Thiết bị chống sét là gì?

Nếu bạn làm việc xung quanh hệ thống điện đủ lâu, bạn sẽ bắt đầu phát triển sự tôn trọng lành mạnh đối với sét. Không phải kiểu tôn trọng lãng mạn mà người ta có khi nhìn một cơn bão quét qua những ngọn núi. Loại thực tế, loại khiến bạn-kiểm tra kỹ các kết nối nối đất trước khi thực hiện công việc và hỏi kỹ sư hiện trường xem đường dây phân phối chạy trên cao hay dưới lòng đất.

Thiết bị chống sét là một trong những thiết bị mà hầu hết những người ngoài ngành điện chưa bao giờ nghĩ tới, mặc dù chúng âm thầm bảo vệ gần như mọi tòa nhà, trạm biến áp và tháp truyền thông trên thế giới. Bài viết này phân tích chúng là gì, chúng hoạt động như thế nào, những loại nào tồn tại và tại sao việc lựa chọn thiết bị chống sét lại quan trọng hơn nhiều người mua nhận ra.

Thiết bị chống sét

Thiết bị chống sét thực sự có tác dụng gì

Về cốt lõi, thiết bị chống sét là một thiết bị-hạn chế điện áp. Nó nằm giữa một dây dẫn điện và mặt đất, hoàn toàn không hoạt động gì trong điều kiện hoạt động bình thường. Thời điểm xảy ra đột biến, dù là do sét đánh trực tiếp vào đường dây điện hay do điện áp tăng vọt xảy ra khi một máy biến áp lớn tắt, thiết bị chống sét sẽ kích hoạt, tạo ra một đường dẫn điện trở thấp tạm thời-xuống đất và truyền năng lượng đột biến ra khỏi mọi thứ ở hạ lưu. Khi xung điện qua đi và điện áp đường dây giảm trở lại bình thường, thiết bị chống sét sẽ trở về trạng thái không hoạt động.

Đó là phần cuối cùng đáng chú ý. Không giống như cầu chì hy sinh bản thân để bảo vệ mạch điện, bộ chống sét được đánh giá phù hợp được thiết kế để xử lý các sự kiện đột biến lặp đi lặp lại mà không bị cháy. Nó tự động thiết lập lại và trong hầu hết các trường hợp, thiết bị mà nó bảo vệ thậm chí không bao giờ ghi nhận bất cứ điều gì đã xảy ra.

Sự so sánh tôi thấy hữu ích nhất là một cái cống trong bồn rửa. Nước chảy vào với tốc độ bình thường và hệ thống thoát nước vẫn tiếp tục hoạt động mà không cần nỗ lực nhiều. Nhưng khi ai đó đổ cả xô đầy vào cùng một lúc, cống sẽ xử lý lượng nước dâng đột ngột và bồn rửa không bị tràn. Thiết bị chống sét là cống thoát nước. Máy biến áp, thiết bị đóng cắt, các thiết bị điện tử nhạy cảm bên trong tòa nhà chính là bồn rửa.

Nơi cái tên trở nên khó hiểu

Một trong những điều đầu tiên mọi người gặp phải khi bắt đầu nghiên cứu chủ đề này là một đống thuật ngữ chồng chéo. Thiết bị chống sét, thiết bị chống sét, thiết bị chống sét, thiết bị chống sét, thiết bị chống sét. Những thuật ngữ này đôi khi được sử dụng thay thế cho nhau và đôi khi chúng có nghĩa thực sự khác nhau tùy thuộc vào người đang nói và trong bối cảnh nào.

Đây là một cách thực tế để suy nghĩ về sự khác biệt:

Cột thu lôi (về mặt kỹ thuật được gọi là thiết bị đầu cuối không khí) là một thiết bị bên ngoài được gắn trên đỉnh của một công trình. Nhiệm vụ của nó là ngăn chặn một cú tấn công trực tiếp và cung cấp cho dòng điện một đường dẫn có kiểm soát xuống đất thông qua một dây dẫn sét. Nó bảo vệ cấu trúc của tòa nhà khỏi bị cháy hoặc bị hư hại về mặt vật lý. Nó không có tác dụng gì đối với các thiết bị điện bên trong.

Thiết bị chống sét theo nghĩa truyền thống dùng để chỉ các thiết bị được lắp đặt trên tháp truyền tải và đường dây phân phối ngoài trời. Những năng lượng này chặn năng lượng đột biến truyền dọc theo đường dây và chuyển hướng nó trước khi nó đến trạm biến áp hoặc tòa nhà. Trong nhiều thiết kế, bộ chống sét không tiếp xúc trực tiếp với dây dẫn. Nó nằm song song và chỉ kích hoạt khi điện áp vượt quá ngưỡng đã đặt.

Thiết bị chống sét hoặc thiết bị chống sét lan truyền được lắp đặt bên trong tòa nhà, thường là ở bảng điện chính. Nó xử lý các hiện tượng quá điện áp đã xảy ra qua các lớp bảo vệ ngoài trời.

Bảo vệ hoàn toàn đòi hỏi cả ba. Một cột thu lôi không có thiết bị chống sét trên đường dây đến vẫn khiến hệ thống điện tiếp xúc với các xung điện dọc theo dây dẫn. Thiết bị chống sét trên đường dây không có thiết bị chống sét lan truyền-ở bảng điều khiển sẽ khiến chặng cuối không được bảo vệ. Bỏ qua hoàn toàn cột thu lôi có nghĩa là một cú đánh trực tiếp vào tòa nhà có thể lấn át mọi thứ khác. Mỗi lớp xử lý một mối đe dọa khác nhau và chúng có nhiệm vụ phối hợp với nhau.

Cách thiết bị hoạt động bên trong

Hầu hết các thiết bị chống sét hiện đại đều được chế tạo xung quanh các biến trở oxit kim loại, thường được gọi là MOV. Vật liệu hoạt động là oxit kẽm, được nén thành đĩa và xếp chồng lên nhau bên trong vỏ thiết bị chống sét. Kẽm oxit có một đặc tính hữu ích: điện trở của nó thay đổi đáng kể tùy thuộc vào điện áp đặt trên nó.

Ở điện áp đường dây bình thường, oxit kẽm có điện trở cực cao. Hầu như không có dòng điện chạy qua nó và bộ chống sét thực sự không thể nhìn thấy được đối với mạch điện. Khi một xung đột biến đẩy điện áp lên trên mức bảo vệ của thiết bị chống sét, điện trở của oxit kẽm sẽ giảm đi vài bậc độ lớn tính bằng micro giây. Dòng điện tràn qua thiết bị chống sét và đi vào lòng đất, bỏ qua thiết bị được bảo vệ. Khi xung điện kết thúc và điện áp trở lại bình thường, điện trở tăng trở lại và thiết bị chống sét lại im lặng.

Các thiết kế trước đây sử dụng khe hở tia lửa và đĩa cacbua silic thay vì oxit kẽm và bạn vẫn sẽ tìm thấy những khe hở này trong các hệ thống lắp đặt cũ hơn. Ví dụ, bộ hãm khe hở thanh chỉ là hai thanh kim loại được đặt gần nhau với một khe hở không khí nhỏ giữa chúng. Khi điện áp đủ cao, không khí bị ion hóa và tia lửa điện nhảy vào khe hở, tạo ra đường phóng điện. Đơn giản và chắc chắn nhưng không chính xác và hồ quang không tắt hoàn toàn, điều này có thể gây ra-các sự cố tiếp theo trong hệ thống. Bộ chống sét loại van-đã thêm khối silicon cacbua để giúp hạn chế dòng điện chạy theo sau đột biến, cải thiện thiết kế khe hở thanh truyền trong khi vẫn chưa đạt được những gì công nghệ MOV cuối cùng sẽ mang lại.

Bảng dưới đây so sánh nhanh các loại thiết bị chống sét chính mà bạn có thể gặp phải:

Tại sao vật liệu nhà ở không phải là một chi tiết nhỏ

Trong hầu hết thế kỷ 20, vỏ chống sét được làm từ sứ hoặc kính cường lực. Cả hai vật liệu đều thực hiện công việc đầy đủ trong môi trường sạch sẽ, ổn định. Nhưng đầy đủ không giống như lý tưởng, và kinh nghiệm thực địa qua nhiều thập kỷ đã cho thấy rõ những hạn chế.

Sứ rất nặng. Trên một tháp truyền tải chạy qua địa hình khó khăn, trọng lượng của các thiết bị chống sét bằng sứ sẽ tăng lên. Quan trọng hơn, đồ sứ sẽ vỡ ra dữ dội khi thiết bị bị hỏng trong điều kiện đột biến khắc nghiệt. Vỏ sứ phát nổ trên cấu trúc trạm biến áp đang hoạt động sẽ tạo ra mối nguy hiểm nghiêm trọng cho bất kỳ ai làm việc gần đó và có thể gây ra các lỗi thứ cấp ở thiết bị xung quanh nó.

Kính cũng gặp vấn đề tương tự. Cả hai vật liệu này cũng tích tụ ô nhiễm theo thời gian, đặc biệt là ở các vùng ven biển nơi có cặn phun muối trên bề mặt hoặc gần các khu công nghiệp nơi thường xuyên xảy ra các chất ô nhiễm hóa học. Bề mặt sứ hoặc thủy tinh bẩn có thể phát triển độ dẫn điện đủ để gây ra hiện tượng phóng điện khi thời tiết ẩm ướt, điều này làm mất đi mục đích của việc trang bị thiết bị chống sét ngay từ đầu.

Việc chuyển sang vỏ polyme, đặc biệt là vật liệu tổng hợp cao su silicon, đã giải quyết hầu hết các vấn đề này một cách thiết thực. MỘTThiết bị chống sét polymerthường nặng hơn 80 đến 90 phần trăm so với một đơn vị sứ có cùng mức điện áp. Bề mặt cao su silicon có tính kỵ nước tự nhiên, nghĩa là các hạt nước sẽ bong ra thay vì lan ra thành một màng dẫn điện mỏng. Đặc tính kỵ nước này phục hồi ngay cả sau khi bề mặt bị ô nhiễm và làm sạch, đây là một đặc tính mà vật liệu gốm sứ đơn giản là không có.

Khi bộ chống sét polymer bị hỏng, nó sẽ hỏng ở mức độ được kiểm soát. Vỏ bị nứt hoặc lỗ thông hơi thay vì phát nổ. Điều đó có ý nghĩa quan trọng đối với sự an toàn của nhân viên và ngăn ngừa thiệt hại hàng loạt cho các thiết bị gần đó.

Điều này không có nghĩa là thiết bị chống sét bằng sứ đã lỗi thời. Chúng vẫn phục vụ đáng tin cậy trong nhiều hệ thống lắp đặt hiện có và có những ứng dụng mà đặc tính nhiệt của chúng mang lại lợi thế. Nhưng đối với công trình xây dựng mới, đặc biệt là trên các đường dây phân phối ngoài trời trong môi trường đầy thách thức, rất khó để phản đối trường hợp kỹ thuật về vỏ polyme.

Thiết bị chống sét bằng polyme VICTORY

Lắp đặt và nối đất

Thiết bị chống sét không được nối đất đúng cách sẽ không thực sự bảo vệ được bất cứ thứ gì. Thiết bị có thể chuyển hướng dòng điện đột biến vào cực nối đất theo ý muốn, nhưng nếu điện cực nối đất có điện trở cao hoặc dây dẫn nối thiết bị chống sét với mặt đất quá dài, năng lượng đột biến sẽ không tiêu tán đủ nhanh và điện áp gây hư hỏng vẫn sẽ xuất hiện trên toàn bộ thiết bị được bảo vệ.

Dây dẫn nối đất phải càng ngắn và trực tiếp càng tốt. Mỗi mét dây dẫn tăng thêm sẽ tăng thêm độ tự cảm, nghĩa là tạo ra điện áp tăng thêm trong điều kiện tăng đột biến. Bản thân điện cực nối đất, dù là thanh truyền động, tấm chôn hay điện cực-bọc bê tông trong nền tòa nhà, đều cần đạt được điện trở đủ thấp để đáp ứng các yêu cầu bảo vệ của hệ thống. Trong hầu hết các ứng dụng phân phối, điều này có nghĩa là điện trở nối đất từ ​​10 ohm trở xuống và trong các hệ thống lắp đặt điện tử nhạy cảm, mục tiêu thường dưới 1 ohm.

Trong các trạm biến áp, thiết bị chống sét được lắp đặt tại mỗi đầu cực máy biến áp và tại mỗi đường dây vào và ra. Vị trí này đảm bảo rằng các xung điện truyền dọc theo bất kỳ đường dây nào đều bị chặn trước khi chúng có thể chạm tới cuộn dây máy biến áp, một trong những bộ phận đắt nhất và ít thay thế nhất trong trạm biến áp. Trong các tòa nhà dân cư và thương mại nhẹ, toàn bộ{2}}thiết bị chống sét tại bảng điều khiển lối vào dịch vụ là phương pháp tiêu chuẩn, đôi khi được bổ sung bằng các thiết bị-sử dụng-ở thiết bị nhạy cảm như máy chủ hoặc dụng cụ y tế.

Lựa chọn người bắt giữ phù hợp

Chọn một thiết bị chống sét trên kệ chỉ dựa trên định mức điện áp là một sai lầm phổ biến. Một số thông số cần phải phù hợp với ứng dụng.

Điện áp hoạt động liên tục (COV) ít nhất phải bằng điện áp liên tục tối đa mà bộ chống sét sẽ thấy trong quá trình vận hành hệ thống bình thường, bao gồm bất kỳ sự tăng điện áp nào xảy ra trong điều kiện sự cố. Việc giảm kích thước COV sẽ dẫn đến hiện tượng thoát nhiệt, trong đó bộ chống sét nóng lên ở điện áp bình thường và cuối cùng bị hỏng.

Xếp hạng năng lượng xác định mức năng lượng đột biến mà thiết bị chống sét có thể hấp thụ mà không bị hư hỏng. Một thiết bị phải đối mặt với các đợt tấn công năng lượng cao hoặc thường xuyên-, chẳng hạn như thiết bị chống sét trên đường dây truyền tải lộ thiên trên đỉnh đồi, cần mức năng lượng cao hơn mức năng lượng bảo vệ bảng điều khiển trong nhà trong môi trường-tiếp xúc thấp.

Mức bảo vệ, được biểu thị bằng điện áp dư ở dòng phóng điện định mức, xác định mức điện áp mà thiết bị được bảo vệ thực sự sẽ nhìn thấy trong quá trình tăng đột biến. Điện áp dư thấp hơn có nghĩa là bảo vệ tốt hơn cho các thiết bị nhạy cảm, nhưng cũng thường có nghĩa là giá cao hơn. Mức bảo vệ cần phải phù hợp với mức chịu xung của bất kỳ thiết bị nào ở hạ lưu.

Dòng sản phẩm Thiết bị chống sét bằng polymer giải quyết nhiều yêu cầu lựa chọn này trong dải điện áp rộng và đối với các ứng dụng phân phối ngoài trời, sự kết hợp giữa công nghệ MOV và vỏ cao su silicon đáp ứng hầu hết những gì mà các nhà khai thác lưới điện hiện đại đang tìm kiếm về hiệu suất, trọng lượng và độ tin cậy lâu dài trong những môi trường khó khăn.

Lưu ý về tiêu chuẩn

Bộ chống sét dành cho các ứng dụng tiện ích và công nghiệp được thử nghiệm theo tiêu chuẩn IEC 60099 hoặc IEEE C62, tùy thuộc vào thị trường. Các tiêu chuẩn này bao gồm mọi thứ, từ các thử nghiệm vận hành mô phỏng các đợt sét đánh liên tục đến các thử nghiệm ô nhiễm khiến vỏ máy tiếp xúc với sương muối và các chất gây ô nhiễm công nghiệp trong thời gian dài. Việc mua thiết bị chống sét có chứng nhận theo các tiêu chuẩn này không phải là tùy chọn trong hầu hết các ứng dụng chuyên nghiệp. Đó là cách duy nhất để có niềm tin rằng thiết bị sẽ thực sự hoạt động như đã tuyên bố khi có đợt tăng đột biến thực sự.

Mua thiết bị chống sét không được chứng nhận để tiết kiệm tiền cho chương trình bảo vệ trạm biến áp là một cách kinh tế sai lầm. Chi phí của một máy biến áp hoặc cụm thiết bị đóng cắt bị hỏng sẽ giảm chi phí của thiết bị chống sét lên nhiều lần.

Suy nghĩ kết thúc

Chống sét là một trong những lĩnh vực mà kỹ thuật được hiểu rõ và các công cụ để thực hiện công việc này tồn tại và có sẵn rộng rãi. Hầu hết các thất bại trong việc chống sét không phải do công nghệ không phù hợp mà do các góc bị cắt trong quá trình thiết kế hoặc lắp đặt, sản phẩm không phù hợp với môi trường hoặc hệ thống nối đất bị bỏ quên vì vô hình và kém duyên dáng.

Một thiết bị chống sét được lắp đặt đúng cách, đúng vị trí, có công suất phù hợp và được kết nối với mặt đất vững chắc sẽ bảo vệ cơ sở hạ tầng điện trong nhiều thập kỷ mà về cơ bản không cần bảo trì. Đó là mức lợi nhuận hợp lý trên một khoản đầu tư khiêm tốn, có lẽ đó là lý do tại sao thiết bị này đã trở thành một phần tiêu chuẩn trong thiết kế hệ thống điện kể từ những ngày đầu phân phối điện.