Sóng hài là gì ? Tác hại của sóng hài và cách phòng chống

Giảm tuổi thọ thiết bị điện, gây nổ tụ bù, quá nhiệt nổ biến áp, đó là những gì sóng hài bậc cao gây ra, thiệt hại rất lớn về kinh tế. Vậy cụ thể sóng hài là gì, tại sao nó lại ảnh hưởng ghê gớm đến các thiết bị điện như vậy, cách khắc phục nó ra sao. Tôi và các bạn cùng nhau tìm hiểu trong bài viết dưới đây

Bản chất sóng hài là gì

Như chúng ta đã biết, tần  số làm việc ổn định của các thiết bị điện do nhà máy cung cấp là 50 Hz, nhưng trong quá trình truyền tải và phân phối điện năng, các thành phần sóng bậc cao được sinh ra và hòa vào lưới điện do các phần tử phụ tải phi tuyến như lò hồ quang, máy hàn vv.

Chúng sản sinh ra các thành phần sóng hài bậc cao khác nhau và trả lại lưới điện thông qua dây dẫn, kết hợp với tần số cơ bản làm méo mó biến dạng sóng của hệ thống phân phối năng lượng chung.

Đặc điểm của sóng hài là bội của tần số cơ bản 50 Hz, tuần hoàn liên tục và khi hòa vào lưới điện làm biến dạng sóng sin đơn thuần mà chúng ta thường thấy

Vậy dạng năng lượng hài bậc cao này không được các thiết bị điện sử dụng , nó biến đổi sang nhiệt năng và phát nóng trên đường dây gây hao mòn các thiết bị.

Phân tích nguyên nhân hình thành sóng hai bậc cao

Theo lý thuyết, các nguồn tín hiệu đưa đến  tồn tại và hoạt động trên mạch gọi chung là hàm điều hòa. Nhưng trong thực tế, các nguồn tín hiệu này trộn lẫn bao gồm nhiều thành phần tần số khác nhau khác với tần số cơ bản của lưới điện.

Nếu theo toán học, thì các dạng sóng tuần hoàn được phân tích dưới dạng chuỗi fourier thành tổng của một thành phần không đổi và tổng các thành phần điều hòa dạng hình sin và cos có góc phi gấp N lần góc phi ở sóng điều hòa cơ bản. N chính là số bậc của sóng hài.

Máy đo sóng hài bậc cao

Đây là lý do vì sao hình thành các sóng hài bậc 3, 5, bậc 7 vv.

Các nguồn gây ra sóng hài trong hệ thống điện

Với sự phát triển chung của xã hội, các thiết bị điện phục vụ cho đời sống ngày càng đa dạng và phong phú. Cũng chính từ đây khi hòa vào lưới điện trong quá trình hoạt động, các thiết bị đó sản sinh ra nhiều loại sóng trả lại phía lưới

Xét góc độ hệ thống truyền tải điện năng :

Sóng hài được hình thành chủ yếu do cảm kháng từ hóa phi tuyến của các máy biến áp, lò hồ quang, các máy hàn công nghiệp, cuộn kháng điện hoạt động trên cơ sở cảm ứng điện từ.

Bên cạnh đó các tụ bù trong hệ thống lưới điện kết hợp với cảm kháng lưới điện, tạo ra mạch cộng hưởng làm khuếch đại sóng hài có tần số gần bằng tần số cộng hưởng tồn tại trong lưới.

Các hệ thống điện do điều kiện vận hành vì một nguyên nhân nào đó mà không cân bằng giữa các pha. Ví dụ điện áp, tổng trở, phụ tải không cân bằng thì sóng hài sẽ phát sinh ra trong ba thành phần đó.

Đặc thù của tải phi tuyến khi tổng trở của nó biến đổi, dòng của nó hấp thụ sẽ không Sin như mong muốn ban đầu, và từ đó nó tạo ra dòng sóng hài bậc cao bơm vào hệ thống. Các tải phi tuyến chúng ta thường gặp là

• Thiết bị văn phòng như: Nguồn đổi điện UPS, đèn huỳnh quang, máy copy
• Bộ thiết bị điều chỉnh động cơ, chỉnh lưu điện áp.
• Các máy thuộc ngành điện công nghiệp như: Lò hồ quang, máy hàn công nghiệp
• Với những thiết bị chuyển đổi điện năng nghịch lưu, chỉnh lưu, nó cũng gây ra sóng hài

Tác hại của sóng hài bậc cao

Sóng hài bậc cao gây thiệt hại to lớn về mặt kinh tế nếu như chúng ta không có hướng giải quyết, cụ thể là

• Đối với động cơ, sóng hài gây tổn hao trên cuộn dây và lõi thép động cơ gây méo dạng momen, làm rung lắc động cơ, giảm hiệu suất, phát nóng, gây tiếng ồn. Trường hợp nguy hại hơn, sóng hài còn sinh ra momen xoắn trục động cơ, gây dao động cộng hưởng cơ khí làm hỏng hộp số
• Đối với máy biến áp, sóng hài sẽ gây tổn hao công suất dưới dạng nhiệt năng, nặng hơn sẽ gây cháy nổ biến áp ( trong khi U/ I vẫn nhỏ hơn định mức)
• Làm sai lệch kết quả đo đạc trong thiết bị đo
• Các thiết bị sử dụng điện như đèn chiếu sáng bị chập chờn
• Gây sóng điện từ lan truyền trong không gian ảnh hưởng đến các thiết bị thu phát sóng khác
• Với dây trung tính hệ thống ba pha bốn dây, sóng hài làm cho hệ thống mất cân bằng, xuất hiện dòng điện lớn chạy qua dây trung tính, ảnh hưởng đến sự an toàn con người và hệ thống điện.

Đối với hệ thống tụ bù phản kháng, dung kháng của các tụ giảm dần khi tần số tăng lên. Trong thực tế các sóng hài bậc cao tạo dòng điện lớn đi qua tụ, gây nóng, nguy hiểm hơn có thể phát nổ tụ bù mà chúng ta thường thấy

Nổ tụ bù do sóng hài bậc cao

Giải pháp cho vấn đề này

Đầu tiên chúng ta phải xác định nguyên nhân gây ra sóng hài từ đâu để có cách khắc phục tối ưu nhất.

Giảm ảnh hưởng phát xạ sóng hài từ các bộ biến tần. Các linh kiện chứa trong bộ biến tần là các phần tử phi tuyến, trong quá trình hoạt động hệ thống truyền động tải đều làm tăng dòng điện hài. Vậy để khắc phục trường hợp này chúng ta phải sử dụng thêm bộ lọc ngoài, hay đổi sang bộ biến tần phát sóng hài thấp hơn.

Mới đây hãng ABB cung cấp giải phát hạ thấp sóng hài mới, chức năng tích hợp trong biến tần. Những bộ biến tần này sử dụng công nghệ giảm sóng hài ( Direct Torque Control) mà không cần thêm các bộ lọc ngoài như trên. Kiểm định thực tế cho thấy, các bộ biến tần mới giảm thiểu sóng hài với tổng dòng méo thấp hơn 5 % .

AT V201 sử dụng công nghê C-less làm giảm THDi xuống dưới 20% mà không cần trang bị thêm bộ lọc, đạt chuẩn IEC 61000

Biến tần lọc sóng hài

Sử dụng cuộn kháng lọc sóng hài. Phương pháp này là trang bị tụ bù có lắp đặt thêm cuộn kháng với mục đích đảm bảo tuổi thọ của tụ và lọc sóng hài. Hiện nay có nhiều loại cuộn kháng ứng với các bậc sóng hài khác nhau như 6%, 7%, 14%.  Dùng cuộn kháng là giải phát tốt nhất đối với các ứng dụng cần lọc cho nguồn lưới bị nhiễu nặng.

Cần có quy định riêng về kiểm soát sóng hài phát sinh.

Khi điện năng truyền tải từ nhà máy đến các nơi tiêu thụ là hình sin. Sóng hài sinh ra do các phần tử mà đã trình bày ở trên, vì thế khi đầu tư xây dựng công trình cần có quy định ban hành lựa chọn những thiết bị ít gây sóng hài và bổ sung các phương tiện giảm thiểu sóng hài.

Các bạn xem thêm video để biết thêm về sóng hài bậc cao

Thực tế cho thấy việc sử lý sóng hài bậc cao trong các khu công nghiệp là vấn đề đau đầu cho các chủ doanh nghiệp. Nó tiêu tốn một khoản tiền không hề nhỏ, mà chưa định hình được những tác hại khôn lường của nó đến tuổi thọ các thiết bị. Thực tế vẫn còn hiểu lầm về việc sử lý sóng hài sử dụng phương pháp gì ? khi nào sử dụng tụ bù kèm với cuộn kháng, tại sao phải lắp cuộn kháng 7%, 12%….để đạt được hiệu quả tối ưu nhất.

Lưu ý : Thông tư 39/2015/TT-BCT nêu rõ, quy định về tổng độ biến dạng sóng hài  trên mọi điểm đấu nối trung và hạ áp không được vượt quá giới hạn cho phép. Tổng biến dạng sóng hài: ≤ 6,5%, biến dạng riêng lẻ: ≤ 3,5%. Với các thiết bị đầu nối, quy định về sóng hài cấp điện áp trung áp và hạ áp có công suất nhỏ < 50 kW. Tổng độ biến dạng sóng hài dòng điện được đo đếm theo tiêu chuẩn IEC1000-4-7.