Thiết bị chống sét lan truyền SPD là gì? Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

Nhiều người nghĩ "chống sét" là cây kim thu sét trên mái nhà. Thực tế phần lớn thiết bị điện bị hỏng do sét không phải vì sét đánh thẳng vào, mà vì xung quá áp lan truyền theo đường dây điện vào tủ điện và thiết bị. Thiết bị ngăn loại sự cố này là thiết bị chống sét lan truyền SPD (Surge Protective Device), còn gọi là thiết bị cắt sét, chống sét nguồn. Bài viết giới thiệu SPD là gì, xung quá áp đến từ đâu, cấu tạo và nguyên lý hoạt động của SPD, kèm ví dụ với dòng Tengen TGU3 và TGDY55.

Xung quá áp đến từ đâu?

Xung quá áp (surge) là điện áp tăng vọt lên hàng nghìn vôn trong thời gian rất ngắn, chỉ vài chục đến vài trăm micro giây. Có ba nguồn chính:

• Sét đánh trực tiếp vào công trình hoặc đường dây cấp điện: một phần dòng sét đi vào hệ thống điện. Đây là trường hợp nặng nhất.
• Sét đánh gần (cách vài trăm mét đến vài km): sét không chạm vào công trình nhưng từ trường cực mạnh của tia sét cảm ứng xung điện áp lên đường dây điện, cáp tín hiệu. Đây là nguyên nhân phổ biến nhất gây hỏng thiết bị điện tử vào mùa mưa bão.
• Xung đóng cắt bên trong lưới điện: đóng cắt tụ bù, động cơ lớn, máy biến áp, máy hàn, sự cố ngắn mạch trên lưới. Xung loại này nhỏ hơn xung sét nhưng xảy ra hằng ngày, làm linh kiện điện tử lão hóa dần.

Xung đi theo đường dây vào tủ điện, rồi vào bo mạch biến tần, PLC, bộ nguồn, camera, máy tính. Chỉ một xung vượt quá khả năng chịu đựng của linh kiện là đủ làm cháy bo mạch.

SPD là gì?

SPD là thiết bị lắp song song với đường dây điện, nối giữa dây pha (và dây trung tính) với dây nối đất. Ở điện áp bình thường, SPD gần như không dẫn điện và không ảnh hưởng gì đến hệ thống. Khi có xung quá áp, SPD chuyển sang dẫn điện trong vài chục nano giây, dẫn dòng xung xuống đất và giữ điện áp đặt lên thiết bị ở mức thấp, gọi là mức điện áp bảo vệ Up. Hết xung, SPD trở lại trạng thái không dẫn điện, hệ thống vẫn hoạt động bình thường, không mất điện.

Cần phân biệt SPD với các thiết bị khác trong tủ:

• Aptomat, cầu chì bảo vệ quá dòng và ngắn mạch, tác động trong vài mili giây đến vài giây, quá chậm để chặn xung chỉ kéo dài vài chục micro giây.
• Rơ le bảo vệ quá áp cắt điện khi điện áp lưới tăng cao kéo dài (ví dụ đứt dây trung tính), không xử lý được xung tức thời.
• Kim thu sét bảo vệ kết cấu công trình khỏi sét đánh thẳng, không bảo vệ thiết bị điện khỏi xung lan truyền.

Vì vậy SPD không thay thế các thiết bị trên, mà bổ sung một lớp bảo vệ riêng cho xung quá áp.

Cấu tạo của SPD

Theo nguyên lý chung, bên trong SPD cho lưới hạ áp thường có:

• Phần tử hạn chế điện áp: varistor oxit kẽm (MOV). Điện trở của varistor rất lớn ở điện áp bình thường và giảm mạnh khi điện áp vượt ngưỡng, nhờ đó "kẹp" điện áp ở mức Up. Đây là phần tử chính của đa số SPD Type 2.
• Phần tử chuyển mạch điện áp: khe phóng điện (spark gap) hoặc ống phóng khí (GDT). Chịu được dòng xung năng lượng rất lớn, thường dùng trong SPD Type 1 ở tủ điện tổng, hoặc làm phần tử nối giữa trung tính và đất.
• Bộ ngắt nhiệt: khi varistor lão hóa và nóng lên, bộ ngắt nhiệt tách phần tử hỏng ra khỏi mạch để tránh cháy.
• Cửa sổ báo trạng thái: cho biết SPD còn dùng được hay đã hỏng. Ví dụ theo catalogue, Tengen TGDY55 có cửa sổ báo lỗi xanh là bình thường, đỏ là hỏng.
• Tiếp điểm báo từ xa (tùy chọn): đưa tín hiệu SPD hỏng về PLC, hệ thống giám sát. Tengen TGU3 có loại kèm tiếp điểm báo từ xa (ký hiệu F, tiếp điểm NO/NC); TGDY55 có tùy chọn này, loại thông thường không có.
• Module cắm rút: phần tử bảo vệ nằm trong module cắm vào đế trên thanh ray 35 mm. Khi module hỏng chỉ cần thay module, không phải tháo dây. Catalogue TGDY55 ghi rõ module có thể đặt mua riêng để thay.

SPD hoạt động nhanh đến mức nào?

Xung sét tăng đến đỉnh chỉ trong vài micro giây, nên SPD phải phản ứng nhanh hơn thế nhiều lần. Catalogue Tengen công bố thời gian đáp ứng Ta:

1 ns bằng một phần tỷ giây: 25 ns nhanh hơn thời gian tác động của aptomat hàng trăm nghìn lần.

Các dạng SPD thường gặp

• Theo vị trí và mức năng lượng: Type 1 ở tủ điện tổng, Type 2 ở tủ tổng và tủ phân phối, Type 3 sát thiết bị nhạy cảm. Cách phân biệt và chọn từng loại được trình bày chi tiết trong bài "Thiết bị chống sét lan truyền SPD Type 1, 2, 3: phân biệt và cách chọn" trên chuyên mục Kiến thức của VITCO.
• Theo số cực: 1P, 2P (1P+N), 3P, 4P (3P+N), chọn theo sơ đồ nối đất và số pha của tủ điện.
• Theo hệ thống: SPD nguồn xoay chiều (AC), SPD cho phía một chiều của hệ điện mặt trời (DC-PV) và SPD cho đường tín hiệu (mạng LAN, camera, anten). Ba loại này không dùng thay cho nhau được.

Ví dụ: đọc nhanh một SPD trên thực tế

Tủ phân phối 3 pha 380 V của một xưởng có biến tần và PLC, dùng SPD Tengen TGU3-C40 4P. Theo catalogue:

• C40: thử nghiệm Class II, dòng phóng lớn nhất Imax 40 kA, dòng phóng định mức In 20 kA, tức là SPD Type 2.
• Uc 385 V: chịu được điện áp làm việc liên tục tới 385 V, cao hơn điện áp pha 220 V để không tác động nhầm khi điện áp lưới dao động.
• Up ≤ 1,8 kV: khi có xung, điện áp còn lại đặt lên thiết bị không quá 1,8 kV, thấp hơn mức chịu xung 2,5 kV của thiết bị điện thông thường theo IEC 60364-4-44.
• Thời gian đáp ứng 25 ns.
• 4P: dùng cho tủ 3 pha 4 dây hệ TN-S hoặc TT.

Với thiết bị điện tử nhạy cảm hơn (mức chịu xung 1,5 kV) đặt xa tủ này, nên bổ sung SPD gần thiết bị.

Xem các thiết bị chống sét lan truyền tại VITCO, gồm dải Tengen TGU3 và TGDY55.

Bài viết mang tính giới thiệu chung. Việc chọn loại SPD, số cấp bảo vệ và thiết kế nối đất cần dựa trên đánh giá rủi ro sét và thiết kế của kỹ sư có chuyên môn. Kỹ sư VITCO có thể hỗ trợ chọn SPD phù hợp qua trang yêu cầu báo giá.

Nguồn tham khảo

• Tengen, catalogue TGU3 Series Surge Protective Device: thông số, thời gian đáp ứng, tiếp điểm báo từ xa, ghi chú số cực.
• Tengen, catalogue TGDY55 Surge Protective Devices: phạm vi sử dụng, cửa sổ báo lỗi, module thay thế.
• IEC 61643-11: SPD nối với hệ thống điện hạ áp.
• IEC 60364-4-44: bảo vệ chống nhiễu loạn điện áp, điện áp chịu xung của thiết bị.