Sóng hài là gì?
Hình ảnh: Thành phần cơ bản và sóng hài
Sóng hài là một dạng nhiễu không mong muốn, ảnh hưởng trực tiếp tới chất lượng lưới điện và cần được chú ý tới khi tổng các dòng điện hài cao hơn mức độ giới hạn cho phép. Dòng điện hài là dòng điện có tần số là bội của tần số cơ bản. Ví dụ dòng 250Hz trên lưới 50Hz là sóng hài bậc 5. Dòng điện 250Hz là dòng năng lượng không sử dụng được với các thiết bị trên lưới. Vì vậy, nó sẽ bị chuyển hoá sang dạng nhiệt năng và gây tổn hao.
Sóng hài được đặc trưng của dao động hoàn toàn trên phổ tần số công nghiệp cơ bản. Thành phần sóng hài trong nguồn AC được định nghĩa là thành phần sin của một chu kỳ sóng có tần số bằng số nguyên lần tần số cơ bản của hệ thống.
fh = h.fb
trong đó: h là số nguyên dương.
Nguyên nhân gây ra sóng hài là do các phụ tải dạng phi tuyến trong hệ thống điện. Điện áp đầu vào của tải phi tuyến là dạng hình sin nhưng dòng qua nó có dạng không sin.
Một dạng sóng bất kỳ là tổng của các dạng sóng hình sin. Khi đồng nhất từ chu kỳ này sang chu kỳ khác nó có thể được miêu tả như những sóng sin cơ bản và bội số của tần số cơ bản, có nghĩa là bao gồm sóng sin cơ bản và chuỗi của các dạng sóng sin hài bậc cao, gọi là chuỗi Fourier.
Quá trình tính toán có thể độc lập với mỗi hài riêng. Kết quả tính toán của mỗi tần số sẽ được kết hợp vào một dạng của chuỗi Fourier để có dạng sóng ra tổng quát nếu cần. Thông thường chỉ cần quan tâm đến biên độ của sóng hài.
Khi cả nửa chu kỳ âm, dương của một dạng sóng có dạng đồng nhất, chuỗi Fourier chỉ chứa hài bậc lẻ. Vì hầu hết các thiết bị sinh ra sóng hài thông thường có dạng sóng đồng nhất nên trong thực tế ta chỉ cần quan tâm đến sóng hài bậc lẻ 3,5,7,…
Các nguồn sinh ra sóng hài:
Các tải công nghiệp: Các thiết bị điện tử công suất, biến tần, lò hồ quang, máy hàn, bộ khởi động điện tử, đóng mạch máy biến áp công suất lớn…
Các tải dân dụng: Đèn phóng điện chất khí, tivi, máy photocopy, máy tính, lò vi sóng…
Với nhiều biện pháp khác nhau, người ta có thể giảm một số sóng hài đến một giá trị nhỏ không đáng kể. Việc khử bỏ hoàn toàn chúng tất nhiên không thể hoàn toàn thực hiện được.
Tác hại sóng hài lên lưới điện:
Hình ảnh: Sóng hài bậc 5 gây tác hại biến dạng lưới điện
Sóng hài là dạng nhiễu không mong muốn ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng điện năng, xuất hiện khi sử dụng những tải không tuyến tính (biến tần, bộ chuyển điện thế, UPS,…) có tác dụng rất xấu đến những thiết bị, máy móc được sử dụng trong nhà máy như:
– Sóng hài làm cho cáp bị quá nhiệt, phá hỏng cách điện.
– Giảm tuổi thọ động cơ, gây ra quá nhiệt động cơ, gây tiếng ồn lớn khi vận hành.
– Quá tải CB, quá nhiệt và gây cháy nổ máy biến áp (trong khi lượng điện sử dụng vẫn nhỏ hơn định mức).
– Máy cắt, Aptomat, cầu chì có thể bị tác động mà không rõ nguyên nhân.
– Sóng hài gây tác hại nghiêm trọng đến tụ bù do phá hỏng chất điện môi, tụ bị phồng, giảm tuổi thọ tụ bù, thậm chí gây nổ tụ bù bất thường.
– Gây nhiễu ảnh hưởng đến các thiết bị viễn thông, hệ thống tự động hóa như PLC, Role,…
– Các thiết bị đo hoạt động không chính xác.
– Lãng phí năng lượng…
Tiêu chuẩn quy định ngưỡng sóng hài:
Để giảm ảnh hưởng của sóng hài trong hệ thống điện, Thông tư 39/2015/TT-BCT ngày 18/11/2015 của Bộ Công Thương quy định:
Yêu cầu về sóng hài điện áp (trích Điều 7):
1. Tổng độ biến dạng sóng hài điện áp tại mọi điểm đấu nối trung và hạ áp không được vượt quá giới hạn như sau:
– Tổng biến dạng sóng hài: ≤ 6,5%
– Biến dạng riêng lẻ: ≤ 3,0%
2. Cho phép đỉnh nhọn điện áp bất thường trên lưới điện phân phối trong thời gian ngắn vượt quá tổng mức biến dạng sóng hài quy định như trên nhưng không được gây hư hỏng thiết bị của lưới điện phân phối.
Yêu cầu về sóng hài dòng điện (Điều 32):
1. Giá trị cực đại cho phép của tổng độ biến dạng sóng hài dòng điện phụ tải gây ra được quy định như sau:
a) Đối với đấu nối vào cấp điện áp trung áp và hạ áp có công suất nhỏ hơn 50 kW: Giá trị dòng điện của sóng hài bậc cao không vượt quá 20% dòng điện phụ tải;
b) Đối với đấu nối vào cấp điện áp cao áp hoặc các đấu nối có công suất từ 50 kW trở lên: Giá trị dòng điện của sóng hài bậc cao không vượt quá 12% dòng điện phụ tải.
2. Tổng độ biến dạng sóng hài dòng điện do Đơn vị phân phối điện đo tại điểm đấu nối của Khách hàng sử dụng lưới điện phân phối được đo đếm theo tiêu chuẩn IEC1000-4-7, kéo dài ít nhất 24 giờ với chu kỳ 10 phút 01 lần. Chậm nhất 06 tháng kể từ thời điểm phát hiện thiết bị của khách hàng không đạt được giá trị quy định tại Khoản 1 Điều này, khách hàng phải áp dụng các biện pháp khắc phục để đạt được giá trị tổng độ biến dạng sóng hài dòng điện trong giới hạn cho phép.
Thiết bị đo và phân tích sóng hài:
Để đo sóng hài cần phải có thiết bị chuyên dụng. Có một số thiết bị đo sóng hài ở mức độ đơn giản dạng như Ampe kìm cầm tay giá khoảng từ vài trăm $, cũng có các thiết bị đo và phân tích sóng hài có đầy đủ tính năng cần thiết (như hình ảnh minh họa) nhưng khá đắt tiền khoảng từ vài nghìn $. Do chi phí đầu tư thiết bị khá cao nên đa phần các nhà máy không trang bị sẵn cho nhân viên kỹ thuật điện. Bên cạnh đó để sử dụng được thiết bị đo và phân tích sóng hài cần phải có kiến thức chuyên sâu.
Hình ảnh: Thiết bị đo sóng hài, phân tích sóng hài
Các vấn đề liên quan đến tụ bù:
Tụ bù là thành phần tĩnh và tuyến tính nên nó không gây ra sóng hài. Tuy nhiên nó sẽ tương tác với các nguồn tự cảm của hệ thống điện và có thể tạo ra điều kiện cộng hưởng song song ở tần số hài. Việc này làm tăng dòng qua tụ một cách đáng kể và có thể gây ra nổ cầu chì, nhảy aptomat hay làm điện áp trên tụ tăng cao dẫn đến phá hỏng chất điện môi hoặc tụ bị phồng, nổ.
Hình ảnh: Tụ bù bị nổ do sóng hài
Với sóng hài trong hệ thống và việc bổ sung tụ bù để giảm hệ số công suất phản kháng cosφ, rất dễ gây ra sự cố cho hệ thống mặc dù trước đó hệ thống vận hành hoàn toàn bình thường. Nguyên nhân chính là do tụ bù điện đã gây ra cộng hưởng sóng hài làm tăng mức độ ảnh hưởng của sóng hài.
Thực tế lắp đặt và xử lý sự cố hệ thống tụ bù công suất phản kháng chúng tôi nhận thấy sóng hài gây ra thiệt hại khá nghiêm trọng cho tụ bù. Ngày nay các cơ sở sản xuất ứng dụng nhiều thiết bị điều khiển, tự động hóa hiện đại trong đó có biến tần là tác nhân chính gây ra sóng hài. Trong khi đó hệ thống tủ bù ngay từ đầu đã không được lắp đặt thiết bị lọc sóng hài dẫn tới tụ bị phồng, cháy thậm chí bị nổ rất nhanh. Muốn khắc phục phải lắp lắp ráp lại cả tủ điện, thay vỏ tủ kích thước lớn, khó khăn cho việc thi công, tốn nhiều chi phí, khó bố trí chỗ đặt tủ,…
Sử dụng cuộn kháng lọc sóng hài:
Hình ảnh: Cuộn kháng lọc sóng hài Mikro
Để lọc sóng hài cho tụ bù chỉ cần lắp nối tiếp Cuộn kháng lọc sóng hài với Tụ bù. Có nhiều loại cuộn kháng 6%, 7%, 14% và được chế tạo tương ứng với các dung lượng khác nhau của tụ bù. Ví dụ cuộn kháng Mikro 7% dùng cho tụ bù 50kVAr cho phép lọc sóng hài bậc 5,7.
Lắp cuộn kháng làm tăng khá nhiều chi phí, có thể tăng thêm khoảng 50% so với phương án không lắp cuộn kháng. Đồng thời kích thước tủ lắp cuộn kháng cũng lớn hơn nhiều do cuộn kháng khá cồng kềnh và nặng. Cuộn kháng có tác dụng triệt tiêu sóng hài nhưng cũng làm tăng điện áp vào tụ do đó nên sử dụng tụ bù có điện áp cao sẽ bền hơn.
Hình ảnh: Lắp cuộn kháng lọc sóng hài cho tụ bù.
