Sóng hài là gì? Quy định phép đo và tác hại của sóng hài

Lê Hồng Phong

Trước đây, hệ thống điện đơn giản hơn và tính chất điện của chúng sạch hơn nhiều so với ngày nay, chủ yếu với các tải tuyến tính tự nhiên. Các tải này tạo ra sóng hình sin cho dòng điện có tần số từ 50Hz đến 60Hz – tần số cơ bản.

Tuy nhiên, sóng hài tăng theo thời gian. Hiện tượng méo hài rất phổ biến trong hệ thống điện. Loại sóng này ảnh hưởng tiêu cực đến chất lượng điện năng và hoạt động của thiết bị. Trong bài viết dưới đây, hãy cùng KTH ELECTRIC tìm hiểu sóng hài là gì, cơ chế tạo ra chúng, tác hại của sóng hài và những phương pháp nào để hạn chế tác động của loại sóng này.

Sóng hài là gì?

Sóng hài là sóng nhiễu hình sin bất thường, ảnh hưởng tiêu cực đến chất lượng điện tổng thể. Dòng điện hài có tần số là bội số của tần số điện cơ bản, vì vậy sóng hài bậc cao là sóng hài bậc 2 trở lên. Ví dụ: tần số lưới là 50Hz và xuất hiện dòng điện có tần số 350Hz – đây là dòng điện hài bậc 7 và không thể sử dụng cho thiết bị lưới. Dòng điện này sau đó được chuyển thành nhiệt và gây tổn thất cho hệ thống. Tương tự có sóng hài bậc 2 – 100Hz; Sóng hài bậc 3 – 150Hz; Sóng hài thứ 5 – 250Hz;…

Sóng hài được đặc trưng bởi các dao động hoàn chỉnh trên phổ tần số công nghiệp cơ bản. Trong nguồn điện xoay chiều, thành phần hài là phần sin của chu kỳ sóng có tần số là bội số nguyên dương của tần số cơ bản trong hệ thống.

Công thức tính nhanh sóng hài là fh = hx fb (Hz)

Trong đó:

• fh: Tần số hài
• h: bội số nguyên dương
• fb: Tần số cơ bản, ví dụ 50Hz

Nguyên nhân của sóng hài

Các tải điện tử phi tuyến ra đời, chủ yếu là các bộ cắt xung để chuyển đổi điện áp AC thành DC, thay đổi hoàn toàn cách lấy điện từ sóng hình sin AC. Hiện tượng cắt xung này tạo ra độ lệch điện áp và dòng điện so với dạng hình sin thông thường, dẫn đến tạo ra sóng hài. Để dễ hiểu hơn, sóng hài được hình thành do cảm ứng từ hóa phi tuyến từ các máy biến áp, lò hồ quang, máy hàn, lò phản ứng,… hoạt động theo nguyên lý cảm ứng điện từ.

Bất kỳ dạng sóng nào cũng là sự kết hợp của nhiều dạng sóng hình sin, bao gồm một sóng hình sin cơ bản và một loạt các dạng sóng hình sin hài hòa cao hơn hoặc chuỗi Fourier. Khi cả nửa chu kỳ dương và nửa chu kỳ âm của dạng sóng có hình dạng đồng nhất, chuỗi Fourier sẽ chỉ chứa các sóng hài lẻ. Những nguyên nhân tạo ra sóng hài thường có dạng sóng đồng nhất nên trong thực tế hầu hết bạn sẽ gặp phải những sóng hài bậc 3, 5, 7, v.v. Ngay cả những sóng hài gần như không tồn tại.

Hiện tượng hài xảy ra trong một khoảng thời gian ngắn ở mỗi pha nhưng đủ để làm biến dạng dòng điện xoay chiều đầu vào so với hình sin tiêu chuẩn ban đầu. Ngoài ra, sự chênh lệch giữa điện áp AC và DC ở đầu vào khiến dòng điện có biên độ cực đại cao hơn để truyền đủ công suất tới động cơ trong một chu kỳ lưới. Điều này dẫn đến dòng điện không còn dạng hình sin mà trở thành các xung có biên độ cao, với tổng cộng 4 xung (hai xung cho mỗi nửa chu kỳ) và độ méo hài THD của loại dòng điện này rất cao.

Phương pháp đo sóng hài

Đo sóng hài bằng Độ méo hài tổng (THD) và Độ méo tổng nhu cầu (TDD). Đối với dòng điện, sử dụng TDD là chỉ báo chính xác hơn về ảnh hưởng của độ méo sóng hài. Ví dụ: nếu điện áp cao nhưng tải thấp thì giá trị hiện tại thấp. Tuy nhiên, khi xem xét điện áp, THD là thông số được ưu tiên hơn để đo độ méo sóng hài tổng.

Đây là bảng so sánh hai tham số trên:

Để hạn chế ảnh hưởng của sóng hài, bạn có thể tham khảo bài viết: Hướng dẫn 5 phương pháp lọc sóng hài hiệu quả

Quy chuẩn về mức đo sóng hài

Theo tiêu chuẩn hài hòa IEEE & IEC, I_THD = 12%(max) (Ratio = Isc/ I_load deman = 50 `100), V_THD = 5 %(max) (

Thông tư 30/2019/TT-BCT ngày 18/11/2019 của Bộ Công Thương quy định công thức tính và giới hạn hài điện áp và hài dòng điện.

Quy định về sóng hài điện áp THD

Sóng hài điện áp (độ méo sóng hài tổng – THD) được tính bằng tỷ số giữa giá trị hiệu dụng của sóng hài điện áp và giá trị hiệu dụng của điện áp cơ bản, theo công thức đo sóng hài sau:

Trong đó:

• THD: Tổng méo hài điện áp
• Vi: Giá trị hiệu dụng của hài điện áp bậc i với N là hài bậc cao nhất cần đánh giá
• VI: Giá trị hiệu dụng của điện áp cơ bản tần số 50Hz

Quy định: Giá trị cực đại tới hạn của tổng méo hài điện áp do các thành phần hài bậc cao gây ra ở cấp điện áp 220kV và 500kV không vượt quá 3%.

Xem thêm: Ý nghĩa của biến dạng sóng hài tổng thể THD trong hệ thống điện

Quy định về sóng hài dòng điện TDD

Sóng hài dòng điện (Méo tổng công suất tiêu thụ – TDD) là tỷ số giữa giá trị hiệu dụng của sóng hài dòng điện và giá trị hiệu dụng của dòng điện cơ bản ở chế độ tải và công suất phát cực đại với công thức tính sóng hài như sau:

Trong đó:

• TDD: Tổng độ méo hài hiện tại
• Ii: Giá trị hiệu dụng của các hài dòng điện bậc i với N là bậc hài cao nhất cần đánh giá
• IL: Giá trị hiệu dụng của dòng điện cơ bản có tần số 50Hz

Quy định: Giá trị cực đại tới hạn của méo hài tổng dòng điện do các thành phần hài bậc cao gây ra ở cấp điện áp 220kV và 500kV không được vượt quá 3%.

Giá trị cực đại tới hạn của méo hài tổng dòng điện tải được quy định như sau:

• Đối với đầu nối đầu vào trung áp và hạ áp có công suất nhỏ hơn 50kW, giá trị dòng điện hài cao không quá 20% dòng điện tải.
• Đối với đầu nối đầu vào điện áp cao hoặc đầu nối có công suất từ ​​50kW trở lên, giá trị dòng điện hài cao không quá 12% dòng điện tải.

Tác hại của sóng hài đối với hệ thống điện

Dòng điện hài có tác động tiêu cực đến hệ thống điện như gây quá tải điện, nóng và làm hỏng các thiết bị điện. Với đặc điểm dòng điện cấp vào biến tần 3 pha có 2 xung liên tiếp cách nhau 3,3ms có thể gây ảnh hưởng xấu đến nhiều thiết bị, điển hình là máy biến áp điện. Do máy biến áp được thiết kế để hoạt động với dòng điện hình sin tiêu chuẩn và không có khả năng chống sóng hài nên hư hỏng rất đáng kể và có thể bị phá hủy hoàn toàn.

Sóng hài làm cho nhiễu điện từ mạnh hơn sóng hình sin thông thường. Giao thoa sóng hài quá lớn có thể phát ra âm thanh mà con người có thể nghe thấy, cản trở việc truyền sóng vô tuyến và gây nhấp nháy trên màn hình hiển thị. Trong nhiều trường hợp, sóng hài có thể lan truyền gián tiếp sang các hệ thống khác thông qua thanh cái. Sóng hài làm cho dòng điện bị biến dạng, không thể duy trì sóng hình sin đơn giản mà gây ra nhiều “tiếng ồn”, như hình dưới đây.

Đọc thêm: Tổng hợp thông tin về bộ lọc sóng hài chủ động

Điều kiện sóng hài kéo dài có thể cản trở hệ thống phân phối điện mở rộng để bổ sung phụ tải trong tương lai. Ngoài ra, sóng hài còn có những tác hại sau:

• Hư hỏng thiết bị: Gây quá tải cho cầu dao (MCB, MCCB, ACB,…), khiến tụ điện bị phồng, nổ, tụ điện gây ồn, sinh nhiệt cho tủ điện,..
• Mất ổn định hệ thống điện: Rơle điện tử mất ổn định, tăng nhiệt trên dây dẫn, tổn thất từ ​​thông, biến dạng mô men xoắn của máy biến áp, động cơ,…
• Tác động đến quá trình khởi động động cơ: Gây ra các lỗi về góc kích thích, vectơ mômen, vectơ từ thông trong khi điều khiển biến tần,…dẫn đến lỗi điều khiển hoặc mất điều khiển.
• Độ lệch thông số trên các thiết bị đo có nhiều bộ đếm như V, A, Hz, kVAr, kWh,….
• Thiệt hại về kinh tế: Giảm tuổi thọ động cơ, hư hỏng CB, tăng kích thước dây dẫn, lãng phí năng lượng,…
• Sự mất ổn định của các hệ thống thông tin vô tuyến như tivi, radio, thu và truyền từ các thiết bị điện tử,…

Ảnh hưởng của sóng hài lên tụ điện

Tụ điện có đặc tính tĩnh và tuyến tính nên không tạo ra sóng hài. Tuy nhiên, các dãy tụ điện tương tác với các nguồn điện cảm trong hệ thống điện và cộng hưởng song song ở tần số hài. Quá trình này làm tăng đáng kể dòng điện qua tụ và có thể gây phồng tụ, nổ tụ, cháy cầu chì, ngắt CB,…

Không tự ý bổ sung tụ điện trong môi trường có sóng hài để tăng hệ số công suất cosφ vì điều này dễ gây ra sự cố trong hệ thống điện. Nguyên nhân là do tụ điện gây ra hiện tượng cộng hưởng sóng hài, làm tăng ảnh hưởng của sóng hài.

Để giảm thiểu tác động của sóng hài lên tụ điện, có một số phương pháp như lắp đặt cuộn kháng, lắp bộ lọc sóng hài chủ động AHF hoặc sử dụng tụ điện thông minh tích hợp lọc sóng hài.

KTH ELECTRIC cung cấp giải pháp giảm thiểu sóng hài tối ưu với Bộ lọc sóng hài chủ động AHF. Sản phẩm có phổ sóng hài từ bậc 2 đến bậc 50, hiệu suất đạt trên 97%. Thiết bị được sản xuất theo tiêu chuẩn JB/T 11067-2011, DL/T 1216-2013 IEC/EN 60439-1, 2014/30/EU và EN 61000-6.

Tham khảo sản phẩm: Bộ lọc sóng hài tích cực KTH ELECTRIC