Giải pháp chống sét toàn diện cho trạm sạc xe điện

Là tương lai của giao thông toàn cầu, xe điện không chỉ đòi hỏi một hạ tầng trạm sạc hiện đại, hiệu quả mà yếu tố an toàn cũng cần được đề cao. Bên cạnh quá tải, ngắn mạch, rò rỉ điện, sét đánh chính là một trong những sự cố nguy hiểm có thể làm tê liệt hệ thống trạm sạc, ảnh hưởng đến cả xe điện và con người. Để tìm hiểu chi tiết về giải pháp chống sét toàn diện cho trạm sạc xe điện, bạn có thể theo dõi bài viết dưới đây. 

Tại sao trạm sạc xe điện thường chịu tác động từ sét?

Báo cáo của Viện Bảo hiểm An toàn Doanh nghiệp & Gia đình cho biết, mỗi năm ở Hoa Kỳ có khoảng 25 triệu vụ sét đánh, gây thiệt hại từ 650 triệu đến 1 tỷ USD. Trong đó, đường dây điện, công trình cao tầng và các trạm sạc ngoài trời là mục tiêu hàng đầu của sét. 

Nguyên nhân là bởi, đa số các trạm sạc thường được bố trí ở vị trí trống trải như đường cao tốc, quốc lộ, khu vực bãi đỗ xe, lại gần cột điện hoặc trạm biến áp để thuận tiện cho việc đấu nối dây điện, cộng thêm hướng đi của đường cáp nguồn kết nối trạm với lưới điện đã khiến trạm sạc luôn bị đặt trong tình trạng hứng chịu tác động của sét đánh trực tiếp hoặc lan truyền. 

Ngoài ra, bản thân trạm sạc đã chứa nhiều thiết bị điện tử nhạy cảm như Bộ chỉnh lưu, Mạch điều khiển, Hệ thống làm mát, Khối tín hiệu truyền thông... nên chỉ cần một xung quá áp cảm ứng từ các tia sét gần đó cũng ảnh hưởng nghiêm trọng đến các vi mạch điều khiển bên trong trạm sạc. 

Tác động của sét đến trạm sạc xe điện

Trạm sạc xe điện, nhất là bộ sạc tư nhân gắn tường được thiết kế để chịu ngưỡng quá áp từ 4-6kV (Quá áp loại III và IV), riêng xe điện được định mức ở 2.5kV (Quá áp loại II). Trong khi đó, sét đánh tạo ra hiện tượng quá áp đột biến, có thể làm tê liệt cả hệ thống trạm sạc, đồng thời gây nguy hiểm đến tính mạng con người. 

Dưới đây là các tác động của sét đến trạm sạc xe điện:

Tác động	Mô tả chi tiết
Hư hỏng thiết bị điện tử đắt tiền	Sét đánh dù là trực tiếp hay lan truyền đều tạo ra xung điện áp cao vượt ngưỡng chịu đựng của các thiết bị trong trạm sạc. Điều này có thể làm cháy ngay lập tức hoặc hỏng hóc toàn bộ các linh kiện điện tử nhạy cảm bên trong trạm sạc như: mạch điều khiển, bộ chỉnh lưu, modem giao tiếp, gây gián đoạn dịch vụ và tăng chi phí sửa chữa/thay thế đắt đỏ
Gây hại cho xe điện đang sạc	Xe điện trong quá trình sạc sẽ tạo ra một liên kết dẫn điện giữa trạm và pin. Lúc này, xung quá áp từ sét dễ dàng truyền từ trạm sang xe qua cáp sạc, gây hỏng hóc Pin và các linh kiện đắt tiền của xe: Bộ quản lý Pin (BMS), ắc quy, hệ thống máy tính…
Nguy cơ cháy nổ	Một số trường hợp, sét đánh trực tiếp vào trạm sạc có thể gây ra hiện tượng chập điện, cháy nổ trạm sạc, thậm chí có nguy cơ cháy lan sang các công trình lân cận và các xe đang đỗ trong trạm
Nguy hiểm cho con người	Sét đánh hoặc quá áp nghiêm trọng tạo ra điện áp bước nguy hiểm có thể ảnh hưởng đến tính mạng người dùng hoặc nhân viên vận hành trong khu vực trạm sạc
Hư hỏng hệ thống nguồn và tín hiệu	Sét đánh không chỉ ảnh hưởng đến mạch điện chính mà còn có thể lan truyền qua các đường tín hiệu trong trạm sạc, gây hỏng nhiều hệ thống khác như: hệ thống đo lường, điều khiển, internet,... khiến trạm sạc mất khả năng giao tiếp, nhận lệnh

Trạm sạc xe điện chỉ cần lắp cột thu lôi là có thể chống sét?

Nhiều người cho rằng, trạm sạc gần các tòa nhà cao tầng/ trung tâm thương mại có thể tận dụng cột thu lôi tại đây để chống sét hoặc các trạm sạc ở khu vực vắng vẻ chỉ cần lắp đặt cột thu lôi độc lập là đủ khả năng bảo vệ. Quan niệm này là hoàn toàn sai lầm bởi chỉ cột thu lôi là chưa đủ để bảo vệ toàn diện cho hạ tầng trạm sạc trước tác động của sét. 

Cột thu lôi thường có nhiệm vụ chính là bảo vệ cấu trúc vật lý của các công trình, vật thể ở vị trí cao khỏi bị sét đánh trực tiếp, bằng cách dẫn dòng điện cường độ cao xuống đất một cách an toàn, thông qua hệ thống tiếp địa đạt tiêu chuẩn. Tuy nhiên, cột thu lôi không có tác dụng ngăn chặn quá áp đột biến sinh ra do sét đánh tại các vị trí lân cận và lan truyền ngược lại vào công trình chính. 

Thực tế, rất ít trạm sạc xe điện chịu sét đánh trực tiếp. Trong khi mối nguy hiểm lớn nhất đối với các linh kiện điện tử nhạy cảm và đắt tiền bên trong trạm sạc lại đến từ quá áp lan truyền do sét đánh vào đường dây điện hoặc mặt đất gần đó tạo ra xung điện từ khổng lồ lan truyền ngược lại trạm sạc qua hệ thống dây dẫn. Vì vậy, trạm sạc xe điện cần có một hệ thống bảo vệ chống sét đặc thù để ngăn chặn mọi nguy hiểm tiềm ẩn từ xung điện áp. 

Yêu cầu chống sét cho trạm sạc theo tiêu chuẩn quốc tế

Một hệ thống chống sét cho trạm sạc hiệu quả và an toàn, cần đáp ứng được các tiêu chuẩn quốc tế và quốc gia sau đây: 

• IEC 61851-1: Tiêu chuẩn chung áp dụng cho sạc của các phương tiện chạy điện có điện áp lên đến 1000VAC hoặc 1500VDC, đi kèm là hướng dẫn về các loại quá điện áp ứng dụng cho trạm sạc và xe điện. 
• IEC 60364-7-722: Tiêu chuẩn về việc cung cấp điện cho xe điện trên lưới điện hạ thế, trong đó có yêu cầu bảo vệ chống quá áp đột biến đối với các trạm sạc nói chung. 
• IEC 60364-4-443: Tiêu chuẩn “Bảo vệ chống quá áp lan truyền” để xác định tầm quan trọng của thiết bị SPD cho hệ thống điện hạ thế. 
• IEC 60364-5-534: Tiêu chuẩn về việc lựa chọn và lắp đặt SPD cho dòng điện xoay chiều, bao gồm các thông số chính, mức bảo vệ, dòng phóng điện… 
• ISO 17409: Tiêu chuẩn xác định các quy định đảm bảo an toàn cho phương tiện chạy điện (xếp hạng Quá điện áp loại II).  
• TCVN 9385:2012: Tiêu chuẩn chống sét cho công trình xây dựng, áp dụng cho hệ thống chống sét đánh trực tiếp. Tuy không có quy định cụ thể về chống sét cho trạm sạc nhưng đây vẫn là tiêu chuẩn quốc gia có tính quy phạm chung về chống sét cho các công trình.  

Giải pháp chống sét toàn diện cho trạm sạc

Để ngăn ngừa mọi nguy cơ từ sét và quá áp đột biến, các trạm sạc lớn, đặc biệt là trạm sạc nhanh DC cần được trang bị đầy đủ hệ thống chống sét gồm: chống sét trực tiếp, chống sét lan truyền và hệ thống nối đất. 

Hệ thống chống sét trực tiếp (Lightning Protection System - LPS) 

Bằng cách tạo ra một vùng bảo vệ xung quanh trạm sạc, hệ thống LPS có khả năng thu và dẫn dòng sét xuống đất một cách an toàn - trong trường hợp trạm sạc bị sét đánh trực tiếp. Do đó, việc lắp đặt LPS phải được thực hiện bởi các chuyên gia dựa trên tiêu chuẩn IEC 62305 và TCVN 9385:2012, thường là đặt ở điểm cao nhất của trạm hoặc trên mái che kim loại. Ngoài ra, để ngăn chặn triệt để tác động của sét đánh thẳng, chuyên gia khuyến cáo nhà đầu tư có thể trang bị thêm bộ phận chống sét lan truyền Type 1 trên đường dây dẫn AC đi kèm hệ thống kim thu sét. 

Một hệ thống LPS tiêu chuẩn thường bao gồm 3 thành phần chính:

• Thu sét: Thường là cột thu lôi hoặc dây thu sét. Dựa vào cấp độ bảo vệ của từng loại cột thu lôi, các kỹ sư sẽ tính toán được vùng an toàn trong trạm sạc. 
• Dẫn sét: Bao gồm các dây dẫn bằng đồng hoặc thép mạ kẽm có tiết diện lớn, chịu trách nhiệm dẫn dòng sét từ kim thu sét xuống đất. Hệ thống dây dẫn này phải đảm bảo đường đi ngắn nhất để tránh tạo ra tia lửa điện. 
• Tiếp địa: Gồm một mạng lưới các cọc tiếp địa bằng đồng, kết nối với nhau bằng dây dẫn tiếp địa. Bộ phận tiếp địa của hệ thống chống sét phải được cân bằng điện áp với hệ thống tiếp địa của điện lưới, cũng như hệ thống chống sét lan truyền. Mục đích là giảm điện trở tiếp địa xuống mức ≤10Ω để dòng sét được tiêu tán nhanh chóng xuống đất. 

Hệ thống chống sét lan truyền (Surge Protection Devices - SPD)

Đây là biện pháp quan trọng nhất để loại bỏ các nguy cơ xung điện áp có thể gây hỏng hóc đến linh kiện điện tử bên trong trạm sạc. 

SPD nên được lắp đặt ở nhiều vị trí, cấp độ như sau:

Theo cấp độ trạm sạc

• Trạm sạc AC cấp độ 1: Thường là các bộ sạc cá nhân, sử dụng ổ cắm điện thông thường như thiết bị điện sinh hoạt. Tiêu chuẩn UL 1449 quy định, SPD cần được lắp đặt ở bảng điện chính đầu vào hoặc có thể lắp đặt thêm 1 SPD Type 2 ở đầu vào bộ sạc xe điện. 
• Trạm sạc AC cấp độ 2: Sử dụng nguồn điện từ 240VAC trở lên (tiêu chuẩn Bắc Mỹ), phù hợp với các trạm sạc công cộng. Trạm sạc cấp độ 2 cần được trang bị SPD tại bảng phân phối phụ và đầu vào của bộ sạc.
• Trạm sạc DC cấp độ 3: Loại trạm sạc này thường được kết nối với lưới điện hoặc hệ thống pin lưu trữ năng lượng tái tạo. Do đó hệ thống chống sét lan truyền nên được lắp ở tủ nguồn DC và nguồn đầu vào của bộ sạc cho xe. 

Theo lớp bảo vệ

• Tại tủ nguồn tổng: Ưu tiên lắp đặt SPD Type 1+2 kết hợp cho tủ tổng nguồn vào trạm sạc và chống sét lan truyền Type 1 để bảo vệ đường tín hiệu của mạch điều khiển và hệ thống đo lường. 

• Tại tủ phân phối: Lựa chọn thiết bị chống sét Type 2+3 dạng module, tích hợp cầu chì dự phòng để giảm tác động của quá áp đột biến, xung gai.

• Tại bộ sạc gắn trên tường: Có thể lựa chọn các bộ sạc thông minh trang bị sẵn tính năng chống sét lan truyền bên trong hoặc thiết bị chống sét lan truyền Type 2+3 lắp đặt ở bên trong trụ sạc. 
• Tại trụ sạc ngoài trời: Thiết bị chống sét lan truyền Type 2+3, tích hợp cầu chì là một lựa chọn tối ưu. 

Đa phần các trạm sạc trên thế giới hiện nay đều được trang bị thiết bị chống sét lan truyền trên đường dây điện của thiết bị sạc. Tuy nhiên, hầu hết các nhà đầu tư chỉ lắp thiết bị Type 3 để tiết kiệm chi phí. Các chuyên gia khuyến nghị, với các trạm sạc ngoài trời, đặc biệt là không có mái che, SPD Type 1 và 2 nên được ưu tiên lựa chọn. 

Hệ thống nối đất (Earthing / Grounding System)

So với hệ thống nối đất thông thường, nối đất cho trạm sạc phải đảm bảo yêu cầu khắt khe và nghiêm ngặt, gồm: 

• Liên kết đẳng thế: Nối đất của trạm sạc không được lắp đặt riêng rẽ mà phải được kết nối với tất cả các hệ thống nối đất khác có trong khu vực. 
• Đảm bảo điện trở tiếp đất thấp nhất: Điện trở tiếp đất cần được giữ ở mức thấp nhất, thường ≤4Ω cho chống sét lan truyền và ≤10Ω cho chống sét trực tiếp. 
• Xử lý điện áp bước: Sử dụng đai đẳng thế hoặc mạng lưới tiếp địa rộng xung quanh trạm sạc để san bằng điện thế trên mặt đất. 

Một số biện pháp bảo vệ khác 

• Bảo vệ quá áp: Trang bị các thiết bị đóng cắt chất lượng cao để bảo vệ hệ thống trạm sạc và xe điện trước hiện tượng quá áp, điện áp đột biến…
• Thiết bị ngắt dòng rò rỉ: Ưu tiên sử dụng các thiết bị bảo vệ chống giật Type B hoặc Type EV chuyên dụng cho trạm sạc.
• Nút dừng khẩn cấp: Cho phép người vận hành ngắt nguồn lập tức trong trường hợp khẩn cấp như có sự cố cháy nổ ở trạm sạc.

Câu hỏi thường gặp về chống sét cho trạm sạc xe điện

Câu hỏi 1: Bộ sạc EV có tính năng chống sét lan truyền không?

Trả lời: Có. Một số mẫu sạc cao cấp được tích hợp thêm cả tính năng chống sét lan truyền, tuy nhiên nếu đối chiếu tiêu chuẩn chống sét cho trạm sạc của IEC, mức độ bảo vệ này chưa phù hợp mà cần có thêm SPD lắp đặt bên ngoài. 

Câu hỏi 2: Nên lắp đặt thiết bị chống sét lan truyền cho bộ sạc EV ở đâu?

Trả lời: Thiết bị chống sét lan truyền SPD cho bộ sạc xe điện nên được lắp đặt ở tủ điện tổng/ bảng phân phối chính hoặc đường dây đầu vào cho bộ sạc.

Câu hỏi 3: Sạc AC tại nhà có cần trang bị thiết bị chống sét không?

Trả lời: Có. Sạc AC tại nhà liên quan đến đường điện sinh hoạt hàng ngày. Việc trang bị thêm 1 thiết bị SPD loại 1 hoặc 2 tại bảng điện chính sẽ giúp bảo vệ tốt hơn cho hệ thống điện tòa nhà trước tác động của sét lan truyền.