Xung điện, sung sét đánh, còn gọi là xung quá áp hoặc transient overvoltage, là trạng thái xảy ra khi điện áp hoặc dòng điện trong một hệ thống vượt quá giá trị định mức trong khoảng thời gian rất ngắn, thường dưới vài mili giây (ms). Khái niệm này được sử dụng rộng rãi để chỉ rõ các hiện tượng thoáng qua có thể gây tổn hại nghiêm trọng đến thiết bị điện tử nhạy cảm do tính chất tức thời và cường độ cao của chúng.
Xem thêm
Sự tăng đột ngột của điện thế tại điểm nối đất khi có dòng sét đánh vào hệ thống.
Khi sét đánh trực tiếp vào hệ thống đường dây, dòng điện sét tạo ra một điện áp lớn dọc theo đường dây, dẫn đến nguy cơ đánh thủng cách điện và làm hỏng các thiết bị. Theo nghiên cứu được thực hiện bởi Đại học Florida, Gainesville năm 1994, một dòng sét trực tiếp tác động vào hệ thống phân phối điện 13 kV đã tạo ra các xung điện áp tới 20 kV ở cả phía sơ cấp và thứ cấp của máy biến áp, dẫn đến nguy cơ hư hại nặng nề thiết bị điện tử lắp đặt trên đường dây này.
Ngoài sét đánh trực tiếp, sét đánh gián tiếp hay còn gọi là hiện tượng cảm ứng điện từ từ các tia sét ở xa cũng là nguồn gây ra các xung điện nguy hiểm. Hiện tượng này được ghi nhận khi các trường điện từ mạnh tạo ra bởi các tia sét lan truyền trong không khí, cảm ứng vào các hệ thống điện gần đó, tạo nên các điện áp quá độ lên tới hàng trăm volt, đủ để làm tổn thương hoặc làm hỏng thiết bị điện tử nhạy cảm.
Theo nghiên cứu thực nghiệm tại Uppsala năm 1995, các tia sét ở khoảng cách lên đến 24 km vẫn có thể gây ra các điện áp cảm ứng đáng kể, với điện áp đo được tối đa lên đến 160 V peak-to-peak trên hệ thống điện áp thấp cách ly với mạng lưới bên ngoài.
Không chỉ giới hạn ở sét, các hoạt động đóng cắt mạch điện trong mạng lưới điện cũng là nguyên nhân phổ biến gây ra xung điện. Các thao tác đóng ngắt dòng điện trong máy cắt hoặc relay bảo vệ tạo nên sự thay đổi đột ngột của điện áp và dòng điện, sinh ra các transient overvoltage. Những xung quá áp này có thể không lớn bằng xung từ sét nhưng cũng đủ mạnh để gây tổn thương cho thiết bị điện tử nhạy cảm trong hệ thống.
Đặc điểm và thông số quan trọng của xung sét đánh
Để hiểu rõ hơn về tính chất nguy hiểm của xung sét, ta cần tập trung vào một số thông số quan trọng đặc trưng cho hiện tượng này. Đầu tiên, dòng đỉnh của sét (peak current) là thông số quan trọng hàng đầu, thể hiện giá trị cực đại mà dòng điện sét có thể đạt được khi phóng điện xuống đất.
Ví dụ, với dòng sét có cường độ 30 kA tác động vào đường dây với trở kháng xung đặc trưng 400 Ω có thể tạo ra điện áp lên đến 600 kV. Điện áp này đủ lớn để gây phóng điện xuyên qua các vật cách điện và gây hư hỏng nghiêm trọng cho thiết bị xung quanh.
Tiếp theo, tốc độ biến thiên của dòng điện theo thời gian (di/dt) cũng là một thông số quan trọng. Đây là giá trị cho biết mức độ biến đổi nhanh của dòng điện theo thời gian, ảnh hưởng trực tiếp tới mức độ cảm ứng của điện áp trong các thiết bị có cuộn dây cảm ứng.
Trong các nghiên cứu thực nghiệm, giá trị trung bình của tốc độ biến thiên dòng điện đạt đến 110 kA/µs trong tia sét âm. Điều này có thể tạo ra điện áp cảm ứng lên tới hàng nghìn volt trong các đoạn dây điện nhỏ, gây hư hỏng cho các linh kiện điện tử nhạy cảm nếu không có bảo vệ thích hợp.
Ngoài ra, tích phân dòng điện theo thời gian (charge) là thông số biểu thị lượng điện tích truyền xuống đất bởi tia sét, là yếu tố quyết định khả năng nung chảy kim loại và gây cháy cho các vật liệu tiếp xúc trực tiếp.
Theo nghiên cứu của Sandia National Laboratories năm 1990, dòng sét với điện tích vài coulombs đủ sức nung chảy hoặc thậm chí đục thủng các tấm kim loại mỏng. Điều này cho thấy mức độ nguy hiểm cao của xung sét đối với kết cấu và vật liệu dẫn điện.
Cuối cùng, tích phân bình phương của dòng điện theo thời gian (action integral) cũng là yếu tố không thể bỏ qua. Thông số này mô tả khả năng sinh nhiệt của dòng điện sét, là cơ sở để tính toán khả năng phá hủy vật liệu và thiết bị. Một tia sét với giá trị action integral lớn, chẳng hạn 2.0 × 10^6 A^2s, có thể tạo ra nhiệt độ lên đến hàng trăm độ C trong các vật dẫn điện, làm tăng nguy cơ cháy nổ, đặc biệt trong môi trường dễ cháy.