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

Hệ thống điện nhà máy của bạn đang gặp phải các tình huống: tổn thất điện năng lớn khiến giá điện tăng cao; Tụ điện dễ bị phồng lên và phát nổ; Motor nóng, rung dù chưa đạt ngưỡng quá tải… Đây là những dấu hiệu cho thấy sóng hài đang 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? Mời bạn đọc bài viết sau để tìm hiểu chi tiết.

Sóng hài là gì?

Sóng hài (tên tiếng Anh Harmonic) là một dạng sóng giao thoa có tác động tiêu cực đến chất lượng lưới điện. Thông thường, dạng sóng điện áp hình sin sinh ra ở các nhà máy điện, trạm biến áp rất “sạch”, nhưng càng gần phụ tải, đặc biệt là các phụ tải phi tuyến thì sóng hình sin càng bị biến dạng. Đây là thành phần hài hòa.

Sóng hài có tần số cao hơn tần số tiêu chuẩn 50Hz và được đặc trưng bởi sự dao động hoàn toàn trên phổ tần số 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 gây ra hiện tượng điều hòa

Nguồn gây ra sóng hài chính là từ các phụ tải phi tuyến trong hệ thống điện. Trong khi trước đây, lưới điện chủ yếu bao gồm các tải tuyến tính tự nhiên có dạng sóng hình sin ở tần số cơ bản 50/60Hz thì hiện nay, các phụ tải phi tuyến tạo ra dòng điện đầu ra có dạng sóng không giống với điện áp nguồn.

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

Thông thường, chuỗi sóng hài Fourier chỉ chứa các hài bậc lẻ vì thiết bị tạo sóng hài thường có dạng sóng đều nên trong thực tế sẽ thường xuyên gặp các hài bậc 3, 5, 7…. Ngay cả sóng hài cũng gần như không có.

Sóng hài dù chỉ xuất hiện trong thời gian ngắn ở mỗi pha nhưng cũng đủ làm biến dạng dòng điện xoay chiều đầu vào so với 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, hư hỏng các thiết bị điện trong hệ thống.

Tác hại của sóng hài có thể bao gồm:

• Mất năng lượng: Biến dạng sóng hài làm tăng dòng điện và điện áp trong hệ thống, dẫn đến 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 hiện tượng quá nhiệt, quá tải CB và tiềm ẩn nguy cơ cháy nổ máy biến áp. Sóng hài còn làm tăng độ rung và tiếng ồn trong động cơ điện, khiến động cơ dễ bị mài mòn cơ học và giảm tuổi thọ.
• Nhiễu điện tử: Sóng hài có khả năng can thiệp vào các thiết bị điện tử mạnh hơn sóng hình sin thông thường, thậm chí phát ra những âm thanh mà con người có thể nghe được, gây nhiễu đường truyền sóng vô tuyến, khiến màn hình hiển thị bị nhấp nháy, chập chờn. Trong các hệ thống viễn thông và truyền hình, sóng hài còn lan truyền gián tiếp sang các hệ thống khác thông qua các thanh cái.
• Biến dạng điện áp quá mức: Có thể khiến các thiết bị hoạt động không bình thường như sai cầu dao, lỗi máy phát điện, đèn nhấp nháy, sụt áp đường dây…
• Nguy cơ cháy nổ: Sóng hài làm giảm khả năng cách điện của thiết bị, gây nguy cơ cháy tụ điện, máy biến áp do quá nhiệt bất thường.

Tiêu chuẩn cho các mức đo hài hòa

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

Theo IEC

Ủy ban Kỹ thuật Điện Quốc tế 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 cho các sóng hài lên đến bậc 40, được chia thành 4 loại (A,B,C,D) dựa trên loại thiết bị có dòng điện đầu vào ≤16A mỗi pha (thiết bị gia dụng và văn phòng).
• 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 độ méo sóng hài tổng điện áp (THD) tối đa cho phép trong lưới điện công cộng hạ áp không vượt quá 8%.

Theo IEEE

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

Tiểu ngành	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 tư 39/2015/TT-BCT ngày 18/11/2015 của Bộ Công Thương quy định tổng méo hài điện áp tại tất cả các điểm đấu nối trung áp 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 hài hòa được quy định tại Điều 32 Thông tư 39:

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

Ngoài ra, Thông tư 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)

Tổng méo hài điện áp được tính bằng tỷ số giữa giá trị hiệu dụng của hài điện áp và giá trị hiệu dụng của điện áp cơ bản.

Công thức như 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 có tần số 50Hz.

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

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

Tổng độ méo hài dòng điện được xác định là tỷ số giữa giá trị hiệu dụng của hài dòng điện và giá trị hiệu dụng của dòng điện cơ bản ở chế độ tải và chế độ công suất phát tối đa.

Công thức tính TDD:

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 TDD do hài bậc cao ở cấp điện áp 220kV và 500kV không vượt quá 3%.

Các phương pháp xử lý sóng hài trong lưới điện

Để xử lý triệt để sóng hài trong lưới điện cần có các giải pháp đồng bộ, nhất quán. Các giải pháp này được quy định tại Thông tư số 30/2019/TT-BCT với các nội dung chính bao gồm:

Trong thiết kế hệ thống điện

Ngay từ khâu thiết kế hệ thống điện cho nhà xưởng cần xác định rõ các loại tải tuyến tính, phi tuyến 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 các hệ thống hiện có

Trong 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 sử dụng biến tần 6 xung, các nhà máy sắt, gang, thép… Qua khảo sát cường độ và các mức hài cụ thể, dưới đây là một số giải pháp 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 Polypropylene được kim loại hóa bằng hợp kim Zn/Al với cấu hình Wave-cut 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 2 phương pháp xử lý phổ biến là lắp thêm điện trở cho các bộ biến tần 6 xung/thay thế bằng bộ biến tần 12 xung trở lên hoặc trang bị bộ kháng sóng hài cho hệ thống tụ điện.

• Cấp 4 – Bộ lọc (THDi > 20%): Mức sóng hài này có thể khiến các thiết bị trong hệ thống hoạt động không chính xác như CB hoạt động không chính xác, động cơ rung, PLC chập chờn, tụ điện phồng, nổ… Giải pháp phù hợp nhất là sử dụng bộ lọc sóng hài chủ động AHF.

Tóm lại, sóng hài trong lưới điện có thể được kiểm soát thông qua các phương pháp sau:

• Lắp đặt cuộn kháng cho biến tần: Giải pháp tốt nhất cho các ứng dụng cần lọc nguồn điện lưới bị nhiễu nhiều nhưng việc giảm sóng hài không phải là ưu tiên hàng đầu.
• Bộ chỉnh lưu 12 xung: Mang lại hiệu suất cao nhất trong việc lọc sóng hài nhưng đòi hỏi quy trình thực hiện phức tạp.
• Sử dụng biến tần có sóng hài thấp: Ví dụ, biến tần đa xung sử dụng công nghệ giảm sóng hài mà không cần bộ lọc ngoài với THDi
• Sử dụng bộ lọc sóng hài: Áp dụng cho nhiều bộ biến tần được lắp đặt song song trên cùng một đường dây phân phối với chức năng chính 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%.

Một số câu hỏi về sóng hài là gì?

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

Hồi đáp: Mức độ nguy hiểm của sóng hài phụ thuộc vào cấu hình hệ thống và loại thiết bị bị ảnh hưởng. Ví dụ, sóng hài bậc 3 có ảnh hưởng nghiêm trọng đến hệ thống 3 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 hài điện áp và hài dòng điện đều có tác động tiêu cực đến chất lượng điện năng, nhưng hài dòng điện được coi là nguyên nhân gây ra và có khả năng phá hủy trực tiếp thiết bị do quá nhiệt và cộng hưởng. Trong khi đó, sóng hài điện áp làm suy giảm chất lượng điện năng tổng thể cũng như khả năng hoạt động bình thường của các thiết bị điện.