Trong hệ thống điện hiện đại, dòng sét là một trong những nguyên nhân chính gây ra sự cố nghiêm trọng cho thiết bị và công trình. Sét có thể tác động trực tiếp hoặc gián tiếp, sinh ra các xung điện lớn lan truyền trong hệ thống điện, làm hư hại thiết bị điện – điện tử, đe dọa tính liên tục và an toàn vận hành.
Để giảm thiểu rủi ro này, các thiết bị chống sét (SPD – Surge Protective Device) đóng vai trò quan trọng, là tuyến phòng thủ đầu tiên và hiệu quả trong bảo vệ chống sét. Việc lựa chọn SPD phù hợp không chỉ phụ thuộc vào cấp bảo vệ mong muốn mà còn dựa trên sự hiểu biết chính xác về hành vi của dòng sét.
Xem thêm:
Hành vi của dòng sét: Đặc trưng dạng sóng và thông số đo lường
Dòng sét thực tế không có hình dạng đơn giản như dòng điện xoay chiều hay một tín hiệu lý tưởng. Nó biểu hiện dưới dạng một xung rất ngắn, có biên độ lớn, sườn lên dốc và đuôi kéo dài. Để mô tả đặc trưng của dòng sét, các nghiên cứu thực địa sử dụng một số tham số đặc trưng như đỉnh dòng (PEAK), thời gian tăng (T-10, T-30), tốc độ tăng dòng (S-10, S-30), và thời gian tồn tại dòng (Tf).
Giá trị cực đại của dòng sét, được ký hiệu là PEAK hoặc PEAK-1, là dòng điện lớn nhất đạt được trong một lần đánh sét. Đây là tham số quyết định mức chịu dòng tối đa của thiết bị chống sét. Thời gian T-10, T-30, T-50 biểu thị khoảng thời gian từ khi dòng sét bắt đầu đến khi đạt 10%, 30%, và 50% giá trị đỉnh. Các tham số này giúp hình dung tốc độ tăng của xung dòng sét.
Trong khi đó, tốc độ tăng dòng trung bình được ký hiệu là S-10 và S-30, phản ánh tốc độ thay đổi dòng điện giữa các mốc phần trăm (ví dụ từ 10% đến 90% với S-10). Cuối cùng, Tf là thời gian toàn bộ xung tồn tại ở mức đáng kể, thường đến khi dòng giảm còn một nửa so với đỉnh.
Sự hiểu biết chính xác về các tham số trên là nền tảng để xây dựng các dạng sóng chuẩn dùng trong thử nghiệm thiết bị chống sét, giúp chuẩn hóa quy trình đánh giá và thiết kế sản phẩm.
Dạng sóng thử nghiệm tiêu chuẩn và mục đích áp dụng
Để kiểm tra khả năng chịu đựng và hiệu quả bảo vệ của thiết bị chống sét, các tổ chức tiêu chuẩn quốc tế như IEC đã quy định các dạng sóng thử nghiệm mô phỏng hành vi thực tế của dòng sét. Trong đó, ba dạng sóng quan trọng nhất bao gồm: 10/350 µs, 8/20 µs và 1.2/50 µs. Các dạng sóng này lần lượt tương ứng với dòng sét trực tiếp, dòng lan truyền và xung điện áp cảm ứng.
Dạng sóng 10/350 µs có thời gian lên 10 µs (từ 10% đến 90% giá trị đỉnh) và thời gian hạ 350 µs (đến 50% đỉnh), mô phỏng dòng sét trực tiếp đánh vào hệ thống. Dạng sóng này được sử dụng để thử nghiệm SPD loại 1 (SPD Type 1), lắp tại đầu nguồn hoặc tủ điện chính, nơi có nguy cơ bị sét đánh trực tiếp. SPD loại 1 phải chịu được năng lượng và đỉnh dòng rất lớn, yêu cầu khả năng dẫn sét cao mà không bị hỏng.
Dạng sóng 8/20 µs có thời gian lên 8 µs và thời gian hạ 20 µs, thường áp dụng cho dòng lan truyền trong hệ thống điện do sét đánh gián tiếp hoặc do chuyển mạch thiết bị công suất lớn. SPD loại 2 (SPD Type 2) sử dụng dạng sóng này để kiểm tra, và thường được lắp đặt tại các tủ phân phối trung gian để bảo vệ nội bộ hệ thống.
Dạng sóng 1.2/50 µs mô tả xung điện áp cảm ứng, có thể gây ra bởi sét đánh gần hoặc hiện tượng chuyển mạch. Dạng sóng này thường dùng để thử nghiệm SPD loại 3 (SPD Type 3), lắp tại điểm gần thiết bị nhạy cảm như thiết bị điện tử, thiết bị điều khiển. Loại SPD này yêu cầu phản ứng nhanh và chính xác với mức quá áp thấp.
Áp dụng tham số dòng sét để chọn thiết bị chống sét phù hợp
Việc chọn đúng thiết bị chống sét đòi hỏi kỹ sư phải liên hệ đặc tính của dòng sét thực tế với từng loại SPD và tiêu chuẩn thử nghiệm tương ứng. Nếu khu vực lắp đặt có nguy cơ sét đánh trực tiếp, thì dòng sét có đặc điểm PEAK lớn, thời gian Tf dài, tốc độ tăng dòng S-10 cao. Trong trường hợp này, SPD loại 1 là lựa chọn bắt buộc, với thử nghiệm theo dạng sóng 10/350 µs.
Nếu chỉ có nguy cơ lan truyền từ hệ thống điện, nhưng dòng vẫn có biên độ đáng kể và tăng nhanh, SPD loại 2 là phù hợp, với thử nghiệm 8/20 µs. Trong các tình huống nhạy cảm ở cuối hệ thống, gần thiết bị đầu cuối, nơi mức quá áp không quá cao nhưng cần phản ứng tức thời, SPD loại 3 và thử nghiệm 1.2/50 µs là cần thiết.
Bên cạnh việc xét đến dạng sóng, các thông số cụ thể như giá trị PEAK (ví dụ: 25 kA, 50 kA), tốc độ tăng dòng (ví dụ: 10 kA/µs, 20 kA/µs), và thời gian Tf cũng là cơ sở để chọn SPD có mức chịu đựng phù hợp với hệ thống được bảo vệ.