Bảo vệ chống sét lan truyền trong mạng hạ áp

1

CHƢƠNG MỞ ĐẦU
I. GIỚI THIỆU
1. Đặt vấn đề
Việt Nam là một nước nằm trong khu vực nhiệt đới ẩm gió mùa, khí hậu Việt
Nam rất thuận lợi cho việc phát sinh, phát triển của dông sét. Số ngày dông có ở Việt
Nam trên toàn khu vực thuộc loại khá lớn. Trong mạng điện, quá điện áp và quá trình
quá độ do sét đánh là nguyên nhân chủ yếu gây ra các sự cố lưới điện và làm hư hỏng
các thiết bị lắp đặt trên lưới. Nên việc đề ra các giải pháp chống sét, lựa chọn, phối
hợp các thiết bị bảo vệ phù hợp và nghiên cứu chế tạo thiết bị chống sét đóng vai trò
rất quan trọng.
Hiện nay, chống sét trực tiếp đã được quan tâm tương đối với các giải pháp từ cổ
điển đến hiện đại. Tuy nhiên, số liệu thống kê chỉ ra hơn 70% hư hỏng do sét gây ra
lại do sét đánh lan truyền hay ghép cảm ứng theo đường cấp nguồn và đường truyền
tín hiệu.
Bên cạnh việc nghiên cứu chống sét đánh trực tiếp, việc nghiên cứu chống sét
đánh lan truyền hay ghép cảm ứng trên đường nguồn cũng đóng một vai trò quan
trọng để lựa chọn thiết bị bảo vệ chống quá điện áp do sét phù hợp.
Nhìn chung, mạng hạ áp không truyền tải công suất lớn nhưng lại trải trên diện
rộng và cung cấp điện năng trực tiếp cho các hộ tiêu thụ nên nó lại là nguyên nhân
dẫn sét vào công trình, gây ngừng dịch vụ, hư hỏng thiết bị. Thống kê cho thấy, hậu
quả không mong muốn của quá áp do sét lan truyền trên mạng phân phối hạ áp gây ra
thiệt hại rất lớn và nhiều lúc không thể đánh giá cụ thể được. Vấn đề được đề cập một
cách cấp bách trong những năm gần đây là các trang thiết bị điện tử đã trở thành các
thiết bị được sử dụng ngày càng nhiều và rất phổ biến trong các tòa nhà, các công
trình ở mọi lãnh vực như bưu chính viễn thông, phát thanh, truyền hình, công
nghiệp…. Các thiết bị này vốn rất nhạy cảm với điện áp và cách điện dự trữ của
chúng rất mong manh vì thế cần phải tính toán lựa chọn, phối hợp và kiểm tra các
thiết bị bảo vệ chống quá áp một cách hiệu quả, chính xác để tránh xảy ra hư hỏng
cho các thiết bị này.

Do các thiết bị chống quá áp là thiết bị phi tuyến cho nên việc đánh giá các đáp
ứng ngõ ra ứng với sóng sét lan truyền với mức chính xác cao theo phương pháp giải
tích truyền thống gặp nhiều khó khăn. Bên cạnh đó, do nước ta vẫn còn bị hạn chế về
trang thiết bị thí nghiệm cao áp, số lượng phòng thí nghiệm cao áp còn khiêm tốn nên
rất khó khăn cho công tác thiết kế, nghiên cứu bảo vệ chống quá áp do sét lan truyền
2

tại Việt Nam. Tuy nhiên, ngày nay, với sự phát triển của kỹ thuật mô hình hoá và mô
phỏng đã giúp cho chúng ta hiểu biết thêm về sự tương tác giữa các yếu tố cấu thành
một hệ thống cũng như toàn bộ hệ thống, đặc biệt là rất hữu ích cho việc mô phỏng
sét.
Hiện nay, các nhà nghiên cứu và một số nhà sản xuất thiết bị chống quá áp do
sét lan truyền trên đường nguồn hạ áp cùng một số phần mềm mô phỏng hỗ trợ đã đề
ra mô hình thiết bị chống sét lan truyền với mức độ chi tiết và quan điểm xây dựng
mô hình khác nhau. Tuy nhiên, do đặc điểm của phương pháp mô hình hoá mô phỏng
và yêu cầu về mức độ chính xác, mức tương đồng cao giữa mô hình và nguyên mẫu,
các phương pháp xây dựng mô hình và mô phỏng các thiết bị chống sét lan truyền vẫn
còn nhiều tranh cãi và tiếp tục nghiên cứu phát triển.
Luận văn này đi sâu vào nghiên cứu mô hình các thiết bị chống quá áp do sét trên
đường nguồn hạ áp, sau đó sử dụng phần mềm mô phỏng đánh giá hiệu quả bảo vệ
của hệ thống chống quá áp. Kết quả nghiên cứu sẽ cung cấp một công cụ mô phỏng
hữu ích cho các nhà nghiên cứu, các giảng viên, sinh viên các trường đại học trong
việc nghiên cứu các đáp ứng của thiết bị chống quá áp dưới tác động của xung sét lan
truyền và đánh giá hiệu quả của các hệ thống bảo vệ chống quá áp do sét lan truyền.
2. Nguyên nhân hình thành sét:
Cơ chế hình thành một cơn sét nói chung khá phức tạp, có nhiều công trình nghiên
cứu về quá trình nhiễm điện của một đám mây dông cũng như cơ chế phát triển của
tia sét hướng xuống đất, ngoài ra cũng còn nhiều vấn đề khác liên quan đến sét và
chúng tôi mong rằng sẽ có dịp được trình bày chi tiết hơn trong các bài báo khác, ở
đây chúng tôi chỉ xin đề cập đến một giả thuyết phổ biến nhất để giải thích nguyên

nhân tạo dông sét như sau :







Hình : Cơ bản nguyên nhân hình thành sét
3

Dông là hiện tượng khí quyển liên quan với sự phát triển mạnh mẽ của đối lưu
nhiệt và các nhiễu động khí quyển, nó thường xảy ra vào mùa hè là thời điểm mà sự
trao đổi nhiệt giữa mặt đất và không khí rất lớn. Những luồng không khí nóng mang
theo hơi nước bay lên đến một độ cao nào đấy và nguội dần, lúc đó hơi nước tạo
thành những giọt nước nhỏ hay gọi là tinh thể băng chúng tích tụ trong không gian
dưới dạng những đám mây. Trái đất càng bị nóng thì không khí nóng càng bay lên cao
hơn, mây càng dày hơn đến một lúc nào đó thì các tinh thể băng trong mây sẽ lớn dần
và rơi xuống thành mưa. Mây càng dày thì màu của nó càng đen hơn. Sự va chạm của
các luồng khí nóng đi lên và các tinh thể băng đi xuống trong đám mây sẽ làm xuất
hiện các điện tích mà ta gọi là đám mây bị phân cực điện hay đám mây tích điện. Các
phần tử điện tích âm có khối lượng lớn nên nằm dưới đáy đám mây còn các phần tử
điện tích dương nhẹ hơn nên bị đẩy lên phần trên của đám mây.
Như vậy, trong bản thân đám mây đã hình thành một điện trường cục bộ của một
lưỡng cực điện và dưới tác dụng của điện trường cục bộ này các phần tử sẽ di chuyển
nhanh hơn, điện tích được tạo ra nhiều hơn và điện trường càng mạnh hơn. Quá trình
này tiếp diễn cho đến lúc điện trường đạt giá trị tới hạn và gây ra phóng điện nội bộ
trong đám mây mà ta gọi là chớp.
Ngoài ra khoảng không gian bên dưới đám mây thường có một lớp điện tích
dương gọi là điện tích không gian vì vậy giữa phần đáy đám mây mang điện âm và

lớp điện tích dương này lại hình thành một điện trường riêng và chính điện trường này
làm phát sinh một tia sét ban đầu gọi là dòng tiên đạo di chuyển xuống đất với tốc độ
khoảng 150km/s. Trong quá trình phát triển xuống đất, dòng tiên đạo mang theo một
điện thế rất lớn sẽ ion hóa lớp không khí trên đường đi của nó, nơi nào có cách điện
không khí yếu thì dòng tiên đạo sẽ phát triển về hướng đó vì vậy ta thấy dòng tia sét
đi xuống không phải là đường thẳng mà thường có dạng ngoằn ngoèo, phân nhánh.
Ngoài ra do hiệu ứng cảm ứng điện nên phần mặt đất nằm bên dưới đám mây dông sẽ
mang một lượng điện dương. Lượng điện này sẽ phân bố trên các vật có khả năng dẫn
điện như nhà cửa, cây cối, công trình, trụ điện, tháp anten , vật nào dẫn điện càng
tốt thì điện tích phân bố trên vật đó càng lớn và điện trường của nó càng mạnh so với
các vật xung quanh. Vì vậy, khi dòng tiên đạo phát triển xuống gần mặt đất thì nó sẽ
chọn vật có điện trường mạnh nhất để đánh vào mà ta gọi là phóng điện sét, nơi tiếp
xúc của chúng gọi là kênh sét. Đây là thời điểm trao đổi điện tích giữa đám mây và
mặt đất được gọi là giai đoạn trung hòa điện tích, dòng điện trong kênh sét lúc này rất
lớn có thể đến 200kA nên bị nóng lên rất mạnh khoảng 20.000
0C
và do đó ta thấy nó
4

sáng chói lên (cũng được gọi là chớp). Dưới tác dụng của nhiệt độ này, lớp không khí
chung quanh kênh sét bị giãn nỡ mạnh gây ra tiếng nổ lớn mà ta gọi là sấm. Do ánh
sáng có vận tốc lớn hàng triệu lần so với âm thanh nên ta thấy ánh chớp trước rồi sau
đó một lúc mới nghe thấy tiếng sấm.
3. Tính cấp thiết của đề tài
Theo ước tính của các nhà chuyên môn, trên khắp mặt địa cầu, cứ mỗi giây, có
khoảng 100 lần sét đánh xuống mặt đất. Sét không những có thể gây thương vong cho
con người mà còn có thể phá hủy những tài sản của con người như các công trình xây
dựng, công trình cung cấp năng lượng, hoạt động hàng không, các thiết bị dùng điện,
các Đài Truyền Thanh – Truyền Hình, các hệ thống thông tin liên lạc.
Theo tính toán của các nhà khoa học, vào một thời điểm bất kỳ, trên trái đất chúng ta

đang sống có khoảng 2000 cơn dông hoạt động. Mỗi cơn dông trung bình thường kéo
dài từ 2 đến 4 giờ đồng hồ và có thể tạo ra 1000, 2000 cú phóng điện xuống mặt đất.
Người ta đã từng ví, cơn dông như một nhà máy điện có công suất khoảng vài
trăm MW với điện thế lên tới hàng tỷ V, nguồn điện của một tia sét xuất hiện trong
cơn dông có thể dùng để thắp sáng bóng đèn 100W trong vòng 3 tháng. Với cường độ
mạnh như vậy, dông sét là một trong số những hiểm họa thiên tai vô cùng nguy hiểm
đối với tính mạng con người và gây ra những thiệt hại rất lớn về tài sản vật chất.
Việt Nam là một nước nằm trong khu vực nhiệt đới ẩm, khí hậu Việt Nam rất
thuận lợi cho việc phát sinh, phát triển của dông sét. Số ngày dông có ở Việt Nam trên
nhiều khu vực thuộc loại khá lớn. Số ngày dông cực đại là 113,7 (tại Đồng Phú), số
giờ dông cực đại là 433,18 giờ tại Mộc Hóa. Sét có cường độ mạnh ghi nhận được
bằng dao động ký tự động có biên độ Imax = 90,67kA (Số liệu của Viện Nghiên Cứu
Sét Gia sàng Thái Nguyên). Hằng năm, ngành điện Việt Nam có khoảng vài ngàn sự
cố, 50% trong số đó là do sét gây ra.
Năm 1769, khi đó nhân loại chưa biết đến những thiết bị chống sét như ngày nay.
Một thảm hoạ đã xảy ra khi sét đánh trúng kho dự trữ thuốc nổ hơn 1000 tấn tại một
thành phố của Italia. Cả toà nhà nổ tung và làm chết hơn 3000 người sống trong thành
phố. Cho đến khi phát minh đầu tiên của nhà bác học Franklin về chiếc cột thu lôi ra
đời, những thiệt hại khủng khiếp do sét đánh như thế không còn xảy ra nữa. Kể từ đó
đến nay, tuy không chế ngự được hoàn toàn, nhưng những thiết bị chống sét đã góp
phần giảm thiểu đáng kể thiệt hại do sét gây ra nhằm bảo vệ cuộc sống con người.
Trải qua hơn 200 năm kể từ khi xuất hiện chiếc cột thu lôi đầu tiên, công nghệ phòng
chống sét ngày càng được hoàn thiện và hiệu quả hơn.
5

Đặc biệt ngày 4/6/2001, sét đánh nổ một máy cắt 220kV của nhà máy thủy điện
Hòa Bình. Sự cố khiến lưới điện miền Bắc bị tan rã mạch, nhiều nhà máy bị tách ra
khỏi hệ thống. Hiện nay, chống sét trực tiếp đã được tương đối với các giải pháp từ cổ
điển (kim Franklin, lồng Faraday, kết hợp kim lồng) đến hiện đại (kim thu sét phóng
điện sớm – hệ thống SYSTEM 3000 của hãng Erico Ligthning Technologies). Tuy

nhiên, theo thống kê hơn 70% hư hỏng do sét gây ra lại do sét đánh lan truyền cảm
ứng theo đường cấp nguồn và đường truyền tín hiệu. Do việc chống sét lan truyền
chưa được quan tâm một cách đầy đủ nên thiệt hại do sét lan truyền gây ra rất lớn do
thiết bị bị phá hỏng hay ngừng dịch vụ. Vì vậy, việc đề ra các giải pháp và cung cấp
các thiết bị chống sét lan truyền theo công nghệ mới là cấp bách và cần thiết. Một
thực tế nữa là ở Việt Nam các mô hình thử nghiệm hay nguồn phát xung sét chưa có
hoặc đã có nhưng được giữ bản quyền bởi các hãng sản xuất thiết bị chống sét nước
ngoài nên việc đánh giá các thiết bị chống sét lan truyền nói riêng còn hạn chế. Do đó,
cần phải dựa vào các phần mềm mô phỏng để đánh giá các phần tử của thiết bị chống
sét thay cho các mô hình cụ thể. Ngoài ra, khi mô phỏng bằng phần mềm kết quả có
độ tin cậy và chính xác cao. Luận văn này dựa trên việc nghiên cứu mô hình các thiết
bị chống sét quá áp, các mô hình nguồn phát xung sét tiêu chuẩn, từ đó thành lập các
mô hình và mô phỏng để so sánh, đánh giá và rút ra các yếu tố ảnh hưởng hiệu quả
ảnh hưởng đến hiệu quả bảo vệ và nâng cao độ tin cậy trong quá trình vận hành. Các
yếu tố ảnh hưởng này bao gồm công nghệ chống sét, sự lựa chọn phối hợp bảo vệ của
các thiết bị chống quá áp và đánh giá hiệu quả bảo vệ của các thiết bị lọc sét.
II. MỤC TIÊU, NỘI DUNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
1. Mục tiêu của đề tài
Mục tiêu của luận văn là tìm ra các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả bảo vệ
chống sét lan truyền trên đường nguồn hạ áp đối với một tòa nhà nằm trong khu vực
nội thành nhằm tối ưu hóa các tính năng bảo vệ và nâng cao độ tin cậy trong quá trình
vận hành. Cụ thể luận văn có các nhiệm vụ như sau:
1. Giới thiệu tổng quan về chống sét lan truyền.
2. Tìm hiểu công nghệ chống sét lan truyền hiện đại & giới thiệu phần mềm ứng
dụng MATLAB.
3. Mô hình và mô phỏng thiết bị chống sét lan truyền trong mạng hạ áp.
4. Mô hình máy phát xung sét chuẩn.
5. Đánh giá các giải pháp chống sét lan truyền trong mạng hạ áp.

6

2. Nội dung nghiên cứu
- Tìm hiểu các tiêu chuẩn chống sét trong và ngoài nước.
- Nghiên cứu cấu tạo, tính năng, phối hợp bảo vệ của các thiết bị chống sét lan
truyền trên đường nguồn hạ áp.
- Mô hình hoá và mô phỏng thiết bị chống quá áp do sét lan truyền trên đường
nguồn hạ áp.
- Sử dụng phần mềm Matlab xây dựng mô hình hóa mô phỏng.
- Đánh giá các giải pháp chống sét lan truyền trong mạng hạ áp.
3. Điểm mới của luận văn
- Mô hình và mô phỏng thiết bị chống sét lan truyền trong mạng hạ áp.
- Tính toán hệ số dự trữ, xây dựng đặc tuyến liên hệ của hệ số dự trữ theo sai số
điện áp ngưỡng và dòng xung sét của MOV hạ thế mắc song song.
- Xây dựng phương trình liên hệ của điện áp dư theo điện áp ngưỡng và dòng xung
sét các MOV hạ thế đơn và đa khối thông dụng trên thị trường.
- Xây dựng đặc tính liên hệ của điện áp dư theo điện áp ngưỡng và dòng xung sét
các MOV hạ thế đơn và đa khối thông dụng trên thị trường.
- Đánh giá các giải pháp chống sét lan truyền trong mạng hạ áp
4. Phƣơng pháp luận và phƣơng pháp nghiên cứu
4.1. Phương pháp luận
- Đề tài đạt được những kết quả mang tính thực tiễn nhằm giúp bảo vệ chống sét
lan truyền trong mạng hạ áp.
- Kết quả nghiên cứu đáp ứng phần nào tính cấp bách trong công tác nghiên cứu
lựa chọn, phối hợp và kiểm tra hiệu quả các thiết bị bảo vệ chống quá áp do sét
lan truyền trên đường nguồn hạ áp một cách chính xác trong điều kiện thiếu
phòng thí nghiệm hiện nay.
- Cung cấp một công cụ mô phỏng hữu ích cho các nhà nghiên cứu, các giảng viên,
sinh viên các trường đại học trong việc nghiên cứu các đáp ứng của thiết bị chống
quá áp do sét lan truyền dưới tác động của xung sét lan truyền và đánh giá hiệu
quả của các hệ thống bảo vệ chống quá áp đa cấp trong các công trình.

- Đề tài có khả năng phát triển ở những cấp nghiên cứu cao hơn với điều kiện cho
phép.
- Tài liệu này sẽ giúp cho học viên hiểu sâu hơn về sự tương tác của các phần tử
trong một hệ thống, đặc biệt là trong hệ thống chống quá áp do sét lan truyền.
7

Ngoài ra, còn giúp cho người học những kinh nghiệm trong công tác thực hành
lập mô hình và mô phỏng thiết bị trên các phần mềm tương tự.
- Với mức độ phát triển về công nghệ thông tin như hiện nay, hoàn toàn cho phép
thực hiện những mô phỏng chi tiết hơn, gần với thực tế hơn. Làm tiền đề cho
công tác nghiên cứu chống quá áp do sét lan truyền trên đường nguồn hạ áp phù
hợp với điều kiện môi trường, phân bố sét và sự phát triển của mạng điện Việt
Nam.
4.2. Phương pháp nghiên cứu
- Thu thập tài liệu từ các nguồn khác nhau như sách báo, tạp chí và Internet.
- Tổng hợp và phân tích tài liệu.
- Mô hình hóa & mô phỏng matlab.
5. Nội dung luận văn
Luận văn gồm 5 chương:
- Chương mở đầu.
- Chương 1: Giới thiệu tổng quan về chống sét lan truyền
- Chương 2: Tìm hiểu công nghệ chống sét lan truyền hiện đại & giới thiệu
phần mềm matlab
- Chương 3: Mô hình mô phỏng thiết bị chống sét lan truyền trong mạng hạ
áp
- Chương 4: Mô hình máy phát xung sét chuẩn
- Chương 5: Đánh giá các giải pháp chống sét lan truyền trong mạng hạ áp
- Chương kết luận.

8

CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ CHỐNG SÉT LAN TRUYỀN
TRÊN ĐƢỜNG NGUỒN HẠ ÁP & PHẦN MỀM MATLAB
1.1. GIỚI THIỆU
Bảo vệ hệ thống điện xoay chiều hạ áp chống lại các hiện tượng quá áp quá độ
đang là mối quan tâm chủ yếu để bảo đảm chất lượng điện năng cung cấp, bảo đảm an
toàn cho các thiết bị. Hiện nay các thiết bị điện-điện tử có mức điện áp chịu xung thấp
ngày càng được sử dụng rộng rãi trong hệ thống điện, phương pháp hữu hiệu và kinh
tế nhất để bảo vệ quá áp cho thiết bị chính là chọn và lắp đặt các thiết bị bảo vệ có khả
năng làm việc lâu dài và đáng tin cậy.
Việc sử dụng ngày càng nhiều các phần tử bán dẫn trong hệ thống điện hiện
đại đã dẫn đến sự tăng cường mối quan tâm về độ tin cậy của hệ thống. Đây là kết quả
của việc các phần tử bán dẫn rất nhạy cảm với các hiện tượng quá áp có thể xuất hiện
trong hệ thống điện phân phối xoay chiều. Việc sử dụng các phần tử bán dẫn ban đầu
cũng bị hư hỏng rất nhiều mà không thể giải thích. Nghiên cứu các hư hỏng này cho
thấy chúng bị hư hỏng là do các điều kiện quá áp khác nhau xuất hiện trong hệ thống
phân phối. Điện áp quá độ là kết quả của sự phóng thích đột ngột của năng lượng tồn
tại trước đó từ các điều kiện như sét đánh, đóng cắt tải có tính cảm, xung điện từ hay

phóng điện các điện cực. Các hư hỏng gây ra bởi hiện tượng quá độ phụ thuộc vào tần
số xuất hiện, giá trị đỉnh và dạng sóng của quá độ.
Quá áp trong mạch điện chính xoay chiều có thể gây ra sự hư hỏng vĩnh cửu
hay tạm thời của các phần tử điện tử và hệ thống. Bảo vệ chống lại quá áp quá độ có
thể thực hiện bằng cách sử dụng các phần tử được thiết kế đặc biệt mà sẽ giới hạn
biên độ của quá áp quá độ bằng một trở kháng lớn nối tiếp hay bởi việc làm trệch
hướng quá độ bằng một trở kháng nhỏ mắc shunt.
Các nhà thiết kế khôn ngoan sẽ quyết định sự cần thiết của việc bảo vệ quá áp
quá độ trong giai đoạn thiết kế sớm nhất. Nếu không phải tốn nhiều thời gian để thấy
thật cần thiết phải trang bị các bộ bảo vệ quá áp quá độ cho các thiết bị hiện hữu. Điều
này sẽ tốn nhiều tiền do phải tạm ngưng hoạt động của các máy móc của khách hàng
và phải chịu tổn thất kinh doanh tiềm tàng khi ngừng hoạt động. Không kể đến trong
một số hệ thống việc trang bị thêm các bộ bảo vệ quá áp sẽ làm hệ thống trở nên mất
ngăn nắp bởi vì không gian yêu cầu cho chúng không có trong thiết kế ban đầu. Các
9

thiết bị được chọn bảo vệ hệ thống phải có khả năng làm tiêu tán năng lượng xung của
quá độ vì thế hệ thống đang được bảo vệ sẽ không còn bị ảnh hưởng.
Hiện nay, các thiết bị sử dụng công nghệ bán dẫn ngày càng được sử dụng phổ
biến trong hệ thống điện. Các phần tử bán dẫn này rất nhạy cảm với các hiện tượng
quá áp có thể xuất hiện trong hệ thống điện phân phối xoay chiều.
Quá áp trong mạch điện xoay chiều có thể gây ra sự hư hỏng vĩnh cữu hay tạm
thời của các phần tử điện – điện tử và hư hỏng kể cả hệ thống điện. Việc bảo vệ chống
lại quá áp quá độ có thể thực hiện bằng cách sử dụng các phần tử được thiết kế đặc
biệt mà nó sẽ giới hạn biên độ của quá áp bằng một trở kháng lớn nối tiếp hay bằng
một trở kháng nhỏ mắc shunt.
Trong đó, quá áp quá độ là kết quả của sự phóng thích đột ngột năng lượng tồn
tại trước đó từ các điều kiện tự nhiên như sét đánh hoặc điều kiện phát sinh từ việc
đóng cắt tải có tính cảm hay việc phóng điện các điện cực. Các hư hỏng gây ra bởi
hiện tượng quá áp phụ thuộc vào tần xuất hiện, giá trị đỉnh và dạng song của quá áp.

Sóng quá điện áp có dạng sóng xung gia tăng đột ngột (do sét hay do các thao
tác đóng cắt có tải trên lưới) và có khả năng gây hư hỏng các thiết bị, mạng máy tính,
các thiết bị trong mạng viễn thông…mà trong vấn đề vận hành rất khó phát hiện, đặc
biệt là các thiết bị điện tử rất nhạy cảm.

Hình 1.1 Dạng sóng xung quá áp trên đường nguồn hạ áp (với thời gian ngắn là 1ms)
Một trong các thông số cần quan tâm khi thiết kế và lựa chọn thiết bị chống sét
lan truyền trên đường nguồn và đường tín hiệu là tần suất xuất hiện sét, dạng sóng và
xung sét lan truyền.



10

1.2 . TẦN SUẤT XUẤT HIỆN SÉT
Mối quan hệ tần suất xuất hiện sét theo biên độ dòng sét được trình bày ở hình 1.2.
Giá trị đỉnh dòng sét kA

Hình 1.2 Quan hệ tần suất xuất hiện sét theo biên độ
- Khoảng 40% cơn sét có dòng sét lớn hơn 20kA.
- Khoảng 5% cơn sét có dòng sét lớn hơn 60kA (hoặc 95% cơn sét có dòng sét dưới
60kA).
- Khoảng 0,1% cơn sét có dòng sét lớn hơn 200kA.
(Dữ liệu được thống kê trên 5,4 triệu lần sét đánh từ năm 1995 – 2005 của
Meteorage.)
1.3. DẠNG XUNG SÉT
Dạng xung sét phụ thuộc vào cách thức sét tác động vào đường dây tải điện hay
đường tín hiệu.
1.3.1 Dạng sóng 10/35µs
Dạng sóng 10/35µs thường là xung sét lan truyền do sét đánh trực tiếp vào

đường dây trên không lân cận công trình hoặc đánh trực tiếp vào kim thu sét trên đỉnh
công trình.
Hình 1.3. Sét đánh trực tiếp vào kim thu Hình 1.4. Sét đánh trực tiếp vào đường
sét trên đỉnh công trình dây trên không lân cận công trình
11

 Dạng sóng 10/350 µs đƣợc biểu diễn trong hình 1.5.

Hình 1.5. Dạng sóng 10/350µs
1.3.2 Dạng sóng 8/20µs
Dạng sóng 8/20µs thường là xung sét cảm ứng do sét đánh vào đường dây trên
không cách công trình một khoảng cách xa hoặc do sét đánh vào một vật gần đường
dây trên không hoặc do sự gia tăng điện thế đất do sét đánh vào vị trí gần công trình

Hình 1.6. Sét đánh vào đường dây trên không ở vị trí cách xa công trình

Hình 1.7. Sét đánh gián tiếp cảm ứng vào công trình


12

 Dạng sóng 8/20µs đƣợc biểu diễn trong hình 1.8.

Hình 1.8. Dạng sóng 8/20µs
1.4 . BIÊN ĐỘ XUNG SÉT
Biên độ xung sét lan truyền trên đường nguồn phụ thuộc vào vị trí công trình,
mức độ lộ thiên của công trình và vị trí tương quan của công trình đối với các công
trình lân cận, mật độ sét tại khu vực cần bảo vệ và cấu trúc của đường dây tải điện
trên không hay đi ngầm.

Hình 1.9. Lựa chọn SPD theo mức độ lộ thiên của công trình
1.4.1. Hiện tƣợng quá độ
Vấn đề căn bản chính là sự xuất hiện các xung quá áp trên điện áp bình thường
của hệ thống. Quá áp trong hệ thống điện đôi lúc có thể giải thích và đôi khi lại thật
khó giải thích; chúng là một dạng nhiễu loạn, sự tăng lên, sự sụt xuống, sự cắt điện
hay là sự kết hợp các yếu tố trên và đây là các khái niệm tổng quát hóa về hiện tượng
quá độ. Một kết quả phổ biến khi hiện tượng quá áp này xuất hiện là sự hư hỏng
nhanh chóng của các phần tử bán dẫn và các phần tử nhạy cảm khác. Một ảnh hưởng
13

nghiêm trọng khác là sự mất khả năng điều khiển hệ thống logic, khi đó hệ thống có
thể hiểu các xung quá độ là tín hiệu điều khiển và cố gắng thực hiện theo.
Nhiều nghiên cứu đã được thực hiện để xác định nguyên nhân của xung quá độ
trong hệ thống điện, và kết quả thu được có thể cho là do một trong những nguyên
nhân sau:
- Sét.
- Đóng, cắt các tiếp điểm ở trạng thái mang tải.
- Sự lan truyền xung thông qua các máy biến áp.
- Sự thay đổi tải trong các hệ thống gần kề.
- Sự dao động và các xung công suất .
- Ngắn mạch hay nổ cầu chì.

Hệ thống điện gồm một mạng lớn các đường dây truyền tải, phân phối nối với
nhau và thường bị nhiễu bởi các quá độ bắt nguồn từ một trong các nguồn đã đề cập ở
trên.
Quá độ do sét có thể tạo ra một dòng điện rất cao trong hệ thống. Các tia sét
này thường đánh vào các dây truyền tải sơ cấp, nhưng có thể truyền qua các dây thứ
cấp thông qua các điện cảm hay tụ điện mắc trong mạch. Đôi khi các tia sét đánh trực
tiếp vào hệ thống bảo vệ chống sét hay các cấu trúc kim loại của các tòa nhà cũng gây
nên hiện tượng quá áp trên hệ thống điện trong tòa nhà do việc lan truyền của xung
sét. Thậm chí khi tia sét không đánh trúng đường dây cũng có thể cảm ứng một điện
áp đáng kể trên đường dây sơ cấp, các chống sét van hoạt động và sinh ra quá độ.
Quá độ do đóng cắt ít nguy hiểm hơn nhưng xảy ra thường xuyên hơn. Đóng
cắt lưới điện có thể gây ra quá độ làm hư hỏng các thiết bị đấu nối trên lưới. Việc sử
dụng các thyristor trong mạch đóng cắt hay điều khiển công suất cũng có thể tạo ra
quá độ như vậy.
Nghiên cứu và thực nghiệm đã cho thấy trong hệ thống điện hạ áp xoay chiều
công nghiệp hay dân dụng, biên độ của quá độ tương ứng với tỷ lệ xuất hiện của nó,
ví dụ như biên độ quá độ nhỏ thì xuất hiện thường hơn. Tổ chức IEEE và ANSI, đã
thiết lập một tài liệu cung cấp các nguyên tắc chủ yếu về các điều kiện quá độ có thể
bắt gặp trong hệ thống điện hạ áp xoay chiều. Tài liệu này được gọi là tiêu chuẩn
IEEE/ANSI C62.41 được phát triển năm 1980. Từ sự bắt đầu này, nhiều kiến thức
chính xác hơn đã được cập nhật và tạo thành một tiêu chuẩn có giá trị hơn.


14

1.4.2. Tỷ lệ xuất hiện của hiện tƣợng quá độ
Tỷ lệ xuất hiện của các xung quá độ khác nhau rất nhiều và phụ thuộc vào từng
hệ thống. Tỷ lệ này liên quan với biên độ của các xung, và xung có biên độ nhỏ thì
xuất hiện nhiều hơn xung biên độ cao. Theo số liệu thống kê được, xung 1kV hay nhỏ
hơn thì tương đối phổ biến, trong khi xung 3kV thì hiếm hơn. Hình 1.10 đã minh họa

các dữ liệu thu thập được về số lần xuất hiện của các xung quá độ cùng với giá trị
đỉnh của nó từ các nghiên cứu đã thực hiện. Số lần xuất hiện của các xung quá độ
được mô tả bởi các đường giới hạn thấp, trung bình và cao: “low exposure”, “medium
exposure” và “high exposure”

Hình 1.10: Tỷ lệ xuất hiện của xung theo biên độ điện áp tại các khu vực không được
bảo vệ.
Vùng xuất hiện thấp (low exposure) là vùng có rất ít xung sét hoạt động và số
lần đóng cắt tải trong hệ thống điện xoay chiều cũng rất ít. Vùng xuất hiện trung bình
(medium exposure) là vùng xung sét hoạt động cao hơn và quá độ do đóng cắt xảy ra
thường xuyên, nguy hiểm hơn. Khi thiết kế mang tính tổng thể, thiết thực, lâu dài, ít
nhất phải thiết kế thiết bị trong điều kiện như được đặt trong vùng xuất hiện xung quá
độ trung bình. Vùng xuất hiện cao (high exposure) rất hiếm xảy ra nhưng trên thực tế
vẫn xuất hiện đối với hệ thống được cung cấp bởi các đường dây truyền tải dài trên
không và còn tùy thuộc vào sự phản xạ tại cuối đường dây, trường hợp này mức
phóng điện của các khe hở thì cao.
Quá độ do phóng điện trong hệ thống điện xoay chiều hạ áp sẽ sinh ra một
năng lượng cao, xung trở kháng thấp. Cách xa nguồn quá độ, tại vị trí thiết bị bảo vệ
được đặt, năng lượng quá độ sẽ giải phóng qua trở kháng của dây dẫn và nhiều thiết bị
sẽ được bảo vệ hơn. Vì thế, cho phép nhiều bộ bảo vệ quá áp kích cỡ khác nhau được
sử dụng tại các vị trí khác nhau trong hệ thống.

15

1.4.3. Hiện tƣợng quá độ tiêu biểu
Bảng 1.1 trình bày điện áp và dòng điện xung được cho là điển hình của quá độ
trong hệ thống xoay chiều hạ áp trong nhà. Khi quyết định chọn loại thiết bị như là bộ
bảo vệ quá áp quá độ, bảng này chính là tài liệu tham khảo. Ít nhất là thiết bị bảo vệ
phải đáp ứng điều kiện trong mục A, còn tốt nhất là thiết bị phải vượt qua được các
quá độ xuất hiện trong mục B.

Bảng 1.1: Điện áp và dòng điện của quá độ điển hình trong nhà.
Nghiên cứu trong mạng điện hạ áp trong nhà phát hiện rằng quá độ bắt gặp trong
mục A (mạch nhánh dài và mạch ra) có dạng sóng với tần số thay đổi từ 5kHz đến
hơn 500kHz; trong đó dạng sóng với tần số 100kHz được xem là phổ biến nhất (Hình
1.11a). Xung đo được tại đường nguồn trong mục B (mạch cung cấp chính và mạch
nhánh ngắn), dao động và không trực tiếp trong tự nhiên. Dạng xung sét đã được
chuẩn hóa: sóng áp 1.2/50

s và sóng dòng 8/20

s (Hình 1.11b). Theo phụ lục 2

Hình 1.11a: Dạng sóng 0.5

s-100kHz (áp mạch hở)

Dạng sóng mạch hở Dạng sóng dòng phóng điện

Hình 1.11b: Dạng sóng gián tiếp (phía ngoài)
16

1.4.4 Bảo vệ quá độ
Các phần trên đã trình bày sự cần thiết của các thiết bị bảo vệ quá áp quá độ
trong thiết kế thiết bị điện trong hệ thống, phần tiếp theo là phải chọn kỹ thuật bảo vệ
loại nào và cách sử dụng của từng loại ra sao? Các thiết bị bảo vệ quá áp quá độ được
chọn phải có khả năng triệt xung quá áp đến dưới mức ngưỡng hư hỏng của thiết bị
được bảo vệ, và các thiết bị bảo vệ này phải vượt qua một số xác định các trường hợp
quá độ nguy hiểm nhất. Khi so sánh các thiết bị khác nhau, quyết định đưa ra phải căn
cứ trên các đặc điểm: mức độ bảo vệ yêu cầu, tuổi thọ, giá tiền và kích cỡ thiết bị.

Có một số kỹ thuật khác nhau có thể sử dụng trong các thiết bị bảo vệ quá áp
quá độ trong hệ thống hạ áp chính. Nhưng nhìn chung, các kỹ thuật này có thể chia
thành 2 nhóm chính:
a/ Kỹ thuật làm suy giảm quá độ, từ đó có thể ngăn chặn sự lan truyền của
chúng trong mạch điện nhạy cảm.
b/ Kỹ thuật làm trệch hướng quá độ khỏi các thiết bị tải điện nhạy cảm và từ đó
giới hạn điện áp dư.
Kỹ thuật làm suy giảm quá độ chính là ngăn chặn sự lan truyền quá độ từ
nguồn của nó hay là ngăn chặn ảnh hưởng của nó lên các thiết bị tải nhạy cảm. Việc
này được thực hiện bằng cách lắp đặt các bộ lọc hay là máy biến áp cách ly nối tiếp
với mạch điện. Các bộ cách ly làm suy giảm quá độ (tần số cao) và cho tín hiệu hay
công suất (tần số thấp) chảy tiếp tục trong mạch, không bị nhiễu loạn.
Kỹ thuật làm trệch hướng quá độ có thể thực hiện với một loại thiết bị dạng
đòn bẫy (crowbar) hay với một thiết bị dạng kẹp áp. Thiết bị dạng đòn bẫy (crowbar)
bao gồm một hoạt động đóng cắt, có thể bằng cách đánh thủng cách điện của khí giữa
các điện cực hay là đóng cắt một khóa thyristor. Sau khi khóa đóng, chúng sẽ tạo ra
một đường dẫn trở kháng rất thấp làm trệch hướng quá độ khỏi các thiết bị tải mắc
song song. Thiết bị dạng kẹp áp có trở kháng thay đổi rất lớn phụ thuộc vào dòng
chảy qua thiết bị hay là áp ở hai đầu thiết bị. Các thiết bị này có đặc tính của một điện
trở phi tuyến. Giá trị điện trở thay đổi liên tục, không gián đoạn ngược với các thiết bị
dạng đòn bẫy (crowbar) chỉ có đóng hoặc cắt.
1.5. Các thiết bị bảo vệ quá áp
1.5.1. Bộ lọc
Việc lắp đặt một bộ lọc nối tiếp với các thiết bị dường như là một giải pháp
hiển nhiên có tác dụng giảm quá áp. Trở kháng của bộ lọc thông thấp, ví dụ như tụ
điện, làm thành bộ ngăn cách áp với trở kháng nguồn. Khi tần số của quá độ lớn hơn
17

một vài lần tần số làm việc của mạch điện xoay chiều, bộ lọc sẽ làm việc và làm suy
giảm quá độ ở tần số cao. Một cách đáng tiếc, cách tiếp cận đơn giản này có thể có

một vài ảnh hưởng không mong muốn bên cạnh:
a/ Sự cộng hưởng không mong muốn với thành phần cảm kháng trong hệ thống
sẽ dẫn đến đỉnh áp tăng cao.
b/ Dòng điện quẩn cao trong suốt quá trình đóng cắt.
c/ Tải phản kháng quá mức trong điện áp hệ thống điện.
Những ảnh hưởng không mong muốn này có thể giảm bớt nếu lắp thêm một
điện trở nối tiếp, vì thế việc sử dụng các bộ giảm sóc (snubber) RC ngày càng thông
dụng. Tuy nhiên, việc lắp thêm trở kháng này sẽ làm giảm tác dụng kẹp điện áp.
Có một giới hạn cơ bản về cách sử dụng bộ lọc cho việc bảo vệ quá áp. Bộ lọc
có đáp ứng như là một hàm tuyến tính của dòng điện. Đây là một bất lợi lớn trong
trường hợp không biết nguồn quá độ và phải giả định trở kháng nguồn hay điện áp hở
mạch. Nếu sự giả định đặc tính của quá độ tác động sai, hậu quả là bộ bảo vệ quá áp
tuyến tính không còn tác dụng. Một thay đổi nhỏ của trở kháng nguồn có thể làm tăng
điện áp kẹp một cách không tương xứng.
1.5.2. Máy biến áp cách ly
Tổng quát, máy biến áp cách ly gồm hai cuộn dây sơ cấp và thứ cấp, với tấm
chắn tĩnh điện giữa các cuộn dây. Máy biến áp cách ly được đặt giữa nguồn và thiết bị
được yêu cầu bảo vệ. Như tên gọi, không có đường dẫn nào giữa cuộn sơ và cuộn thứ
cấp. Đã có một sự tin tưởng rộng rãi là “máy biến áp cách ly làm suy giảm các gai
nhọn điện áp” và “quá độ không thể vượt qua các cuộn dây của máy biến áp”. Khi
được ứng dụng một cách đúng đắn, máy biến áp cách ly có tác dụng cắt mạch vòng
nối đất, ví dụ như ngăn chặn điện áp làm việc chung.
Thật đáng tiếc, một máy biến áp cách ly đơn giản không cung cấp sự suy giảm
trong các phương thức làm việc khác nhau. Vì thế một quá độ phương thức khác có
thể truyền xuyên qua các cuộn dây của thiết bị. Cũng vậy máy biến áp cách ly sẽ
không có tác dụng điều khiển điện áp.
1.5.3. Khe hở phóng điện
Khe hở phóng điện là một kỹ thuật triệt xung quá áp dạng đòn bẫy. Trong suốt
quá trình quá áp, thiết bị đòn bẫy thay đổi từ cách điện sang dẫn điện gần như lý
tưởng. Thiết bị đòn bẫy triệt quá độ bởi một lực rất mạnh, (chúng có hiệu quả như

việc thả một đòn bẫy kim loại băng ngang hệ thống). Dạng chính của thiết bị đòn bẫy
là chống sét van ống phóng khí.
18

Khe hở phóng điện đầu tiên được đề cập là các khối carbon. Các bộ triệt xung
khối carbon này sử dụng nguyên tắc hồ quang điện áp xuyên qua khe hở không khí.
Khe hở kích thước nhỏ nhất được dùng để cung cấp mức độ bảo vệ thấp nhất mà
không gây nhiễu hoạt động bình thường của hệ thống. Khi một quá áp quá độ xuất
hiện trong hệ thống, khe hở không khí trong khối carbon sẽ bị ion hóa và bị đánh
thủng. Sự đánh thủng khe hở tạo thành một đường dẫn đến đất với trở kháng rất thấp
vì thế làm trệch hướng xung quá độ khỏi các thiết bị. Ngay sau khi tình trạng quá áp
kết thúc, khe hở không khí phục hồi và hệ thống hoạt động tiếp tục.
Sự bất lợi của kỹ thuật khe hở phóng điện khối carbon là các xung phá hủy bề
mặt của khối carbon trong khoảng thời gian ngắn, vì thế tạo ra các mảnh nhỏ của bề
mặt chất liệu trong khe hở. Chất liệu này tích tụ sau một số xung và cuối cùng là thu
ngắn khe hở lại dẫn đến phải thay thiết bị bảo vệ. Một bất lợi khác của kỹ thuật này là
khó để điều khiển chính xác đặc tính đánh thủng trên một dãy điều kiện hoạt động
rộng và khác nhau của thiết bị.
Trong quá trình cố gắng khắc phục các bất lợi của khối carbon, một khe hở
phóng điện kín được phát triển sử dụng khí trơ trong một vỏ bọc gốm (ceramic). Kỹ
thuật này được biết như là chống sét van xung dạng ống phóng khí. Trong chế độ
không dẫn điện, trở kháng của nó lên đến hàng GOhm. Khí này bị ion hóa tại một
điện áp định trước và cung cấp một đường dẫn đến đất có trở kháng cực thấp. Ngay
sau khi tình trạng quá áp kết thúc, khí này hết bị ion hóa và mạch điện phục hồi lại
hoạt động bình thường tiếp tục.
Ống phóng khí là một thiết bị 2 chiều vốn có và bao gồm 2 hay 3 cực nằm đối
diện nhau trong một buồng bịt kín. Khi mà điện áp ngang qua ống phóng khí vượt quá
một giới hạn nào đó, như là điện áp đánh thủng hay điện áp cháy, nó sinh ra hồ quang
điện. Hồ quang này giới hạn điện áp của các thiết bị nối với nó. Ống phóng khí có
điện áp cháy một chiều từ 150V đến 1000V. Chúng có điện trở shunt nhỏ nhất trong

tất cả các bộ triệt xung quá độ phi tuyến, nó khoảng vài mOhm. Điện dung của chúng
thì nhỏ từ 1pF đến 5pF, và chúng rất phổ biến trong các ứng dụng truyền tải tần số
cao, chẳng hạn như hệ thống điện thoại. Một thuận lợi của kỹ thuật này là nó có thể
chịu đựng xung dòng cao (lên đến 20kA).
Trong các ứng dụng có điện áp hoạt động bình thường trong mạch xoay chiều
chính, có khả năng ống phóng khí sẽ không phục hồi lại một khi nó đã cháy và triệt
xung quá độ. Điều kiện này phụ thuộc vào dòng điện mà được định nghĩa bởi ANSI
như sau: “dòng điện chảy qua thiết bị tần số công nghiệp cung cấp bởi nguồn, dòng
19

điện kèm theo dòng phóng điện hồ quang”. Dòng điện kèm theo này chảy trong khe
hở khí đã bị ion hóa sau khi quá điện áp chấm dứt và điều đáng quan tâm là dòng điện
kèm theo này có thể không thể tự dập tắt khi dòng đi qua giá trị 0.
1.5.4. Diod thác Silic
Mặc dù hiếm khi được sử dụng trong mạch điện xoay chiều chính, do khả năng
chịu đựng xung quá độ rất thấp, diod thác silic là một bộ triệt xung quá độ tuyệt vời
trong mạch điện điện áp thấp một chiều. Diod thác được thiết kế với mối nối lớn hơn
diod Zener tiêu chuẩn. Mối nối lớn này tạo cho chúng khả năng giải phóng năng
lượng lớn hơn diod Zener. Diod thác cung cấp điện áp kẹp chặt nhất mà một thiết bị
có thể làm. Khi điện áp cung cấp lớn hơn ngưỡng đánh thủng của thiết bị, diod sẽ dẫn
điện theo hướng ngược lại.
Công suất xung đỉnh định mức thường được cho trong bảng dữ liệu của diod.
Giá trị thông dụng là 600W và 1.500W. Công suất xung đỉnh này là kết quả của dòng
điện xung đỉnh định mức lớn nhất I
PP
và điện áp kẹp lớn nhất V
C
trong suốt khoảng
thời gian quá độ xung 10/1000


s. Việc sử dụng công suất đỉnh định mức có thể
nhầm lẫn khi xung quá độ khác 10/1000

s. Năng lượng định mức lớn nhất của
những xung quá độ ngắn, không lặp lại được cung cấp tương tự như MOV có lẽ sẽ
hữu ích hơn cho công tác thiết kế.
Đặc tính V-I chính là đặc trưng tốt nhất của diod thác. Một thiết bị hạ áp cực
tốt. Diod thác có khả năng kẹp điện áp tuyệt vời, nhưng chỉ vượt phạm vi dòng một
chút (10 lần). Điểm bất lợi lớn nhất khi sử dụng diod thác như là bộ triệt xung quá độ
trong mạch xoay chiều chính là khả năng chịu đựng dòng đỉnh thấp.
1.5.5. Biến trở oxid kim loại (MOV)
Biến trở oxid kim loại (MOV) là một thiết bị phi tuyến có đặc tính duy trì mối
quan hệ: điện áp 2 đầu của nó thay đổi rất ít trong khi dòng điện xung không đối xứng
rất lớn chảy qua nó. Hoạt động phi tuyến này cho phép MOV làm trệch hướng dòng
điện xung khi mắc song song băng ngang đường dây và giữ điện áp ở mức mà bảo vệ
được thiết bị nối với đường dây đó. Bởi vì điện áp ngang qua thiết bị MOV được giữ
tại một số mức cao hơn điện áp đường dây bình thường khi dòng xung chảy qua, nên
sẽ có năng lượng tồn tại trên biến trở trong suốt thời gian làm trệch hướng xung quá
độ của nó.
Kỹ thuật dẫn điện cơ bản của MOV là kết quả của các mối nối bán dẫn (mối
nối P-N) tại biên của các hạt oxid kẽm (ZnO). MOV là một thiết bị nhiều mối nối với
20

hàng triệu hạt hoạt động phối hợp mắc nối tiếp-song song giữa 2 điện cực. Điện áp rơi
trên 1 hạt đơn gần như là hằng số và không phụ thuộc vào kích cỡ của hạt.
Biến trở oxid kim loại cấu tạo chính bởi oxid Zn cộng với một số kim loại như
bismuth, cobalt, manganses và các oxid kim loại khác. Cấu trúc biến trở gồm một ma
trận các hạt oxid ZnO dẫn điện bị ngăn cách nhau bởi biên của các hạt, chính là mối
nối P-N mang đặc tính bán dẫn. Khi MOV tiếp xúc với xung, oxid ZnO biểu lộ đặc
tính “hoạt động chủ yếu” cho phép nó dẫn một lượng lớn dòng mà không bị hư hỏng.

Hành động chủ yếu này có thể dễ dàng giải thích bởi việc hình dung cấu tạo của
MOV gồm một dãy các mối nối P-N sắp xếp nối tiếp và song song vì thế dòng xung
được chia nhỏ giữa các hạt. Bởi vì trở kháng có hạn của các hạt, chúng hoạt động như
các điện trở giới hạn dòng điện và do đó dòng điện được phân phối thông qua phần
chủ yếu của chất liệu theo cách mà làm giảm sự tập trung dòng tại mỗi mối nối.
Thiết bị MOV đã được nghiên cứu rất nhiều và trở thành một thiết bị bảo vệ
quá áp hoàn thiện trên mạng xoay chiều hạ thế. Bản chất chủ yếu của cấu trúc của nó
đã khiến nó có đủ khả năng để xử lý các hậu quả quá độ mức II từ các nguồn sét
không trực tiếp.
MOV vừa có giá cả hợp lý lại có nhiều kích cỡ và không có số lần vượt quá
đáng kể. Không có dòng điện chảy kèm theo tần số công nghiệp và thời gian đáp ứng
của chúng thì đủ tốt hơn đối với các dạng quá độ trong mạch xoay chiều chính.
Dưới điều kiện quá độ năng lượng cao vượt quá định mức thiết bị, đặc tính V-
I của biến trở được thay đổi. Sự thay đổi này phản ánh qua việc giảm điện áp của biến
trở . Sau khi chịu một xung lần thứ hai hay thứ 3, điện áp biến trở có thể trở về giá trị
ban đầu của nó. Một cách thận trọng, giới hạn xung đỉnh đã được thiết lập, trong
nhiều trường hợp, đã vượt quá nhiều lần mà không làm hư hại thiết bị. Những nghiên
cứu và kiểm tra thí nghiệm đã chỉ ra rằng sự giảm phẩm chất của MOV có lẽ là
nguyên nhân ảnh hưởng đối với sự an toàn của thiết bị được bảo vệ sau khi một số
xung vượt ngoài định mức của thiết bị. Điều này không có nghĩa là giới hạn thiết lập
sẽ được bỏ qua nhưng lại được xem xét trong triển vọng định nghĩa một thiết bị hư
hỏng. Một thiết bị hư hỏng được định nghĩa bởi việc thay đổi

10% điện áp của biến
trở tại 1mA. Điều này không đưa đến kết quả là thiết bị đó không còn bảo vệ, nhưng
đúng hơn đó là một thiết bị mà điện áp kẹp đã biến đổi một ít.



21

1.6 CÁC THIẾT BỊ CHỐNG SÉT LAN TRUYỀN TRÊN ĐƢỜNG CẤP
NGUỒN HẠ ÁP
1.6.1 Thiết bị cắt sét
Được mắc song song với tải, thiết bị này có nhiệm vụ tản năng lượng sét vào
đất. khi mạng điện hoạt động bình thường, thiết bị cắt sét là một điện trở có tổng trở
rất lớn, nhưng lúc xuất hiện xung sét trên đường dây gây nên sự chênh lệch điện áp
trên hai đầu thiết bị, nếu điện áp chênh lệch này vượt quá điện áp ngưỡng sẽ làm cho
thiết bị hoạt động và dẫn phần lớn năng sét vào đất.








Hình 1.12. Tủ phân phối chính với thiết bị chống sét trên đường truyền
Do thiết bị cắt sét chỉ có khả năng tiêu tán năng lượng sét và giới hạn điện áp mà
không có khả năng giảm tốc độ biến thiên dòng sét di/dt và tốc độ biến thiên điện áp
sét dV/dt. Chính tốc độ tăng dòng và tăng áp này là nguyên nhân gây hư hỏng các
thiết bị điện nhạy cảm. Vì vậy, cần phải mắc thêm một thiết bị lọc sét vào phía sau
thiết bị cắt sét nhằm đưa ra mức điện áp và tốc độ biến thiên dòng, áp thích hợp cho
các loại thiết bị điện.

Hình 1.13. Một số thiết bị chống sét lan truyền trên đường nguồn và đường tín hiệu
22

1.6.2 Thiết bị lọc sét
Thiết bị lọc sét này được mắc nối tiếp với tải hoạt động của thiết bị là cho ra

mức điện áp thích hợp với hầu hết các thiết bị điện, giảm điện áp dư sau khi đã qua
thiết bị cắt sét, đảm bảo biên độ điện áp giảm qua thiết bị luôn nằm trong giới hạn cho
phép (230V) và giảm khoảng 1000 lần tốc độ tăng áp, tăng dòng của sét vào thiết bị.
Thiết bị lọc sét còn hiệu chỉnh tốc độ biến thiên dòng điện và biến thiên điện áp của
các dạng quá áp ở mức chấp nhận được. Cáp vào ra khỏi bộ lọc (cả dây nối đất) nên
được tách riêng với nhau một khoảng cách tối thiểu 300mm. Điều này sẽ ngăn bất kỳ
các quá độ đi vào cáp vào cảm ứng sang cáp ra (cáp sạch). Nếu không gian lắp đặt
không cho phép nên đặt hai dây cáp này thẳng góc với nhau và không được nằm song
song với nhau.
1.7. CÁC TIÊU CHUẨN TRONG BẢO VỆ QUÁ ÁP
Với sự phát triển của thiết bị điện tử, thiết bị điện và điện tử dựa trên mạch
điện bán dẫn và bộ vi xử lý được sử dụng rộng rãi. Những thiết bị điện và điện tử tiên
tiến này có khả năng chịu được dung lượng xung sét yếu. Việc xuất hiện xung sét
trong hệ thống nguồn cấp điện sẽ gây ra sự cố hoặc phá hủy các thiết bị này. Quá điện
áp thay đổi khác nhau sinh ra bởi sét đánh và việc đóng cắt có tải là nguồn gốc chính
của sự cố.
Kết quả của việc quá áp hệ thống luôn luôn sinh ra từ sét đánh, nhưng nó lại
không phải là kết quả từ việc sét đánh trực tiếp. Thật ra, sự nguy hiểm của hầu hết
thiết bị là do xung sét cảm ứng chạy dọc theo ống dẫn kim loại, cáp điện và các hệ
thống đấu nối chung với hệ thống nối đất.
Do đó, các thiết bị bảo vệ chống sét được sử dụng rộng rãi ở hệ thống phân
phối hạ thế để chống lại sự ảnh hưởng của xung sét gây ra. Việc lắp đặt và cấu hình
của các thiết bị chống sét có liên quan đến xung sét trong những vùng khác nhau tùy
theo vào loại cấp vị trí của ANSI/IEEE Std. C62.41-1991 và cấp lắp đặt của
IEC60664-1.
1.7.1. Bảo vệ quá áp theo ANSI/IEEE
Theo ANSI/IEEE Std. C62.41-1991 định nghĩa có ba mức độ quá điện áp ở các công
trình dựa trên các cấp vị trí như sau:
- Cấp C là vị trí của bên ngoài và đường nguồn hạ áp cấp điện cho tòa nhà.
- Cấp B là cấp vị trí của đường dây cáp ngầm và mạch điện nhánh ngắn.

- Cấp A là cấp vị trí lối ra và mạch điện nhánh dài, dài hơn 10m so với cấp B hoặc dài
hơn 20m so với cấp C.
23

1.7.2. Bảo vệ quá áp theo IEC
Theo IEC60664-1, có bốn mức quá độ điện áp được định nghĩa dựa trên cấp lắp đặt.
Quá điện áp loại IV dành cho thiết bị sử dụng ở ngõ vào tòa nhà (đường nguồn hạ
áp) như đồng hồ điện, thiết bị công nghiệp và thiết bị bảo vệ quá dòng sơ cấp. Thiết bị
chịu được điện áp <6000V. Quá điện áp cấp III dành cho thiết bị ở tủ điện chính và
cho trường hợp mà ở đó độ tin cậy và tính sẵn sàng của thiết bị phụ thuộc vào những
yêu cầu đặc biệt như các công tắc ở tủ điện chính. Thiết bị này chịu được điện áp
<4000V.
Quá điện áp loại II dành cho thiết bị tiêu thụ điện từ tủ điện chính như thiết bị,
dụng cụ di động và thiết bị gia đình. Ở thiết bị này thường chịu được điện áp <2500V.
Quá điện áp loại I dành cho thiết bị nối với mạch điện mà sự đo lườngđược đưa
vào để giới hạn quá điện áp tạm thời ở mức thấp thích hợp như mạch điện tử. Thiết bị
nhạy cảm này chỉ chịu được điện áp <1500V.

Hình 1.14. Các cấp độ bảo vệ quá áp dựa vào khả năng chịu quá áp của thiết bị
1.7.3. Hệ thống bảo vệ chống sét hạ áp
Để bảo vệ quá áp cho các thiết bị dùng điện trong nhà, người ta thực hiện lắp đặt
các thiết bị chống sét theo các mạng khác nhau nhằm bảo vệ một cách có hiệu quả các
thiết bị dùng điện.
Cấu trúc hệ thống bảo vệ quá áp trong mạng hạ áp phải tuân thủ theo các yêu cầu
khác nhau, cụ thể tùy thuộc vào:
Số lượng thiết bị, loại thiết bị bảo vệ quá áp, cách bố trí lắp đặt,…
Lắp đặt thiết bị bảo vệ sao cho giới hạn quá áp phù hợp với mức cách điện xung
của thiết bị được bảo vệ.
Khả năng chịu dòng ngắn mạch của thiết bị bảo vệ quá áp phải lớn hơn giá trị
24

dòng ngắn mạch có thể xuất hiện tại vị trí lắp đặt.
Khoảng cách giữa các thiết bị bảo vệ và thiết bị được bảo vệ.
 Đối với mạng điện 1 pha, 3 pha hạ áp thông thường thiết bị bảo vệ quá áp được
lắp đặt theo các trường hợp sau: (Hình 1.15a, 1.15b).








Hình 1.15a. Cách lắp đặt thiết bị bảo vệ quá áp hạ thế (loại đơn cực và đa cực) dùng
cho mạng điện 1 pha










Hình 1.15b. Cách lắp đặt thiết bị bảo vệ quá áp hạ thế (loại đơn cực và đa cực) dùng
cho mạng điện 3 pha
Từ cách bố trí, lắp đặt thiết bị bảo vệ quá áp, cấu trúc hệ thống bảo vệ quá áp đa
cấp được trình bày qua Bảng 1.2.
Mạng trung tính cách ly (trung tính máy biến áp cách ly với đất)

- DM (Differential Mode): Trạng thái này thiết bị bảo vệ quá áp được đặt giữa dây
pha và dây trung tính của lưới điện.
- CM (Common Mode): Trạng thái mà thiết bị bảo vệ được lắp đặt giữa dây pha và
dây bảo vệ nối đất (PE), giữa dây trung tính và dây PE, giữa dây pha và dây PEN.
25


Bảng 1.2. Trạng thái bảo vệ quá áp đối với lưới điện hạ áp
1.7.4 Chống sét lan truyền
Hệ thống chống sét lan truyền thường bao gồm các thiết bị sau:
 Thiết bị chống sét lan truyền trên đường nguồn gồm có thiết bị cắt sét 1 pha, thiết
bị cắt sét 3 pha, thiết bị cắt lọc sét 1 pha và thiết bị cắt lọc sét 3 pha
 Thiết bị chống sét trên đường tín hiệu, viễn thông
 Cáp thoát sét
 Thiết bị đếm sét
 Hộp kiểm tra điện trở tiếp đất
 Hệ thống tiếp địa chống sét lan truyền.

Hình 1.16 Hệ thống chống sét lan truyền