I) Sóng hài

1. Sóng hài là gì?

Sóng hài là dạng sóng nhiễu không mong muốn và gây ra những ảnh hưởng tiêu cực đến chất lượng lưới điện. Khi tổng dòng điện vượt quá mức giới hạn cho phép sẽ xuất hiện nhiều vấn đề như: Giảm hiệu suất của thiết bị điện, làm nóng hệ thống và gây lãng phí năng lượng.

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 như dòng 250Hz trên lưới 50Hz là sóng hài bậc 5, đây là dòng năng lượng không sử dụng được cho các thiết bị trên lưới và nó sẽ bị chuyển hóa thành nhiệt năng, gây tổn hao trong hệ thống.

2. Nguyên nhân sinh ra sóng hài

Nguyên nhân chính sinh 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 lại không có dạng 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,…

3. Các nguồn sinh ra sóng 

Một số nguồn sinh ra sóng hài phổ biến bao gồm:

- 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,...

- Tải dân dụng: Đèn phóng điện, tivi, máy photocopy, máy tính, lò vi sóng,...

4. Tác hại của sóng hài với hệ thống điện

Sóng hài gây ra nhiều tác động tiêu cực cho hệ thống điện, đặc biệt là các thiết bị điện và hệ thống dây dẫn. Một số tác hại cụ thể như:

- Quá nhiệt cáp: Sóng hài làm cho cáp bị quá nhiệt, phá hỏng cách điện;

- Giảm tuổi thọ động cơ: Gây quá nhiệt động cơ, gây tiếng ồn lớn khi vận hành;

- Quá tải CB: Gây quá tải CB, quá nhiệt và cháy nổ máy biến áp (trong khi lượng điện sử dụng vẫn nhỏ hơn định mức);

- Tác động đến thiết bị bảo vệ: Máy cắt, Aptomat, cầu chì có thể bị tác động mà không rõ nguyên nhân;

- Gây hỏng tụ bù: Sóng hài 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…;

- Khiến các thiết bị đo hoạt động không chính xác;

- Lãng phí năng lượng: Sóng hài làm giảm hiệu suất hệ thống và tiêu hao năng lượng không cần thiết;

….

Tụ bù bị hỏng do sóng hài

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,…

5. 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

6. Tiêu chuẩn quy định ngưỡng sóng hài

Để giảm ảnh hưởng của sóng hài trong hệ thống điện, Thông tư 30/2019/TT-BCT ngày 18/11/2019 của Bộ Công Thương quy định:

Yêu cầu về sóng hài điện áp (trích Điều 4):

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: Trung áp ≤ 5%  và Hạ áp ≤ 8%

– Biến dạng riêng lẻ: Trung áp ≤ 3,0%  và Hạ áp ≤ 5,0%

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 50kW 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 IEC 1000-4-7, 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.

7. 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 nhưng khá đắt tiền khoảng 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.

Máy đo sóng hài

II) Sóng hài bậc cao

1. Nguyên nhân hình thành sóng hài 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 hình thành nên các sóng hài bậc 3, 5, 7,...

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 về 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 hình Sin như mong muốn ban đầu, và từ đó tạo ra dòng sóng hài bậc cao bơm vào hệ thống. Các tải phi tuyến chúng ta thường gặp:

- 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.

2. 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.

- 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

Tụ bù bị hỏng do sóng hài

III) Giải pháp khắc phục sóng hài trong hệ thống điện

Để giảm thiểu tác động của sóng hài trong hệ thống điện, việc đầu tiên là xác định rõ nguyên nhân gây ra sóng hài và áp dụng các giải pháp hiệu quả.

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.

1. Bộ lọc sóng hài thụ động

Lọc sóng hài thụ động chính là 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 pháp tốt nhất đối với các ứng dụng cần lọc cho nguồn lưới bị nhiễu nặng.

2. Bộ lọc sóng hài tự động

Bộ lọc sóng hài tự động V-HF là giải pháp lọc sóng hài tích cực dùng IGBT và công nghệ điều chế độ rộng xung PWM có khả năng lọc hài tự động từ bậc 2 đến bậc 50 với hiệu suất lên đến 97%. 

Bộ lọc sóng hài tự động V-HF thương hiệu Vias là một sản phẩm cải tiến chất lượng điện năng mới, dùng để lọc sóng hài chủ động (chức năng chính) và bù công suất phản kháng khi cần thiết (chức năng phụ). V-HF sử dụng để khắc phục những thiếu sót của phương pháp triệt tiêu sóng hài thông thường như bộ lọc sóng hài thụ động ( bao gồm tụ và cuộn kháng).

V-HF là giải pháp toàn diện hoàn hảo cho các vấn đề về chất lượng nguồn điện lưới như sóng hài và công suất phản kháng. V-HF được kết nối song song trong lưới điện 200V-3P3W hoặc 400V 3P-4W, để phát hiện sóng hài trong lưới điện theo thời gian thực, tạo ra dòng điện bù ngược pha thông qua bộ chuyển đổi và lọc động sóng hài trong lưới điện.

Hoạt động của V-HF không bị ảnh hưởng bởi cấu trúc lưới điện và loại tải, và nó sẽ không tạo ra dao động điều hòa với hệ thống, do đó thực hiện hoàn hảo việc kiểm soát sóng hài của các tải khác nhau.

Có hai dải điện áp : 400V-3P4W và 200V-3P3W

Công suất: 30A, 50A, 75A, 100A, 150A, 200A, 300A, 400A

Vui lòng liên hệ với chúng tôi:

CÔNG TY CỔ PHẦN ĐẦU TƯ VIAS VIỆT NAM

Địa chỉ: 27TT7, Foresa 2, KĐT Sinh Thái Xuân Phương Tasco, Nam Từ Liêm, Hà Nội 

Website: www.vias.vn / www.viasvietnam.com

Tel: 024 3998 5225  Email: contact@vias.vn

Thông tin liên hệ:　

• Mr. Inoue – Email: Y.Inoue@viasvietnam.com - Japanese
• Mr. Đỗ Kim Tuyến - Email: dokimtuyen@viasvietnam.com - Tel: 0982.918.116 / Vietnamese