Sóng hài bậc cao là một vấn đề nghiêm trọng trong hệ thống điện, gây ra nhiều tác hại như giảm tuổi thọ thiết bị, nổ tụ bù, quá nhiệt biến áp và thiệt hại kinh tế lớn. Vậy sóng hài là gì, tại sao chúng gây ảnh hưởng đến các thiết bị điện và làm thế nào để khắc phục? Hãy cùng tìm hiểu chi tiết trong bài viết này.
Mục Lục
Bản Chất Của Sóng Hài
Trong hệ thống điện lý tưởng, tần số hoạt động ổn định là 50 Hz. Tuy nhiên, trong thực tế, các thiết bị điện phi tuyến như lò hồ quang, máy hàn, bộ chỉnh lưu… sinh ra các thành phần sóng hài bậc cao trong quá trình hoạt động. Những thành phần này hòa vào lưới điện, kết hợp với tần số cơ bản, gây méo mó dạng sóng sin chuẩn.
Sóng hài có tần số là bội số của tần số cơ bản (50 Hz), tuần hoàn liên tục và làm biến dạng sóng sin. Năng lượng của sóng hài không được các thiết bị điện sử dụng hiệu quả mà chuyển hóa thành nhiệt năng, gây nóng đường dây và hao mòn thiết bị.
Nguyên Nhân Hình Thành Sóng Hài Bậc Cao
Các nguồn tín hiệu trong mạch điện bao gồm nhiều thành phần tần số khác nhau, không chỉ tần số cơ bản của lưới điện. Về mặt toán học, dạng sóng tuần hoàn có thể được phân tích thành chuỗi Fourier, bao gồm một thành phần không đổi và tổng các thành phần điều hòa dạng sin và cos. Các thành phần này có góc pha gấp N lần góc pha của sóng điều hòa cơ bản, trong đó N là số bậc của sóng hài. Điều này giải thích sự hình thành của các sóng hài bậc 3, 5, 7,…
Các Nguồn Gây Sóng Hài Trong Hệ Thống Điện
Sự phát triển của xã hội kéo theo sự gia tăng về số lượng và chủng loại thiết bị điện. Khi các thiết bị này hoạt động và hòa vào lưới điện, chúng có thể tạo ra sóng hài.
Trong hệ thống truyền tải điện năng:
Sóng hài chủ yếu do cảm kháng từ hóa phi tuyến của máy biến áp, lò hồ quang, máy hàn công nghiệp và cuộn kháng điện.
Ngoài ra, tụ bù trong lưới điện kết hợp với cảm kháng lưới có thể tạo ra mạch cộng hưởng, khuếch đại sóng hài có tần số gần bằng tần số cộng hưởng.
Sự mất cân bằng pha (điện áp, tổng trở, phụ tải) cũng gây ra sóng hài trong hệ thống điện.
Tải phi tuyến có tổng trở thay đổi, dòng điện hấp thụ không còn dạng sin chuẩn, tạo ra dòng sóng hài bậc cao bơm vào hệ thống. Các tải phi tuyến phổ biến bao gồm:
- Thiết bị văn phòng: UPS, đèn huỳnh quang, máy photocopy.
- Bộ điều chỉnh động cơ, chỉnh lưu điện áp.
- Thiết bị công nghiệp: Lò hồ quang, máy hàn công nghiệp.
- Thiết bị chuyển đổi điện năng: Nghịch lưu, chỉnh lưu.
Đo mức độ ảnh hưởng của sóng hài
Tác Hại Của Sóng Hài Bậc Cao
Sóng hài bậc cao gây ra những thiệt hại lớn về kinh tế nếu không có biện pháp xử lý kịp thời:
- Đối với động cơ: Gây tổn hao trên cuộn dây và lõi thép, làm méo dạng momen, rung lắc, giảm hiệu suất, phát nóng và gây tiếng ồn. Nghiêm trọng hơn, sóng hài có thể sinh ra momen xoắn trục, gây dao động cộng hưởng cơ khí làm hỏng hộp số.
- Đối với máy biến áp: Gây tổn hao công suất dưới dạng nhiệt năng, có thể dẫn đến cháy nổ (ngay cả khi điện áp và dòng điện nhỏ hơn định mức).
- Làm sai lệch kết quả đo đạc của thiết bị đo.
- Gây chập chờn cho các thiết bị chiếu sáng.
- Gây nhiễu điện từ, ảnh hưởng đến các thiết bị thu phát sóng khác.
- Đối với hệ thống ba pha bốn dây: Gây mất cân bằng, tạo ra dòng điện lớn chạy qua dây trung tính, ảnh hưởng đến an toàn của con người và hệ thống điện.
- Đối với tụ bù: Dung kháng của tụ giảm khi tần số tăng. Sóng hài bậc cao tạo dòng điện lớn đi qua tụ, gây nóng và có thể phát nổ.
Giải Pháp Khắc Phục Sóng Hài
Để khắc phục sóng hài hiệu quả, cần xác định nguyên nhân gây ra chúng.
-
Giảm ảnh hưởng từ bộ biến tần: Sử dụng bộ lọc ngoài hoặc thay thế bằng bộ biến tần có khả năng giảm sóng hài. Các bộ biến tần hiện đại sử dụng công nghệ giảm sóng hài (Direct Torque Control) mà không cần bộ lọc ngoài. Ví dụ, bộ biến tần của ABB có thể giảm thiểu sóng hài với tổng dòng méo thấp hơn 5%.
-
Sử dụng cuộn kháng lọc sóng hài: Lắp đặt tụ bù kết hợp với cuộn kháng để bảo vệ tụ và lọc sóng hài. Có nhiều loại cuộn kháng tương ứng với các bậc sóng hài khác nhau (6%, 7%, 14%). Cuộn kháng là giải pháp tốt cho các ứng dụng cần lọc nhiễu nặng từ nguồn lưới.
Tham khảo thêm: Ứng dụng cuộn kháng để lọc thành phần sóng hài bậc cao
- Quy định về kiểm soát sóng hài: Cần có quy định lựa chọn các thiết bị ít gây sóng hài và bổ sung các phương tiện giảm thiểu sóng hài khi xây dựng công trình.
Việc xử lý sóng hài bậc cao trong các khu công nghiệp là một vấn đề phức tạp, đòi hỏi chi phí đáng kể và sự hiểu biết sâu sắc về tác hại của chúng. Cần có sự tư vấn chuyên nghiệp để lựa chọn phương pháp xử lý phù hợp, chẳng hạn như sử dụng tụ bù kèm cuộn kháng với tỷ lệ phù hợp (7%, 12%,…) để đạt hiệu quả tối ưu.
Lưu ý: Thông tư 39/2015/TT-BCT quy định tổng độ biến dạng sóng hài trên mọi điểm đấu nối trung và hạ áp không được vượt quá giới hạn cho phép (≤ 6,5% cho tổng biến dạng sóng hài và ≤ 3,5% cho biến dạng riêng lẻ).
Đo sóng hài bậc cao
Đo đạc kiểm tra sóng hài bậc cao