Tại sao sử dụng Bộ hạn chế xung? Chức năng và Lợi ích chính

Chức năng của Bộ bảo vệ chống sét

Khi điện áp quá mức do sét lan truyền dọc theo đường dây điện trên không vào trạm biến áp hoặc các tòa nhà khác, nó có thể gây ra hiện tượng phóng điện hoặc thậm chí xuyên thủng lớp cách điện của thiết bị điện. Do đó, nếu một thiết bị bảo vệ - được gọi là bộ bảo vệ chống sét - được kết nối song song tại đầu vào điện của thiết bị (như được hiển thị trong Hình 1), nó sẽ kích hoạt ngay lập tức khi điện áp quá mức đạt đến mức hoạt động đã đặt trước.

Bộ bảo vệ chống sét sẽ xả năng lượng dư thừa, hạn chế sự tăng đột biến của điện áp và bảo vệ lớp cách điện của thiết bị. Khi điện áp trở lại bình thường, bộ bảo vệ chống sét nhanh chóng phục hồi trạng thái ban đầu, đảm bảo hệ thống có thể tiếp tục cung cấp điện bình thường.

Chức năng bảo vệ của bộ bảo vệ chống sét dựa trên ba điều kiện tiên quyết:

• Phối hợp đúng giữa đặc tính giây-vôn của bộ bảo vệ chống sét và của lớp cách điện được bảo vệ.

• Điện áp dư của bộ bảo vệ chống sét phải thấp hơn sức chịu đựng xung của lớp cách điện được bảo vệ.

• Lớp cách điện được bảo vệ phải nằm trong khoảng cách bảo vệ của bộ bảo vệ chống sét.

• Yêu cầu đối với bộ bảo vệ chống sét:

• Nó không nên xả điện dưới điều kiện vận hành bình thường, nhưng phải xả điện chính xác và đáng tin cậy trong các sự kiện điện áp quá mức.

• Nó phải có khả năng tự phục hồi sau khi xả điện (tức là trở về trạng thái kháng cao và dập dòng theo sau).

Các thông số quan trọng của bộ bảo vệ chống sét:

• Điện áp vận hành liên tục: Điện áp vận hành dài hạn cho phép. Nó nên bằng hoặc lớn hơn điện áp pha-đất tối đa của hệ thống.

• Điện áp định mức (kV): Điện áp tần số công nghiệp ngắn hạn tối đa cho phép (còn được gọi là điện áp dập hồ quang). Bộ bảo vệ chống sét có thể vận hành và dập hồ quang dưới điện áp này, nhưng không thể duy trì vận hành dài hạn ở mức này. Đây là thông số cơ bản cho thiết kế, đặc tính và cấu trúc của bộ bảo vệ chống sét.

• Đặc tính giây-vôn chịu đựng tần số công nghiệp: Chỉ ra khả năng chịu đựng điện áp quá mức của bộ bảo vệ chống sét oxit kim loại (ví dụ: ZnO) dưới các điều kiện quy định.

• Dòng xả định mức (kA): Giá trị đỉnh của dòng xả được sử dụng để phân loại mức độ của bộ bảo vệ chống sét. Đối với các hệ thống 220 kV và dưới, nó không nên vượt quá 5 kA.

• Điện áp dư: Điện áp xuất hiện trên các đầu của bộ bảo vệ chống sét khi chịu dòng xung. Nó cũng có thể được hiểu là điện áp tối đa mà bộ bảo vệ chống sét có thể chịu đựng trong quá trình xả.

Loại và Cấu trúc của Bộ bảo vệ chống sét

Các loại bộ bảo vệ chống sét phổ biến bao gồm loại van, loại ống, khe hở bảo vệ và bộ bảo vệ chống sét oxit kim loại.

(1) Bộ bảo vệ chống sét Loại Van

Bộ bảo vệ chống sét loại van chủ yếu được chia thành hai loại: loại van thông thường và loại van thổi từ. Loại thông thường bao gồm các series FS và FZ; loại thổi từ bao gồm các series FCD và FCZ.

Các ký hiệu trong chỉ định mô hình đại diện cho:

• F – Bộ bảo vệ chống sét loại van;

• S – Dành cho hệ thống phân phối;

• Z – Dành cho trạm biến áp;

• Y – Dành cho đường dây truyền tải;

• D – Dành cho máy quay;

• C – Có khe hở thổi từ.

Một bộ bảo vệ chống sét loại van bao gồm các khe hở tia lửa phẳng nối tiếp với các đĩa điện trở cacbua silic (SiC) (khối van), được niêm phong bên trong vỏ sứ, với các bulông đầu cuối bên ngoài để lắp đặt. Điện trở cacbua silic có đặc tính phi tuyến: nó có điện trở cao dưới điện áp bình thường, giảm mạnh trong trường hợp điện áp quá mức.

Dưới điện áp tần số công nghiệp bình thường, các khe hở tia lửa vẫn không dẫn điện. Khi xảy ra điện áp quá mức do sét, các khe hở tia lửa bị phá vỡ. Điện trở của các khối SiC giảm đáng kể, cho phép dòng điện sét lớn chảy an toàn xuống đất. Sau khi dòng xung qua, các khối SiC tạo ra điện trở cao đối với dòng theo sau tần số công nghiệp, trong khi các khe hở tia lửa ngắt dòng này, khôi phục hoạt động bình thường của hệ thống. Hành vi đóng-mở này giống như một "van" - mở cho dòng điện sét và đóng cho dòng điện tần số công nghiệp - vì vậy tên gọi "loại van" arrester.

(2) Khe hở bảo vệ và Bộ bảo vệ chống sét Loại Ống

Khe hở bảo vệ là dạng bảo vệ sét đơn giản nhất. Thường được làm bằng thép tròn mạ kẽm, chúng bao gồm khe hở chính và khe hở phụ trợ. Khe hở chính được hình thành theo cấu hình góc và được gắn ngang để dễ dàng dập hồ quang. Một khe hở phụ trợ được kết nối song song dưới khe hở chính để ngăn chặn kích hoạt giả do vật lạ ngắn mạch khe hở. Do khả năng dập hồ quang yếu, khe hở bảo vệ thường được sử dụng cùng với thiết bị đóng tự động để cải thiện độ tin cậy cung cấp điện.

Bộ bảo vệ chống sét loại ống bao gồm khe hở tia lửa được chứa trong ống sinh khí, được tạo thành bởi các điện cực thanh và vòng. Nó bao gồm cả khe hở nội bộ và ngoại vi. Ống bảo vệ được làm bằng vật liệu như nhựa phenolic gia cường sợi, sản sinh lượng khí lớn khi bị nóng. Khi xảy ra điện áp quá mức do sét, cả khe hở nội bộ và ngoại vi đều bị phá vỡ, chuyển hướng dòng điện sét xuống đất. Dòng theo sau tần số công nghiệp tạo ra hồ quang mạnh, đốt cháy thành ống và sinh ra khí áp suất cao được đẩy ra khỏi đầu mở, nhanh chóng dập tắt hồ quang. Khe hở ngoại vi sau đó khôi phục cách điện, cách ly bộ bảo vệ khỏi hệ thống và cho phép hoạt động bình thường tiếp tục.

Do bộ bảo vệ chống sét loại ống dựa vào dòng điện tần số công nghiệp để sinh khí dập hồ quang, dòng ngắn mạch quá mức có thể sinh ra quá nhiều khí, vượt quá sức chịu đựng cơ học của ống, gây nứt hoặc nổ. Vì vậy, bộ bảo vệ chống sét loại ống thường được sử dụng trong các cài đặt ngoài trời.

(3) Bộ bảo vệ chống sét Loại Không Khe hở Oxit Kim loại (Oxit Kẽm)

Còn được gọi là bộ bảo vệ varistor, đây là loại hiện đại được giới thiệu vào những năm 1970. So với bộ bảo vệ chống sét loại van silicon carbide truyền thống, bộ bảo vệ chống sét loại không khe hở oxit kim loại không có khe hở tia lửa và sử dụng oxit kẽm (ZnO) thay vì silicon carbide. Chúng được xây dựng từ các đĩa varistor ZnO xếp chồng lên nhau, có đặc tính điện áp-dòng điện phi tuyến tuyệt vời: dưới điện áp tần số công nghiệp bình thường, chúng có điện trở rất cao, hiệu quả kìm hãm dòng rò; dưới điện áp quá mức do sét, điện trở giảm mạnh, cho phép xả dòng xung hiệu quả.

Bộ bảo vệ chống sét oxit kim loại cung cấp đặc tính bảo vệ vượt trội, dung lượng xả cao, điện áp dư thấp, kích thước nhỏ gọn và dễ lắp đặt. Hiện nay, chúng được sử dụng rộng rãi để bảo vệ cả thiết bị điện cao và thấp.

(4) Bộ bảo vệ chống sét Loại Có Khe hở Oxit Kim loại (Oxit Kẽm)

Những loại này bao gồm các đĩa điện trở ZnO nối tiếp với một khe hở tia lửa bên trong vỏ hợp chất. Đơn vị khe hở thường chứa hai điện cực dạng đĩa được bao bọc trong một vòng gốm. Chúng phù hợp cho các hệ thống trung tính không được tiếp đất hiệu quả. Trong trường hợp lỗi pha-đất đơn hoặc tiếp đất hồ quang, có thể xảy ra điện áp quá mức tạm thời nghiêm trọng kéo dài, mà bộ bảo vệ chống sét không khe hở ZnO có thể không chịu nổi. Bộ bảo vệ chống sét có khe hở ZnO khắc phục hạn chế này: dưới điện áp quá mức vừa phải như tiếp đất pha-đất đơn hoặc tiếp đất hồ quang mức thấp, khe hở nối tiếp vẫn không hoạt động, cách ly bộ bảo vệ khỏi hệ thống.

Khi điện áp quá mức vượt quá ngưỡng, khe hở tia lửa phát sáng, và đặc tính phi tuyến tuyệt vời của các khối ZnO hạn chế điện áp dư trên bộ bảo vệ. Dòng theo sau kết quả rất nhỏ và dễ dàng ngắt, cung cấp bảo vệ cách điện đáng tin cậy cho các biến áp và thiết bị khác.

Các Mục Kiểm tra và Tiêu chuẩn cho Bộ bảo vệ chống sét

(1) Đo điện trở cách điện

Sử dụng đồng hồ megohm 2500 V hoặc cao hơn. Đối với bộ bảo vệ chống sét có điện áp định mức 35 kV và cao hơn, điện trở cách điện không nên ít hơn 2500 MΩ; đối với các bộ bảo vệ chống sét dưới 35 kV, không nên ít hơn 1000 MΩ.

(2) Đo điện áp DC tại 1 mA và dòng rò tại 75% của điện áp này

Áp dụng điện áp DC lên bộ bảo vệ chống sét. Khi điện áp tăng, dòng rò dần tăng lên. Ghi lại giá trị điện áp khi dòng điện đạt 1 mA. Sau đó giảm điện áp xuống 75% của giá trị này và ghi lại dòng rò, không nên vượt quá 50 μA.

(3) Dòng rò AC dưới điện áp vận hành

Đo tổng dòng điện, dòng điện trở, hoặc tổn thất công suất dưới điện áp vận hành. Các giá trị đo được không nên thay đổi đáng kể so với các giá trị ban đầu. Nếu dòng điện trở tăng gấp đôi, bộ bảo vệ chống sét phải được ngắt điện để kiểm tra.
Nếu dòng điện trở tăng lên 150% so với giá trị ban đầu, chu kỳ giám sát nên được rút ngắn thích hợp.

Các bài kiểm tra này có thể phát hiện các khuyết tật như sự xâm nhập độ ẩm hoặc lão hóa của các khối van bảo vệ, vết nứt bề mặt và suy giảm cách điện.