Lựa chọn thiết bị chống sét lan truyền cho hệ thống quang điện – Các loại thiết bị chống sét lan truyền (SPD)

Sản xuất điện năng lượng mặt trời (PV) là nguồn năng lượng tái tạo quan trọng và có tính cạnh tranh kinh tế cao so với sản xuất điện truyền thống. Các hệ thống PV phân tán quy mô nhỏ, chẳng hạn như các tấm pin mặt trời trên mái nhà, đang ngày càng phổ biến. Hệ thống PV trên mái nhà bao gồm cả phân phối điện xoay chiều (AC) và điện một chiều (DC) với điện áp lên đến 1500V. Phía DC, đặc biệt là các tấm pin PV, có thể tiếp xúc trực tiếp với sét đánh ở những khu vực có nguy cơ cao, khiến chúng dễ bị hư hại do sét đánh.

Hệ thống chống sét cho các công trình xây dựng được chia thành bảo vệ bên ngoài (Hệ thống chống sét, LPS) và bảo vệ bên trong (Các biện pháp chống xung điện, SPM), dựa trên nguy cơ sét đánh. Thiết bị chống xung điện (SPD), là một phần của hệ thống bảo vệ bên trong, có chức năng bảo vệ chống lại các quá áp thoáng qua do sét đánh trong khí quyển hoặc các thao tác chuyển mạch gây ra. SPD được lắp đặt bên ngoài thiết bị cần bảo vệ và chủ yếu hoạt động như sau: khi không có xung điện trong hệ thống điện, SPD không ảnh hưởng đáng kể đến hoạt động bình thường của hệ thống mà nó bảo vệ. Khi xảy ra xung điện, SPD cung cấp trở kháng thấp, chuyển hướng dòng điện xung qua chính nó và giới hạn điện áp ở mức an toàn. Sau khi xung điện đã qua và bất kỳ dòng điện dư nào đã tắt, SPD trở lại trạng thái trở kháng cao.

1. Vị trí lắp đặt thiết bị chống sét lan truyền (SPD)

Vị trí lắp đặt các thiết bị chống sét lan truyền (SPD) được xác định theo mức độ nguy cơ sét đánh và dựa trên khái niệm Vùng chống sét (LPZ) trong tiêu chuẩn IEC 62305. Điện áp quá độ được giảm dần xuống mức an toàn, mức này phải thấp hơn điện áp chịu đựng của thiết bị được bảo vệ. Như minh họa trong Hình, các SPD được lắp đặt tại ranh giới của các vùng này, tạo ra khái niệm bảo vệ chống sét lan truyền đa cấp được sử dụng trong các hệ thống điện áp thấp. Đối với hệ thống quang điện (PV), trọng tâm là ngăn chặn xung sét xâm nhập qua phía AC và DC, từ đó bảo vệ các thành phần quan trọng như biến tần.

2. Các loại thiết bị chống sét lan truyền (SPD) - Lớp kiểm tra

Theo tiêu chuẩn IEC 61643-11, các thiết bị chống sét lan truyền (SPD) được phân loại thành ba loại thử nghiệm dựa trên loại xung dòng điện sét mà chúng được thiết kế để chịu được. Thử nghiệm loại I (được đánh dấu là T1) nhằm mô phỏng các dòng điện sét cục bộ có thể dẫn vào tòa nhà. Chúng sử dụng dạng sóng 10/350 µs, như thể hiện trong Hình bên dưới, và thường được áp dụng tại ranh giới giữa LPZ0 và LPZ1—chẳng hạn như tại các bảng phân phối chính hoặc các đầu vào máy biến áp hạ thế. SPD cho cấp độ này thường là loại chuyển mạch điện áp, với các thành phần như ống phóng điện khí hoặc khe hở tia lửa điện (ví dụ: khe hở hình loa hoặc khe hở than chì).

Các thử nghiệm Loại II (T2) và Loại III (T3) sử dụng các xung có thời lượng ngắn hơn. Các thiết bị chống sét lan truyền Loại II thường là các thiết bị giới hạn điện áp sử dụng các thành phần như điện trở biến đổi oxit kim loại (MOV). Chúng được thử nghiệm với dòng phóng điện định mức sử dụng dạng sóng dòng điện 8/20 µs (xem Hình bên dưới) và có nhiệm vụ giới hạn thêm điện áp đột biến dư từ thiết bị bảo vệ phía trên. Các thử nghiệm Loại III sử dụng máy phát sóng kết hợp với xung điện áp 1,2/50 µs và xung dòng điện 8/20 µs (xem Hình bên dưới), mô phỏng các xung đột biến gần thiết bị sử dụng cuối.

3. Loại kết nối của thiết bị chống sét lan truyền (SPD)

Có hai chế độ bảo vệ chính chống lại quá áp thoáng qua. Chế độ đầu tiên là bảo vệ chế độ chung (CT1), được thiết kế để bảo vệ chống lại các xung điện giữa các dây dẫn mang điện và PE (nối đất bảo vệ). Ví dụ, sét đánh có thể đưa điện áp cao so với mặt đất vào hệ thống. Bảo vệ chế độ chung giúp giảm thiểu tác động của các nhiễu loạn bên ngoài như sét đánh, như minh họa bên dưới.

Thứ hai là bảo vệ chế độ vi sai (CT2), giúp bảo vệ chống lại các xung điện giữa dây dẫn pha (L) và dây dẫn trung tính (N). Loại bảo vệ này đặc biệt quan trọng để xử lý các nhiễu loạn bên trong, chẳng hạn như nhiễu điện hoặc nhiễu sóng phát sinh bên trong hệ thống, như thể hiện trong sơ đồ bên dưới.

Bằng cách triển khai một hoặc cả hai chế độ bảo vệ này, hệ thống điện có thể được bảo vệ tốt hơn khỏi các nguồn xung điện tiềm tàng, từ đó nâng cao tuổi thọ và độ tin cậy của thiết bị được kết nối.

Điều quan trọng cần lưu ý là việc lựa chọn chế độ bảo vệ SPD phải phù hợp với hệ thống nối đất hiện có. Đối với hệ thống TN, cả hai chế độ bảo vệ CT1 và CT2 đều có thể được sử dụng. Tuy nhiên, trong hệ thống TT, CT1 chỉ có thể được áp dụng ở phía sau RCD. Trong hệ thống IT—đặc biệt là những hệ thống không có dây dẫn trung tính—bảo vệ CT2 không áp dụng được. Đây là một yếu tố quan trọng cần xem xét trong các hệ thống phân phối DC sử dụng cấu hình nối đất IT. Chi tiết có thể được tìm thấy trong bảng bên dưới.

4. Các thông số chính của thiết bị chống sét lan truyền (SPD)

Theo tiêu chuẩn quốc tế IEC 61643-11, các đặc tính và thử nghiệm của thiết bị chống sét lan truyền (SPD) được kết nối với hệ thống phân phối điện hạ thế được định nghĩa như trong Hình 7.

(1) Mức bảo vệ điện áp (Trên)

Yếu tố quan trọng nhất khi lựa chọn thiết bị chống sét lan truyền (SPD) là mức bảo vệ điện áp (Up), đặc trưng cho hiệu suất của SPD trong việc giới hạn điện áp giữa các cực. Giá trị này phải cao hơn điện áp kẹp tối đa. Điện áp này đạt được khi dòng điện chạy qua SPD bằng dòng điện xả định mức In. Mức bảo vệ điện áp được chọn phải thấp hơn điện áp chịu xung Uw của tải. Trong trường hợp sét đánh, điện áp giữa các cực của SPD thường được giữ ở mức dưới Up. Đối với hệ thống PV DC, tải thường đề cập đến các mô-đun PV và bộ biến tần.

(2) Điện áp hoạt động liên tục tối đa (Uc)

Uc là điện áp DC tối đa có thể được cấp liên tục cho chế độ bảo vệ chống sét lan truyền (SPD). Giá trị này được chọn dựa trên điện áp định mức và cấu hình nối đất của hệ thống, đồng thời đóng vai trò là ngưỡng kích hoạt của SPD. Đối với phía DC của hệ thống PV, Uc phải lớn hơn hoặc bằng Uoc Max của mảng PV. Uoc Max đề cập đến điện áp hở mạch cao nhất giữa các cực mang điện và giữa cực mang điện và đất tại điểm được chỉ định của mảng PV.

(3) Dòng xả định mức (In)

Đây là giá trị cực đại của dòng điện dạng sóng 8/20 μs chạy qua SPD, được sử dụng cho các thử nghiệm Loại II và cho các thử nghiệm tiền xử lý trong Loại I và Loại IITiêu chuẩn IEC yêu cầu thiết bị chống sét lan truyền (SPD) phải chịu được ít nhất 19 lần phóng điện với dòng điện dạng sóng 8/20 μs. Giá trị In càng cao, tuổi thọ của SPD càng dài, nhưng chi phí cũng tăng lên.

(4) Dòng xung (Iimp)

Được xác định bởi ba thông số: dòng điện cực đại (Ipeak), điện tích (Q) và năng lượng riêng (W/R), dòng điện này được sử dụng trong Loại I kiểm tra. Dạng sóng điển hình là 10/350 μs.