Có thể so sánh ngành công nghiệp phát điện tái tạo phát triển nhanh chóng với một chiếc đồng hồ cát. Nguồn lực miễn phí vô tận là ánh sáng mặt trời và gió biến đổi thành đầu ra tương ứng là điện năng với tỉ suất lợi nhuận đầu tư đáng kể. Nhưng quá trình này cũng bao gồm cả phần tắc nghẽn của chiếc đồng hồ cát mà các nguồn lực phải đi qua. Đó là dàn pin mặt trời hoặc trụ điện gió. Hai tài sản này phải duy trì hoạt động một cách cần mẫn ở mức hiệu suất và an toàn tối đa để quá trình này mang lại lợi nhuận kỳ vọng.
Các trụ điện gió có nguy cơ đặc biệt cao vì chiều cao của chúng thường là khoảng 85m và ngày càng cao hơn. Người ta ước tính rằng một trụ điện cao hơn 15m so với các cấu trúc xung quanh sẽ trở thành mục tiêu sét đánh chính. Gián đoạn do sét đánh gây ra tới 50% thời gian ngừng hoạt động thông thường, tùy thuộc vào địa điểm và thiệt hại không chỉ giới hạn ở cấu trúc này. Nó có thể lan xuống các hệ thống điều khiển nhạy cảm, làm hạn chế thêm lợi nhuận (Ảnh 1).
Ảnh 1. Các cơn bão mang theo sét là nguyên nhân chính gây gián đoạn trên hệ thống điện (Ảnh st)
Viện An toàn Sét Quốc gia khuyến cáo rằng việc bảo vệ cần bắt đầu ngay từ khâu lựa chọn địa điểm và tiến hành thông qua thiết kế hệ thống. Tuy nhiên, viện này ước tính rằng chỉ có thể đạt được mức bảo vệ chống sét tối đa nếu bỏ ra 1% tổng chi phí của một dự án mới.
Các tấm pin mặt trời có nguy cơ bị sét đánh tương tự như các trụ điện gió vì chúng thường lắp đặt trên mái nhà hoặc các cánh đồng rộng lớn, nơi chúng có thể là công trình cao nhất trong vùng.
NEC (Quy phạm điện Quốc gia) quy định: “phải nối đất các bộ phận kim loại không mang dòng lộ ra ngoài của các khung mođun, thiết bị và vỏ bọc dây dẫn.”
Dây nối đất thiết bị (EGC) kết nối các thành phần như các bộ nghịch lưu, hộp kết hợp và bộ ngắt kết nối. Tất cả các mođun phải kết nối với một EGC. Các mođun này hội tụ tại thanh cái nối đất bên trong tủ phân phối chính. Từ đây, dây điện cực nối đất (GEC) hoàn tất kết nối với điện cực nối đất. Khi tháo các tấm pin, phải cẩn thận để không làm gián đoạn mạch liên kết. Đối với các công trình lắp đặt trên mái nhà, đây thường là thanh cốt thép trong móng, nhưng cần bổ sung thêm thanh nối đất để tránh làm hư hại bê tông trong quá trình giải trừ chạm chập.
Trụ điện và dàn pin cần thiết kế, xây dựng, lắp đặt và bảo trì theo các tiêu chuẩn cao nhất của ngành. Một phần không thể thiếu của điều này là nối đất. Người ta dễ dàng bị thu hút vào động lực của quá trình này, chẳng hạn như quay các cánh tuabin hoặc tiếng ù ù của máy biến áp, và bỏ qua sự đóng góp không thể thiếu của hệ thống nối đất. Vì hoạt động của hệ thống này bị che khuất và không thể nhìn thấy nên các thành phần quan trọng này có thể dễ bị bỏ qua cho đến khi một sự kiện xảy ra, chẳng hạn như một trụ điện gió rơi xuống đất sau khi bị sét đánh.
Đừng chờ cho đến khi một sự kiện như vậy xảy ra. Trước tiên, hãy đảm bảo thiết kế và lắp đặt hệ thống này theo các tiêu chuẩn công nghiệp và các điều kiện tại địa phương - sau đó kiểm tra và bảo trì định kỳ.
Nhiều người thường nghĩ rằng chôn một cọc và kết nối nó với hệ thống điện có nghĩa là đã nối đất, nhưng không nhất thiết là như vậy. Phải xử lý cẩn thận hệ thống nối đất như bất kỳ thành phần điện nào khác.
Yếu tố chính khác của hệ thống bảo vệ này là dây nối đất. Cho dù điện cực nối đất (cọc, lưới hoặc cấu trúc khác) tốt đến đâu, nó cũng sẽ trở thành vô dụng nếu không có đường dẫn liên tục, trở kháng thấp để dẫn sét và dòng điện chạm chập xung quanh thiết bị/nhân viên một cách an toàn xuống đất. Đó là nhiệm vụ của dây nối đất. Trong các ứng dụng chung, nó kết nối phần “mát” của thiết bị với thanh nối đất tại bảng điều khiển đầu vào.
Ảnh 2. Thử nghiệm thường xuyên dây nối đất là điều bắt buộc để duy trì hệ thống an toàn (Ảnh st)
Nhưng trong các hệ thống phát điện gió, cấu trúc của nó là có một không hai: Nó kéo dài từ các đầu cánh tuabin để kết nối với lưới điện nối đất ở chân trụ điện. Tần suất sét đánh tăng theo độ cao và các nghiên cứu đã gợi ý rằng các đầu cánh tuabin quay làm tăng thêm sự hấp dẫn.
Để bảo vệ đầy đủ phải thử nghiệm thường xuyên dây nối đất (Ảnh 2). Các nhà chế tạo tuabin thường quy định đường dẫn an toàn xuống đất là từ 15mΩ đến 30mΩ. Thiết bị thử nghiệm chỉ định cho mục đích này là một ômmét điện trở thấp. Theo truyền thống, các thiết bị thử nghiệm này sử dụng dòng điện thử nghiệm 10A để đảm bảo một cách đáng tin cậy rằng đường dẫn trở kháng đủ thấp. Các thiết bị này có thể cồng kềnh do các yêu cầu vật lý của môi trường thử nghiệm này.
Tuy nhiên, những cải tiến gần đây trong công nghệ đo lường đã giúp công việc dễ dàng hơn bằng cách đưa vào áp dụng các thiết bị thử nghiệm cầm tay 1A có đủ độ chính xác và độ phân giải. Phần nhạy cảm nhất của đường dẫn nối đất là qua cánh tuabin vì ứng suất chuyển động có thể khiến dây dẫn nối đất bị nứt. Nếu hai mảnh vẫn tiếp xúc với nhau thì vẫn sẽ vượt qua một thử nghiệm đơn giản về tính liên tục. Một dòng điện thử nghiệm lớn hơn và độ phân giải đo lường cao hơn sẽ hé lộ chính xác sự cố đứt mạch như vậy.
Nhưng vẫn còn một vấn đề có một không hai: khoảng cách giữa các đầu cánh tuabin và mặt đất. Cũng giống như thiết bị thử nghiệm cầm tay, mảng này đã có những tiến bộ về công nghệ. Các dây nối thử nghiệm có chiều dài 100m đã có sẵn trên thị trường. Dây nối dài gây ra một vấn đề bổ sung: điện trở. Một hệ số bù tổn thất điện ở một số thiết bị đo khi sử dụng dây nối thử nghiệm có chiều dài bình thường. Việc bù cho các dây nối thử nghiệm quá dài thực hiện thông qua công thức sau:
P = I2R
Trong đó:
P = công suất đầu ra của thiết bị đo
I = dòng điện đầu ra của thiết bị đo
R = (điện trở của tải) + (điện trở của dây nối thử nghiệm)
Bù tiêu chuẩn trong thiết bị đo trung bình có thể không cung cấp đủ công suất chống lại điện trở dây dẫn đáng sợ như trong các dây nối dài 100m. Có thể bù đủ bằng cách giảm dòng điện thử nghiệm. Một số thiết bị đo có khóa chuyển mạch lựa chọn để giảm dòng điện; một số khác làm điều đó một cách tự động. Dù bằng cách nào, dòng điện thử nghiệm 1A đã được chứng minh là đủ để mang lại kết quả thử nghiệm chính xác, đáng tin cậy. Bằng cách đó, ômmét có thể thử nghiệm với độ phân giải mili-ôm mà không có điện trở dây nối nào đi vào phép đo.
Điểm kết thúc của hệ thống bảo vệ là điện cực chôn trong đất. Đây không phải là điều hiển nhiên. Chỉ riêng sự tồn tại của nó là không đủ, mặc dù nhiều người nghĩ theo cách đó. Nó phải thử nghiệm giống như bất kỳ thành phần điện nào khác. Chỉ riêng các thiết bị chống sét là không đủ nếu không có mặt đất tốt. Mục tiêu là điện trở thấp cho "đất ở xa" — tức là điện trở tối đa mà dòng điện chạm chập hoặc sét đánh sẽ gặp phải trước khi tiêu tán an toàn. Không có tiêu chuẩn chung nào, nhưng điện trở của điện cực cần giữ ở các giá trị như từ 1Ω đến 5Ω.
Việc thử nghiệm đặc biệt khó khăn đối với năng lượng tái tạo vì một điện cực đơn lẻ không nối đất một mạng lưới đơn lẻ như trong một tòa nhà. Thay vào đó, có khả năng có rất nhiều trụ điện gió và tấm pin mặt trời mắc nối tiếp với nhau và chuỗi này nhiều khi ngày một dài ra. Vấn đề lớn nhất là thử nghiệm nối đất đòi hỏi phải căng các dây nối dài để thử nghiệm các đầu dò xa trong đất, với những khoảng cách dựa trên các bội số của kích thước tối đa của lưới điện hoặc dàn pin. Điều này có thể nhanh chóng trở thành quá tốn kém. Thật không may, không có câu trả lời nào là đơn giản cả. Nhưng một trong những điều tồi tệ nhất phải làm là đợi cho đến khi công việc hoàn thành trước khi thử nghiệm. Đến lúc đó, điện cực tổng hợp có thể quá lớn để thử nghiệm.
Ảnh 3. Một cánh đồng năng lượng mặt trời bảo trì tốt có thể là một nguồn điện đáng tin cậy (Ảnh st)
Lên kế hoạch trước và thử nghiệm các phân đoạn khi lắp đặt chúng. Điều này áp dụng cho các hệ thống điện mặt trời cũng như điện gió, vì vấn đề là như nhau (Ảnh 3). Mỗi lần mắc song song một phân đoạn mới, điện trở sẽ giảm xuống đáng kể. Vì vậy, tính cộng lại, khi công việc hoàn thành, sẽ có đủ điện trở đất. Cũng cần phải bảo trì định kỳ, như chúng ta đã thấy, và đây có thể là một thách thức lớn hơn.
Người ta thừa nhận thử nghiệm điện cực đất một cách rộng rãi nhất, sụt điện thế, có nhiều khả năng đòi hỏi quá nhiều không gian. Hãy làm quen với các phương pháp thiết kế riêng để xử lý vấn đề này. Phổ biến nhất là phương pháp độ dốc. Một phương pháp khác là các đường cong giao nhau. Ngoài ra, bảo vệ chống sét và tiếp địa nguồn điện có các tiêu chí khác nhau, vì vậy hãy đảm bảo đáp ứng một số điều kiện tiên quyết cho cả hai. Các tiếp địa nguồn điện có thể chôn nông và điều này có thể không đủ khả năng bảo vệ khỏi sét.
Phải thử nghiệm hệ thống tiếp địa sau khi lắp đặt để đảm bảo tuân thủ ban đầu với các quy định kỹ thuật và tiêu chuẩn, và sau đó thử nghiệm định kỳ. Câu thành ngữ quen thuộc "xa mặt cách lòng" có thể gây tử vong ở đây. Việc giải trừ khỏi sét đánh và các chạm chập điện nhiều khi sẽ diễn ra như mong đợi, không gây hại cho cấu trúc và chức năng của trụ điện. Tuy nhiên, trong quá trình giải trừ, điện cực tiếp địa có thể bị tổn hại nghiêm trọng — và vì không nhìn thấy nó nên đặc biệt nguy hiểm. Cần phải thử nghiệm thường xuyên, cũng như sau khi xảy ra các vụ sét đánh đã biết. Những thay đổi về thành phần đất, đặc biệt là độ ẩm và sự ăn mòn dưới bề mặt, có thể có tác động tương tự trong một khoảng thời gian dài hơn.
Trộm cắp đồng — vấn đề trong toàn ngành điện — có thể đặc biệt nghiêm trọng ở các trang trại gió do kích thước và vị trí xa xôi của chúng. Ngoài ra, hệ thống nối đất thường chôn ở độ sâu nông hơn nhiều so với hệ thống cáp, khiến việc trộm cắp trở nên dễ dàng hơn nhiều. Thiết bị thử nghiệm nối đất dạng kẹp có thể là một công cụ hữu ích ở đây như một phương tiện nhanh chóng để xác định tính liên tục có tồn tại hay đã bị hỏng do trộm cắp.
Việc lưu giữ hồ sơ cẩn thận và kỹ lưỡng đặc biệt cần thiết vì việc so sánh kết quả có thể đặc biệt hữu ích trong việc nhận ra các rắc rối và vấn đề. Bạn cũng nên ghi lại chính xác vị trí đặt đầu dò thử nghiệm. Sau đó, có thể thực hiện thử nghiệm tiếp theo để so sánh với hồ sơ đã lưu trữ. Dữ liệu hữu ích cho việc bảo trì là ghi nhận các thay đổi, ngay cả khi kích thước của lưới điện ngăn cản độ chính xác khách quan đối với nối đất từ xa. Với điều kiện là việc thử nghiệm lặp lại chính xác, những thay đổi trong kết quả có thể chỉ ra các vấn đề cần giải quyết.
Nối đất (tiếp địa) hiệu quả là điều không thể thiếu đối với hoạt động an toàn và hiệu quả của các nguồn năng lượng tái tạo, các trụ điện gió và các dàn năng lượng mặt trời. Cả hai đều giống nhau ở chỗ yêu cầu có đường dẫn liên tục, mạch trở kháng thấp đến mặt đất và kết nối trở kháng thấp với đất xung quanh. Thiết bị thử nghiệm giống nhau cho cả hai và các quy trình chỉ điều chỉnh chút ít — nhưng rất quan trọng — cho phù hợp với địa điểm.
Biên dịch: Phạm Gia Đại
Theo “ecmweb”, tháng 7/2024