Chọn thiết bị chống sét phối hợp

Vì sao phải có nhiều cấp bảo vệ phối hợp ?

Các bài viết trong series cách chọn thiết bị

• Bài 1: Chọn thiết bị chống sét như thế nào ?
• Bài 2: Chọn thiết bị chống sét theo khả năng cắt và điện áp Up
• Bài 3: Chọn thiết bị chống sét phối hợp
• Bài 4: Lựa chọn và lắp đặt thiết bị chống sét theo mạng điện

Như bài viết trước đã đề cập về cách chọn thiết bị theo dòng xả và điện áp bảo vệ, In / Imax càng cao càng tốt mà Up thì ngược lại - càng thấp càng tốt. Nhưng khả năng của một thiết bị chống sét (TBCS) không thể đáp ứng đồng thời các các thông số đó một cách tốt nhất được (như Imax cao thì Up sẽ cao chứ không thấp hơn).

Vì vậy chúng ta cần các sản phẩm có thông số khác nhau để phối hợp lại theo các cấp độ, để có kết quả cuối cùng là chúng vừa có khả năng triệt tiêu được dòng xung điện rất cao mà điện áp dư còn lại đủ thấp, đảm bảo an toàn cho các thiết bị cần bảo vệ đầu cuối.

Các xung điện áp đột biến sẽ được cắt giảm sau khi đi qua TBCS bảo vệ sơ cấp. Tuy nhiên điện áp có thể tăng trở lại sau vài chục mét, có thể làm hỏng thiết bị điện tử. Do vậy, cần lắp đặt thêm các TBCS bảo vệ thứ cấp để kéo giảm và duy trì điện áp Up xuống mức thấp hơn, đảm bảo cho các thiết bị điện sau đó được an toàn hơn.

Video mô phỏng phối hợp nhiều tầng bảo vệ

Điện áp dư còn lại đủ thấp để đảm bảo an toàn cho thiết bị điện

Các cấp bảo vệ trên mạch điện

Cấp thứ nhất: Bảo vệ sơ cấp

Thông thường, cấp bảo vệ đầu tiên (bảo vệ sơ cấp) được bố trí ngay đầu vào của hệ thống điện AC, ở đó chiịu dòng xung lớn nhất - đặc biệt là dạng sóng 10/350μs do ảnh hưởng trực tiếp từ sự phóng điện thẳng vào đường dây hoặc kim thu sét ở trên công trình.

Do vậy, ở cấp bảo vệ này thường chọn các thiết bị cắt sét type 1, thông số kỹ thuật quan trọng nhất là Iimp của nhà sản xuất đưa ra, thông số này càng lớn thì khả năng chịu đựng càng lớn, càng an toàn. Bên trong các thiết bị này thường được trang bị các phần tử là ống phóng điện (spark gap) hay ống phóng điện khí (gas discharge tube - GDT). Các phần tử này hở mạch trong trạng thái bình thường, không có bất kỳ dòng điện nào chạy qua. Mỗi loại linh kiện đều có điện áp phóng điện đặc trưng (có thể thay đổi với các dạng sóng khác nhau). Khi điện áp này bị vượt quá, các linh kiện này sẽ thông mạch và dẫn tất cả dòng điện xuống đất. Khi điện áp cao biến mất, các linh kiện trở về trạng thái hở mạch như ban đầu.

Cấp thứ hai : Bảo vệ thứ cấp

Bảo vệ thứ cấp thường sử dụng các thiết bị chống sét lan truyền type 2 lắp đặt phía sau các tầng bảo vệ sơ cấp, ở các tủ điện nhánh phân phối cho các khu vực. Ở cấp bảo vệ này thông số kỹ thuật được quan tâm đến là Imax, đây là tham số về khả năng triệt tiêu các dòng xung điện có dạng sóng 8/20μs. Đây là xung lan truyền do tác động cảm ứng xuất hiện trên đường dây. Các thành phần hình thành cấp bảo vệ thứ hai tốt hơn so với cấp đầu tiên, thường là Varistor - đây là linh kiện điện tử với điện trở biến đổi. Trở kháng của chúng rất cao khi điện áp bình thường và bắt đầu giảm một cách phi tuyến khi điện áp tăng lên. Chúng đáp ứng nhanh hơn so với bộ phóng điện (spark gap) với thời gian nhỏ hơn 25ns nhưng có nhược điểm là: ở điện áp bình thường dù trở kháng của chúng có thể rất cao nhưng vẫn tạo ra dòng rò nhỏ đi qua.

Cấp thứ ba, tư .. : Bảo vệ đầu cuối

Đây là tầng bảo vệ đặc biệt được áp dụng khi các thiết bị cần bảo vệ là rất nhạy cảm với các xung điện bất thường, dễ bị hư hỏng khi có sự quá áp nhỏ hoặc có sự nhiễu loạn trên dòng điện. Tầng bảo vệ đầu cuối này phải được lắp sau tầng sơ cấp và thứ cấp ở trên. tầng này sử dụng các thiết bị cắt sét đầu cuối có khả năng đưa điện áp bảo vệ Up về mức rất thấp, triệt tiêu các dòng xung 1.2/50μs và sóng kết hợp (1.2/50μs - 8/20μs). Các phần tử bên trong chúng thường được sử dụng Varistor kết hợp đi-ốt triệt điện áp đột biến (suppressor diodes ), chúng phản ứng rất nhanh (dưới 1ns)

Việc chọn TBCS phối hợp với nhau môt cách đúng đắn sẽ cho ra mức điện áp dư thấp nhất theo mô hình sau

Xung điện quá áp bị cắt giảm qua các cấp bảo vệ

Theo sơ đồ minh họa này thì chúng ta thấy xung quá áp từ vài chục kV, sau khi đi qua các cấp bảo vệ (Type) thì điện áp đã bị cắt giảm còn vài trăm vôn, thậm chí vài chục vôn tùy theo thiết bị trong một khoản thời gian cực ngắn.

Từ các đặc điểm về công nghệ như trên nên chúng ta phải biết kết hợp lại một cách phù hợp, TBCS có khả năng chịu dòng lớn ở phía trước rồi đến các lớp có sức chịu đựng nhỏ hơn mà điện áp dư còn lại thấp hơn ở phía sau (phải từ Type 1 đến Type 2 rồi Type 3) theo hướng thâm nhập của các xung điện.

Khoảng cách giữa các cấp bảo vệ

Như vậy, để có hiệu quả tốt nhất thì ta cần bảo vệ theo nhiều cấp như trên. Tuy nhiên, nếu các thiết bị bảo vệ được đấu nối cùng một mạch điện mà không có bất kỳ một trở kháng đường dây nào giữa chúng thì thành phần nào đáp ứng nhanh nhất sẽ chịu toàn bộ quá điện áp, trong khi những TBCS mạnh mẽ nhất thì không có đủ thời gian để kích hoạt.

Nếu quá điện áp là rất lớn, nó có thể phá hủy hoặc làm hư hỏng các thiết bị đó. Ngay cả khi xung quá áp không gây hại cho SPD thì cũng không có ý nghĩa gì khi lắp đặt một thiết bị mạnh mẽ với khả năng chịu đựng dòng xung rất lớn mà lại không bao giờ có tác dụng.

Để 2 TBCS phối hợp một cách đúng đắn thì độ dài đường dây nguồn điện giữa chúng phải ít nhất là 10 mét. Ví dụ như TBCS type 1 (DS504E-320/G, DS254E-300/G ..) bảo vệ ở tủ điện chính thì TBCS type 2/3 (DAC80-40-275, DAC50-40-275 …) sẽ được lắp ở tủ điện nhánh (phòng máy tính, phòng làm việc) thì giữa 2 bộ này phải cách nhau 10 mét tính theo đường dây truyền tải điện.

Phối hợp các cấp bảo vệ bằng trở kháng của chính đường dây, L1 lớn hơn 10 mét

Nhưng trong điều kiện không gian không cho phép, tất cả đều nằm trong một phòng nhỏ, không đáp ứng 10m dây thì làm sao ? Trong điều kiện này thì chúng ta sẽ sẽ xen giữa 2 cấp bảo vệ một cuộn cảm L.

Cuộn cảm L phối hợp giữa các cấp bảo vệ

Cuộn cảm L này chúng ta thường gọi là cuộn lọc (như cuộn cảm DSH63, ATLINK 63 ..), chúng được lắp nối tiếp trên đường dây từ TBCS có khả năng mạnh đến TBCS có khả năng thấp và Up thấp hơn. Vì lắp nối tiếp nên chúng chỉ chịu được dòng điện có cường độ giới hạn đi qua nó, các dòng tải này được nhà sản xuất nêu sẵn trên sản phẩm.

Nếu các TBCS sơ cấp, thứ cấp và các cuộn lọc này được lắp chung vào một hộp/tủ thì chúng ta thường gọi là tủ cắt lọc sét (TCLS) lắp nối tiếp cho dễ hiểu.

Ngoài ra, trong bộ này còn có thể kết hợp thêm các module lọc nhiễu (như DUC, DS40HF) để triệt tiêu các nhiễu loạn RFI/EMI.

Phạm vi hiệu quả của thiết bị

Sau khi dòng điện đi qua các cấp bảo vệ sẽ cho ra mức điện áp bảo vệ Up phù hợp với các thiết bị theo yêu cầu, tuy nhiên chúng ta cần lưu ý mức điện áp Up này chỉ duy trì trên đường dây ở một cự ly nhất định, nếu càng xa thì xung điện áp sẽ càng tăng trở lại.

điện áp xung sẽ tăng lên theo khoảng cách

Theo các tiêu chuẩn thì họ khuyến cáo độ dài này nên được giới hạn trong phạm vi 10 mét đường dây là tốt nhất.

Trong thực tế đã có nhiều người trang bị TCLS nối tiếp có khả năng chịu đựng dòng xung lớn (vài trăm kA), dòng tải cao (vài trăm, vài ngàn ampe) và Up thấp, được lắp đặt ngay đầu tủ điện tổng để bảo vệ cho cả tòa nhà nhiều tầng.

Điều này sẽ không hợp lý vì lúc đó các thiết bị điện ở cách xa vài chục mét (ở các phòng hoặc tầng trên) sẽ không được bảo vệ với mức Up như kỳ vọng.

Mặc khác, vì lắp nối tiếp cho tải tiêu thụ nên cũng sẽ phát sinh nhiều rủi ro về quá tải, quá nhiệt, mất điện .v.v. giá thành của các TCLS này thường rất cao. Như vậy sẽ vừa không an toàn, nhiều rủi ro vừa lãng phí nếu chúng ta sử dụng không phù hợp.

Tóm lại, thiết bị bảo vệ đặt càng gần thiết bị cần bảo vệ thì càng tốt, chỉ nên sử dụng các TCLS mắc nối tiếp trong trường hợp không đáp ứng về khoảng cách.

Các thông số kỹ thuật của thiết bị

Công nghệ VG

Mạng điện TT, IT, TN, TN-C, TN-S là gì

Hướng dẫn lắp đặt thiết bị cho các tủ điện

>>> Các bài liên quan đến cách chọn thiết bị

• Bài 1: Chọn thiết bị chống sét như thế nào ?
• Bài 2: Chọn thiết bị chống sét theo khả năng cắt và điện áp Up
• Bài 3: Chọn thiết bị chống sét phối hợp
• Bài 4: Lựa chọn và lắp đặt thiết bị chống sét theo mạng điện