Trong hệ thống điện hiện đại, sự xuất hiện của các xung quá áp thoáng qua (transient overvoltage) là một thách thức nghiêm trọng đối với độ tin cậy và tuổi thọ của thiết bị điện và điện tử. Các xung này thường bắt nguồn từ hiện tượng sét đánh trực tiếp hoặc gián tiếp, hoặc từ các thao tác đóng cắt mạch điện trong hệ thống phân phối và truyền tải.
Nhằm đảm bảo an toàn cho thiết bị cũng như duy trì tính ổn định vận hành của toàn bộ hệ thống, việc triển khai một cấu trúc bảo vệ xung hiệu quả là điều bắt buộc. Mục tiêu của hệ thống bảo vệ xung là giới hạn biên độ xung điện trong phạm vi an toàn mà thiết bị có thể chịu đựng được
Xem thêm:
Cơ sở của nguyên lý bảo vệ xung quá áp
Khi một xung điện xuất hiện trên đường dây, nó sẽ lan truyền theo dạng sóng điện áp cao, có thời gian tồn tại rất ngắn (dưới vài mili giây), nhưng có thể đạt biên độ hàng chục kV. Nếu không được kiểm soát, xung điện sẽ xâm nhập vào thiết bị và gây hư hỏng tức thì cho linh kiện bán dẫn, bộ xử lý, hoặc hệ thống cách điện.
Nguyên lý cơ bản để xử lý xung điện là thay đổi điều kiện lan truyền của nó bằng cách chặn lại hoặc chuyển hướng. Có hai phương pháp chính thường được áp dụng trong thực tế: chặn dòng xung bằng phần tử có trở kháng lớn mắc nối tiếp và chuyển hướng xung bằng phần tử có trở kháng nhỏ mắc song song.
Phương pháp chặn dòng xung bằng trở kháng nối tiếp
Trong cấu trúc này, các phần tử có đặc tính tăng trở kháng tại tần số cao được mắc nối tiếp với đường dẫn dòng. Khi xung điện xảy ra, năng lượng cao tần đi qua các phần tử này sẽ bị cản lại hoặc suy giảm đáng kể. Các linh kiện thường dùng trong phương pháp này bao gồm cuộn cảm (inductor), điện trở xung (pulse resistor) hoặc mạch lọc LC chuyên dụng.
Các phần tử này có tác dụng làm giảm biên độ và tốc độ tăng (dv/dt) của xung điện trước khi nó đến thiết bị cần bảo vệ. Tuy nhiên, do tính chất cản trở dòng điện nên các linh kiện này phải được thiết kế sao cho không gây sụt áp trong điều kiện hoạt động bình thường của hệ thống.
Z₁ (Trở kháng nối tiếp)
Đây là phần tử được mắc nối tiếp trên đường truyền chính (Đầu nguồn → phía tải). Z₁ thường là một cuộn cảm (inductor), điện trở xung, hoặc mạch lọc tần số cao, có chức năng chặn hoặc làm suy giảm biên độ của xung điện trước khi nó đến thiết bị cần bảo vệ. Khi dòng xung có biên độ cao và tốc độ thay đổi lớn (dv/dt hoặc di/dt), Z₁ tạo ra một điện áp rơi đáng kể, giúp giới hạn lượng năng lượng truyền về phía tải.
Phương pháp chuyển hướng xung bằng trở kháng song song
Trái ngược với phương pháp nối tiếp, trong phương pháp này, các phần tử có trở kháng rất nhỏ tại tần số cao được mắc song song với đường tải hoặc đầu vào thiết bị. Khi xung điện vượt qua một giá trị điện áp ngưỡng, phần tử bảo vệ sẽ trở nên dẫn điện và chuyển hướng dòng xung xuống đất hoặc sang đường khác có điện thế thấp hơn. Nhờ đó, điện áp tại đầu vào thiết bị được giữ ổn định trong phạm vi an toàn.
Z₂ (Trở kháng song song):
Đây là phần tử được mắc song song với đầu vào của thiết bị cần bảo vệ. Z₂ có thể là MOV (Metal Oxide Varistor), GDT (Gas Discharge Tube), diode kẹp hoặc thyristor, có đặc tính dẫn điện khi điện áp vượt quá ngưỡng cho phép. Khi điện áp tăng đột ngột do xung, Z₂ sẽ chuyển sang trạng thái dẫn, chuyển hướng dòng xung xuống đất hoặc sang đường khác, bảo vệ thiết bị khỏi điện áp nguy hiểm.
Cả hai phương pháp kể trên đều nhằm mục tiêu chung là giới hạn điện áp xung ở mức mà thiết bị có thể chịu đựng được mà không bị suy giảm chức năng hoặc hư hỏng. Mức điện áp ngưỡng được chọn tùy thuộc vào cấp cách điện, điện áp làm việc và độ bền điện của thiết bị. Khi phần tử bảo vệ hoạt động, điện áp xung được kẹp lại ở mức điện áp ngưỡng, trong khi dòng điện xung được phân tán ra khỏi thiết bị. Như vậy, thiết bị hoạt động không bị gián đoạn hoặc tổn thương.
Tích hợp bảo vệ xung quá áp vào hệ thống EMC
Hệ thống bảo vệ xung không tồn tại đơn lẻ mà thường là một phần trong tổng thể giải pháp tương thích điện từ (EMC – Electromagnetic Compatibility). Trong đó, bảo vệ xung giúp giảm nhiễu dẫn (conducted noise) và nhiễu bức xạ (radiated noise) gây ra bởi các hiện tượng đột biến điện từ như sét hoặc đóng cắt tải. Sự kết hợp giữa lọc nhiễu, cách ly quang, chắn điện từ và thiết bị bảo vệ xung tạo nên một hệ thống EMC hoàn chỉnh, giúp hệ thống điện và điện tử hoạt động ổn định trong môi trường nhiễu cao.
Một hệ thống bảo vệ xung điển hình được cấu thành bởi nhiều tầng bảo vệ: tầng bảo vệ thô đặt tại điểm vào, tầng bảo vệ trung gian tại các nhánh phân phối, và tầng bảo vệ tinh đặt gần thiết bị nhạy cảm. Cấu trúc này nhằm đảm bảo năng lượng xung được hấp thu dần qua nhiều cấp, hạn chế tối đa năng lượng còn lại đến thiết bị cuối. Mỗi tầng sử dụng các phần tử có tốc độ đáp ứng và khả năng chịu dòng khác nhau, đảm bảo tối ưu hóa toàn bộ tuyến bảo vệ.
Nguyên lý và cấu trúc hệ thống bảo vệ xung là nền tảng thiết yếu để bảo vệ an toàn cho các thiết bị trong hệ thống điện hiện đại. Việc kết hợp các phần tử chặn xung nối tiếp và chuyển hướng xung song song mang lại hiệu quả tối ưu trong việc kiểm soát xung điện và nâng cao độ tin cậy vận hành. Đặc biệt, khi được tích hợp vào giải pháp tương thích điện từ (EMC), hệ thống bảo vệ xung không chỉ ngăn chặn hư hỏng thiết bị mà còn góp phần cải thiện toàn diện chất lượng điện năng và tính ổn định của lưới điện.