Cách bảo vệ quá áp (như sét đánh) cho mạng điện dân dụng

Quá điện áp là sự xáo trộn hoạt động bình thường của mạng điện do sự gia tăng cường độ điện trường đến giá trị nguy hiểm đối với các thiết bị điện và đường dây điện, có thể làm hỏng lớp cách điện và gây hỏa hoạn, do đó quá áp có thể đe dọa hoạt động của thiết bị và đôi khi đến tính mạng và sức khỏe của con người. Điều đáng buồn là chúng ta hoàn toàn có thể bảo vệ mạng điện khỏi quá áp, cho dù trong hệ thống dân dụng, nhưng không phải nhà nào cũng biết hoặc được tư vấn cách bảo vệ quá áp.

I. Nguyên nhân gây quá điện áp

Tùy thuộc vào nguồn xảy ra có thể phân biệt 4 loại quá áp trong mạng điện dân dụng: Quá áp khí quyển, quá áp chuyển mạch, quá áp tần số điện và quá điện áp do phóng tĩnh điện.

1. Quá áp trong khí quyển có liên quan đến hiện tượng giông bão, sấm sét. Khi có giông bão, có tới 30 – 100 lần phóng điện / giây xảy ra trong khí quyển, mỗi năm trái đất phải hứng chịu khoảng 3 tỷ số vụ sét đánh, khoảng 50% có cường độ > 33 kA và 5% > 85 kA, đặc biệt cần chú ý đến công tác chống sét đối với những ngôi nhà dân biệt lập ở vùng đồng bằng. Mối nguy còn lớn hơn khi có cây cao hoặc các công trình cao như cột buồm, đường ống nằm gần nhà. Sét thường đánh trực tiếp vào máy biến áp, công tơ điện và các thiết bị điện gia dụng, gây ra hiện tượng quá điện áp ở tất cả các phần tử dẫn điện, dòng điện gây ra hiệu ứng nhiệt và làm nóng chảy lớp cách điện, thậm chí có thể gây nổ và hiệu ứng sóng xung kích. Sét khi có dòng xung mạnh đi qua thì nó còn giống như một ăng-ten, gây ra hiện tượng quá áp trong bán kính vài km…
2. Quá áp chuyển mạch xảy ra nội bộ trong mạng lưới điện, thường là các sóng xung tần số cao từ vài chục đến vài trăm kHz. Nguyên nhân là do thay đổi đột ngột của tải trên đường dây điện (ví dụ tắt máy hạ áp), hiện tượng cộng hưởng sắt và các chế độ vận hành khẩn cấp. Nhiều nguyên nhân gây quá áp chuyển mạch cũng xuất phát từ phía người tiêu dùng, ví dụ họ tắt các thiết bị bảo vệ (cầu chì, công dao), tắt hoặc bật thiết bị điều khiển (rơle, công tắc tơ), khởi động hoặc dừng các động cơ công suất lớn. Tóm lại nguồn gây quá áp chuyển mạch có thể là bất kỳ thiết bị nào có cuộn dây hoặc tụ điện như tivi, máy in, máy tính, lò nướng điện… Hậu quả của loại quá áp này không nhanh và mạnh như sét đánh nhưng chúng thường lặp lại nhiều lần, gây tổn hại tuổi thọ của thiết bị điện.
3. Quá điện áp quá độ tần số nguồn do cộng hưởng cùng tần số lưới điện (50, 60Hz). Nguyên nhân là do hư hỏng lớp cách điện giữa các pha hoặc pha và mặt đất, hoặc do đứt dây trung tính (trong mạch 3 pha) khiến các các thiết bị 1 pha nhận được điện áp 400V (thay vì 220V), hoặc khi cáp trung thế rơi xuống dây điện dân dụng…
4. Quá áp do phóng tĩnh điện chủ yếu gây nguy hiểm cho các thiết bị điện tử. Nguyên nhân là do môi trường tích tụ trường tĩnh điện mạnh. Ví dụ, một người đi trên thảm mang giày cách điện sẽ bị tích điện đến hiệu điện thế vài kV, khi họ chạm vào vật dẫn điện sẽ gây ra hiện tượng sự phóng điện cỡ vài Ampe trong thời gian vài nano giây.

II. Phương pháp bảo vệ quá áp cho điện dân dụng

Các thiết bị chống quá áp sơ cấp là thiết bị cần thiết để ngăn chặn sét đánh trực tiếp bằng cách thu và xả dòng sét xuống đất. Các thiết bị bảo vệ quá áp thứ cấp có thể đảm bảo hoạt động bình thường của thiết bị và mạng điện dân dụng đối với quá áp khí quyển và chuyển mạch. Về cơ bản thì có thể chia thành 2 nhóm thiết bị bảo vệ quá áp à nối tiếp và song song.

1. Thiết bị bảo vệ nối tiếp

Máy biến áp gia đình có thể loại bỏ một số sóng hài nhất định do sự kết nối thích hợp của cuộn dây sơ cấp và thứ cấp nhưng không được hiệu quả cho lắm. Máy biến áp gia đình ở đây được hiểu là:

1. Bộ ổn áp (li-oa) dùng để bình thường mạng lưới điện xoay chiều dân dụng và loại bỏ sự cố dao động điện áp bằng cách phân tích điện áp đầu vào để thực hiện các chuyển đổi của cuộn dây trong máy nhằm duy trì dải điện áp đầu ra đúng tiêu chuẩn.

1. Bộ lưu điện UPS về cơ bản là một nguồn điện dự phòng giống như PIN nhưng có thêm các chức năng an toàn cho mạng lưới điện như chống quấ áp, triệt xung sét cho thiết bị thông tin liên lạc.

2. Thiết bị bảo vệ song song

Phổ biến hơn các loại trên là các thiết bị bảo vệ song song có thể được sử dụng khi lắp đặt bất kỳ nguồn điện nào. Trong các nhà dân cư, thiết bị được lắp đặt để bảo vệ quá áp thường là các thiết bị chống sét lan truyền (SPD – Surge Protection Device) và công tắc tải vi sai có bảo vệ quá áp – RCD.

1. RCD cơ bản được thiết kế chủ yếu để bảo vệ con người khỏi bị điện giật (do rò điện) và ngăn ngừa hỏa hoạn nhưng hiện nay có nhiều loại RCD như Easy9 của Schneider Electric phát triển cũng kết hợp cả chức năng chống quá áp.

1. Các thiết bị chống sét lan truyền (SPD) có thể bảo vệ chống sét đánh gián tiếp hoặ các đợt quá áp nguy hiểm cho  thiết bị điện tử đắt tiền mà RCD không làm được. Theo quy định thì thiết bị điện tử có thể chịu được quá điện áp lên tới 1300 – 1500V trong khi điện áp tăng vọt khi bị sét đánh có thể lên tới 10.000V, ở mức này RCD không kiểm soát được nhưng SPD có thể điều chỉnh điện áp xung đến mức có thể chấp nhận được ở 1000 – 1300V.

Dù bạn có lựa chọn giải pháp chống sét nói riêng và chống quá áp điện cho mạng điện gia đình nào ở trên thì điều quan trọng là phải xem xét một số yếu tố: Thứ nhất, chi phí của thiết bị được bảo vệ và hậu quả khi nó bị hư hỏng. Thứ hai, rủi ro quá áp có thể liên quan trực tiếp đến trạng thái của mạng viễn thông (như mạng điện thoại, báo cháy và an ninh, hệ thống nhà thông minh…) hay không.

Tóm lại việc bảo vệ quá áp cho mạng điện trong nhà là một hành động cần thiết để đảm bảo an toàn cho các thiết bị điện, thậm chí an toàn cho tính mạng của các thành viên trong gia đình.