Trong lĩnh vực kỹ thuật điện, bảo vệ chống sét lan truyền là một yêu cầu bắt buộc đối với các công trình hiện đại. Hiện tượng sét đánh không chỉ gây hư hại trực tiếp cho thiết bị mà còn tạo ra xung quá áp lan truyền trong hệ thống điện, ảnh hưởng nghiêm trọng đến an toàn vận hành.
Để kiểm soát và giảm thiểu rủi ro này, tiêu chuẩn TCVN 9888-4:2013 (IEC 62305-4:2010) quy định phương pháp xác định vùng bảo vệ chống sét (Lightning Protection Zone – LPZ) cho hệ thống, giúp định hướng lắp đặt thiết bị bảo vệ chống sét lan truyền (SPD) một cách tối ưu.
Xem thêm
Nguyên lý và cấu trúc hệ thống bảo vệ xung (Surge Protective) do sét đánh
Hành vi của dòng sét và ứng dụng trong lựa chọn thiết bị chống sét SPD
5 yếu tố nền tảng vàng cho việc thiết kế chống sét hiệu quả
Hiện tượng xung sét lan truyền trong hệ thống điện
Khi sét đánh trực tiếp hoặc gián tiếp vào hệ thống điện, các xung điện áp cao xuất hiện trên lưới điện và lan truyền theo đường dây vào sâu trong công trình. Các xung này có thể vượt quá khả năng chịu đựng cách điện của thiết bị, gây ra hiện tượng phóng điện đánh thủng, phá hủy linh kiện hoặc làm gián đoạn hệ thống điều khiển.
Ngoài ra, sét còn sinh ra trường điện từ mạnh, ảnh hưởng đến các mạch tín hiệu nhạy cảm. Để kiểm soát các tác động này, việc phân vùng không gian thành các vùng LPZ có ý nghĩa quan trọng trong chiến lược bảo vệ tổng thể.
Khái niệm vùng LPZ
Vùng bảo vệ chống sét (LPZ) là một khái niệm được xây dựng nhằm mô hình hóa không gian theo từng mức độ ảnh hưởng của sét đối với hệ thống và thiết bị. Mỗi vùng LPZ được xác định dựa trên các biện pháp bảo vệ vật lý, thiết bị bảo vệ và đặc tính điện từ của khu vực đó.
Vùng LPZ càng vào sâu bên trong công trình thì mức độ tác động của sét càng giảm nhờ các lớp bảo vệ đã được triển khai. Khái niệm này là nền tảng để bố trí các thiết bị bảo vệ chống sét lan truyền, đồng thời đảm bảo hệ thống được bảo vệ nhiều lớp, hạn chế tối đa nguy cơ tổn thất.
Phân loại các vùng LPZ
LPZ 0 là vùng đầu tiên được xác lập, bao gồm toàn bộ khu vực ngoài trời và những nơi không có bất kỳ biện pháp bảo vệ nào. Tại đây, mọi thiết bị và hệ thống đều phải đối mặt trực tiếp với nguy cơ sét đánh, xung quá áp rất lớn và trường điện từ mạnh.
Hiện tượng sét đánh tại LPZ 0 có thể gây dòng điện cực đại chạy qua kết cấu kim loại, làm phá hủy cách điện và tạo ra nguy cơ phóng điện, cháy nổ tức thì. Đặc điểm nổi bật của vùng này là chưa có bất kỳ sự suy giảm nào về năng lượng xung sét, mọi rủi ro ở mức cao nhất theo tự nhiên.
Sau LPZ 0, vùng LPZ 1 được xác định là khu vực bên trong đã được bảo vệ bởi các hệ thống chống sét trực tiếp (LPS) và/hoặc thiết bị bảo vệ chống sét lan truyền đầu nguồn như SPD Type I. Khi dòng sét truyền qua ranh giới LPZ 0 vào LPZ 1, phần lớn năng lượng xung sét và trường điện từ đã bị hấp thụ hoặc chuyển hướng xuống đất qua các thành phần LPS và SPD.
Tuy vậy, LPZ 1 vẫn còn tồn tại các xung quá áp có giá trị lớn hơn khả năng chịu đựng của nhiều thiết bị điện tử thông thường. Dòng điện sét trực tiếp đã được hạn chế đáng kể, tuy nhiên, dư chấn năng lượng vẫn còn đủ mạnh để làm hư hại các thiết bị nếu không có các lớp bảo vệ tiếp theo. Ý nghĩa thực tiễn của LPZ 1 là tạo ra một vùng đệm đầu tiên, giảm nguy cơ tổn thất nghiêm trọng nhưng vẫn đòi hỏi các biện pháp bảo vệ bổ sung phía sau.
LPZ 2, cùng các vùng sâu hơn, là kết quả của việc triển khai đồng bộ các thiết bị bảo vệ bổ sung, chủ yếu là SPD Type II và các biện pháp che chắn điện từ, nối đất đẳng thế. Ở LPZ 2, các xung quá áp còn lại đã được triệt tiêu về mức độ đủ nhỏ để phù hợp với khả năng chịu đựng của đa số thiết bị điện tử nhạy cảm.
Hiện tượng sét khi vào đến LPZ 2 chỉ còn là các xung điện áp thấp, không gây nguy hại cho thiết bị tiêu chuẩn nếu hệ thống phối hợp SPD và che chắn được thiết kế đúng kỹ thuật. Điều này cho phép các hệ thống điều khiển tự động, máy tính, thiết bị viễn thông hoạt động an toàn ngay cả khi lưới điện chịu tác động sét bên ngoài.
Ý nghĩa thực tiễn của việc xác định vùng LPZ
Việc xác định vùng LPZ không chỉ mang ý nghĩa lý thuyết mà còn là cơ sở bắt buộc để lựa chọn, lắp đặt và phối hợp các thiết bị bảo vệ chống sét lan truyền. Bằng cách chia nhỏ công trình thành các vùng LPZ, kỹ sư có thể tính toán và bố trí đúng chủng loại SPD tại ranh giới các vùng, đảm bảo rằng năng lượng xung sét được giảm dần qua từng lớp, hạn chế tối đa nguy cơ phá hủy thiết bị.
Ngoài ra, mô hình LPZ còn cho phép đánh giá hiệu quả phối hợp giữa các biện pháp bảo vệ như LPS, SPD, nối đất đẳng thế, che chắn điện từ, từ đó tối ưu chi phí đầu tư mà vẫn đạt hiệu quả bảo vệ cao nhất.