Thiết bị chống sét lan truyền (SPD): Nguyên lý hoạt động

Thiết bị chống sét lan truyền (SPD) giúp bảo vệ thiết bị điện bằng cách hạn chế quá điện áp thoáng qua có thể làm hỏng hoặc phá hủy các linh kiện nhạy cảm. Chúng chuyển dòng điện xung ra khỏi các tải quan trọng để ngăn ngừa gián đoạn và dừng máy. Bài viết này cung cấp tổng quan về cách SPD hoạt động để bảo vệ hệ thống phân phối điện và thiết bị kết nối.

Nguồn và tác động của xung điện áp  

Các xung điện, hay quá áp quá độ, có thể xuất phát từ nguồn tự nhiên và nhân tạo. Sét đánh là một nguyên nhân tự nhiên phổ biến gây xung điện. Các thao tác đóng cắt, dao động của lưới điện và nhiễu EMI/RFI từ các thiết bị lân cận là những nguồn xung nhân tạo điển hình.  

Xung điện đưa năng lượng vào có thể làm quá tải mạch và làm suy giảm thiết bị theo thời gian. Chúng thường có cường độ đủ cao để gây hư hỏng tức thời như phóng hồ quang ở tiếp điểm, đánh thủng cách điện và hỏng chip. Các tác động có xu hướng tích lũy, làm giảm tuổi thọ sử dụng tổng thể thông qua suy thoái dần dần ngay cả khi hư hỏng thảm khốc không xảy ra tức thời.

 Nguyên lý hoạt động của SPD

Các thành phần cơ bản của SPD bao gồm:

•Khe hở tia lửa (spark gap) - Hai điện cực đặt cách nhau tạo ra một khe hở không khí. Trong quá trình hoạt động bình thường, khe hở ngăn dòng điện chạy qua. Khi điện áp tăng đủ để ion hóa khe hở không khí, sẽ xảy ra phóng điện tia lửa, chuyển hướng dòng xung xuống đất. Khe hở tia lửa thường được dùng để xử lý xung năng lượng cao.

•Điện trở varistor - Điện trở gốm oxit kim loại có điện trở thay đổi tùy theo điện áp đặt vào. Ở điện áp bình thường, điện trở cao. Khi điện áp tăng, điện trở giảm đáng kể để tạo ra đường dẫn trở kháng thấp xuống đất. Varistor có hiệu quả nhưng có thể suy giảm theo thời gian khi tiếp xúc với năng lượng xung.

•Điốt thác (avalanche) - Điốt silic đạt đến đánh thủng thác ở một ngưỡng điện áp xác định, kẹp hiệu quả xung điện và dẫn dòng điện dư xuống đất. Chúng cho đáp ứng nhanh nhưng khả năng xử lý năng lượng có hạn.

•Ống phóng điện khí - Chứa một loại khí trơ bị ion hóa ở một mức điện áp chọn trước để chuyển hướng dòng xung. Chúng có khả năng chịu dòng xung cao nhưng đáp ứng chậm hơn so với biến trở (varistor) hoặc điốt thác.

Các bộ phận được bố trí để tạo một đường dẫn từ mỗi pha xuống đất. SPD giám sát điện áp trên các đường dẫn này và kích hoạt khi phát hiện xung điện nguy hiểm để chuyển hướng năng lượng ra khỏi thiết bị đã kết nối. Chúng tự động trở về trạng thái ban đầu khi điện áp trở lại mức bình thường.

Phân loại và ứng dụng của SPD

SPD được đánh giá theo khả năng dòng điện xung tối đa và mức bảo vệ điện áp (VPL) để phù hợp với các ứng dụng khác nhau. SPD loại 1 được lắp đặt tại điểm vào điện lưới để xử lý các xung năng lượng cao. SPD loại 2 thường được sử dụng xa hơn về phía hạ nguồn để bảo vệ thiết bị phân phối và các mạch nhánh quan trọng. SPD loại 3 bảo vệ các thiết bị điện tử nhạy cảm và có VPL cùng định mức xung thấp nhất.

SPD được chọn và lắp đặt đúng cách giúp che chắn toàn bộ hệ thống điện và các tải kết nối khỏi tác động gây hại của xung điện và quá độ. Chúng cải thiện chất lượng và độ tin cậy của nguồn điện đồng thời giảm chi phí vòng đời nhờ tối đa hóa tuổi thọ thiết bị và giảm thiểu thời gian dừng máy. SPD cần được lựa chọn cẩn thận phù hợp với điện áp vận hành và mức xung trong một ứng dụng nhất định để đảm bảo khả năng bảo vệ tối ưu.