Chống Sét Van Máy Biến Áp: Cấu Tạo, Nguyên Lý & Phân Loại

Chống sét van máy biến áp là gì?

Chống sét van (Surge Arrester) là thiết bị bảo vệ, lắp song song với máy biến áp, hoạt động như một “van an toàn” để xả dòng điện sét cường độ cao (kA) xuống đất, giới hạn mức quá điện áp đột ngột và bảo vệ máy biến áp khỏi bị chọc thủng.

Table of Contents

Toggle

Chống sét van máy biến áp là một thiết bị an toàn then chốt, được thiết kế để bảo vệ máy biến áp và các thiết bị điện quan trọng khác trong trạm biến áp khỏi các đợt quá điện áp đột biến, chủ yếu là do sét đánh.

Nó hoạt động như một “lối thoát” an toàn, dẫn dòng điện sét cường độ cao xuống đất, ngăn không cho điện áp tăng quá cao gây hỏng hóc, cháy nổ cho thiết bị. Thiết bị này được lắp đặt song song với thiết bị cần bảo vệ (như máy biến áp) và là trụ cột trong các hệ thống chống sét cho lưới điện trung thế và cao thế.

Để lắp đặt hiệu quả, một đầu chống sét van nối với pha điện áp cao của máy biến áp và đầu còn lại được nối đất. Khoảng cách lắp đặt từ chống sét van đến máy biến áp càng ngắn càng tốt (thường không vượt quá 5-10m) để giảm biên độ sóng sét và bảo vệ hiệu quả nhất.

Nguyên lý làm việc của chống sét van máy biến áp

Nguyên lý hoạt động dựa trên điện trở phi tuyến (Non-linear Resistor): Ở điện áp bình thường, điện trở của van CỰC CAO (hàng Giga-ohm, GΩ), hoạt động như một cách điện. Khi điện áp tăng vọt (sét đánh), điện trở LẬP TỨC GIẢM CỰC THẤP (vài ohm) trong vài nano giây, cho phép dòng sét (lên đến 10kA, 20kA hoặc hơn) đi qua nó xuống đất. Khi hết sét, điện trở tự động tăng cao trở lại, ngắt dòng rò.

Nguyên lý hoạt động của chống sét van dựa trên đặc tính điện trở phi tuyến độc đáo của nó (non-linear resistance). Đặc tính V-A (Volt-Ampere) của nó là chìa khóa:

• Khi vận hành bình thường: Khi hệ thống hoạt động ở điện áp định mức, điện trở của chống sét van cực kỳ cao (hàng Giga-ohm). Điều này khiến nó gần như cách điện hoàn toàn, chỉ cho một dòng rò không đáng kể (cỡ micro-ampe hoặc mili-ampe) đi qua và không ảnh hưởng đến hoạt động của lưới điện.
• Khi có sét đánh (quá điện áp): Khi có sét đánh, điện áp trên đường dây tăng vọt đột ngột (vài trăm kV) trong thời gian cực ngắn (micro giây). Khi giá trị này vượt ngưỡng tác động (gọi là điện áp dư – Residual Voltage), điện trở của van giảm đột ngột hàng triệu lần (xuống chỉ còn vài ohm) trong vài nano giây. Nó lập tức mở đường cho dòng sét cường độ cực lớn (lên đến 10kA, 20kA, 40kA) thoát nhanh xuống đất.
• Sau khi sét kết thúc: Ngay sau khi sóng sét qua đi và điện áp trở về bình thường, điện trở phi tuyến nhanh chóng tăng vọt trở lại trạng thái cách điện ban đầu, tự động ngắt dòng điện sự cố xuống đất (dập tắt dòng điện hồ quang) và khôi phục hoạt động bình thường cho lưới điện.

Ngoài ra, thiết bị còn có tác dụng giảm độ dốc của sóng sét, ngăn ngừa hiện tượng xuyên kích nguy hiểm giữa các vòng dây pha của máy biến áp. Việc bảo trì bao gồm kiểm tra định kỳ điện trở Vilit (hoặc ZnO) bằng thiết bị đo điện trở cách điện, thay thế nếu giá trị vượt 10% định mức để tránh mất tác dụng.

Cấu tạo của chống sét van máy biến áp

Cấu tạo gồm hai phần chính: Vỏ cách điện (bằng Sứ hoặc Polyme) ở bên ngoài để chịu đựng thời tiết và các lực cơ học; và Lõi chức năng (bên trong) chứa các đĩa điện trở phi tuyến (phổ biến nhất hiện nay là Oxit Kẽm – ZnO) được xếp chồng và nối tiếp với nhau.

Cấu tạo của chống sét van được chia làm hai phần chính: bên ngoài và bên trong.

Bên Ngoài:

Là lớp vỏ bảo vệ, làm bằng sứ hoặc vật liệu polyme (như silicone). Vỏ có các gân (tán) để tăng chiều dài đường rò bề mặt, nâng cao khả năng cách điện và chống chịu các điều kiện môi trường khắc nghiệt (ẩm, bụi, ô nhiễm) mà không gây phóng điện.

Vỏ ngoài là một ống cách điện, thường làm bằng sứ (Porcelain) hoặc vật liệu polyme (như silicone, EPDM). Lớp vỏ này có các gân (tán) để tăng chiều dài đường rò, nâng cao khả năng cách điện bề mặt, đặc biệt trong môi trường ẩm ướt hoặc ô nhiễm. Vỏ phải chịu được lực cơ học và các điều kiện môi trường khắc nghiệt. Kích thước phụ thuộc vào điện áp định mức (ví dụ: dài 0.5-2m cho 22-110kV).

Bên Trong:

Là phần lõi chức năng, chứa các cột/đĩa điện trở phi tuyến xếp chồng lên nhau. Trong các thiết kế cũ (công nghệ SiC), nó chứa thêm các khe hở phóng điện. Trong công nghệ hiện đại, nó chỉ chứa các đĩa MOV (Oxit Kẽm – ZnO) có khả năng hấp thụ năng lượng sét rất cao.

Đây là “trái tim” của thiết bị, gồm hai thành phần chính tùy theo công nghệ:

• Khe hở phóng điện: (Dùng trong công nghệ cũ). Gồm nhiều cặp đĩa đồng mỏng nối tiếp, cách nhau bởi mica hoặc vật liệu cách điện dày 1mm. Số lượng tùy thiết kế (thường 5-20 cặp cho trung thế). Khi điện áp đủ lớn, nó sẽ phóng điện qua các khe hở này.
• Điện trở phi tuyến: Đây là thành phần quan trọng nhất, quyết định đặc tính làm việc của van. Nó được chế tạo dưới dạng các đĩa hoặc khối hình trụ từ vật liệu đặc biệt như Vilit, Tiri, SiC (Silicon Carbide), nhưng phổ biến nhất và hiệu quả nhất hiện nay là Oxit Kẽm (ZnO), hay còn gọi là MOV (Metal Oxide Varistor). Các đĩa MOV này được xếp chồng lên nhau và nối tiếp.

Để kiểm tra (trong bảo trì), người ta mở vỏ (với loại có thể tháo) và đo điện trở từng phần, thay thế nếu phát hiện ẩm mốc hoặc nứt vỡ. Tuy nhiên, đa số chống sét van hiện đại là loại kín, không cần bảo trì, chỉ cần đo dòng rò định kỳ.

Phân loại chống sét van cho máy biến áp

Chống sét van được phân thành hai loại chính dựa trên công nghệ vật liệu và cấu tạo: 1. Chống sét van CÓ khe hở (công nghệ cũ, dùng điện trở SiC) và 2. Chống sét van KHÔNG khe hở (công nghệ hiện đại, dùng điện trở Oxit Kẽm – ZnO/MOV).

Hiện nay, chống sét van cho các loại máy biến áp được chia thành hai loại chính dựa trên cấu tạo bên trong:

Chống Sét Van Có Khe Hở

Sử dụng các khe hở phóng điện (Spark Gaps) mắc nối tiếp với các đĩa điện trở phi tuyến (thường là SiC – Silicon Carbide). Loại này cần điện áp cao để mồi phóng điện qua khe hở. Hiện nay ít được sử dụng do độ bền không cao và cần bảo trì khe hở.

Loại này sử dụng các khe hở phóng điện được nối tiếp với các điện trở phi tuyến (làm từ SiC). Khi có quá điện áp, phóng điện xảy ra tại khe hở, cho phép dòng sét đi qua điện trở và xuống đất. Sau khi sét kết thúc, điện trở tăng trở lại. Loại này hiện nay ít được sử dụng do khe hở dễ bị hỏng, bị ăn mòn, độ nhạy không cao, dễ hỏng và cần bảo trì, kiểm tra điện áp phóng điện định kỳ.

Chống Sét Van Không Có Khe Hở (Loại ZnO)

Loại này sử dụng hoàn toàn các đĩa điện trở Oxit Kẽm (ZnO), hay còn gọi là MOV (Metal Oxide Varistor), bọc trong ống và không cần khe hở mồi. Đây là công nghệ thống trị hiện nay (từ 2024-2025) do phản ứng cực nhanh (vài nano giây), khả năng hấp thụ năng lượng cao và độ tin cậy vượt trội.

Đây là loại hiện đại và phổ biến nhất, sử dụng hoàn toàn các đĩa điện trở phi tuyến **MOV (ZnO)** xếp chồng lên nhau, ghép nối tiếp trong ống và được bọc sợi thủy tinh epoxy tích điện tốt. Loại này không cần khe hở vì bản thân vật liệu ZnO đã có đặc tính V-A phi tuyến rất dốc, cho phép nó hấp thụ năng lượng cao, phản ứng cực nhanh (vài nano giây) và bền bỉ hơn nhiều. Chúng được kiểm tra bằng cách đo dòng rò định kỳ, nếu dòng rò vượt quá 1mA thì cần thay thế.

Bảng so sánh nhanh

Bảng so sánh chi tiết các đặc tính kỹ thuật chính giữa hai loại chống sét van có khe hở (SiC) và không khe hở (ZnO), giúp người dùng lựa chọn giải pháp phù hợp cho hệ thống của mình.

Tiêu Chuẩn Vận Hành Chống Sét Van Máy Biến Áp

Việc vận hành chống sét van phải tuân thủ nghiêm ngặt các tiêu chuẩn quốc tế (như IEC 60099-4) và TCVN. Các yếu tố quan trọng bao gồm nhiệt độ môi trường, độ cao lắp đặt, tần số lưới điện và giám sát dòng rò liên tục (thường phải dưới 0.5mA – 1mA).

Để đảm bảo chống sét van hoạt động ổn định và an toàn, việc giám sát, bảo dưỡng máy biến áp và các thiết bị liên quan phải tuân thủ nghiêm ngặt các tiêu chuẩn như IEC 60099-4 hoặc TCVN.

Việc tuân thủ các quy định bảo dưỡng trạm biến áp và thực hiện dịch vụ bảo trì trạm biến áp định kỳ là yếu tố sống còn để duy trì tuổi thọ và độ tin cậy của hệ thống.

Điều kiện vận hành bình thường

Điều kiện bình thường bao gồm: Nhiệt độ môi trường trong khoảng -40°C đến +40°C; độ cao lắp đặt dưới 1000m; tần số lưới 48-62Hz; điện áp vận hành không vượt điện áp làm việc liên tục (MCOV) của van; dòng rò < 0.5mA (với ZnO).

• Nhiệt độ môi trường: Thường từ -40°C đến 40°C.
• Độ cao lắp đặt: Không vượt quá 1000m so với mực nước biển (nếu cao hơn cần hiệu chỉnh, giảm định mức).
• Tần số hệ thống: Hoạt động ổn định trong dải 48Hz đến 62Hz.
• Điện áp vận hành: Điện áp liên tục giữa các đầu nối không được vượt quá điện áp danh định của chống sét van (MCOV – Maximum Continuous Operating Voltage). Ví dụ: 20.21kV cho lưới 35kV.
• Kiểm tra: Giám sát dòng rò ở trạng thái bình thường (thường phải dưới 0.5mA cho loại ZnO).

Điều kiện vận hành không bình thường

Khi vận hành ngoài các điều kiện tiêu chuẩn (như lắp đặt ở độ cao > 1000m, nhiệt độ > 40°C, hoặc môi trường ô nhiễm nặng), cần phải hiệu chỉnh (derating) hoặc chọn loại van có thiết kế đặc biệt (tăng cấp cách điện, thêm quạt làm mát) theo hướng dẫn của nhà sản xuất.

Khi vận hành vượt các điều kiện trên (ví dụ nhiệt độ quá cao, độ cao lắp đặt >1000m, hoặc môi trường ô nhiễm nặng), cần lựa chọn chống sét van có thiết kế đặc biệt (như tăng cường cấp cách điện, thêm quạt làm mát) và tham vấn nhà sản xuất để đảm bảo an toàn. Thử nghiệm lại điện áp dư sau sét, đảm bảo <1.5 lần định mức. Việc đo điện trở cách điện định kỳ là bắt buộc để phát hiện sớm các dấu hiệu hư hỏng hoặc suy giảm chất lượng.

Kết luận

Chống sét van là thiết bị bảo vệ không thể thay thế, đặc biệt là loại ZnO, đóng vai trò “người vệ sĩ” cho máy biến áp và tài sản lưới điện. Việc lựa chọn đúng, lắp đặt chuẩn và bảo trì định kỳ là yếu tố cốt lõi để đảm bảo an toàn vận hành.

Chống sét van máy biến áp là thiết bị không thể thiếu trong mọi hệ thống truyền tải và phân phối điện, đặc biệt là tại các trạm biến áp Kiosk hay các máy biến áp khô. Nó là tuyến phòng thủ đầu tiên, bảo vệ các tài sản trị giá hàng tỷ đồng khỏi sức phá hủy của sét. Việc lựa chọn, lắp đặt và bảo trì máy biến áp cùng hệ thống chống sét đúng kỹ thuật là yếu tố cốt lõi để đảm bảo an toàn và ổn định cho toàn bộ lưới điện.

Để được tư vấn kỹ hơn về các giải pháp chống sét lan truyền hoặc các dịch vụ bảo trì hệ thống điện toàn diện, hãy liên hệ với KTH Electric.