Thiết bị Chống sét lan truyền được sử dụng cho các mạng cung cấp điện, mạng điện thoại, các xe buýt truyền thông và điều khiển tự động.

2.4 Thiết bị chống sét lan truyền (SPD)

Thiết bị chống sét lan truyền (SPD) là một thành phần của hệ thống bảo vệ lắp đặt điện.

Thiết bị này được kết nối song song trên mạch cung cấp điện của các tải mà nó phải bảo vệ (xem Hình J17). Nó cũng có thể được sử dụng ở tất cả các cấp của mạng cung cấp điện.

Đây là loại bảo vệ quá áp thông dụng nhất và hiệu quả nhất.

Nguyên tắc

SPD được thiết kế để hạn chế quá điện áp quá độ có nguồn gốc từ khí quyển và chuyển hướng sóng dòng điện xuống đất, để giới hạn biên độ của quá áp này đến một giá trị không nguy hiểm cho việc lắp đặt điện, thiết bị đóng cắt điện và thiết bị điều khiển.

SPD loại bỏ quá áp:

• ở chế độ chung, giữa pha và trung tính hoặc đất;
• ở chế độ vi sai, giữa pha và trung tính. Trong trường hợp điện áp vượt quá ngưỡng hoạt động, SPD
• dẫn năng lượng đến trái đất, ở chế độ chung;
• phân phối năng lượng cho các dây dẫn sống khác, ở chế độ vi sai.

Ba loại SPD:

• Loại 1 SPD

SPD Loại 1 được khuyến nghị trong trường hợp cụ thể của các tòa nhà công nghiệp và dịch vụ, được bảo vệ bằng hệ thống chống sét hoặc lồng lưới. Nó bảo vệ các thiết bị điện khỏi bị sét đánh trực tiếp. Nó có thể phóng điện ngược dòng từ sét lan truyền từ dây dẫn đất đến dây dẫn mạng.

SPD loại 1 được đặc trưng bởi sóng dòng điện 10/350 μs.

• Loại 2 SPD

SPD Loại 2 là hệ thống bảo vệ chính cho tất cả các thiết bị điện hạ thế. Được lắp đặt trong mỗi tủ điện, nó ngăn chặn sự lan truyền quá áp trong các hệ thống điện và bảo vệ các tải.

SPD loại 2 được đặc trưng bởi sóng dòng điện 8/20 μs.

• Loại 3 SPD

Các SPD này có khả năng phóng điện thấp. Do đó, chúng phải được lắp đặt bắt buộc như một phần bổ sung cho SPD Loại 2 và ở vùng lân cận của các tải nhạy cảm. SPD loại 3 được đặc trưng bởi sự kết hợp của sóng điện áp (1.2 / 50 μs) và sóng hiện tại (8/20 μs).

Định nghĩa quy chuẩn SPD

2.4.1 Đặc điểm của SPD

Tiêu chuẩn quốc tế IEC 61643-11 Edition 1.0 (03/2011) xác định các đặc tính và thử nghiệm cho SPD được kết nối với hệ thống phân phối điện áp thấp (xem Hình J19).

• Những đặc điểm chung

- U_c: Điện áp hoạt động liên tục tối đa

Đây là điện áp AC hoặc DC trên đó SPD trở nên hoạt động. Giá trị này được chọn theo điện áp danh định và cách bố trí nối đất của hệ thống.

- U_p: Mức bảo vệ điện áp (tại I_n)

Đây là điện áp tối đa trên các cực của SPD khi nó hoạt động. Điện áp này đạt được khi dòng điện chạy trong SPD bằng I_n. Mức bảo vệ điện áp được chọn phải thấp hơn khả năng chịu quá áp của tải (xem phần 3.2). Trong trường hợp sét đánh, điện áp trên các đầu cực của SPD thường vẫn nhỏ hơn U_p.

- tôi_n: Dòng xả danh định

Đây là giá trị đỉnh của dòng điện có dạng sóng 8/20 μs mà SPD có thể phóng điện 15 lần.

• Loại 1 SPD

- tôi_imp: Xung huyết hiện tại

Đây là giá trị đỉnh của dòng điện có dạng sóng 10/350 μs mà SPD có thể phóng điện 5 lần.

- tôi_fi: Tự động dập tắt theo dòng điện

Chỉ áp dụng cho công nghệ khe hở tia lửa.

Đây là dòng điện (50 Hz) mà SPD có khả năng tự ngắt sau khi phóng điện bề mặt. Dòng điện này phải luôn lớn hơn dòng điện ngắn mạch tương lai tại điểm lắp đặt.

• Loại 2 SPD

- tôi_{tối đa}: Dòng xả tối đa

Đây là giá trị đỉnh của dòng điện có dạng sóng 8/20 μs mà SPD có thể phóng điện một lần.

• Loại 3 SPD

- U_oc: Điện áp hở mạch đặt trong các thử nghiệm cấp III (Loại 3).

2.4.2 Các ứng dụng chính

• SPD điện áp thấp

Thuật ngữ này chỉ định các thiết bị rất khác nhau, từ cả quan điểm công nghệ và cách sử dụng. SPDs điện áp thấp được thiết kế theo mô-đun để có thể dễ dàng lắp đặt bên trong các tủ điện LV. Ngoài ra còn có các SPD thích ứng với ổ cắm điện, nhưng các thiết bị này có khả năng phóng điện thấp.

• SPD cho mạng truyền thông

Các thiết bị này bảo vệ mạng điện thoại, mạng chuyển mạch và mạng điều khiển tự động (bus) chống lại quá áp đến từ bên ngoài (sét) và những mạng bên trong mạng cung cấp điện (thiết bị gây ô nhiễm, hoạt động của thiết bị đóng cắt, v.v.).

Các SPD như vậy cũng được cài đặt trong các đầu nối RJ11, RJ45,… hoặc được tích hợp vào các tải.

3 Thiết kế hệ thống bảo vệ lắp đặt điện

Để bảo vệ việc lắp đặt điện trong một tòa nhà, các quy tắc đơn giản được áp dụng cho việc lựa chọn

• SPD (các);
• đó là hệ thống bảo vệ.

3.1 Quy tắc thiết kế

Đối với hệ thống phân phối điện, các đặc điểm chính được sử dụng để xác định hệ thống chống sét và lựa chọn SPD để bảo vệ hệ thống điện trong tòa nhà là:

• SPD

- số lượng SPD;

- kiểu;

- mức độ phơi nhiễm để xác định dòng phóng điện tối đa I của SPD_{tối đa}.

• Thiết bị bảo vệ ngắn mạch

- dòng xả tối đa I_{tối đa};

- dòng điện ngắn mạch I_sc tại điểm cài đặt.

Sơ đồ logic trong Hình J20 dưới đây minh họa quy tắc thiết kế này.

Các đặc điểm khác để lựa chọn SPD được xác định trước cho việc lắp đặt điện.

• số cực trong SPD;
• mức bảo vệ điện áp U_p;
• điện áp hoạt động U_c.

Tiểu mục J3 này mô tả chi tiết hơn các tiêu chí lựa chọn hệ thống bảo vệ theo đặc điểm của việc lắp đặt, thiết bị cần bảo vệ và môi trường.

3.2 Các yếu tố của hệ thống bảo vệ

SPD phải luôn được lắp đặt tại nơi bắt đầu lắp đặt điện.

3.2.1 Vị trí và loại SPD

Loại SPD được lắp đặt tại nơi lắp đặt phụ thuộc vào việc có hay không hệ thống chống sét. Nếu tòa nhà được lắp đặt hệ thống chống sét (theo IEC 62305), thì nên lắp đặt SPD Loại 1.

Đối với SPD được lắp đặt ở cuối quá trình lắp đặt, tiêu chuẩn lắp đặt IEC 60364 đưa ra các giá trị tối thiểu cho 2 đặc điểm sau:

• Dòng xả danh định I_n = 5 kA (8/20) μs;
• Mức bảo vệ điện áp U_p (tại tôi_n) <2.5 kV.

Số lượng SPD bổ sung sẽ được cài đặt được xác định bởi:

• kích thước của trang web và khó khăn trong việc lắp đặt các dây dẫn liên kết. Trên các trang web lớn, điều cần thiết là phải cài đặt SPD ở cuối mỗi hộp phân phối phụ.
• khoảng cách tách các tải nhạy cảm cần được bảo vệ khỏi thiết bị bảo vệ đầu đến. Khi các tải được đặt cách xa thiết bị bảo vệ đầu đến hơn 30 mét, cần phải cung cấp bảo vệ bổ sung càng gần càng tốt đối với các tải nhạy cảm. Hiện tượng phản xạ sóng ngày càng tăng từ 10 mét (xem chương 6.5)
• nguy cơ phơi nhiễm. Trong trường hợp vị trí tiếp xúc nhiều, SPD đầu vào không thể đảm bảo cả dòng điện sét cao và mức bảo vệ điện áp thấp đủ. Đặc biệt, SPD Loại 1 thường đi kèm với SPD Loại 2.

Bảng trong Hình J21 dưới đây cho thấy số lượng và loại SPD sẽ được thiết lập trên cơ sở hai yếu tố được xác định ở trên.

3.4 Lựa chọn SPD Loại 1

3.4.1 Dòng điện xung I_imp

• Trường hợp không có quy định quốc gia hoặc quy định cụ thể về loại công trình cần được bảo vệ, Dòng điện xung I_imp tối thiểu phải là 12.5 kA (sóng 10/350 μs) trên mỗi nhánh phù hợp với IEC 60364-5-534.

• Khi có các quy định: tiêu chuẩn 62305-2 xác định 4 cấp: I, II, III và IV, Bảng trong Hình J31 cho thấy các cấp khác nhau của I_imp trong trường hợp quy định.

3.4.2 Tự động dập tắt theo dòng điện I_fi

Đặc tính này chỉ áp dụng cho SPDs có công nghệ khe hở tia lửa. Tự động dập tắt theo hiện tại I_fi phải luôn lớn hơn dòng ngắn mạch tương lai I_sc tại điểm cài đặt.

3.5 Lựa chọn SPD Loại 2

3.5.1 Dòng xả tối đa I_{tối đa}

Dòng phóng điện tối đa Imax được xác định theo mức phơi nhiễm ước tính liên quan đến vị trí của tòa nhà.

Giá trị của dòng phóng điện tối đa (I_{tối đa}) được xác định bằng phân tích rủi ro (xem bảng trong Hình J32).

3.6 Lựa chọn thiết bị bảo vệ ngắn mạch bên ngoài (SCPD)

Các thiết bị bảo vệ (nhiệt và ngắn mạch) phải được phối hợp với SPD để đảm bảo hoạt động đáng tin cậy, tức là

• đảm bảo tính liên tục của dịch vụ:

- chịu được sóng dòng sét;

- không tạo ra điện áp dư quá mức.

• đảm bảo hiệu quả bảo vệ chống lại tất cả các loại quá dòng:

- quá tải sau quá trình chạy nhiệt của biến trở;

- ngắn mạch cường độ thấp (trở kháng);

- ngắn mạch cường độ cao.

3.6.1 Các rủi ro cần tránh khi kết thúc vòng đời của SPDs

• Do lão hóa

Trong trường hợp tự nhiên hết tuổi thọ do lão hóa, bảo vệ thuộc loại nhiệt. SPD với các biến thể phải có một bộ ngắt kết nối bên trong để tắt SPD.

Lưu ý: Hết tuổi thọ thông qua quá trình thoát nhiệt không liên quan đến SPD với ống phóng khí hoặc khe hở tia lửa được bao bọc.

• Do một lỗi

Các nguyên nhân hết tuổi thọ do lỗi ngắn mạch là:

- Vượt quá khả năng xả tối đa.

Lỗi này dẫn đến ngắn mạch mạnh.

- Lỗi do hệ thống phân phối (trung tính / chuyển pha, trung tính

ngắt kết nối).

- Sự hư hỏng dần dần của varistor.

Hai lỗi sau dẫn đến ngắn mạch trở kháng.

Việc lắp đặt phải được bảo vệ khỏi hư hỏng do các loại lỗi này: bộ ngắt kết nối bên trong (nhiệt) được xác định ở trên không có thời gian để làm ấm, do đó sẽ hoạt động.

Một thiết bị đặc biệt được gọi là “Thiết bị Bảo vệ Ngắn mạch bên ngoài (SCPD bên ngoài)”, có khả năng loại bỏ ngắn mạch nên được lắp đặt. Nó có thể được thực hiện bằng thiết bị ngắt mạch hoặc cầu chì.

3.6.2 Đặc điểm của SCPD bên ngoài (Thiết bị Bảo vệ Ngắn mạch)

SCPD bên ngoài phải được phối hợp với SPD. Nó được thiết kế để đáp ứng hai ràng buộc sau:

Dòng sét chịu được

Khả năng chịu dòng sét là một đặc tính thiết yếu của Thiết bị Bảo vệ Ngắn mạch bên ngoài của SPD.

SCPD bên ngoài không được tác động theo 15 dòng xung liên tiếp tại I_n.

Dòng ngắn mạch chịu được

• Khả năng phá vỡ được xác định bởi các quy tắc cài đặt (tiêu chuẩn IEC 60364):

SCPD bên ngoài phải có khả năng đánh thủng bằng hoặc lớn hơn dòng ngắn mạch tương lai Isc tại điểm lắp đặt (phù hợp với tiêu chuẩn IEC 60364).

• Bảo vệ việc lắp đặt chống đoản mạch

Đặc biệt, ngắn mạch trở kháng tiêu tán rất nhiều năng lượng và cần được loại bỏ rất nhanh để tránh làm hỏng hệ thống lắp đặt và SPD.

Sự liên kết đúng đắn giữa SPD và SCPD bên ngoài của nó phải được nhà sản xuất đưa ra.

3.6.3 Chế độ cài đặt cho SCPD bên ngoài

• Thiết bị "trong chuỗi"

SCPD được mô tả là “nối tiếp” (xem Hình. J33) khi việc bảo vệ được thực hiện bởi thiết bị bảo vệ chung của mạng được bảo vệ (ví dụ, bộ ngắt kết nối ngược dòng của một cài đặt).

• Thiết bị "song song"

SCPD được mô tả là “song song” (xem Hình. J34) khi việc bảo vệ được thực hiện cụ thể bởi một thiết bị bảo vệ được liên kết với SPD.

• SCPD bên ngoài được gọi là “bộ ngắt ngắt kết nối” nếu chức năng được thực hiện bởi bộ ngắt mạch.
• Bộ ngắt mạch ngắt kết nối có thể được hoặc không được tích hợp vào SPD.

Lưu ý: Trong trường hợp SPD có ống phóng khí hoặc khe hở tia lửa được bọc kín, SCPD cho phép cắt dòng điện ngay sau khi sử dụng.

Lưu ý: Các thiết bị dòng dư loại S phù hợp với tiêu chuẩn IEC 61008 hoặc IEC 61009-1 tuân theo yêu cầu này.

3.7.1 Phối hợp với các thiết bị bảo vệ ngược dòng

Phối hợp với các thiết bị bảo vệ quá dòng

Trong lắp đặt điện, SCPD bên ngoài là một thiết bị giống hệt với thiết bị bảo vệ: điều này giúp nó có thể áp dụng các kỹ thuật phân biệt và phân tầng để tối ưu hóa kinh tế và kỹ thuật của kế hoạch bảo vệ.

Phối hợp với các thiết bị hiện tại dư

Nếu SPD được lắp đặt ở phía hạ lưu của thiết bị chống rò rỉ đất, thì thiết bị sau phải là loại “si” hoặc loại chọn lọc có khả năng miễn nhiễm với dòng xung ít nhất là 3 kA (sóng dòng điện 8/20 μs).

4 Cài đặt SPDs

Kết nối của SPD với tải phải càng ngắn càng tốt để giảm giá trị của mức bảo vệ điện áp (được cài đặt Lên) trên các đầu nối của thiết bị được bảo vệ. Tổng chiều dài của các kết nối SPD với mạng và khối đầu nối đất không được vượt quá 50 cm.

4.1 Kết nối

Một trong những đặc điểm cần thiết để bảo vệ thiết bị là mức điện áp bảo vệ tối đa (U lắp đặt_p) mà thiết bị có thể chịu được tại các đầu nối của nó. Theo đó, SPD nên được chọn với mức bảo vệ điện áp U_p thích ứng với việc bảo vệ thiết bị (xem Hình J38). Tổng chiều dài của các dây dẫn kết nối là

L = L1 + L2 + L3.

Đối với dòng điện tần số cao, trở kháng trên một đơn vị chiều dài của kết nối này là khoảng 1 μH / m.

Do đó, áp dụng định luật Lenz cho mối liên hệ này: ∆U = L di / dt

Sóng dòng điện 8/20 μs chuẩn hóa, với biên độ dòng điện 8 kA, theo đó tạo ra điện áp tăng 1000 V trên mỗi mét cáp.

∆U = 1 x 10^-6 x8x10³ / 8 x 10^-6 = 1000 V

Kết quả là điện áp trên các đầu nối của thiết bị, được cài đặt Lên, là:

cài đặt U_p =U_p + U1 + U2

Nếu L1 + L2 + L3 = 50 cm và sóng có cường độ 8/20 μs với biên độ 8 kA thì điện áp trên các đầu thiết bị sẽ là U_p + 500V.

4.1.1 Kết nối trong vỏ nhựa

Hình J39a dưới đây cho thấy cách kết nối SPD trong vỏ nhựa.

4.1.2 Kết nối trong vỏ kim loại

Trong trường hợp cụm thiết bị đóng cắt trong vỏ bằng kim loại, có thể khôn ngoan là kết nối SPD trực tiếp với vỏ kim loại, với vỏ được sử dụng làm dây dẫn bảo vệ (xem Hình J39b).

Sự sắp xếp này tuân theo tiêu chuẩn IEC 61439-2 và nhà sản xuất LẮP RÁP phải đảm bảo rằng các đặc tính của vỏ bọc làm cho việc sử dụng này có thể thực hiện được.

4.1.3 Tiết diện ruột dẫn

Tiết diện dây dẫn tối thiểu được khuyến nghị có tính đến:

• Dịch vụ thông thường sẽ được cung cấp: Luồng của sóng dòng sét khi giảm điện áp tối đa (quy tắc 50 cm).

Lưu ý: Không giống như các ứng dụng ở tần số 50 Hz, hiện tượng sét là tần số cao, sự tăng tiết diện dây dẫn không làm giảm đáng kể trở kháng tần số cao của nó.

• Khả năng chịu dòng điện ngắn mạch của ruột dẫn: Dây dẫn phải chống lại dòng điện ngắn mạch trong thời gian cắt hệ thống bảo vệ tối đa.

IEC 60364 khuyến nghị ở đầu đến của lắp đặt một mặt cắt ngang tối thiểu của:

- 4 mm² (Cu) để kết nối SPD Loại 2;

- 16 mm² (Cu) để kết nối SPD Loại 1 (có hệ thống chống sét).

4.2 Quy tắc đi dây

• Quy tắc 1: Quy tắc đầu tiên cần tuân thủ là độ dài của các kết nối SPD giữa mạng (qua SCPD bên ngoài) và khối đầu cuối tiếp đất không được vượt quá 50 cm.

Hình J40 cho thấy hai khả năng kết nối của SPD.

• Quy tắc 2: Các dây dẫn của bộ cấp liệu đi được bảo vệ:

- phải được kết nối với các thiết bị đầu cuối của SCPD bên ngoài hoặc SPD;

- nên được ngăn cách vật lý khỏi các dây dẫn bị ô nhiễm.

Chúng được đặt ở bên phải các thiết bị đầu cuối của SPD và SCPD (xem Hình J41).

• Quy tắc 3: Các dây dẫn pha của bộ cấp đến, dây trung tính và bảo vệ (PE) phải chạy cạnh nhau để giảm bề mặt vòng lặp (xem Hình J42).
• Quy tắc 4: Các dây dẫn đến của SPD phải cách xa các dây dẫn ra được bảo vệ để tránh làm ô nhiễm chúng do ghép nối (xem Hình J42).
• Quy tắc 5: Cáp phải được ghim chặt vào các bộ phận kim loại của vỏ bọc (nếu có) để giảm thiểu bề mặt của vòng lặp khung và do đó được hưởng lợi từ hiệu ứng che chắn chống lại nhiễu EM.

Trong mọi trường hợp, phải kiểm tra xem các khung của tổng đài và vỏ được nối đất qua các mối nối rất ngắn.

Cuối cùng, nếu sử dụng cáp có vỏ bọc, nên tránh các chiều dài lớn vì chúng làm giảm hiệu quả của việc che chắn (xem Hình J42).

Ứng dụng 5

5.1 Ví dụ cài đặt

Giải pháp và sơ đồ

• Hướng dẫn lựa chọn bộ chống sét lan truyền giúp bạn có thể xác định giá trị chính xác của bộ chống sét lan truyền ở đầu đến của quá trình lắp đặt và giá trị của bộ ngắt mạch ngắt kết nối liên quan.
• Như các thiết bị nhạy cảm (U_p <1.5 kV) đặt cách thiết bị bảo vệ tới trên 30 m, bộ chống sét lan truyền bảo vệ tốt phải được lắp đặt càng gần tải càng tốt.
• Để đảm bảo dịch vụ liên tục tốt hơn cho các khu vực phòng lạnh:

- Máy cắt dòng dư loại “si” sẽ được sử dụng để tránh vấp phải phiền toái do điện thế đất tăng lên khi sóng sét đi qua.

• Để bảo vệ chống lại quá áp khí quyển:

- lắp đặt bộ chống sét lan truyền trong tổng đài chính

- lắp đặt bộ chống sét lan truyền bảo vệ tốt trong mỗi tổng đài (1 và 2) cung cấp các thiết bị nhạy cảm nằm cách bộ chống sét lan truyền đến hơn 30 m

- lắp đặt thiết bị chống sét lan truyền trên mạng viễn thông để bảo vệ các thiết bị được cung cấp, ví dụ, thiết bị báo cháy, modem, điện thoại, fax.

Khuyến nghị về cáp

- Đảm bảo tính tương đương của các đầu nối đất của tòa nhà.

- Giảm các khu vực cáp cấp điện bị lặp.

Khuyến nghị cài đặt

• Lắp đặt bộ chống sét lan truyền, Imax = 40 kA (8/20 μs) và bộ ngắt mạch ngắt kết nối iC60 được đánh giá ở 20 A.
• Lắp đặt bộ chống sét bảo vệ tốt, Imax = 8 kA (8/20 μs) và bộ ngắt mạch ngắt kết nối iC60 đi kèm được đánh giá là 20.