SPD là gì? Nguyên lý, thông số & 3 cấp thiết bị chống sét

Trong lĩnh vực điện, SPD là viết tắt của Surge Protective Device, nghĩa là thiết bị chống sét lan truyền. Thiết bị này dùng để bảo vệ hệ thống điện và các đồ dùng trong nhà khỏi các xung điện áp tăng cao đột ngột do sét đánh hoặc do đóng cắt nguồn điện.

Với tư cách là những chuyên gia kỹ thuật thuộc đội ngũ kỹ sư điện mặt trời DAT Group, chúng tôi xây dựng bài viết cẩm nang chuyên sâu này nhằm giải thích bản chất công nghệ của thiết bị chống sét lan truyền SPD, nguyên lý cắt lọc xung sét và hướng dẫn lựa chọn thiết bị đạt chuẩn an toàn quốc tế cho công trình điện mặt trời mái nhà.

Thiết bị chống sét lan truyền SPD là gì?

SPD thông dụng nhất là viết tắt của Surge Protective Device, nghĩa là thiết bị chống sét lan truyền (hoặc thiết bị bảo vệ chống quá áp đột biến) trong ngành điện.

Thiết bị này có nhiệm vụ bảo vệ mạng lưới điện và các thiết bị điện tử nhạy cảm khỏi bị hư hỏng khi có dòng điện hoặc điện áp tăng cao đột ngột (xung sét hoặc xung đóng cắt mạch) bằng cách dẫn dòng năng lượng dư thừa này xuống hệ thống tiếp địa.

Nguyên lý vận hành của thiết bị chống sét lan truyền SPD

Nguyên nhân phát sinh xung quá áp do sét đánh và thao tác đóng cắt lưới điện

Xung điện áp đột biến trong hệ thống điện sinh ra từ hai nguồn chính: xung sét tự nhiên và xung nội bộ từ lưới điện. Khi có sét đánh trực tiếp vào đường dây tải điện hoặc đánh vào mặt đất lân cận trong bán kính 2km, trường điện từ cực mạnh sẽ cảm ứng vào các đường dây dẫn điện tạo ra xung điện áp cao thế từ hàng chục nghìn đến hàng trăm nghìn Volt.

Ngoài ra, các thao tác đóng cắt các thiết bị phụ tải công suất lớn trên lưới điện của Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN) hoặc sự cố ngắn mạch trạm biến áp cũng tạo ra các xung quá áp đóng cắt (Switching Surges).

Những xung này xuất hiện trong khoảng thời gian siêu ngắn tính bằng micro-giây nhưng mang mức năng lượng đủ để xuyên thủng lớp cách điện của các linh kiện bán dẫn công suất IGBT trong biến tần.

Cơ chế dẫn dòng xung sét xuống đất thông qua linh kiện MOV và GDT

Bên trong thiết bị SPD chứa các linh kiện điện tử phi tuyến tính có khả năng biến đổi điện trở cực nhanh, phổ biến nhất là điện trở biến đổi theo điện áp MOV (Metal Oxide Varistor) và ống phóng điện khí GDT (Gas Discharge Tube).

Ở trạng thái hoạt động bình thường với điện áp danh định 220V hoặc 1,000V DC, linh kiện MOV có điện trở cực cao (hàng Mega Ohm), hoạt động như một mạch hở và không cho dòng điện rò rỉ qua.

Khi xuất hiện xung sét làm điện áp trên đường dây tăng vọt vượt quá ngưỡng điện áp kích hoạt, điện trở của MOV lập tức giảm xuống gần bằng 0 chỉ trong vòng dưới 25 nano-giây. Lúc này, SPD mở ra một đường dẫn thông mạch có trở kháng cực thấp, dẫn toàn bộ dòng năng lượng xung sét xuống đất qua cọc tiếp địa. Ngay sau khi xung sét đi qua, SPD tự động phục hồi về trạng thái cách điện cao ban đầu mà không làm gián đoạn nguồn điện cấp cho gia đình.

3 cấp thiết bị chống sét SPD theo tiêu chuẩn quốc tế IEC 61643

1. Thiết bị chống sét Type 1

Thiết bị chống sét Type 1 (Class I) là tầng bảo vệ đầu tiên, được thiết kế để chịu đựng các dòng xung sét trực tiếp có cường độ cực lớn. Thiết bị được thử nghiệm với dạng sóng dòng điện 10/350 micro-giây (mô phỏng năng lượng của tia sét đánh thẳng vào công trình hoặc đường dây không trung).

SPD Type 1 bắt buộc phải được lắp đặt tại tủ điện phân phối chính ngay tại đầu nguồn điện vào công trình đối với các tòa nhà có trang bị hệ thống cột kim thu lôi chống sét đánh thẳng ngoài trời, giúp triệt tiêu phần lớn năng lượng sét trước khi đi sâu vào bên trong nhà.

2. Thiết bị chống sét Type 2

Thiết bị chống sét Type 2 (Class II) là dòng thiết bị phổ biến nhất trong các hệ thống điện dân dụng và điện mặt trời mái nhà. Thiết bị được thử nghiệm với dạng sóng dòng điện 8/20 micro-giây (mô phỏng các xung sét cảm ứng lan truyền gián tiếp và xung quá áp đóng cắt lưới điện).

Trong các hệ thống điện mặt trời hộ gia đình từ 5kWp trở lên, SPD Type 2 được lắp đặt đồng bộ ở cả hai phía: phía một chiều DC (giữa chuỗi tấm pin LONGi và Inverter Solax/Sungrow/GoodWe) và phía xoay chiều AC (giữa cổng ra AC của Inverter và tủ điện tổng gia đình) để bảo vệ toàn diện bo mạch điều khiển của biến tần.

3. Thiết bị chống sét Type 3

Thiết bị chống sét Type 3 (Class III) có khả năng chịu dòng xung sét nhỏ hơn nhưng sở hữu cấp điện áp bảo vệ rất thấp, được thử nghiệm với dạng sóng kết hợp (sóng điện áp 1.2/50 micro-giây và sóng dòng điện 8/20 micro-giây).

Thiết bị Type 3 thường được lắp đặt tại các ổ cắm chuyên dụng hoặc tích hợp ngay bên trong các thiết bị điện tử giá trị cao như máy chủ dữ liệu, tivi cao cấp, dàn âm thanh hoặc thiết bị y tế để triệt tiêu hoàn toàn các xung điện áp dư thừa cuối cùng.

5 thông số kỹ thuật cần kiểm tra trên thiết bị chống sét SPD

1. Điện áp làm việc liên tục cực đại Uc

Chỉ số Uc (Maximum Continuous Operating Voltage) là mức điện áp xoay chiều AC hoặc một chiều DC tối đa mà thiết bị SPD có thể chịu đựng liên tục mà không bị kích hoạt dẫn dòng rò.

Đối với hệ thống điện mặt trời dân dụng, SPD DC phải có Uc lớn hơn điện áp hở mạch cực đại Voc của toàn bộ chuỗi tấm pin (thường chọn Uc từ 600V DC đến 1,000V DC), trong khi SPD AC cho mạng điện sinh hoạt 1 pha thường chọn Uc từ 275V đến 385V AC.

2. Cấp điện áp bảo vệ Up

Chỉ số Up (Voltage Protection Level) biểu thị mức điện áp dư tối đa xuất hiện giữa hai đầu cực của SPD khi thiết bị đang dẫn dòng xung sét xuống đất. Cấp điện áp Up của SPD bắt buộc phải thấp hơn khả năng chịu đựng điện áp xung (Impulse Withstand Voltage) của thiết bị cần bảo vệ.

3. Dòng xả danh định In và dòng xả cực đại Imax

Chỉ số In (Nominal Discharge Current) là giá trị đỉnh của dòng xung sét dạng sóng 8/20 micro-giây mà SPD có thể dẫn an toàn xuống đất ít nhất 15 lần liên tiếp mà không bị suy giảm phẩm chất (thường chọn In từ 15kA đến 20kA).

Chỉ số Imax (Maximum Discharge Current) là giá trị dòng sét cực đại tối đa mà SPD có thể chịu đựng một lần duy nhất mà không bị nổ vỡ (thường từ 40kA đến 65kA cho các tủ điện solar chất lượng cao).

4. Dòng xung sét cực đại Iimp dạng sóng 10 trên 350 micro-giây

Chỉ số Iimp (Impulse Discharge Current) chỉ xuất hiện trên các thiết bị chống sét Type 1 hoặc Type 1+2 kết hợp. Chỉ số này phản ánh năng lượng dòng sét đánh thẳng thực tế mà SPD có thể giải tỏa xuống đất an toàn, với các giá trị tiêu chuẩn từ 12.5kA đến 25kA trên mỗi cực bảo vệ.

5. Cửa sổ chỉ thị trạng thái cảnh báo hỏng hóc

Các khối mô-đun SPD chất lượng cao luôn được tích hợp cửa sổ hiển thị trạng thái cơ khí trực quan trên mặt trước. Khi thiết bị còn hoạt động tốt, cửa sổ hiển thị màu xanh lá cây (Green).

Khi linh kiện MOV bên trong bị quá nhiệt hoặc đã hấp thụ quá nhiều lần xung sét dẫn đến đứt cầu chì nhiệt nội bộ, cửa sổ sẽ lập tức chuyển sang màu đỏ (Red), cảnh báo người dùng cần rút mô-đun hỏng ra thay thế ngay lập tức.

Bảng so sánh thông số và vị trí lắp đặt giữa các cấp SPD Type 1 Type 2 và Type 3

Câu hỏi thường gặp về thiết bị chống sét SPD

Nhà đã có cột thu lôi chống sét đánh thẳng thì có cần lắp thêm SPD không?

Ngôi nhà có cột kim thu lôi ngoài trời bắt buộc phải lắp đặt thêm thiết bị chống sét lan truyền SPD. Cột thu lôi chỉ có nhiệm vụ hứng tia sét đánh trực tiếp vào cấu trúc mái nhà và truyền xuống đất, nhưng khi dòng sét chạy qua dây thoát sét, trường điện từ cực lớn xung quanh sẽ cảm ứng vào toàn bộ hệ thống dây điện trong nhà.

Làm sao để biết thiết bị chống sét SPD đã bị hỏng cần phải thay thế?

Người dùng có thể nhận biết tình trạng của SPD thông qua cửa sổ chỉ thị màu trên mặt trước thiết bị:

• Màu xanh lá cây (Green): Thiết bị đang hoạt động bình thường và sẵn sàng cắt lọc xung sét.

• Màu đỏ (Red): Linh kiện MOV bên trong đã bị nung chảy hoặc đứt cầu chì nhiệt bảo vệ sau khi hấp thụ xung sét quá tải. Khi thấy màu đỏ, thiết bị đã mất hoàn toàn khả năng chống sét và cần được thay thế mô-đun mới ngay lập tức.

Có thể dùng chung SPD AC cho mạch điện một chiều DC từ tấm pin không?

Tuyệt đối không được dùng SPD AC cho mạch điện một chiều DC của giàn pin mặt trời. Dòng điện DC từ tấm pin không có điểm đi qua 0 tự nhiên nên rất khó dập tắt tia hồ quang khi linh kiện bị đánh thủng.