Trong các hệ thống điện công nghiệp và năng lượng hiện đại, sự cố cháy nổ hoặc hư hỏng thiết bị không phải lúc nào cũng bắt nguồn từ quá tải hay lỗi vận hành. Một nguyên nhân quan trọng nhưng thường bị đánh giá thấp là điện trường do sét và xung quá áp lan truyền trong hệ thống điện.

Nhiều trường hợp công trình không hề bị sét đánh trực tiếp nhưng vẫn ghi nhận hư hỏng inverter, biến tần, bộ điều khiển PLC, bộ nguồn, thậm chí cháy tủ điện. Điều này cho thấy rủi ro không chỉ đến từ dòng sét trực tiếp mà còn từ tác động điện từ trong khu vực xung quanh điểm phóng điện.

Đối với các hệ thống như điện mặt trời, trạm sạc xe điện, hệ thống lưu trữ năng lượng (BESS) hoặc dây chuyền tự động hóa công nghiệp, mức độ nhạy cảm của thiết bị ngày càng cao. Việc hiểu đúng cơ chế điện trường do sét và quá trình hình thành xung quá áp là cơ sở quan trọng để xây dựng giải pháp bảo vệ phù hợp, hạn chế nguy cơ cháy nổ và đảm bảo vận hành ổn định dài hạn.

1. Vì sao nhiều sự cố cháy nổ thiết bị điện xảy ra dù không bị sét đánh trực tiếp?

Trong nhận thức phổ biến, chống sét thường đồng nghĩa với lắp kim thu sét và hệ thống dây dẫn xuống đất. Giải pháp này bảo vệ công trình khỏi dòng sét trực tiếp, nhưng không loại bỏ hoàn toàn rủi ro do hiện tượng điện từ xung quanh điểm sét đánh.

Khi sét đánh xuống đất hoặc công trình lân cận, dòng sét có thể đạt giá trị hàng chục đến hàng trăm kiloampere. Quan trọng hơn, tốc độ tăng dòng rất nhanh, tạo ra biến thiên dòng điện lớn trong thời gian cực ngắn. Theo nguyên lý điện từ học, sự biến thiên dòng điện này sinh ra điện trường và từ trường biến thiên mạnh trong không gian xung quanh.

Điện trường biến thiên có thể lan rộng hàng trăm mét tính từ điểm sét đánh. Nếu trong vùng ảnh hưởng này tồn tại hệ thống dây dẫn điện, cáp tín hiệu, thanh cái hoặc kết cấu kim loại lớn, các phần tử này sẽ chịu tác động cảm ứng điện từ.

Khi đó, dù không có dòng sét trực tiếp đi vào công trình, điện áp cảm ứng vẫn có thể xuất hiện trên dây dẫn. Biên độ điện áp này phụ thuộc vào cường độ điện trường, khoảng cách đến điểm sét đánh, chiều dài dây dẫn và cấu trúc hệ thống. Trong nhiều trường hợp, điện áp cảm ứng đủ lớn để vượt ngưỡng chịu đựng của thiết bị điện tử.

Đây là lý do nhiều sự cố được ghi nhận trong mùa giông bão dù không có dấu hiệu sét đánh trực tiếp vào công trình.

2. Điện trường do sét – Mối nguy vô hình xâm nhập hệ thống điện

Điện trường do sét hình thành khi có sự chênh lệch điện tích rất lớn giữa đám mây và mặt đất. Trước khi phóng điện xảy ra, cường độ điện trường trong không khí có thể tăng mạnh. Khi tia sét hình thành và dòng điện lớn bắt đầu di chuyển, điện trường và từ trường xung quanh thay đổi đột ngột theo thời gian.

Theo định luật cảm ứng điện từ, một điện trường hoặc từ trường biến thiên sẽ gây ra sức điện động cảm ứng trong các vòng dẫn kim loại. Trong hệ thống điện, dây dẫn và cáp điện thường tạo thành các vòng kín với diện tích nhất định. Khi chịu tác động của trường điện từ mạnh, điện áp cảm ứng xuất hiện giữa hai đầu dây.

Các yếu tố làm tăng mức độ cảm ứng gồm:

• Chiều dài dây dẫn lớn

• Diện tích vòng dây lớn

• Hệ thống có nhiều nhánh phân phối

• Sự chênh lệch tiềm năng giữa các điểm nối đất

Trong các hệ thống điện mặt trời áp mái hoặc trang trại năng lượng, chiều dài cáp DC từ chuỗi pin về inverter có thể rất lớn. Điều này làm tăng khả năng bị cảm ứng điện áp khi có sét xảy ra trong khu vực.

Điểm nguy hiểm là hiện tượng điện trường không gây ra dấu hiệu rõ ràng trước khi sự cố xảy ra. Hệ thống có thể vận hành bình thường, nhưng khi xung điện áp vượt ngưỡng chịu đựng của linh kiện bán dẫn hoặc cách điện, hư hỏng sẽ diễn ra gần như tức thời.

3. Xung quá áp lan truyền trong hệ thống điện hình thành như thế nào?

Xung quá áp lan truyền là sự gia tăng đột ngột của điện áp trong thời gian rất ngắn, thường chỉ vài micro giây đến mili giây. Quá trình hình thành bắt đầu từ điện áp cảm ứng do điện trường biến thiên tạo ra.

Khi điện áp cảm ứng xuất hiện trên dây dẫn, nó tạo thành một xung điện áp có dạng sóng dốc đứng. Xung này sau đó lan truyền dọc theo dây dẫn với tốc độ gần bằng tốc độ lan truyền sóng điện từ trong môi trường tương ứng.

Trong hệ thống điện phân tầng, xung có thể:

• Di chuyển từ tủ tổng xuống tủ phân phối nhánh

• Truyền từ phía AC sang DC hoặc ngược lại qua thiết bị chuyển đổi

• Xâm nhập vào mạch điều khiển qua cáp tín hiệu

Khi xung gặp điểm thay đổi trở kháng như đầu nối, thanh cái hoặc linh kiện điện tử, hiện tượng phản xạ có thể xảy ra. Sóng phản xạ chồng lặp với sóng tới làm tăng biên độ điện áp cục bộ. Điều này khiến thiết bị ở cuối đường dây có thể phải chịu điện áp cao hơn mức dự kiến.

Đối với linh kiện bán dẫn như IGBT, MOSFET hoặc vi điều khiển, điện áp chịu đựng tối đa thường được xác định rõ trong thông số kỹ thuật. Khi xung vượt quá giới hạn này, lớp bán dẫn có thể bị đánh thủng, gây ngắn mạch nội bộ và làm hỏng thiết bị.

4. Vì sao xung quá áp có thể dẫn đến cháy nổ thay vì chỉ làm hỏng thiết bị?

Nhiều người cho rằng xung quá áp chỉ gây hỏng linh kiện điện tử và không dẫn đến cháy. Tuy nhiên, trên thực tế, xung quá áp có thể khởi phát chuỗi sự cố dẫn đến cháy nổ thông qua nhiều cơ chế.

Phá hủy cách điện

Xung điện áp cao có thể làm suy giảm hoặc đánh thủng lớp cách điện giữa các pha hoặc giữa pha và đất. Khi cách điện bị suy yếu:

• Dòng rò tăng

• Nhiệt cục bộ xuất hiện

• Nguy cơ chạm chập cao hơn

Qua thời gian, điểm yếu này có thể phát triển thành sự cố nghiêm trọng.

Quá nhiệt linh kiện bán dẫn

Khi linh kiện bán dẫn bị đánh thủng, dòng ngắn mạch nội bộ có thể xuất hiện. Nếu không được ngắt kịp thời:

• Nhiệt độ junction tăng nhanh

• Vật liệu xung quanh bị đốt nóng

• Vỏ thiết bị có thể bị cháy

Trong môi trường tủ điện kín, nhiệt tích tụ nhanh có thể dẫn đến cháy lan.

Hình thành hồ quang điện

Xung quá áp có thể tạo điều kiện cho hồ quang hình thành giữa các điểm có điện thế chênh lệch cao. Hồ quang sinh nhiệt rất lớn và có thể đốt cháy:

• Vật liệu polymer

• Dây dẫn cách điện

• Bụi công nghiệp tích tụ

Đối với hệ thống công suất lớn như BESS hoặc trạm sạc xe điện, năng lượng lưu trữ và dòng ngắn mạch tiềm năng rất cao. Khi sự cố phát sinh, mức độ lan rộng và thiệt hại có thể nghiêm trọng hơn nhiều so với hệ thống quy mô nhỏ.

5. Những sai lầm phổ biến khi đánh giá rủi ro điện trường và xung quá áp

Một số sai lầm thường gặp trong thiết kế và vận hành hệ thống điện:

Chỉ tập trung vào chống sét trực tiếp

Lắp kim thu sét mà không triển khai bảo vệ chống xung lan truyền bên trong hệ thống điện. Điều này tạo ra khoảng trống rủi ro giữa bảo vệ bên ngoài và thiết bị bên trong.

Tin rằng CB hoặc cầu chì là đủ

CB và cầu chì được thiết kế để bảo vệ quá tải và ngắn mạch kéo dài. Xung quá áp có thời gian rất ngắn, thường không đủ để kích hoạt cơ cấu bảo vệ của các thiết bị này.

Lắp SPD nhưng không tính phối hợp

Thiết bị chống sét lan truyền – SPD cần được lựa chọn theo:

• Cấp bảo vệ phù hợp

• Dòng xung danh định

• Mức bảo vệ điện áp (Up)

Nếu không phối hợp giữa các tầng bảo vệ, xung vẫn có thể lọt sâu vào hệ thống.

Bỏ qua thiết kế hệ thống tiếp địa

Việc bỏ qua thiết kế hệ thống tiếp địa đồng bộ cũng làm giảm hiệu quả phân tán năng lượng xung, khiến điện áp dư tại thiết bị cao hơn mức mong muốn.

6. Kiểm soát rủi ro từ gốc – Cách tiếp cận bảo vệ xung quá áp theo tiêu chuẩn

Để kiểm soát rủi ro điện trường và xung quá áp một cách bền vững, cần một cách tiếp cận tổng thể:

Đánh giá rủi ro

Phân tích mức độ ảnh hưởng của sét, đặc điểm công trình, chiều dài dây dẫn và mức độ nhạy cảm của thiết bị.

Xem thêm: Đánh giá rủi ro chống sét – Lightning Rick Assessment: Nền tảng bắt buộc trong thiết kế hệ thống chống sét hiện 

Phân vùng bảo vệ

Chia hệ thống thành các vùng bảo vệ khác nhau để xác định vị trí lắp đặt SPD phù hợp, đảm bảo giảm dần năng lượng xung theo từng cấp.

Lựa chọn SPD đúng kỹ thuật

SPD cần đáp ứng:

• Dòng xung phù hợp với mức rủi ro

• Điện áp bảo vệ thấp hơn ngưỡng chịu đựng thiết bị

• Khả năng phối hợp với thiết bị bảo vệ quá dòng

Xem thêm: Thiết bị chống sét lan truyền tại đây

Thiết kế đồng bộ hệ thống tiếp địa

Hệ thống tiếp địa phải đảm bảo điện trở thấp và cấu trúc liên kết tốt để phân tán năng lượng xung hiệu quả.

Kiểm soát vòng dây và bố trí lắp đặt

Giảm chiều dài dây nối SPD, hạn chế tạo vòng cảm ứng lớn trong tủ điện nhằm giảm điện áp dư.

Cách tiếp cận này không chỉ dừng ở việc lắp đặt thiết bị, mà là quản lý rủi ro một cách hệ thống. Đây cũng là định hướng kỹ thuật mà DHK đang áp dụng khi triển khai giải pháp chống sét và bảo vệ quá áp cho hệ thống công nghiệp và năng lượng tái tạo: kiểm soát nguy cơ từ gốc, đảm bảo an toàn vận hành dài hạn.

Điện trường do sét và xung quá áp lan truyền là nguyên nhân tiềm ẩn nhưng có khả năng gây hậu quả nghiêm trọng đối với hệ thống điện hiện đại. Rủi ro này tồn tại ngay cả khi công trình không bị sét đánh trực tiếp.

Nếu không được đánh giá và kiểm soát đúng kỹ thuật, xung quá áp có thể dẫn đến:

• Hư hỏng linh kiện

• Suy giảm cách điện

• Hồ quang điện

• Cháy nổ tủ điện

Việc phòng ngừa hiệu quả đòi hỏi đánh giá rủi ro đầy đủ, phân vùng bảo vệ hợp lý, lựa chọn SPD đúng thông số, thiết kế bảo vệ quá dòng phù hợp và xây dựng hệ thống tiếp địa đồng bộ. Chỉ khi kiểm soát được toàn bộ chuỗi rủi ro này, hệ thống điện mới có thể vận hành an toàn, ổn định và bền vững trước tác động của điện trường do sét và xung quá áp.

Liên hệ với chúng tôi để được tư vấn và hỗ trợ tốt nhất về các giải pháp phòng chống sét toàn diện.

• Văn phòng Hồ Chí Minh: 21 D3A, KDC Kiến Á, Phước Long B, Thủ Đức, TP HCM.
• Văn phòng Hà Nội: Tòa nhà Resco (B15), Đường Nguyễn Cảnh Dị – Quận Hoàng Mai – Tp. Hà Nội.
• Website: dhk.com.vn
• Hotline: 0985 251 385
• Facebook: Giải pháp và thiết bị Chống sét DHK
• LinkedIn: DHK JSC E&S

Tiêu chí đánh giá rủi ro sét: Nền tảng bắt buộc khi thiết kế hệ thống chống sét