Sóng hài là gì? Tác hại và giải pháp ngăn ngừa thực tế

Hệ thống điện của nhà máy của bạn gặp phải các tình huống sau: Tổn thất điện năng lớn dẫn đến hóa đơn tiền điện tăng cao; tụ điện dễ bị giãn nở và nổ; thậm chí nếu chưa đạt đến ngưỡng quá tải, động cơ sẽ sinh nhiệt và rung… Những dấu hiệu này cho thấy sóng hài có tác động tiêu cực đến chất lượng điện năng và hoạt động của thiết bị. Vậy hòa âm là gì? Tác hại của sóng hài đối với hệ thống là gì và biện pháp phòng ngừa là gì? Hãy đọc bài viết sau để tìm hiểu thêm.

Sóng hài là gì?

Harmonic (tên tiếng Anh Harmonic) là một loại sóng giao thoa gây ảnh hưởng tiêu cực đến chất lượng của lưới điện. Thông thường, dạng sóng điện áp hình sin do các nhà máy điện, trạm biến áp tạo ra rất “sạch”, nhưng càng gần phụ tải, đặc biệt là phụ tải phi tuyến thì sóng hình sin càng bị méo. Đây là thành phần hài hòa.

Sóng hài có tần số cao hơn tần số tiêu chuẩn 50Hz và có đặc điểm là dao động hoàn toàn trên phổ công nghiệp cơ bản. Tần số của dòng điện hài sau đó cũng được xác định là bội số nguyên của tần số cơ bản. Ví dụ: sóng hài bậc 3 là bội số của 3 tần số 50Hz, tức là 150Hz.

Nguyên nhân của hiện tượng hài hòa

Nguồn sóng hài chính xuất phát từ các phụ tải phi tuyến trong hệ thống điện. Trước đây, lưới điện chủ yếu bao gồm các phụ tải tuyến tính tự nhiên hình sin với tần số cơ bản là 50/60Hz, nhưng hiện nay các phụ tải phi tuyến tính tạo ra dòng điện đầu ra có dạng sóng khác với điện áp cung cấp.

Chi tiết hơn, các bộ cắt xung (bộ chỉnh lưu, bộ biến tần, mạch chuyển đổi xung) trong các thiết bị hiện đại chuyển đổi điện áp AC sang DC làm thay đổi hoàn toàn cách lấy năng lượng từ sóng hình sin AC so với các phương pháp truyền thống, gây ra sai lệch về điện áp và dòng điện, dẫn đến tạo ra sóng hài. Nói một cách đơn giản, sóng hài được tạo ra dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ do độ tự cảm từ hóa phi tuyến của máy biến áp, máy hàn, lò phản ứng, lò hồ quang điện, bộ chuyển đổi năng lượng tái tạo, v.v.

Thông thường, các sóng hài chuỗi Fourier chỉ chứa các sóng hài bậc lẻ, do các thiết bị tạo sóng hài thường có dạng sóng đồng nhất nên trong thực tế thường gặp các hài bậc 3, 5, 7, v.v.. Ngay cả sóng hài cũng gần như không tồn tại.

Sóng hài, mặc dù chỉ xuất hiện trong một thời gian ngắn trong mỗi pha, nhưng cũng đủ để làm biến dạng dòng điện xoay chiều đầu vào của sóng hình sin tiêu chuẩn. Ngoài ra, sự chênh lệch giữa điện áp xoay chiều ở đầu vào và điện áp DC ở đầu ra khiến dòng điện có biên độ cực đại cao hơn để truyền đủ năng lượng cho động cơ trong chu kỳ khởi động. Điều này làm cho dòng điện biến đổi thành các xung có biên độ cao, làm cho độ méo sóng hài THD của dòng điện cũng tăng lên.

Ảnh hưởng của sóng hài đến hệ thống điện

Sóng hài là một trong những nguyên nhân gây ra tình trạng quá tải, quá nhiệt và hư hỏng các thiết bị điện trong hệ thống.

Tác hại của sóng hài bao gồm:

• Mất năng lượng: Biến dạng sóng hài làm tăng dòng điện và điện áp trong hệ thống, gây tổn thất điện năng trên đường dây, máy biến áp và các thiết bị điện tử khác.
• Giảm tuổi thọ thiết bị: Sóng hài có thể gây ra quá nhiệt, quá tải cầu dao và nguy cơ cháy nổ máy biến áp. Sóng hài cũng làm tăng độ rung và tiếng ồn của động cơ, khiến động cơ dễ bị mài mòn cơ học và rút ngắn tuổi thọ sử dụng.
• Nhiễu điện tử: Sóng hài có khả năng gây nhiễu thiết bị điện tử mạnh hơn sóng hình sin thông thường, thậm chí có thể phát ra những âm thanh mà con người có thể nghe thấy, gây nhiễu đường truyền vô tuyến và khiến màn hình hiển thị nhấp nháy, chập chờn. Trong các hệ thống viễn thông và truyền hình, sóng hài còn lan truyền gián tiếp qua thanh cái đến các hệ thống khác.
• Biến dạng điện áp quá lớn: Các nguyên nhân có thể khiến thiết bị hoạt động không ổn định như cầu dao bị hỏng, máy phát điện bị lỗi, đèn nhấp nháy, sụt điện áp đường dây…
• Nguy cơ cháy nổ: Sóng hài có thể làm giảm khả năng cách điện của thiết bị, gây nguy cơ cháy nổ do tụ điện và máy biến áp quá nóng bất thường.

Tiêu chuẩn mức đo hài hòa

Ở mỗi quốc gia, chuẩn đo sóng hài có giá trị khác nhau.

Theo Ủy ban kỹ thuật điện quốc tế

Ủy ban Kỹ thuật Điện Quốc tế đã ban hành một số tiêu chuẩn liên quan đến các mức đo sóng hài như sau:

• IEC 61000-3-2: Giới hạn dòng điện hài riêng lẻ lên đến sóng hài thứ 40 được chia thành 4 loại (A, B, C, D) theo loại thiết bị (thiết bị gia dụng và văn phòng) có dòng điện đầu vào ≤16A mỗi pha.
• IEC 61000-3-12: Giới hạn dòng hài và độ méo dòng hài tổng (TDD) tại điểm đấu nối chung đối với thiết bị có dòng điện đầu vào >16A và ≤75A mỗi pha.
• IEC 61000-2-2: Giới hạn tốc độ méo sóng hài tổng điện áp tối đa cho phép (THD) của lưới điện công cộng hạ áp không quá 8%.

Theo IEEE

Tiêu chuẩn IEEE 519 của Viện Kỹ sư Điện – Điện tử đưa ra các ngưỡng hài hòa khác nhau tùy thuộc vào hệ thống điện:

lĩnh vực	Độ méo sóng hài THD (%)
Hàng không, bệnh viện, viễn thông	3%
Tòa nhà văn phòng, trường học	5%
nhà máy công nghiệp	10%

Theo tiêu chuẩn Việt Nam

Điều 7 Thông báo số 39/2015/TT-BCT của Bộ Công Thương ngày 18/11/2015 quy định tổng tỷ lệ méo hài điện áp của tất cả các điểm đấu nối trung và hạ áp không được vượt quá:

• Tổng độ méo sóng hài: ≤6,5%
• Biến dạng riêng lẻ: 3%

Đối với thiết bị kết nối, quy định về sóng hài được quy định tại Điều 32 Thông tư 39:

• Cung cấp điện trung thế và hạ thế
• Tổng độ méo sóng hài hiện tại kéo dài ít nhất 24 giờ, với chu kỳ 10 phút/lần.

Ngoài ra, Thông báo số 30/2019/TT-BCT của Bộ Công Thương cũng quy định công thức tính và giới hạn sóng hài điện áp và dòng điện.

Giới thiệu về Tổng độ méo hài (THD)

Tốc độ méo hài điện áp tổng được tính bằng tỷ số giữa giá trị hiệu dụng hài điện áp và giá trị hiệu dụng điện áp cơ bản.

Công thức như sau:

Ở đó:

• THD: tổng méo hài điện áp
• Vi: Giá trị hiệu dụng của hài điện áp thứ i, trong đó N là hài cao nhất cần đánh giá
• VI: Giá trị hiệu dụng của điện áp sóng cơ bản ở tần số 50Hz.

Theo quy định, giá trị cực đại tới hạn của THD do sóng hài bậc cao ở cấp điện áp 220kV và 500kV gây ra không được vượt quá 3%.

Giới thiệu về Tổng độ méo hài hiện tại (TDD)

Tổng tốc độ biến dạng sóng hài dòng điện được xác định bằng tỷ số giữa giá trị hiệu dụng hài dòng điện với giá trị hiệu dụng dòng điện cơ bản ở chế độ tải và chế độ phát điện tối đa.

Công thức tính TDD:

Ở đó:

• TDD: Tổng méo hài hiện tại
• Ii: Giá trị hiệu dụng của hài dòng điện thứ i, trong đó N là hài cao nhất cần đánh giá
• IL: giá trị dòng điện cơ bản có hiệu lực ở tần số 50Hz

Quy định: Giá trị cực đại tới hạn của TDD gây ra bởi sóng hài bậc cao ở cấp điện áp 220kV và 500kV không vượt quá 3%.

Các phương pháp xử lý sóng hài lưới điện

Để xử lý triệt để vấn đề sóng hài trong lưới điện cần có các giải pháp đồng bộ, nhất quán. Các giải pháp này được quy định cụ thể tại Thông báo số 30/2019/TT-BCT. Các điểm chính bao gồm:

trong thiết kế hệ thống điện

Ngay từ khâu thiết kế hệ thống điện nhà máy, cần xác định rõ các loại phụ tải tuyến tính, phi tuyến tính và công suất của từng loại. Đây là cơ sở để tính toán số lượng, công suất của máy biến áp, biến tần và các thiết bị liên quan.

trong hệ thống hiện có

Trên thực tế, ở Việt Nam, việc đánh giá tác động của tải trọng phi tuyến trong thiết kế còn rất hạn chế, đặc biệt là ở các nhà máy, nhà máy luyện sắt, xưởng đúc sắt, nhà máy thép sử dụng bộ biến tần 6 xung… Bằng cách đo cường độ và các mức hài cụ thể, dưới đây là một số phương án xử lý tương ứng:

• Cấp độ 1 – Cổ điển (THDi không cần điều trị.
• Cấp độ 2 – Thoải mái (THDi 5 ~ 10%): Sóng hài ở mức này có thể ảnh hưởng đến hiệu suất của tụ điện công suất phản kháng. Nên ưu tiên các tụ điện có cấu trúc màng polypropylen sử dụng kim loại hóa hợp kim kẽm/nhôm và cấu hình cắt sóng đặc biệt.
• Cấp độ 3 – Hài hòa (THDi 10 ~ 20%): Sóng hài bậc 3 có tác động rất lớn đến hệ thống tụ điện và các nhà máy điện, điện tử công nghệ cao. Có hai phương pháp xử lý phổ biến: thêm một điện trở vào bộ biến tần 6 xung/thay thế bằng bộ biến tần 12 xung trở lên hoặc trang bị cho hệ thống tụ điện một cuộn kháng lọc sóng hài.

• Cấp 4 – Bộ lọc (THDi > 20%): Mức sóng hài này sẽ khiến các thiết bị trong hệ thống hoạt động không ổn định như CB hoạt động không đúng, động cơ rung, PLC nhấp nháy, phồng tụ, nổ… Giải pháp phù hợp nhất là sử dụng bộ lọc sóng hài chủ động AHF.

Tóm lại, việc điều khiển sóng hài lưới điện có thể được thực hiện thông qua các phương pháp sau:

• Lắp đặt cuộn kháng trong biến tần: Đây là giải pháp tốt nhất cho các ứng dụng trong đó nguồn điện chính cần được lọc với mức nhiễu nghiêm trọng nhưng việc giảm sóng hài không phải là ưu tiên hàng đầu.
• Chỉnh lưu 12 xung: Cung cấp hiệu suất lọc sóng hài cao nhất nhưng yêu cầu thực hiện phức tạp.
• Sử dụng biến tần hài hòa thấp: Ví dụ, bộ biến tần nhiều xung sử dụng công nghệ triệt tiêu sóng hài và không yêu cầu bộ lọc THDi bên ngoài.
• Sử dụng bộ lọc hài hòa: Nó phù hợp cho nhiều bộ biến tần được lắp đặt song song trên cùng một đường dây phân phối. Chức năng chính của nó là bù công suất phản kháng và loại bỏ sóng hài bậc cao. Hai bộ lọc được sử dụng phổ biến nhất là bộ lọc sóng hài bậc 0 (ZSF), có hiệu suất lọc khoảng 60-95% và bộ lọc sóng hài chủ động AHF, có hiệu suất lọc lên tới 97%.

Các câu hỏi về sóng hài là gì?

Câu 1: Mức độ sóng hài nào là nguy hiểm nhất?

hồi đáp: Mức độ nguy hiểm do sóng hài phụ thuộc vào cấu hình hệ thống và loại thiết bị bị ảnh hưởng. Ví dụ, sóng hài bậc 3 có tác động nghiêm trọng đến hệ thống ba pha 4 dây có dây trung tính; sóng hài bậc 5 đặc biệt nguy hiểm đối với động cơ và máy phát điện…

Câu 2: Sóng hài điện áp hay sóng hài dòng điện nguy hiểm hơn?

hồi đáp: Cả sóng hài điện áp và dòng điện đều có thể có tác động tiêu cực đến chất lượng điện năng, nhưng sóng hài dòng điện được biết là gây ra và có khả năng làm hỏng trực tiếp thiết bị do quá nhiệt và cộng hưởng. Đồng thời, sóng hài điện áp có thể làm giảm chất lượng điện năng tổng thể và khả năng hoạt động bình thường của các thiết bị điện.