Cách thức hoạt động của Thiết bị chống sét lan truyền SPD

Thiết bị chống sét lan truyền SPD làm hạn chế quá điện áp do sét đánh trên tủ phân phối điện bằng cách chuyển hướng xung sét dòng điện đột biến là một chức năng của các thành phần chống đột biến, cấu trúc cơ khí của Thiết bị chống sét lan truyền SPD và kết nối với tủ phân phối điện. Một Thiết bị chống sét lan truyền SPD nhằm hạn chế quá điện áp do sét đánh thoáng qua và chuyển hướng xung sét dòng điện đột biến hoặc cả hai. Nó chứa ít nhất một thành phần phi tuyến tính. Nói một cách đơn giản nhất, Thiết bị chống sét lan truyền SPD nhằm mục đích hạn chế quá điện áp do sét đánh thoáng qua với mục tiêu ngăn ngừa hư hỏng thiết bị và thời gian ngừng hoạt động do các đợt tăng điện áp do sét đánh thoáng qua đến các thiết bị mà chúng bảo vệ.

Ví dụ, hãy xem xét một nhà máy nước được bảo vệ bằng van giảm áp. Van giảm áp không làm gì cho đến khi xảy ra xung quá áp trong nguồn cấp nước. Khi điều đó xảy ra, van sẽ mở ra và đẩy áp suất tăng thêm sang một bên để nó không chạm tới bánh xe nước.

Nếu không có van giảm áp, áp suất quá cao có thể làm hỏng bánh xe nước, hoặc có thể là mối liên kết của cưa. Ngay cả khi van giảm áp được đặt đúng vị trí và hoạt động bình thường, một số xung áp suất còn sót lại vẫn sẽ đến bánh xe. Nhưng áp suất sẽ giảm đủ để không làm hỏng bánh xe nước hoặc làm gián đoạn hoạt động của nó. Điều này mô tả hành động của Thiết bị chống sét lan truyền SPDs. Chúng giảm quá độ đến mức không làm hỏng hoặc gián đoạn hoạt động của thiết bị điện tử nhạy cảm.

Công nghệ được sử dụng của Thiết bị chống sét lan truyền (SPD)

Những công nghệ nào được sử dụng trong Thiết bị chống sét lan truyền SPD?

Từ IEEE Std. C62.72: Một vài thành phần chống sét lan truyền phổ biến được sử dụng trong sản xuất Thiết bị chống sét lan truyền SPD là Tụ chống sét (MOV), điốt phân hủy tuyết lở (ABD – trước đây gọi là điốt silicon tuyết lở hoặc SAD) và ống phóng sét (GDT). MOV là công nghệ được sử dụng phổ biến nhất để bảo vệ các mạch nguồn AC. Xếp hạng dòng điện đột biến của MOV có liên quan đến diện tích mặt cắt ngang và thành phần của nó. Nói chung, diện tích mặt cắt ngang càng lớn thì mức tăng dòng điện của thiết bị càng cao. MOV thường có dạng hình tròn hoặc hình chữ nhật nhưng có rất nhiều kích thước tiêu chuẩn khác nhau, từ 7 mm (0,28 inch) đến 80 mm (3,15 inch). Xếp hạng dòng điện đột biến của các thành phần chống đột biến này rất khác nhau và phụ thuộc vào nhà sản xuất. Như đã thảo luận trước đó trong điều khoản này, bằng cách kết nối các MOV trong một mảng song song, giá trị dòng điện đột biến có thể được tính toán bằng cách chỉ cần cộng các xếp hạng dòng điện đột biến của các MOV riêng lẻ lại với nhau để có được xếp hạng dòng điện đột biến của mảng. Khi làm như vậy, cần cân nhắc phối hợp các đặc tính vận hành của các MOV được chọn.

Cách thức hoạt động của Thiết bị chống sét lan truyền SPD

Có nhiều giả thuyết về thành phần nào, cấu trúc liên kết nào và việc triển khai công nghệ cụ thể tạo ra Thiết bị chống sét lan truyền SPD tốt nhất để chuyển hướng xung sét dòng điện đột biến. Thay vì trình bày tất cả các tùy chọn, tốt nhất là thảo luận về xếp hạng dòng điện đột biến, Xếp hạng dòng xả danh nghĩa hoặc khả năng dòng điện đột biến xoay quanh dữ liệu thử nghiệm hiệu suất. Bất kể các thành phần được sử dụng trong thiết kế, hoặc cấu trúc cơ khí cụ thể được triển khai, điều quan trọng là Thiết bị chống sét lan truyền SPD có xếp hạng dòng điện tăng đột biến hoặc Xếp hạng dòng xả danh nghĩa phù hợp với ứng dụng.

Sau đây là phần mô tả chi tiết hơn về các thành phần này. Các thành phần được sử dụng trong Thiết bị chống sét lan truyền SPD khác nhau đáng kể. Đây là một mẫu của các thành phần đó:

  • Tụ chống sét (MOV)

Thông thường, MOV bao gồm một thân hình tròn hoặc hình chữ nhật bằng oxit kẽm thiêu kết với các chất phụ gia phù hợp. Các loại khác được sử dụng bao gồm hình ống và cấu trúc nhiều lớp. Biến trở có các điện cực hạt kim loại bao gồm hợp kim bạc hoặc kim loại khác. Các điện cực có thể đã được áp dụng cho cơ thể bằng cách sàng lọc và thiêu kết hoặc bằng các quy trình khác tùy thuộc vào kim loại được sử dụng. Biến trở cũng thường có dây dẫn hoặc dây dẫn hoặc một số loại đầu cuối khác có thể đã được hàn vào điện cực.

Cơ chế dẫn điện cơ bản của MOV là kết quả của các mối nối bán dẫn tại ranh giới của các hạt oxit kẽm được hình thành trong quá trình thiêu kết. Varistor có thể được coi là một thiết bị đa điểm nối với nhiều hạt hoạt động trong sự kết hợp nối tiếp song song giữa các thiết bị đầu cuối. Một sơ đồ mặt cắt ngang của một varistor điển hình được thể hiện trong Hình 1.

Cách thức hoạt động của Thiết bị chống sét lan truyền SPD
Cấu tạo tụ chống sét MOV

Biến trở có đặc tính duy trì sự thay đổi điện áp do sét đánh tương đối nhỏ trên các cực của chúng trong khi dòng điện tăng vọt chạy qua chúng thay đổi cường độ trong vài thập kỷ. Hành động phi tuyến tính này cho phép chúng chuyển hướng xung sét dòng điện tăng đột biến khi được kết nối song song trên đường dây và giới hạn điện áp do sét đánh trên đường dây ở các giá trị bảo vệ thiết bị được kết nối với đường dây đó.

  • Ống phóng sét (GDT)

Các ống phóng sét bao gồm hai hoặc nhiều điện cực kim loại được ngăn cách bởi một khe hở nhỏ và được giữ bằng một xi lanh gốm hoặc thủy tinh. Xi lanh chứa đầy hỗn hợp khí hiếm, tia lửa này phát ra tia lửa điện và cuối cùng là trạng thái hồ quang khi đủ điện áp do sét đánh được đặt vào các điện cực.

Khi điện áp do sét đánh tăng chậm qua khe hở đạt đến giá trị được xác định chủ yếu bởi khoảng cách điện cực, áp suất khí và hỗn hợp khí, quá trình bật bắt đầu ở điện áp do sét đánh đánh lửa (sự cố). Khi xảy ra phóng điện, có thể có nhiều trạng thái vận hành khác nhau, tùy thuộc vào mạch điện bên ngoài. Các trạng thái này được thể hiện trong Hình 4. Tại các dòng điện nhỏ hơn dòng chuyển tiếp từ phát sáng sang hồ quang, tồn tại vùng phát sáng. Ở dòng điện thấp trong vùng phát sáng, điện áp do sét đánh gần như không đổi; ở cường độ dòng điện phát sáng cao, một số loại ống dẫn khí có thể đi vào vùng phát sáng bất thường trong đó điện áp do sét đánh tăng lên. Ngoài vùng phát sáng bất thường này, trở kháng của ống phóng sét giảm trong vùng chuyển tiếp sang điều kiện hồ quang điện áp do sét đánh thấp. Dòng chuyển tiếp từ hồ quang sang phát sáng có thể thấp hơn dòng chuyển tiếp từ phát sáng sang hồ quang. Đặc tính điện GDT,

Nếu điện áp do sét đánh đặt (ví dụ: thoáng qua) tăng nhanh, thì thời gian cần thiết cho quá trình ion hóa/hình thành hồ quang có thể cho phép điện áp do sét đánh thoáng qua vượt quá giá trị cần thiết để đánh thủng trong đoạn trước. điện áp do sét đánh này được định nghĩa là điện áp do sét đánh đánh thủng xung và nói chung là một hàm dương của tốc độ tăng điện áp do sét đánh đặt vào (tức thời).

Một GDT ba điện cực một buồng có hai khoang được ngăn cách bởi một điện cực vòng ở giữa. Lỗ trên điện cực trung tâm cho phép khí plasma từ một khoang dẫn điện bắt đầu dẫn điện trong khoang kia, mặc dù điện áp do sét đánh của khoang kia có thể thấp hơn điện áp do sét đánh phóng điện.

Do hành động chuyển đổi và cấu trúc chắc chắn của chúng, GDT có thể vượt qua các thành phần Thiết bị chống sét lan truyền SPD khác về khả năng mang dòng điện. Nhiều GDT viễn thông có thể dễ dàng mang dòng điện đột biến cao tới 10 kA (dạng sóng 8/20 µs). Ngoài ra, tùy thuộc vào thiết kế và kích thước của GDT, có thể đạt được dòng điện đột biến >100 kA.

Cấu tạo của các ống phóng sét sao cho chúng có điện dung rất thấp – thường nhỏ hơn 2 pF. Điều này cho phép sử dụng chúng trong nhiều ứng dụng mạch tần số cao.

Khi GDT hoạt động, chúng có thể tạo ra bức xạ tần số cao, có thể ảnh hưởng đến các thiết bị điện tử nhạy cảm. Do đó, nên đặt các mạch GDT ở một khoảng cách nhất định so với thiết bị điện tử. Khoảng cách phụ thuộc vào độ nhạy của thiết bị điện tử và mức độ che chắn của thiết bị điện tử. Một phương pháp khác để tránh ảnh hưởng là đặt GDT trong vỏ bọc được che chắn.

Định nghĩa cho GDT

Một khe hở, hoặc một số khe hở có hai hoặc ba điện cực kim loại được hàn kín để hỗn hợp khí và áp suất nằm trong tầm kiểm soát, được thiết kế để bảo vệ thiết bị hoặc con người, hoặc cả hai, khỏi điện áp do sét đánh cao thoáng qua.

Hoặc

Khe hở hoặc khe hở trong môi trường phóng điện kín, không phải không khí ở áp suất khí quyển, được thiết kế để bảo vệ thiết bị hoặc con người, hoặc cả hai, khỏi điện áp do sét đánh cao thoáng qua.

  • bộ lọc LCR

Các thành phần này khác nhau về:

  • khả năng năng lượng
  • khả dụng
  • độ tin cậy
  • trị giá
  • hiệu quả

Từ IEEE Std C62.72: Khả năng Thiết bị chống sét lan truyền SPD hạn chế quá điện áp do sét đánh trên tủ phân phối điện bằng cách chuyển hướng xung sét dòng điện đột biến là một chức năng của các thành phần chống đột biến, cấu trúc cơ học của Thiết bị chống sét lan truyền SPD và kết nối với tủ phân phối điện. Một số thành phần chống sét lan truyền phổ biến được sử dụng trong sản xuất Thiết bị chống sét lan truyền SPD là MOV, SASD và ống phóng sét, trong đó MOV có mức sử dụng lớn nhất. Xếp hạng dòng điện đột biến của MOV có liên quan đến diện tích mặt cắt ngang và thành phần của nó. Nói chung, diện tích mặt cắt ngang càng lớn thì mức tăng dòng điện của thiết bị càng cao. MOV thường có dạng hình tròn hoặc hình chữ nhật nhưng có rất nhiều kích thước tiêu chuẩn khác nhau, từ 7 mm (0,28 in) đến 80 mm (3,15 in). Xếp hạng dòng điện đột biến của các thành phần chống đột biến này rất khác nhau và phụ thuộc vào nhà sản xuất. Bằng cách kết nối các MOV trong một mảng song song, xếp hạng dòng điện đột biến theo lý thuyết có thể được tính toán bằng cách chỉ cần cộng các xếp hạng hiện tại của các MOV riêng lẻ lại với nhau để có được xếp hạng dòng điện đột biến của mảng.

Có nhiều giả thuyết về thành phần nào, cấu trúc liên kết nào và việc triển khai công nghệ cụ thể tạo ra Thiết bị chống sét lan truyền SPD tốt nhất để chuyển hướng xung sét dòng điện đột biến. Thay vì trình bày tất cả các lập luận này và để người đọc giải mã các chủ đề này, tốt nhất là thảo luận về xếp hạng dòng điện đột biến, Xếp hạng dòng xả danh nghĩa hoặc khả năng dòng điện đột biến xoay quanh dữ liệu thử nghiệm hiệu suất. Bất kể các thành phần được sử dụng trong thiết kế, hoặc cấu trúc cơ khí cụ thể được triển khai, điều quan trọng là Thiết bị chống sét lan truyền SPD có xếp hạng dòng điện đột biến hoặc Xếp hạng dòng xả danh nghĩa phù hợp với ứng dụng và có lẽ quan trọng nhất là Thiết bị chống sét lan truyền SPD hạn chế dòng điện tạm thời quá điện áp do sét đánh đến mức ngăn ngừa thiệt hại cho thiết bị được bảo vệ trong môi trường đột biến dự kiến.

Chế độ vận hành cơ bản

Hầu hết các Thiết bị chống sét lan truyền SPD có ba chế độ hoạt động cơ bản:

  • Chờ đợi
  • chuyển hướng xung sét

Trong mỗi chế độ, dòng điện chạy qua Thiết bị chống sét lan truyền SPD. Tuy nhiên, điều có thể không được hiểu là một loại dòng điện khác nhau có thể tồn tại trong mỗi chế độ.

Chế độ chờ đợi

Trong các tình huống nguồn điện bình thường khi “năng lượng sạch” được cung cấp trong hệ thống phân phối điện, Thiết bị chống sét lan truyền SPD thực hiện chức năng tối thiểu. Ở chế độ chờ, Thiết bị chống sét lan truyền SPD đang chờ quá điện áp do sét đánh xảy ra và tiêu thụ ít hoặc không tiêu thụ điện xoay chiều; chủ yếu được sử dụng bởi các mạch giám sát.

Chế độ chuyển hướng xung sét

Khi cảm nhận được sự kiện quá điện áp do sét đánh thoáng qua, Thiết bị chống sét lan truyền SPD sẽ chuyển sang Chế độ chuyển hướng xung sét. Mục đích của Thiết bị chống sét lan truyền SPD là chuyển hướng xung sét dòng xung gây hại ra khỏi các tải quan trọng, đồng thời giảm cường độ điện áp do sét đánh thu được của nó xuống mức thấp, vô hại.

Theo định nghĩa của ANSI/IEEE C62.41.1-2002, một dòng điện nhất thời thông thường chỉ tồn tại trong một phần nhỏ của chu kỳ (micro giây), một khoảng thời gian khi so sánh với dòng chảy liên tục của tín hiệu hình sin 60Hz.

Độ lớn của dòng điện tăng phụ thuộc vào nguồn của nó. Ví dụ, sét đánh có thể hiếm khi xảy ra chứa cường độ dòng điện vượt quá vài trăm nghìn ampe. Tuy nhiên, trong một cơ sở, các sự kiện thoáng qua được tạo ra bên trong sẽ tạo ra cường độ dòng điện thấp hơn (dưới vài nghìn hoặc hàng trăm ampe).

Vì hầu hết các Thiết bị chống sét lan truyền SPD được thiết kế để xử lý các dòng điện đột biến lớn, nên một tiêu chuẩn đánh giá hiệu suất là Xếp hạng Dòng xả Danh định (In) đã thử nghiệm của sản phẩm. Thường bị nhầm lẫn với dòng điện sự cố, nhưng không liên quan, cường độ dòng điện lớn này là dấu hiệu cho thấy khả năng chịu đựng lặp đi lặp lại đã được thử nghiệm của sản phẩm.

Từ IEEE Std. C62.72: Xếp hạng dòng xả danh định thực hiện khả năng của Thiết bị chống sét lan truyền SPD để chịu các đợt tăng dòng điện lặp đi lặp lại (15 lần tăng tổng cộng) của một giá trị đã chọn mà không bị hư hỏng, xuống cấp hoặc thay đổi hiệu suất điện áp do sét đánh giới hạn đo được của Thiết bị chống sét lan truyền SPD. Thử nghiệm Dòng xả danh định bao gồm toàn bộ Thiết bị chống sét lan truyền SPD bao gồm tất cả các thành phần chống đột biến và bộ ngắt kết nối Thiết bị chống sét lan truyền SPD bên trong hoặc bên ngoài. Trong quá trình thử nghiệm, không một bộ phận hoặc bộ ngắt kết nối nào được phép gặp sự cố, hở mạch, hư hỏng hoặc xuống cấp. Để đạt được một xếp hạng cụ thể, mức hiệu suất điện áp do sét đánh giới hạn đo được của Thiết bị chống sét lan truyền SPD phải được duy trì giữa so sánh trước và sau thử nghiệm.

Ví dụ: Thiết bị chống sét lan truyền SPD có công suất dòng xả danh định là 10.000 hoặc 20.000 ampe cho mỗi chế độ có nghĩa là sản phẩm có thể chịu được cường độ dòng điện thoáng qua 10.000 hoặc 20.000 ampe một cách an toàn tối thiểu 15 lần, trong mỗi chế độ bảo vệ.

Kết luận

Từ IEEE Std C62.72: Mối đe dọa lớn nhất đối với độ tin cậy lâu dài của Thiết bị chống sét lan truyền SPD có thể không phải là đột biến điện áp do sét đánh, mà là quá điện áp do sét đánh tạm thời hoặc tạm thời lặp đi lặp lại (TOV hoặc “độ phồng”) có thể xảy ra trên PDS. Các Thiết bị chống sét lan truyền SPD có MCOV – gần với điện áp do sét đánh hệ thống danh định một cách bấp bênh sẽ dễ bị ảnh hưởng bởi quá điện áp do sét đánh như vậy, điều này có thể dẫn đến Thiết bị chống sét lan truyền SPD bị hỏng sớm hoặc hết tuổi thọ sớm. Một nguyên tắc chung thường được sử dụng là xác định xem MCOV của Thiết bị chống sét lan truyền SPD có ít nhất bằng 115% điện áp do sét đánh hệ thống danh định cho từng chế độ bảo vệ cụ thể hay không. Điều này sẽ cho phép Thiết bị chống sét lan truyền SPD không bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi điện áp do sét đánh thông thường của PDS.

Tuy nhiên, ngoài các trường hợp quá điện áp do sét đánh kéo dài, Thiết bị chống sét lan truyền SPD có thể già đi, xuống cấp hoặc đạt đến tình trạng ngừng hoạt động theo thời gian do các xung đột biến vượt quá định mức của Thiết bị chống sét lan truyền SPD đối với dòng điện đột biến, tỷ lệ xảy ra các sự cố đột biến, thời gian xảy ra xung đột biến hoặc sự kết hợp của những sự kiện này. Các sự kiện đột biến lặp đi lặp lại với biên độ đáng kể trong một khoảng thời gian có thể làm các thành phần Thiết bị chống sét lan truyền SPD quá nóng và khiến các thành phần bảo vệ chống đột biến bị hỏng. Ngoài ra, các xung đột biến lặp đi lặp lại có thể khiến bộ ngắt kết nối Thiết bị chống sét lan truyền SPD được kích hoạt bằng nhiệt hoạt động sớm do làm nóng các bộ phận chống sét lan truyền. Các đặc tính của Thiết bị chống sét lan truyền SPD có thể thay đổi khi Thiết bị chống sét lan truyền SPD đạt đến tình trạng ngừng sử dụng – ví dụ: điện áp do sét đánh giới hạn đo được có thể tăng hoặc giảm.

Trong nỗ lực tránh xuống cấp do dòng điện tăng đột biến, nhiều nhà sản xuất Thiết bị chống sét lan truyền SPD thiết kế Thiết bị chống sét lan truyền SPD có khả năng dòng điện tăng đột biến cao bằng cách sử dụng các thành phần vật lý lớn hơn hoặc bằng cách kết nối song song nhiều thành phần. Điều này được thực hiện để tránh khả năng vượt quá xếp hạng của Thiết bị chống sét lan truyền SPD với tư cách là một tổ hợp trừ những trường hợp rất hiếm và đặc biệt. Sự thành công của phương pháp này được hỗ trợ bởi tuổi thọ lâu dài và lịch sử của các Thiết bị chống sét lan truyền SPD hiện có được cài đặt đã được thiết kế theo kiểu này.

Đối với sự phối hợp của Thiết bị chống sét lan truyền SPD và, như đã nêu đối với xếp hạng dòng điện đột biến, việc có một Thiết bị chống sét lan truyền SPD với xếp hạng dòng điện đột biến cao hơn được đặt tại thiết bị dịch vụ nơi PDS tiếp xúc nhiều nhất với dòng điện đột biến để hỗ trợ ngăn ngừa hỏng sớm là điều hợp lý; trong khi đó, các Thiết bị chống sét lan truyền SPD ở tuyến dưới xa hơn từ thiết bị dịch vụ không tiếp xúc với các nguồn đột biến bên ngoài có thể có xếp hạng thấp hơn. Với sự phối hợp và thiết kế hệ thống chống đột biến tốt, có thể tránh được sự hỏng sớm của Thiết bị chống sét lan truyền SPD.

Các nguyên nhân khác gây ra lỗi Thiết bị chống sét lan truyền SPD bao gồm:

  • Lỗi cài đặt
  • Áp dụng sai sản phẩm cho định mức điện áp do sét đánh của nó
  • Các sự kiện quá điện áp do sét đánh kéo dài

Khi một thành phần triệt tiêu bị lỗi, nó thường xảy ra trong thời gian ngắn, khiến dòng điện bắt đầu chạy qua thành phần bị lỗi. Lượng dòng điện có sẵn để chạy qua bộ phận bị lỗi này là một chức năng của dòng điện sự cố có sẵn và được điều khiển bởi hệ thống điện. Để biết thêm thông tin về Dòng sự cố, hãy truy cập Thông tin liên quan đến an toàn của Thiết bị chống sét lan truyền SPD.