Sóng hài là gì?

Sóng hài là một dạng sóng nhiễu không hình sin 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. 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.

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.

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.

Thành phần sóng hài bậc cao

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.

Công thức tính sóng hài

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.

Công thức tính sóng hài như sau:

fh = h.fb

trong đó: h là số nguyên dương.

Nguyên nhân sinh ra sóng hài

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:

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.

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.

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:

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.

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.

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

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

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.