Đường dây tải điện trên cao và các thiết bị liên quan trong hệ thống tải điện như trạm biến rất dễ bị quá áp do hiện tượng phóng điện hoặc sét đánh và các nguyên nhân nội bộ hệ thống (đóng cắt, tải thay đổi đột ngột, hỏng cách điện, cộng hưởng). Trong số các sự cố quá áp này, sét đánh là nguy cơ gây hư hại hệ thống mạnh nhất vì điện áp sét đủ mạnh để khiến các đầu cực của thiết bị điện phóng điện bên trong, làm hỏng cách điện của cuộn dây và vật cách điện.
Do đó, việc trang bị các thiết bị bảo vệ kim chống sét lan truyền cho mạng lưới, đặc biệt là gần trạm biến áp là việc làm cần thiết. Các thiết bị bảo vệ như vậy được gọi là kim chống sét (lightning arrester).
Các loại kim chống sét lan truyền khác nhau được sử dụng để bảo vệ trạm biến áp kim chống sét là:
- Horn Gap Lightning Arrester
- Valse type lightning arrester
- Expulsion Type Lightning Arrester
- Metal Oxide Lightning Arrester
- Bộ thu sét loại Thyrite
- Sphere Gap Lightning Arrester
- Multi Gap Lightning Arrester
- Ocid Film Lightning Arrester
- Electrolyte Lightning Arrester.
1. Rod Gap Lightning Arrester
Bộ kim chống sét này có thiết kế đơn giản hơn các loại còn lại. Đây là loại rẻ nhất trong số tất cả các loại khác và không cần bảo trì. Nó bao gồm hai thanh kim loại dày khoảng 1 inch được đặt vuông góc với nhau và giữa chúng có một khoảng trống (rod gap). Một thanh được nối với đất và thanh còn lại được nối với mạch đường dây. Khoảng cách giữa khe hở thanh và vật cách điện nên bằng 1/3 chiều dài khe hở thanh.
Điện áp phóng điện bề mặt ở một mức độ nào đó phụ thuộc vào chiều dài của thanh dưới được nối với đất. Nếu chiều dài của thanh dưới này nhỏ, thì sẽ có sự chênh lệch giữa điện áp phóng điện cực dương và âm, có thể được giảm thiểu bằng cách điều chỉnh chiều dài của thanh dưới bằng 1,5 đến 2,0 lần chiều dài khe hở.
Khoảng cách giữa các thanh vẫn mở trong điều kiện hoạt động bình thường. Khi một dòng điện tăng cao xảy ra trên đường dây, khoảng trống (rod gap) sẽ phóng điện và nó tạo ra một đường dẫn điện trở thấp cho dòng điện để điện áp chạy vọt xuống đất.
Nhược điểm
- Hạn chế chính của loại kim chống sét này là nó không làm gián đoạn tần số nguồn điện sau khi dòng điện biến mất hoặc điện áp tăng thấp hơn giá trị đánh thủng tới hạn. Điều này gây ra sự cố đường dây nối đất sau mỗi lần phóng điện áp tăng bởi bộ kim chống sét và bắt đầu hoạt động của bộ ngắt để khử năng lượng mạch nhằm xóa phóng điện bề mặt.
- Có thể có khả năng làm hỏng các thanh do nhiệt sinh ra.
- Hiệu suất của bộ kim chống sét khe hở thanh bị ảnh hưởng bởi cực tính của điều kiện khí quyển và mức quá điện áp.
Do những hạn chế trên, bộ kim chống sét khe hở thanh hầu hết được sử dụng làm bảo vệ dự phòng.
2. Horn Gap Lightning Arrester
Nó được sử dụng trên đường dây có điện áp thấp. Dưới đây là sơ đồ bố trí của bộ kim chống sét khe hở sừng. Bộ chống khe hở sừng thường có một nhưng trên thực tế, sẽ có ba khoảng trống sừng, mỗi khe hở cho mỗi pha. Nó bao gồm hai mảnh thanh kim loại hình sừng cách nhau một khoảng nhỏ và được kết nối trong một ống dẫn giữa mỗi dây dẫn và đất. Khoảng cách giữa các sừng ít hơn ở phía dưới và lớn ở phía trên.
Hình trên mô tả sự bố trí khe hở sừng bao gồm khe hở sừng mắc nối tiếp với điện trở R, cuộn cảm L và thiết bị cần bảo vệ (máy biến áp). Một trong các thanh của khe hở sừng được nối với đường dây và thanh còn lại được nối đất.
Trong điều kiện làm việc bình thường, cường độ đánh thủng của khe hở lớn hơn khi so sánh với điện áp tần số của MBA nguồn và do đó khe hở không phóng điện. Bất cứ khi nào xảy ra quá điện áp có giá trị lớn hơn cường độ đánh thủng của khe hở, thì khe hở phóng điện (chớp cháy) xảy ra trên khe hở (tức là giữa A và A ‘), điện áp đánh thủng thường gấp đôi điện áp làm việc bình thường.
Không khí bị đốt nóng xung quanh hồ quang và tác động điện từ của hồ quang làm cho hồ quang đi lên khe hở. Tại vị trí BB’ khe hở rộng và điện áp không đủ để duy trì hồ quang nên hồ quang bị dập tắt. Thời gian dập tắt không quá 3-5 giây.
Chức năng của điện trở mắc nối tiếp với khe hở sừng là giảm cường độ dòng điện đến giá trị an toàn. Vì khe hở sừng không thể thu lại dòng điện vượt quá 10 ampe. Cuộn cảm được nối giữa hệ thống cần bảo vệ và nối đất của khe hở còi làm giảm độ sắc nét của sóng tới và không cho phép sóng quá độ xâm nhập vào hệ thống cần bảo vệ. Tỷ lệ xung của bộ kim chống sét này là 2 đến 3.
Nhược điểm
- Việc thiết lập khe hở sừng có thể thay đổi do ăn mòn hoặc rỗ.
- Thời gian hoạt động tương đối dài, khoảng 3 giây.
3. Valse type lightning arrester
Loại kim chống sét này còn được gọi là kim chống sét phi tuyến, được sử dụng rộng rãi trên các hệ thống hoạt động ở điện áp cao đến 440 kV. Bộ kim chống sét kiểu van được chia thành hai phần tức là khoảng trống tia lửa nối tiếp (spark gaps) và bộ điện trở phi tuyến (nonlinear resistance). Hai cái này mắc nối tiếp với nhau và được đặt trong một bình sứ kín.
a. Spark Gap
Khe hở tia lửa bao gồm một số khe hở tia lửa điện giống hệt nhau được nối nối tiếp với nhau. Mọi khe hở tia lửa điện được tạo bởi hai điện cực có khoảng cách cố định giữa chúng và được duy trì ở điện áp bằng nhau, bằng cách sử dụng các phần tử điện trở bổ sung được gọi là điện trở phân loại (grading resistors). Các khe hở tia lửa điện được cấu tạo theo cách mà trong điều kiện bình thường, nó không phát tia lửa điện và chỉ trong quá trình tăng điện áp cao, quá trình phóng tia lửa điện mới diễn ra.
b. Nonlinear Resistors (điện trở phi tuyến)
Các điện trở này có điện trở rất thấp dưới điện áp cao, làm giảm điện áp đầu cuối của bộ kim chống sét lan truyền nhưng ở mức điện áp bình thường, chúng có điện trở cao nên được gọi là điện trở phi tuyến. Chúng ta có thể nói rằng điện trở của các phần tử phi tuyến này sẽ giảm khi dòng điện chạy qua chúng tăng lên. Chúng được tạo thành từ một hợp chất vô cơ như thyrite hoặc metrosil.
Trong điều kiện bình thường, tia lửa điện vẫn không dẫn điện. Khi điện áp tăng xảy ra trên đường dây, sự phóng điện xảy ra trong các khe hở tia lửa điện và dòng điện cao chạy xuống đất thông qua các điện trở phi tuyến. Các điện trở này cung cấp khả năng chống dòng điện tăng đột biến rất thấp, nên dòng điện tăng sẽ di chuyển xuống đất rất nhanh. Toàn bộ hoạt động này diễn ra trong vòng vài μsec.
4. Expulsion Type Lightning Arrester
Loại kim chống sét này còn được gọi là ống bảo vệ hoặc khe hở trục xuất và nó thường được giới hạn trong các hệ thống hoạt động ở điện áp lên đến 33kV. Chi tiết cấu tạo của bộ kim chống sét này được hiển thị bên dưới.
Về cơ bản, nó bao gồm:
- Một ống làm bằng sợi là một vật liệu biến đổi khí rất hiệu quả.
- Khoảng cách tia lửa điện.
- Một khe hở tia lửa ngắt, được nối tiếp với khe hở phóng điện và được bọc trong ống sợi quang. Khe hở tia lửa điện ngắt này được tạo thành từ hai điện cực, trong đó điện cực trên được nối với khe hở phóng điện và điện cực dưới được nối với đất. Sẽ có một dây hãm trục xuất dưới mỗi dây dẫn đường dây.
Khi xuất hiện điện áp tăng vọt, chiều dài khe hở phóng điện sẽ tăng lên và tạo ra hồ quang giữa các điện cực trong ống. Trong ống sinh ra khí trung hoà do sự hoá hơi của sợi thành ống. Bằng sức nóng của hồ quang trong một khoảng thời gian ngắn, áp suất cao sẽ được tạo thành ra và khí đi ra khỏi ống.
Ở điện cực dưới, khí đi ra khỏi ống mang không khí bị ion hóa xung quanh hồ quang. Hồ quang được dập tắt ở dòng điện bằng không. Và do hiệu ứng khử ion mạnh, hồ quang sẽ không phóng lại. Ngay sau khi khí đã được đẩy ra ngoài và hồ quang tắt, ống đã sẵn sàng cho một chu trình mới.
5. Metal Oxide Lightning Arrester
Kim kim chống sét oxit kim loại là loại kim chống sét được sử dụng phổ biến nhất trong các hệ thống điện hiện đại. Nó bao gồm một chồng đĩa kim loại nối tiếp được tạo thành từ oxit kẽm có điện trở phi tuyến tính cao. Do mức độ phi tuyến tính cao trong điện trở ở một phạm vi dòng điện lớn, bộ kim chống sét sẽ triệt tiêu khoảng cách nối tiếp. Do đó, bộ kim chống sét oxit kim loại còn được gọi là bộ kim chống sét không khe hở oxit kẽm.
Nó được đo kích thước sao cho giá trị đỉnh của điện áp pha với đất trong hoạt động bình thường không bao giờ vượt quá tổng điện áp danh định của các đĩa mắc nối tiếp. Trong điều kiện hoạt động bình thường, bộ kim chống sét có điện trở cao với đất. Khi xảy ra điện áp tăng trên đường dây, bộ kim chống sét lan truyền oxit kim loại phản ứng rất nhanh với điện áp tăng bằng cách giảm điện trở của nó.
Khi bộ kim chống sét được kết nối giữa pha và đất, dòng điện rất lớn từ sét được phóng xuống đất. Do đó, điện áp tăng được chuyển hướng an toàn xuống đất và năng lượng xung được hấp thụ bởi bộ kim chống sét. Khi hệ thống đạt được điện áp danh định bình thường, bộ kim chống sét cung cấp điện trở cao và hoạt động như một mạch hở. Do đó để điện áp hệ thống không bị ảnh hưởng ở điều kiện bình thường.
6. Bộ thu sét loại Thyrite
Loại kim chống sét này thường được sử dụng để bảo vệ chống lại mức tăng điện áp rất cao. Thyrite là một hợp chất vô cơ đậm đặc có tính chất đặc biệt là điện trở của nó thay đổi từ giá trị cao ở điện áp thấp đến giá trị thấp ở điện áp cao. Nó bao gồm các đĩa có đường kính 15 cm và độ dày 19 mm. Bề mặt của các đĩa được phun một lớp kim loại để có sự kết nối điện giữa các đĩa và tất cả các đĩa được bao bọc trong một hộp sứ tráng men.
Khi xảy ra sét, điện áp tăng lên làm cho khe hở bị phá vỡ và điện trở giảm xuống giá trị thấp. Do đó điện truyền xuống mặt đất. Sau khi xả thành công điện áp tăng để trở lại mức điện áp bình thường, thyrite lấy lại đặc tính ban đầu của nó tức là có điện trở cao.
7. Sphere Gap Lightning Arrester
Bộ kim chống sét khe hở hình cầu được hiển thị bên dưới. Trong loại kim chống sét này, khe hở không khí được cung cấp bởi hai quả cầu giống nhau A và B. Quả cầu B được nối đất trong khi quả cầu A được nối với đường dây Y. Có thể điều chỉnh khoảng cách giữa hai quả cầu với sự trợ giúp của máy đo. Một cuộn dây nghẹt được đưa vào giữa cuộn dây pha Y của máy biến áp và quả cầu A, để chống lại bất kỳ dòng điện quá áp nào có thể cố gắng đi vào cuộn dây máy biến áp.
Khe hở không khí tối thiểu được thiết lập để phóng điện không xảy ra ở điện áp làm việc bình thường nhưng ở điện áp dư xác định trước, hồ quang được thiết lập. Vòng cung này sẽ đi lên các hình cầu khi không khí được đốt nóng gần vòng cung có xu hướng bay lên trên. Vòng cung sẽ tiếp tục đi lên và kéo dài cho đến khi nó tự động bị phá vỡ. Tỷ lệ xung của bộ kim chống sét khe hở cầu là thống nhất.
8. Multi Gap Lightning Arrester
Bộ kim chống sét đa khe hở được sử dụng trong các hệ thống có điện áp hệ thống không quá 33 kV. Cấu tạo của bộ kim chống sét nhiều khe hở được thể hiện trong hình bên dưới. Loại kim chống sét này bao gồm một loạt các hình trụ kim loại thường được tạo thành từ hợp kim hoặc kẽm. Các bình này được cách nhiệt với nhau và được ngăn cách bởi một khe hở không khí có khoảng cách nhỏ.
Như trong hình trên, hình trụ đầu tiên tức là hình trụ 1 được nối tiếp với đường dây và hình trụ cuối cùng tức là hình trụ 3 được nối với trái đất thông qua một điện trở nối tiếp. Khi điện trở nối tiếp giới hạn hồ quang điện, mức độ bảo vệ chống lại các sóng truyền đi của bộ kim chống sét đa ánh sáng bị giảm. Khó khăn này được khắc phục bằng cách bao gồm một điện trở shunt trong một số khoảng trống, chẳng hạn như giữa xi lanh 2 và 3 như thể hiện trong hình trên.
Khi hệ thống hoạt động tốt, điểm 1 sẽ ở điện áp nguồn bình thường và điểm 2 sẽ ở điện thế đất (tức =0). Trong điều kiện này, điện áp cung cấp sẽ không thể phá vỡ khoảng cách nối tiếp. Nhưng, trong điều kiện bị lỗi, tức là do quá áp, sự đánh thủng giữa khoảng trống 1 và 2 xảy ra và dòng điện sự cố lớn sẽ chạy qua điện trở shunt. Sau khi sự gia tăng kết thúc, sẽ không có vòng cung giữa khoảng trống 2 và 3 và nguồn điện còn lại, sẽ đi theo đường từ shunt và điện trở nối tiếp đến trái đất.
Do đó, hai điện trở bây giờ sẽ mắc nối tiếp với nhau và sẽ hạn chế công suất còn lại do đó sẽ để lại một lượng nhỏ dòng điện. Dòng điện này sẽ không thể duy trì hồ quang giữa khoảng trống 1 và 2 và do đó hệ thống sẽ khôi phục lại tình trạng bình thường.
9. Ocid Film Lightning Arrester
Các chất bắt giữ màng oxit sử dụng một số hóa chất khô nhất định để thay đổi tính chất của chúng từ chất dẫn điện tốt thành chất cách điện khi tác dụng nhiệt. Ví dụ, chì peroxit có điện trở cụ thể là 1 ohm trên inch^3 ở nhiệt độ bình thường, được chuyển đổi thành chì đỏ ở khoảng 150 ° C, điện trở cụ thể của nó khi đó là 24 triệu ohm.
Dưới đây cho thấy ví dụ bộ hãm màng oxit. Bộ kim chống sét thực tế bao gồm một số ô. Mỗi ô bao gồm hai điện cực Sắt được phủ vecni ở một mặt. Các điện cực được ngăn cách bởi một vòng hình khuyên. Khoảng trống được hình thành giữa điện cực được lấp đầy bằng năng lượng peroxide chì.
Khi xảy ra quá áp trên đường dây, màng véc-ni bị vỡ tại một hoặc nhiều điểm trong mỗi ô và phóng điện đi qua peroxit chì, được chuyển thành chì đỏ do bị nung nóng. Ngay sau khi điều này xảy ra, sự phóng điện sẽ chấm dứt. Dòng điện không thể chạy xuống đất vì điện trở suất của dây dẫn màu đỏ cao. Tuy nhiên, dần dần toàn bộ chì peroxit sẽ được chuyển đổi thành chì đỏ.
Ưu điểm của thiết bị kim chống sét này là không cần bảo trì hàng ngày và có thể sử dụng ở những nơi không cần giám sát hàng ngày. Nhưng hạn chế là nó không nhạy với các tình huống tăng điện áp giá trị nhỏ.
10. Electrolyte Lightning Arrester
Bộ kim chống sét điện phân sử dụng một màng mỏng nhôm hydroxit lắng đọng trên các tấm nhôm được giữ trong chất điện phân. Nó hoạt động dựa trên thực tế là điện trở của tấm giảm khi tăng điện áp và cung cấp điện trở không đáng kể đối với điện áp trên giá trị tới hạn. Ở điện áp thấp, tức là trong điều kiện hoạt động bình thường, tấm cung cấp điện trở cao.
Khi điện áp trên đường dây tăng vượt quá điện áp đánh thủng tới hạn sẽ gây ra hiện tượng đánh thủng và dòng điện chạy xuống đất. Sau khi xả điện áp tăng, bộ kim chống sét lại cung cấp điện trở cao đối với điện áp tần số nguồn bình thường. Tổng giá trị tới hạn của điện áp của bộ kim chống sét có thể được tăng lên bằng cách tăng số lượng màng. Nhưng loại công cụ bắt giữ này cần được giám sát hàng ngày và phim cần được thay đổi bất cứ khi nào bị phá hủy.