Bảo vệ máy biến áp chống quá áp: Cách lựa chọn bộ chống sét cho sóng sét và sóng đóng cắt

Một giám sát viên kỹ thuật ở miền nam Luzon đã gửi email cho chúng tôi một bức ảnh về một thiết bị được lắp đặt vào tháng Tám năm ngoái, trông hoàn toàn bình thường vào ngày được nghiệm thu: một máy biến áp kiểu đặt trên nền đất (pad-mounted) có điện áp 13,8 kV, một bộ chống sét polymer mới gắn trên giá đỡ, và lớp sơn mới. Có hai chi tiết không nằm trong đặc tả ban đầu. Thứ nhất là bốn feet dây dẫn chì cuộn lại giữa cực đầu ra của bộ chống sét và thân máy biến áp. Thứ hai là dây dẫn nối đất được luồn ngược trở lại qua giá đỡ lắp đặt thay vì đi thẳng xuống tấm tiếp đất. Ba tuần sau, sét đánh trúng đường dây cấp điện. Bộ chống sét sống sót nguyên vẹn mà không để lại dấu vết nào. Tuy nhiên, cuộn sơ cấp thì không.

Chức năng của bộ chống sét — và những điều bộ chống sét không thể làm

Một màn hình LED hiện đại bảo vệ máy biến áp khỏi xung quá áp sơ đồ này dựa trên một biến trở oxit kim loại không có khe hở (gapless metal-oxide varistor). Dưới điện áp tham chiếu, biến trở hoạt động như một mạch hở và chỉ tiêu thụ dòng điện cỡ microampere. Khi vượt quá điện áp tham chiếu, điện trở giảm mạnh, bộ chống sét chuyển dòng xung quá áp xuống đất, rồi nhanh chóng trở lại trạng thái trở kháng cao trước khi nửa chu kỳ tiếp theo bắt đầu. IEEE C62.11-2020 định nghĩa thiết bị đó, bao gồm bộ chống sét oxit kim loại dùng cho mạch điện tần số 48 đến 62 Hz có điện áp trên 1.000 V, nhằm hạn chế xung sét và xung chuyển mạch bằng cách dẫn dòng phóng điện và sau đó tự động giới hạn dòng điện công suất hệ thống. Đây là tiêu chuẩn đang có hiệu lực, được xuất bản vào tháng 9 năm 2020.

Bộ chống sét không hấp thụ xung; nó kẹp (giới hạn) xung. Điện áp thực tế mà cuộn dây chịu đựng chính là điện áp phóng điện của bộ chống sét. cộng điện áp mà xung tạo ra dọc theo dây nối từ đầu cực của bộ chống sét tới điểm được bảo vệ. Cả hai thuật ngữ này đều có thật. Chỉ thuật ngữ thứ hai mới có thể điều chỉnh được bằng cờ lê ngay trong ngày lắp đặt.

Một bộ chống sét được chọn hoàn hảo vẫn có thể được ứng dụng sai. Việc lựa chọn và việc kết nối là hai công việc khác nhau, và người mua thường chỉ uỷ quyền một trong hai công việc đó.

 

 

Bảo vệ biến áp trước xung bắt đầu từ giá trị MCOV, chứ không bắt đầu từ điện áp định mức tính theo kV

Phần lớn các yêu cầu báo giá (RFQ) gửi đến bàn làm việc kỹ thuật của chúng tôi đều chỉ định bộ chống sét theo điện áp định mức — ví dụ: "bộ chống sét 10 kV", "bộ chống sét 18 kV". Con số đó là xếp hạng chu kỳ vận hành, và riêng bản thân nó gần như không nói lên điều gì về việc thiết bị đó có phù hợp với hệ thống của bạn hay không. Con số quyết định ứng dụng thực tế là MCOV : điện áp vận hành liên tục cực đại — tức là điện áp hiệu dụng (RMS) cao nhất mà bộ chống sét có thể chịu đựng liên tục trên hai đầu nối của nó mà không bị quá nhiệt.

MCOV được xác định bởi hệ thống nối đất, chứ không phải bởi máy biến áp. Trên một hệ thống nối đất hiệu quả, bộ chống sét chịu điện áp dây-đất trong điều kiện vận hành bình thường, do đó yêu cầu là chính giá trị điện áp dây-đất cực đại — 7,65 kV trên hệ thống đa điểm nối đất 12,47 kV. Trên một hệ thống không nối đất hoặc nối đất qua trở kháng, sự cố pha-đất khiến các pha còn lại đạt gần bằng toàn bộ điện áp pha-phối, nên quy tắc trở thành MCOV bằng hoặc lớn hơn 90 phần trăm điện áp pha-phối cực đại. Cùng một máy biến áp, cùng một cấp điện áp, nhưng hai bộ chống sét hoàn toàn khác nhau.

Điện áp dây-dây của hệ thống (kV, danh định)	MCOV bộ chống sét — hệ thống nối đất hiệu quả (kV)	MCOV bộ chống sét — hệ thống nối đất qua trở kháng hoặc không nối đất (kV)
4.16	2.55	5.10
12.47	7.65	15.30
13.80	8.40	15.30
24.94	15.30	29.00
34.50	22.00	Không được khuyến nghị

Các giá trị đó được trích từ dữ liệu ứng dụng bộ chống sét do Hubbell Power Systems công bố, và phù hợp với những gì chúng ta quan sát thấy trên các hệ thống phân phối Bắc Mỹ ( Catalog Hubbell số 70, Surge Arresters hệ quả thực tiễn xứng đáng được nêu rõ một cách thẳng thắn. Nếu một đặc tả kỹ thuật ghi là "hệ thống không nối đất" nhưng thực tế hệ thống lại là hệ thống bốn dây có nhiều điểm nối đất, bạn sẽ mua bộ chống sét có điện áp vận hành tối đa cho phép (MCOV) cao gấp khoảng hai lần mức cần thiết — và điều này khiến bạn phải trả giá bằng điện áp phóng điện cao hơn, trong khi chính con số này là thứ bạn đang cố gắng giữ ở mức thấp nhất.

Một mối quan hệ bổ sung khác cũng hữu ích khi bạn đọc bảng thông số kỹ thuật: điện áp định mức của bộ chống sét thường vào khoảng 1,25 lần MCOV của nó. Đó là lý do vì sao một bộ chống sét phân phối định mức 10 kV thường có MCOV khoảng 8,4 kV, và cũng là lý do cả hai giá trị này đều thay đổi đồng thời khi bạn thay đổi giả định về cách nối đất đối với cùng một máy biến áp.

 

Chiều dài dây dẫn, cách nối đất và biên độ bảo vệ thực tế có ý nghĩa

Đây là phần mà hầu hết người mua bỏ sót. Mỗi foot dây dẫn nối giữa bộ chống sét và thiết bị được bảo vệ làm tăng điện áp lên cách điện trong trường hợp xung, vì dòng điện phải di chuyển quãng đường đó và quay trở lại.

Chiều dài dây dẫn nối bộ chống sét (foot)	Điện áp tăng thêm ở dòng 10 kA (kV)	Tỷ lệ so với cấp cách điện xung (BIL) 95 kV của cuộn dây
1	1.6	1.7%
2	3.2	3.4%
4	6.4	6.7%
10	16.0	16.8%

 

 

Thị trường biên độ bảo vệ là phép tính số học kết nối toàn bộ các yếu tố này lại với nhau. Lấy cấp cách điện xung (BIL) của cuộn dây trừ đi điện áp phóng điện của bộ chống sét và phần đóng góp do dây dẫn nối, sau đó chia kết quả cho BIL. Đối với máy biến áp phân phối 13,8 kV, cấp cách điện sơ cấp tiêu chuẩn là 95 kV BIL, và biên độ bảo vệ tối thiểu được khuyến nghị biên độ bảo vệ là 20 phần trăm. Một đoạn dây dẫn nối dài 10 foot tiêu thụ 16 kV trong tổng số 95 kV đó — gần bằng toàn bộ biên độ bảo vệ được khuyến nghị, trước khi tính đến bất kỳ kV nào của điện áp phóng điện từ bộ chống sét.

Việc nối đất thất bại một cách âm thầm tương tự như vậy. Dây nối đất nên được lắp ngắn, thẳng và tách biệt với giá đỡ gắn kết, kết nối trực tiếp vào một miếng đệm chuyên dụng được hàn nối với bể chứa và với mạng nối đất của trạm. Việc dẫn đường nối đất qua các chi tiết cơ khí như bu-lông hoặc giá đỡ tạo ra một mối nối dễ bị ăn mòn, lỏng lẻo và làm tăng trở kháng đúng vào thời điểm xung sét xuất hiện. NFPA 780 , Tiêu chuẩn về Lắp đặt Hệ thống Bảo vệ Chống Sét, là phiên bản hiện hành năm 2026 và là tài liệu tham khảo chủ yếu mà hầu hết thanh tra Bắc Mỹ sử dụng. Hãy đọc kỹ tiêu chuẩn này trước khi phê duyệt bố trí hệ thống, chứ không phải sau khi xảy ra sự cố.

 

Lựa chọn Loại Bộ chống sét Phù hợp cho Máy biến áp Bạn Đang Mua

Các bộ chống sét được phân loại theo năng lượng xung và dòng sự cố mà chúng có khả năng chịu đựng được; loại bộ chống sét cần phù hợp với mức độ quan trọng của thiết bị nằm phía sau nó — chứ không phụ thuộc vào giá trị đơn hàng.

Loại bộ chống sét	Ứng dụng điển hình	Ghi chú chọn lựa
Phân phối	máy biến áp phân phối điện áp 12,47–34,5 kV, loại đặt trên mặt đất (pad-mounted), cột nâng (riser poles)	dòng điện xả định mức 10 kA. Loại tiêu chuẩn phù hợp với các đường dây phân phối nông thôn tải nhẹ; loại nặng dùng khi thiết bị đặt ngoài trời hoặc đường dây dài.
Trung cấp	Trạm biến áp nhỏ, tủ đóng cắt trung thế, máy biến áp trên 5 MVA	Khả năng hấp thụ năng lượng cao hơn loại phân phối. Dùng khi thiết bị được bảo vệ có giá trị cao và mức độ phơi nhiễm lớn.
Trạm	Máy biến áp cấp truyền tải và trạm biến áp quan trọng	Khả năng hấp thụ năng lượng và chịu dòng sự cố cao nhất. Hành vi xả áp và yêu cầu phân cấp được nêu rõ trong tiêu chuẩn IEEE C62.11.

Tại các máy biến áp lắp trên bệ ở Bắc Mỹ, bộ chống sét thường được bắt bu-lông vào thân máy bằng giá đỡ và nắp chuyên dụng, còn dây nối đất được đấu vào tấm kim loại hàn sẵn trên thành thân máy. Việc này không mang tính trang trí. Đây là đường dẫn ngắn nhất thực tế từ chân bộ chống sét tới phần thép được nối đất, đồng thời cũng là đường duy nhất đảm bảo điện cảm của dây nối nằm trong phạm vi mà kỹ sư của chúng tôi đã tính toán khi báo giá.

 

Ba vấn đề về bộ chống sét mà chúng tôi thường xuyên gặp lại tại hiện trường

Chúng tôi yêu cầu ảnh chụp hệ thống lắp đặt hiện có trước khi báo giá thiết bị thay thế, và ba kiểu bố trí này cứ lặp đi lặp lại.

• Dây dẫn xoắn hoặc uốn thành vòng. Một đội thi công cầm dây dẫn dài 6 ft và chỉ cần dùng 18 in. sẽ cuộn phần dây còn lại một cách gọn gàng dọc theo bể chứa. Mỗi vòng cuộn đều làm tăng độ tự cảm và điện áp. Hãy rút ngắn dây dẫn; đừng cố làm nó trông gọn gàng.
• Đường nối đất đi qua giá đỡ lắp đặt. Cách làm này nhanh nhưng sai. Bu-lông gắn giá đỡ không phải là dây dẫn nối đất vào ngày lắp đặt, và chúng cũng sẽ không trở thành dây dẫn nối đất sau hai mùa đông tại khu vực ven biển.
• Chọn bộ chống sét dựa trên công suất kVA của máy biến áp thay vì dựa trên hệ thống nối đất. Giá trị kVA của thiết bị không liên quan đến điện áp hoạt động tối đa cho phép (MCOV). Cấu hình nối đất mới là yếu tố quyết định, và thông tin này được thể hiện rõ ràng bằng một dòng duy nhất trên bản vẽ.

Một sự cố khác ẩn sâu bên trong sự cố đầu tiên. Bộ chống sét phân phối có bộ ngắt cách ly bên ngoài sẽ làm đứt dây dẫn khi bộ chống sét bị chập mạch — đây chính xác là điều bạn mong muốn; tuy nhiên, bộ ngắt cách ly cần một khe hở không khí phải luôn được giữ thông suốt. Chúng tôi từng mở tủ điện và phát hiện chỉ một sợi dây kim loại lỏng lẻo hoặc một tổ côn trùng hình thành trong suốt một mùa đã làm ngắn mạch khe hở này. Bộ chống sét vẫn còn nguyên tại chỗ, nhưng hoàn toàn không còn thực hiện chức năng bảo vệ.

 

Cách Chúng Tôi Tích Hợp Bảo Vệ Chống Sét Vào Mọi Đơn Hàng Máy Biến Áp

Ryan Electric sản xuất máy biến áp từ năm 2007 và kể từ năm 2023 hoạt động với tư cách là đối tác liên doanh của Eaton. Tại nhà máy Danyang — diện tích 120.000 mét vuông, trang bị hơn 180 bộ thiết bị sản xuất và kiểm tra, sở hữu 37 bằng sáng chế — phòng thử nghiệm điện môi thực hiện các bài kiểm tra định kỳ theo yêu cầu đặc tả dự án đồng thời tiến hành các bài kiểm tra xung cho những thiết kế có yêu cầu, và giá trị BIL in trên nhãn tên gọi chính là mức độ mà thiết kế đã được chứng nhận đạt chuẩn.

Khi một đơn hàng bao gồm bộ chống sét, chúng tôi xác định điện áp hoạt động tối đa liên tục (MCOV) dựa trên cách nối đất hệ thống mà quý khách cung cấp, liệt kê giá đỡ lắp đặt và nắp đậy trong bảng vật tư, đồng thời hàn một miếng tiếp đất để người lắp đặt có điểm nối trực tiếp thay vì chỉ một bu-lông thuận tiện. Đối với các chương trình UL và CSA, giá đỡ, miếng tiếp đất và việc nối đẳng thế thân bình (tank bonding) đều được xem xét như một phần của cụm lắp ráp, chứ không được coi là phụ kiện lắp đặt tại hiện trường.

 

Những thông tin cần đưa vào yêu cầu báo giá (RFQ) cho thiết bị bảo vệ quá áp máy biến áp

Chỉ bốn dòng thông tin trong RFQ sẽ giúp tránh phải điều chỉnh sau này, và không dòng nào mất quá một phút để tìm thấy trên bản vẽ.

• Cách nối đất hệ thống: nối đất hiệu quả, nối đất qua trở kháng, không nối đất hoặc nối hình tam giác (delta) — kèm theo điện áp hệ thống tối đa, chứ không chỉ điện áp định mức.
• Điện áp hoạt động tối đa liên tục (MCOV) yêu cầu nếu quý khách đã có sẵn giá trị này, cùng với loại bộ chống sét dự kiến áp dụng.
• Phương pháp lắp ráp: giá đỡ thân bình, thanh ngang (cross-arm), bên trong tủ điều khiển hoặc ngăn tủ đóng cắt (switchgear cubicle).
• Chiều dài dây dẫn khả thi trong bố trí thực tế và vị trí đặt miếng tiếp đất.

Gửi sơ đồ một dây và bản vẽ mặt bằng hiện trường cùng bốn câu trả lời đó, và chúng tôi sẽ cung cấp lựa chọn bộ chống sét, điện áp phóng điện của nó, ảnh hưởng do dây nối và điện áp biên độ bảo vệ trong báo giá — nhờ đó việc thảo luận diễn ra trên giấy, ngay tại bàn làm việc của bạn, thay vì tại trạm biến áp sau một trận bão. Liên hệ đội kỹ thuật ứng dụng qua địa chỉ [email protected] hoặc truy cập các trang sản phẩm của biến áp Ngâm dầu và biến áp gắn bệ để yêu cầu hỗ trợ xác định kích thước cho một dự án cụ thể.

 

Về tác giả

Bài viết này do đội kỹ thuật ứng dụng của Ryan Electric (Công ty TNHH Ryan Electric Giang Tô), một nhà sản xuất máy biến áp chuyên thực hiện các dự án phân phối, truyền tải điện và năng lượng tái tạo cho khách hàng là các công ty điện lực, trung tâm dữ liệu, công nghiệp và cơ sở hạ tầng trên toàn thế giới, biên soạn. Các kỹ sư của chúng tôi xác định lựa chọn bộ chống sét, phối hợp cách điện và chi tiết tiếp đất trong cùng các thiết kế được kiểm tra tại phòng thử nghiệm Danyang của chúng tôi. Để đặt câu hỏi về lựa chọn MCOV hoặc khoảng cách bảo vệ cho một dự án cụ thể, vui lòng gửi thư tới [email protected].