Giải thích về hệ thống chống sét: Hệ thống chống sét bên ngoài, liên kết đẳng thế và SPD

Một hệ thống chống sét (LPS) là một tập hợp các biện pháp phối hợp nhằm quản lý bốn vấn đề khác nhau: vị trí sét đánh, cách dẫn dòng điện sét xuống đất, cách hạn chế sự chênh lệch điện thế nguy hiểm, và cách ngăn chặn các xung điện lan truyền hoặc cảm ứng tác động đến thiết bị điện và điện tử.

Do đó, kim thu sét, dây dẫn xuống, hệ thống tiếp địa, các biện pháp liên kết đẳng thế và thiết bị chống sét (SPD) thực hiện các nhiệm vụ khác nhau. Một kim thu sét không phải là một hệ thống LPS hoàn chỉnh. Một điện cực đất không phải là một hệ thống LPS hoàn chỉnh. Một thiết bị SPD cũng không thể thay thế cho hệ thống chống sét kết cấu.

Câu hỏi thực tế không phải là “Thiết bị đơn lẻ nào ngăn chặn được sét?” Mà là:

Mọi đường dẫn từ kết cấu tiếp xúc với môi trường bên ngoài đến giao diện thiết bị đã được chỉ định biện pháp bảo vệ và xác minh theo các quy tắc thiết kế áp dụng hay chưa?

Hệ thống chống sét là gì?

Từ vựng Kỹ thuật Điện Quốc tế định nghĩa LPS là hệ thống hoàn chỉnh được sử dụng để bảo vệ một kết cấu và các thành phần bên trong khỏi tác động của sét. Trong thực tế, hệ thống hoàn chỉnh đó có thể bao gồm các biện pháp kết cấu và nội bộ được lựa chọn thông qua đánh giá rủi ro cụ thể cho từng dự án.

IEC 62305-1:2024 thiết lập các nguyên tắc chung để bảo vệ công trình, các hệ thống lắp đặt và nội dung bên trong, cũng như con người. Tiêu chuẩn này tách biệt các biện pháp giải quyết thiệt hại vật chất và nguy cơ đối với tính mạng khỏi các biện pháp giải quyết sự cố của hệ thống điện và điện tử. Sự phân biệt này rất quan trọng vì việc dẫn dòng điện sét chính một cách an toàn xung quanh tòa nhà không tự động ngăn chặn điện áp quá độ xâm nhập vào bảng điều khiển, cổng dữ liệu hoặc bộ biến tần.

Chức năng bảo vệ	Các biện pháp điển hình	Vấn đề chính được giải quyết	Nó không chứng minh
Kiểm soát điểm sét đánh	Các thanh thu sét, dây dẫn, lưới thu sét hoặc cột thu lôi được lựa chọn theo thiết kế hệ thống chống sét (LPS)	Cung cấp các điểm tiếp nhận sét dự kiến	Đường dẫn dòng điện an toàn, liên kết đẳng thế hoặc bảo vệ thiết bị
Dẫn dòng điện sét	Dây dẫn xuống và các kết nối của chúng	Truyền dòng điện sét về phía hệ thống tiếp địa	Các điều kiện tiếp xúc/bước điện áp chấp nhận được hoặc điện áp thiết bị thấp
Tiếp địa	Các điện cực và hệ thống nối đất liên kết	Phân tán dòng điện và góp phần tạo ra một điện thế tham chiếu chung	Mọi dịch vụ kim loại đều được liên kết đẳng thế hoặc mọi cáp đều được bảo vệ chống xung sét
Kiểm soát hiệu điện thế	Đẳng thế, cách ly và các giao diện phù hợp	Giảm thiểu rủi ro tia lửa điện nguy hiểm và phóng điện bề mặt	Đảm bảo các đường dây nguồn và tín hiệu đầu vào có giới hạn quá độ thích hợp
Các biện pháp chống sét lan truyền	Phối hợp SPD, che chắn, đi dây, đẳng thế và thiết kế vùng bảo vệ	Giảm thiểu ứng suất dẫn truyền và cảm ứng tác động lên các hệ thống bên trong	Đảm bảo cấu trúc được bảo vệ khỏi các tác động vật lý của sét đánh trực tiếp

Năm hàng này là một bản đồ kỹ thuật hữu ích, không phải năm sản phẩm có thể thay thế cho nhau hay là sự thay thế cho một thiết kế dựa trên tiêu chuẩn.

Một khái niệm bảo vệ hoàn chỉnh liên kết đường dẫn sét đánh bên ngoài với việc liên kết đẳng thế và các giao diện điện đi vào các khu vực được bảo vệ.

Hệ thống chống sét hoạt động qua năm ranh giới

Việc đánh giá ở cấp độ tòa nhà sẽ trở nên rõ ràng hơn khi được chia thành năm ranh giới. Mỗi ranh giới có một chế độ hư hỏng, nguồn bằng chứng và chuyên môn chịu trách nhiệm khác nhau.

Ranh giới	Câu hỏi thiết kế	Bằng chứng điển hình	Điều kiện dừng
1. Điểm sét đánh	Sét có thể đánh vào đâu và hệ thống thu sét dự kiến sẽ bao phủ cấu trúc như thế nào?	Hình học tòa nhà, mức độ phơi nhiễm, đánh giá rủi ro, bản vẽ thiết kế hệ thống chống sét (LPS)	Không có thiết kế hệ thống chống sét trực tiếp (LPS) phù hợp cho rủi ro bị sét đánh trực tiếp đã được xác định
2. Đường dẫn dòng sét	Dòng điện có thể truyền từ hệ thống thu sét xuống đất thông qua các đường dẫn liên tục và phù hợp không?	Các tuyến dây dẫn, chi tiết kết nối, tài liệu thành phần, hồ sơ kiểm tra	Đường dẫn dòng điện bị gián đoạn, hư hỏng hoặc chưa được xác minh
3. Liên kết đẳng thế và khoảng cách an toàn	Liệu có thể xuất hiện chênh lệch điện thế nguy hiểm giữa hệ thống LPS và các kết cấu kim loại hoặc các dịch vụ kỹ thuật không?	Kế hoạch liên kết đẳng thế, đánh giá khoảng cách an toàn, bản vẽ đầu vào dịch vụ	Phóng điện tia lửa bên hoặc nguy cơ điện áp bước/điện áp tiếp xúc chưa được giải quyết
4. Đầu vào dịch vụ	Năng lượng xung điện có thể xâm nhập qua các đường dây nguồn, dữ liệu, điều khiển, ăng-ten hoặc các đường dây dẫn điện khác không?	Kiểm kê dịch vụ hoàn chỉnh, bố trí tiếp địa, ranh giới vùng, kế hoạch SPD	Một đường dẫn điện vào bị bỏ sót trong khái niệm bảo vệ
5. Giao diện thiết bị	Ứng suất còn lại có tương thích với thiết bị được kết nối không?	Thông tin chịu đựng của thiết bị, dữ liệu bảo vệ SPD, các đường dẫn dây dẫn đã lắp đặt, bằng chứng phối hợp	Mức độ bảo vệ hoặc sự phối hợp không thể được chứng minh tại các đầu nối của thiết bị

Mô hình năm ranh giới này ngăn ngừa lỗi phạm vi phổ biến. Một dự án có thể có các đầu thu sét trên mái nhà nhưng lại bỏ sót việc bảo vệ đường tín hiệu. Một dự án khác có thể có SPD lớn tại tủ điện chính nhưng không có hệ thống chống sét trực tiếp (LPS) bên ngoài mặc dù đánh giá rủi ro yêu cầu. Dự án thứ ba có thể có cả hai, nhưng việc liên kết kém hoặc một dịch vụ dẫn điện không được bảo vệ có thể tạo cầu nối giữa hai hệ thống.

Hệ thống chỉ hoàn thiện khi mỗi ranh giới đều có biện pháp được chỉ định, đơn vị chịu trách nhiệm và hồ sơ xác minh.

LPS bên ngoài và Bảo vệ bên trong có các nhiệm vụ khác nhau

LPS bên ngoài: thu sét và dẫn sét

LPS bên ngoài giải quyết sự tương tác vật lý giữa sét và công trình. Hệ thống đầu thu sét của nó được định vị bằng phương pháp thiết kế được chấp nhận cho hình học tòa nhà và cấp bảo vệ yêu cầu. Các dây dẫn xuống kết nối mạng lưới thu sét đó với hệ thống tiếp địa thông qua các đường dẫn dòng điện có chủ đích.

IEC 62305-3:2024 bao gồm việc bảo vệ các công trình chống lại hư hại vật lý bằng LPS và bảo vệ con người chống lại điện áp tiếp xúc và điện áp bước gần LPS. Tiêu chuẩn này cũng bao gồm các ranh giới về thiết kế, lắp đặt, kiểm tra và bảo trì. Bố trí đầu thu sét chính xác, kích thước dây dẫn, khoảng cách, khoảng cách ly và thiết kế hệ thống tiếp địa vẫn là công việc kỹ thuật đặc thù cho từng dự án; chúng không nên được lấy từ sơ đồ chung chung trên blog.

Chống sét nội bộ: kiểm soát chênh lệch điện thế

Khi dòng sét chạy qua, các bộ phận khác nhau của tòa nhà có thể tăng lên các điện thế khác nhau. Hiện tượng phóng điện nguy hiểm có thể xảy ra giữa hệ thống chống sét (LPS) và kết cấu thép, đường ống, thang máng cáp, các dịch vụ điện hoặc các hệ thống dẫn điện khác.

Chống sét nội bộ sử dụng liên kết đẳng thế và, khi thiết kế yêu cầu, sử dụng cách ly điện hoặc các giao diện phù hợp khác. Tiếp địa và liên kết là các khái niệm liên quan nhưng không đồng nhất: chỉ riêng điện cực tiếp địa không đảm bảo rằng tất cả các bộ phận dẫn điện liên quan vẫn duy trì ở các điện thế được phối hợp phù hợp trong quá trình có xung điện.

Các biện pháp chống xung điện: bảo vệ các hệ thống nội bộ

Các hệ thống điện và điện tử có thể bị ảnh hưởng ngay cả khi đường dẫn dòng điện bên ngoài hoạt động chính xác. Xung điện từ do sét (LEMP), dòng điện dẫn trên các dịch vụ đầu vào và ghép nối điện từ đều có thể tạo ra điện áp quá độ bên trong cấu trúc.

IEC 62305-4:2024 bao gồm các biện pháp chống xung điện cho các hệ thống điện và điện tử bên trong cấu trúc. Các biện pháp này có thể bao gồm SPD phối hợp, liên kết, che chắn, định tuyến đường dây và các khái niệm về vùng bảo vệ. Sự kết hợp chính xác phụ thuộc vào đánh giá rủi ro, môi trường điện từ, việc lắp đặt và thiết bị cần được bảo vệ.

Cách thức các tác động của sét tiếp cận thiết bị điện

Ba đường dẫn cần được giữ tách biệt trong quá trình xem xét thiết kế:

1. Đường dẫn dòng điện một chiều (DC): sét đánh vào cấu trúc hoặc hệ thống chống sét (LPS) bên ngoài và dòng điện chạy qua các dây dẫn và hệ thống tiếp địa được thiết kế sẵn.
2. Đường dẫn xung điện truyền dẫn: một xung quá áp đi vào hoặc đi ra thông qua các đường dây điện, viễn thông, ăng-ten, điều khiển hoặc các dịch vụ kim loại khác.
3. Đường dẫn cảm ứng hoặc ghép nối: từ trường thay đổi nhanh chóng tạo ra điện áp trong các vòng dây, hệ thống cáp hoặc giao diện thiết bị ở gần đó.

Việc có đường dây điện ngầm không tự động loại bỏ tất cả các nguy cơ liên quan đến sét. Hệ thống LPS bên ngoài cũng không loại bỏ nhu cầu kiểm tra các đường dây dẫn vào. Ngược lại, một thiết bị SPD được kết nối với tủ phân phối không thể chặn được cú sét đánh trực tiếp vào mái nhà hoặc thay thế cho đường dẫn dòng điện của cấu trúc.

Đối với câu hỏi hẹp hơn về những gì SPD có thể và không thể làm, hãy sử dụng hướng dẫn VIOX Thiết bị chống sét lan truyền có bảo vệ chống sét không?.

Đánh giá rủi ro phải được thực hiện trước khi lựa chọn linh kiện

Không phải tòa nhà nào cũng yêu cầu các biện pháp bảo vệ hoặc Cấp độ chống sét giống nhau. Quyết định này phụ thuộc vào kết cấu, vị trí, mục đích sử dụng, các dịch vụ, nội dung bên trong, hậu quả thiệt hại và các quy định hiện hành.

IEC 62305-2:2024 cung cấp quy trình đánh giá rủi ro sét và lựa chọn các biện pháp nhằm giảm thiểu rủi ro đã đánh giá xuống mức có thể chấp nhận được hoặc thấp hơn. Danh mục sản phẩm chung không thể thay thế cho quy trình đó.

Trước khi chỉ định các linh kiện, cần thu thập ít nhất:

• bản vẽ tòa nhà, mặt đứng, vật liệu xây dựng và thiết bị trên mái;
• thông tin về địa lý và mức độ tiếp xúc với môi trường được sử dụng theo phương pháp áp dụng;
• các dữ liệu đầu vào về mục đích sử dụng, an toàn tính mạng, tính liên tục, phòng cháy chữa cháy và hậu quả đối với tài sản;
• tất cả các dịch vụ kim loại đầu vào và đầu ra;
• các bản vẽ LPS, tiếp địa và liên kết đẳng thế hiện hữu;
• thông tin về điện áp hệ thống điện, sơ đồ tiếp địa và dòng sự cố dự kiến;
• vị trí thiết bị nhạy cảm và thông tin về khả năng chịu xung hiện có;
• các quy định quốc gia áp dụng theo IEC 62305, NFPA 780, UL 96A hoặc các quy định địa phương khác;
• hồ sơ kiểm tra, sửa đổi và bảo trì hiện hữu.

Nếu thiếu các dữ liệu đầu vào này, việc lựa chọn bố trí đầu thu sét hoặc SPD chỉ dựa trên các giá trị trong catalogue là quá sớm.

LPZ giải thích nơi thay đổi nhiệm vụ bảo vệ

Khái niệm Vùng chống sét (LPZ) coi tòa nhà là một chuỗi các môi trường điện từ thay vì một không gian được bảo vệ đồng nhất. Mức độ phơi nhiễm thay đổi khi một đường dây hoặc vật thể đi từ vùng bên ngoài vào các vùng bên trong được bảo vệ tăng dần.

Tại ranh giới vùng, các nhà thiết kế đặt câu hỏi:

• Dòng điện sét trực tiếp hoặc một phần của nó có thể vượt qua ranh giới này không?
• Những đường dây nguồn, dữ liệu, tín hiệu, ăng-ten hoặc điều khiển nào đi qua ranh giới đó?
• Các dịch vụ dẫn điện được liên kết đẳng thế tại ranh giới như thế nào?
• Dòng điện xung và ứng suất điện áp nào có thể còn tồn tại?
• Thiết bị ở vùng tiếp theo yêu cầu mức chịu đựng là bao nhiêu?

Sau đó, một thiết bị SPD được lựa chọn cho nhiệm vụ được chỉ định tại ranh giới đó và được phối hợp với các biện pháp ở thượng nguồn và hạ nguồn. Sơ đồ này là một kiến trúc khái niệm, không phải là hướng dẫn phổ quát yêu cầu mọi dự án phải có chính xác ba thiết bị.

Mọi đường dây dẫn điện băng qua ranh giới vùng được bảo vệ đều phải được xem xét; chỉ bảo vệ các dây dẫn nguồn có thể để hở một đường xâm nhập khác.

Hướng dẫn VIOX về SPD loại 1, loại 2 và loại 3 giải thích các nhiệm vụ kiểm tra khác nhau của chúng. Phần riêng biệt hướng dẫn phối hợp SPD giải thích lý do tại sao việc đặt nhiều Loại (Type) nối tiếp nhau không tự chứng minh được sự phối hợp về điện áp, năng lượng, khoảng cách hoặc sự cố.

Nơi lắp đặt SPD—và nơi không nên lắp đặt

SPD giới hạn điện áp quá độ và chuyển hướng dòng điện xung trong các điều kiện đã công bố của chúng. Trong khuôn khổ IEC, các yêu cầu về sản phẩm và phương pháp thử nghiệm SPD hạ thế AC được quy định bởi IEC 61643-11:2025trong khi IEC 61643-12:2020 giải quyết các nguyên tắc lựa chọn và ứng dụng, bao gồm vị trí và sự phối hợp.

Thông số kỹ thuật của SPD vẫn phải phù hợp với:

• ứng dụng AC, DC, quang điện, hoặc đường tín hiệu;
• điện áp hệ thống và các điều kiện vận hành liên tục tối đa;
• cấu hình tiếp địa và các chế độ bảo vệ bắt buộc;
• tải xung dự kiến tại ranh giới lắp đặt;
• mục tiêu bảo vệ điện áp tại thiết bị;
• các điều kiện ngắn mạch và bảo vệ dự phòng bắt buộc;
• định tuyến dây dẫn và chiều dài kết nối;
• bằng chứng phối hợp thượng nguồn/hạ nguồn;
• các quy định quốc gia và hướng dẫn chính xác từ nhà sản xuất.

SPD không khắc phục được tình trạng thiếu hệ thống chống sét trực tiếp (LPS), mạng lưới liên kết đẳng thế không đầy đủ, tình trạng quá điện áp kéo dài, quá tải thông thường hoặc ngắn mạch. Chúng cũng không đảm bảo thiết bị sẽ an toàn trong mọi sự kiện sét đánh.

Việc bảo vệ nguồn điện đơn thuần có thể không đầy đủ khi các đường truyền dữ liệu hoặc điều khiển đi vào cùng một thiết bị. hướng dẫn lựa chọn thiết bị chống xung điện cho tín hiệu bao gồm các đầu vào về giao diện, tín hiệu, tiếp địa và lắp đặt cho các mạch đó.

Bản đồ tiêu chuẩn: Các quy tắc hệ thống và quy tắc sản phẩm

Tài liệu	Phạm vi chính trong quyết định này	Không sử dụng nó như là
IEC 62305-1:2024	Các nguyên tắc chung và khung bảo vệ chống sét tổng thể	Chứng nhận sản phẩm cho một linh kiện SPD hoặc LPS
IEC 62305-2:2024	Quản lý rủi ro sét đánh theo cấu trúc cụ thể	Một tuyên bố chung rằng mọi tòa nhà đều cần cùng một hệ thống chống sét LPS
IEC 62305-3:2024	Thiệt hại vật lý, nguy hiểm đến tính mạng và các biện pháp LPS cho kết cấu	Một tiêu chuẩn thử nghiệm sản phẩm SPD hạ thế
IEC 62305-4:2024	Các biện pháp chống sét lan truyền cho hệ thống điện/điện tử bên trong	Một bảng dữ liệu SPD độc lập hoặc sơ đồ lắp đặt chung
IEC 61643-11:2025	Yêu cầu và phương pháp thử nghiệm cho SPD hạ thế AC	Bằng chứng cho thấy một hệ thống LPS hoàn chỉnh đã được thiết kế đúng cách
IEC 61643-12:2020	Các nguyên tắc lựa chọn và ứng dụng SPD hạ thế AC	Chứng nhận cho một mẫu sản phẩm cụ thể
NFPA 780 / UL 96A	Các khung lắp đặt hệ thống chống sét (LPS) kết cấu tại Bắc Mỹ, tùy thuộc vào việc áp dụng và bối cảnh dự án	Một sự thay thế cho quy chuẩn điện áp dụng hoặc bằng chứng liệt kê sản phẩm

Những Hướng dẫn tiêu chuẩn VIOX IEC 61643 cung cấp bản đồ tiêu chuẩn sản phẩm chuyên sâu hơn. Trong công việc tại Bắc Mỹ, phiên bản áp dụng, quy chuẩn được thông qua, các yêu cầu liệt kê và cơ quan có thẩm quyền phải được xác nhận. Các Hướng dẫn Ứng dụng Chống sét UL tương tự cũng nhấn mạnh vào thiết kế hệ thống hoàn chỉnh, liên kết đẳng thế, các tiêu chuẩn áp dụng và công tác kiểm tra thay vì coi một linh kiện là một hệ thống lắp đặt hoàn chỉnh.

Danh mục kiểm tra bàn giao dự án

Sử dụng danh mục kiểm tra này để làm rõ trách nhiệm và bằng chứng.

Dành cho nhà thiết kế hoặc chuyên gia về LPS

• đánh giá rủi ro và các biện pháp bảo vệ cần thiết;
• phạm vi bao phủ của hệ thống thu sét và phương pháp gắn kết cấu;
• các đường dẫn dòng sét và thiết kế hệ thống tiếp địa;
• đánh giá liên kết đẳng thế và khoảng cách an toàn;
• các cân nhắc về điện áp tiếp xúc, điện áp bước và tia lửa điện nguy hiểm;
• phối hợp với thiết bị trên mái và các dịch vụ đầu vào;
• các yêu cầu về kiểm tra và bảo trì theo tiêu chuẩn được áp dụng.

Đối với nhà thiết kế hệ thống điện hoặc nhà lắp ráp tủ điện

• sơ đồ đơn tuyến và bố trí tiếp địa;
• tất cả các đầu vào nguồn, dữ liệu, điều khiển, ăng-ten và truyền thông;
• LPZ hoặc các ranh giới bảo vệ tương đương;
• các mục tiêu chịu đựng của thiết bị;
• các điều kiện ngắn mạch dự kiến tại các vị trí lắp đặt SPD;
• các tuyến dây dẫn đã lắp đặt và các hạn chế về kết nối;
• sự phối hợp giữa các đường dẫn bảo vệ nguồn và tín hiệu.

Đối với nhà cung cấp SPD

• loại hệ thống và điện áp làm việc liên tục danh định/tối đa;
• cấp thử nghiệm hoặc Loại SPD yêu cầu và khả năng chịu xung;
• các chế độ bảo vệ và sơ đồ nối đất;
• mức bảo vệ điện áp yêu cầu hoặc mục tiêu thiết bị;
• các công bố về dòng điện xả cần thiết cho ranh giới;
• các yêu cầu về ngắn mạch và bảo vệ dự phòng;
• chỉ báo trạng thái, tín hiệu từ xa, vỏ bảo vệ và nhu cầu thay thế;
• tài liệu chính xác được yêu cầu cho thị trường đích.

VIOX cung cấp phần SPD cho thiết kế chống sét và chống xung điện áp. Các kỹ sư và người mua hàng kỹ thuật có thể xem xét Dòng sản phẩm SPD của VIOX sau khi các ranh giới hệ thống và bằng chứng cần thiết đã được xác định, hoặc liên hệ [email protected] với các đầu vào điện nêu trên. Việc thiết kế, lắp đặt và kiểm tra hệ thống chống sét (LPS) kết cấu nên được thực hiện bởi các chuyên gia có năng lực, tuân thủ các tiêu chuẩn dự án áp dụng và quy định tại địa phương.

Nguồn tham khảo

• IEC 62305-1:2024 — Các nguyên tắc chung
• IEC 62305-2:2024 — Quản lý rủi ro
• IEC 62305-3:2024 — Thiệt hại vật lý đối với các công trình và nguy cơ đối với tính mạng
• IEC 62305-4:2024 — Các hệ thống điện và điện tử trong công trình
• IEC 61643-11:2025 — Các yêu cầu và phương pháp thử nghiệm đối với SPD hạ thế AC
• IEC 61643-12:2020 — Các nguyên tắc lựa chọn và ứng dụng SPD hạ thế AC
• Hướng dẫn Ứng dụng Chống sét UL