc thêm một SPD DC gần dàn pin.
- SPD AC ở tủ cấp nguồn lưới nếu hệ thống có dùng thêm điện lưới (chế độ tự chuyển DC/AC của biến tần SP2), ví dụ Tengen TGU3-C20, TGU3-C40 hoặc TGDY55II-20, TGDY55II-40 (SPD Type 2, Uc 385 V, có cửa sổ báo lỗi), kèm aptomat bảo vệ dự phòng theo catalogue.
- Nối đất chung cho khung dàn pin, vỏ tủ và SPD. Không có nối đất tốt, SPD không có đường để dẫn dòng xung đi.
Lưu ý: SPD AC 385 V như Tengen TGU3 hay TGDY55 không dùng cho phía DC của dàn pin. Phía DC phải dùng SPD chuyên cho PV. VITCO tư vấn chọn SPD DC theo điện áp và số chuỗi của dàn pin qua trang yêu cầu báo giá.
Xem các biến tần Megmeet, MCB và thiết bị chống sét lan truyền tại VITCO.
Để SPD phát huy lợi ích
- Chọn đúng loại (Type 1, 2, 3), đúng số cực theo sơ đồ nối đất và đúng điện áp Uc.
- Dây nối ngắn (tổng chiều dài dây pha đến SPD và SPD đến thanh nối đất nên không quá 0,5 m theo IEC 60364-5-53) và đúng tiết diện catalogue khuyến nghị.
- Có thiết bị bảo vệ dự phòng phía trước SPD, đúng định mức catalogue.
- Kiểm tra cửa sổ báo trạng thái định kỳ, nhất là sau mùa mưa bão, và thay module khi báo đỏ.
- Hệ nối đất đạt yêu cầu và được đo kiểm định kỳ.
Tìm hiểu thêm cấu tạo và nguyên lý của SPD trong bài Thiết bị chống sét lan truyền SPD là gì?, và xem các thiết bị chống sét lan truyền đang có tại VITCO.
Bài viết mang tính giới thiệu chung. Hiệu quả bảo vệ phụ thuộc vào đánh giá rủi ro sét, thiết kế hệ nối đất và cách lắp đặt thực tế. Kỹ sư VITCO có thể hỗ trợ đề xuất phương án chống sét lan truyền cho công trình qua trang yêu cầu báo giá.
Nguồn tham khảo
- Tengen, catalogue TGU3 Series Surge Protective Device và TGDY55 Surge Protective Devices.
- IEC 60364-4-44: điện áp chịu xung của thiết bị trong hệ thống lắp đặt hạ áp.
- IEC 60364-5-53: lựa chọn và lắp đặt SPD.
- IEC 61643-11: SPD nối với hệ thống điện hạ áp.
