Chống sét van oxit kim loại (MOA/LA) là lớp phòng thủ quan trọng của lưới điện, được thiết kế để hấp thụ xung sét và giữ điện áp còn lại ở mức an toàn. Khi làm việc bình thường, dòng rò qua varistor chỉ ở mức rất thấp. Khi có xung sét, điện trở giảm đột ngột, cho phép dẫn dòng xuống đất.
Chính sự chuyển đổi nhanh giữa hai chế độ này, cộng với điều kiện vận hành thực tế, tạo ra nhiều dạng hư hỏng đặc trưng. Những hư hỏng này thường diễn ra âm thầm trong thời gian dài trước khi trở thành sự cố rõ rệt.
Xem thêm
Mất điện do sét đánh và hiện tượng Insulator Flashover
3 loại chống sét lan truyền (SPD) đặt ở đâu để bảo vệ tối ưu
Vùng LPZ: Chìa khóa vàng phòng ngừa hư hại do sét lan truyền
Quá nhiệt không kiểm soát
Hiện tượng quá nhiệt không kiểm soát thường bắt đầu bằng sự tăng nhiệt nhẹ ở thân varistor, sau đó nhiệt độ tăng nhanh hơn dù xung sét không còn. Nguyên nhân nằm ở đặc tính nhiệt điện trở âm của ZnO: khi varistor nóng lên, điện trở giảm; khi điện trở giảm, dòng rò lại tăng; và khi dòng rò tăng, vật liệu tiếp tục nóng hơn. Vòng lặp này khiến LA không thể trở lại trạng thái ổn định.
Khi nhiệt tích tụ vượt khả năng tản nhiệt, dòng rò tăng đến mức varistor hoạt động gần như trong vùng dẫn mạnh. Hệ quả có thể thấy bằng mắt thường như vỏ silicon phồng nhẹ, chuyển màu hoặc xuất hiện vết nứt. Bên trong, đĩa varistor có thể đã bị biến dạng hoặc cháy cục bộ.
Đặc tính phi tuyến của dòng rò được mô tả bằng quan hệ mũ giữa điện áp và dòng. Chỉ một thay đổi nhỏ về điện áp hoặc nhiệt độ cũng khiến dòng rò tăng vượt ngưỡng ổn định, là tiền đề dẫn đến thermal runaway nếu hệ thống không giải nhiệt tốt.
Hư hỏng do xung sét đa luồng
Một cú đánh sét không phải lúc nào cũng chỉ gồm một luồng dòng. Trong nhiều trường hợp, nhiều luồng sét đi theo nhau trong thời gian rất ngắn. Với xung đơn, LA có thể chịu đến 150% dòng danh định. Nhưng với xung đa luồng, tài liệu kỹ thuật cho thấy khả năng chịu đựng giảm đáng kể, chỉ còn khoảng 75%.
Khi nhiều luồng xung truyền liên tiếp, nhiệt tích tụ trong varistor không kịp thoát ra. Mỗi luồng xung làm varistor nóng thêm một mức, khiến điện trở giảm, làm tăng dòng dẫn. Điều này khiến năng lượng tích lũy cuối cùng vượt khả năng chịu đựng của LA. Trong điều kiện vừa chịu xung sét vừa mang điện áp lưới vận hành, mức chịu đựng còn giảm xuống khoảng 40% dòng danh định.
Đây là lý do tại các khu vực có mật độ sét cao, LA thường hỏng sớm hơn dự kiến dù chỉ chịu các cú đánh “không quá mạnh” nhưng xảy ra liên tiếp.
Hỏng do quá áp tạm thời
Khác với xung sét có thời gian chỉ vài micro-giây, quá áp tạm thời tồn tại trong thời gian dài hơn nhiều, đôi khi kéo dài hàng giây hoặc hàng phút. LA được thiết kế với mức điện áp làm việc liên tục tối đa. Nếu điện áp hệ thống vượt mức này, varistor sẽ dẫn dòng nhiều hơn bình thường và tạo ra tải nhiệt lớn.
Trong mạng IT trung tính cách ly, ví dụ điển hình là sự cố chạm đất một pha. Khi đó, hai pha còn lại bị nâng điện áp lên đến điện áp dây. Nếu LA ở hai pha này không được chọn với mức điện áp phù hợp, chúng sẽ bị đặt dưới điện áp cao vượt thiết kế trong thời gian dài, dẫn đến tăng dòng rò và tích nhiệt. Tổ hợp nhiệt này dễ đẩy varistor vào vùng hoạt động không ổn định và tạo ra hư hỏng.
Các hỏng hóc dạng này thường diễn ra âm thầm, biểu hiện bằng sự nóng nhẹ, giảm tuổi thọ, rồi cuối cùng dẫn đến phá hủy nếu không được phát hiện kịp thời.
Hư hỏng do phối hợp bảo vệ không đúng
Trong các hệ thống có nhiều cấp chống sét, chẳng hạn Type 1 ở đầu nguồn và Type 2 ở tủ phân phối, năng lượng sét cần được phân bổ hợp lý giữa các cấp. Nếu chọn thiết bị không đúng đặc tính hoặc lắp đặt với khoảng cách dây dẫn không phù hợp, LA cấp sau có thể phải hấp thụ phần lớn năng lượng thay vì cấp trước.
Khi năng lượng không được triệt tiêu đúng tầng, LA thứ cấp – vốn nhỏ hơn và có khả năng chịu đựng thấp hơn – sẽ nhanh chóng bị quá tải. Sự cố thường biểu hiện dưới dạng nổ nhẹ, vỡ vỏ hoặc cháy đen phần chân đấu nối. Trường hợp xấu hơn có thể gây sự cố lan truyền trong tủ, ảnh hưởng đến thiết bị lân cận.
Sự mất cân bằng năng lượng này là lý do quan trọng khiến việc phối hợp các cấp bảo vệ trong lưới điện phải được xem xét kỹ từ giai đoạn thiết kế đến vận hành.
Lão hóa vật liệu gây hư hỏng phổ biến trên LA
Lão hóa là quá trình diễn ra từ từ, nhưng ảnh hưởng sâu đến tuổi thọ LA. Dòng rò vốn chỉ ở mức rất nhỏ sẽ tăng dần khi vật liệu chịu tác động của nhiều xung sét nhỏ, môi trường ẩm hoặc sự thoái hóa cách điện tự nhiên theo thời gian.
Khi dòng rò tăng, nhiệt độ vận hành của varistor cũng tăng nhẹ theo. Mức tăng này không đủ lớn để gây sự cố ngay, nhưng làm thay đổi dần đặc tính phi tuyến của vật liệu. Sau một thời gian, LA trở nên nhạy hơn với nhiệt và dễ bước vào trạng thái mất ổn định. Một số dấu hiệu sớm có thể nhận thấy gồm thân LA ấm hơn bình thường, vỏ silicone đổi màu hoặc xuất hiện các vết mờ nhỏ.
Đây là dạng hư hỏng khó nhận biết nhất, nhưng lại phổ biến trong các khu vực có mật độ sét cao hoặc điều kiện môi trường khắc nghiệt.