Sóng hài là gì? Nguyên nhân, tác hại và các phương pháp làm giảm sóng hài

1. Sóng hài là gì?

Sóng hài là một dạng nhiễu 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. 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.

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.

fh = h.fb

trong đó: h là số nguyên dương.

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,… 

2. 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.

3. Tác hại của sóng hài lên lưới điện

Khi tìm hiểu về sóng hài là gì, bạn chắc chắn cũng biết chúng mang đến nhiều tác hại cho các thiết bị điện, hệ thống lưới điện. Dưới đây là một số những tác hại của sóng hài. 

• Sóng hài có thể tạo ra công suất ảo về thêm vào tổng công suất tiêu thụ làm tăng lượng điện năng tiêu thụ, tiêu hao năng lượng và mất nhiều chi phí tiền điện. 
• Sóng hài có khả năng làm tăng nhiệt độ, gây cháy, nổ dây dẫn, thiết bị, gây nguy hại nghiêm trọng cho hệ thống lưới điện. 
• Dây trung tính trong mạch điện 3 pha có thể bị cháy, nổ. 
• Tăng mức điện áp trung tính – đất lên cao. 
• Khiến cho nhảy cầu dao liên tục. 
• Gây hỏng tụ điện bù. 
• Các thành phần sóng hài cộng thêm công suất ảo vào tổng công suất tiêu thụ của máy biến áp, làm máy biến áp quá tải, phát nóng và cháy mặc dù tải chỉ tiêu thụ công suất trung bình.
• Làm phát nóng, cháy dây dẫn các tổn thất nghiêm trọng trong hệ thống điện.
• Dây dẫn trung tính trong hệ thống 3 pha bị đốt nóng hoặc cháy.
• Điện áp N-G (trung tính -đất) quá lớn.
• Cầu dao nhảy không rõ lí do.
• Hỏng tụ điện bù công suất phản kháng PF.
• Làm quá tải và có thể gây nổ máy biến áp hoặc tụ. 

4. 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):

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%

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.

5. Phương pháp làm giảm sóng hài

Với những tác hại trên thì việc tìm kiếm phương pháp làm giảm sóng hài luôn là điều cần thiết. Bạn có thể tham khảo một số giải pháp làm giảm cũng như ngăn chặn sóng hài dưới đây. 

Biến tần

Biến tần được coi là thiết bị có khả năng giảm sóng hài ngay trong các biến tần. Khi bạn dùng biến tần sẽ không cần phải dùng thêm biến áp đa xung hoặc bộ lọc ngoài. Các biến tần sẽ ngăn chặn sóng hài tạo ra những thành phần hài bậc thấp ở đầu vào cùng với mức tổng dòng méo khoảng dưới 5%.

Giải pháp dùng cuộn kháng lọc hài

Cuộn kháng được đặt trong tủ tụ bù sẽ làm giảm sóng hài được coi là phương pháp khá phổ biến hiện nay. Việc dùng cuộn kháng có tác dụng nâng chất lượng điện, hạn chế sóng hài nhờ việc lọc nguồn bị nhiễu nặng. Đồng thời, phương pháp này cũng có tác dụng ngăn chặn sóng của điện áp lưới không bị méo. 

Phương pháp bộ lọc

Phương pháp giảm sóng hài bằng bộ lọc được dùng trên nhiều biến tần được đặt song song tại các đường lưới dây dẫn để bù sóng hài điện áp. Bộ lọc có tác dụng bù công suất và bù sóng hài dòng điện. 

Hiện nay có hai loại bộ lọc sóng hài chính: bộ lọc sóng hài có thứ tự 0 (ZSF) và bộ lọc sóng hài tích cực (Active Harmonic Filter). Cả hai bộ lọc đều có tác dụng làm giảm sóng hài với hiệu suất cao trên 60% trở lên. 

Tổng hợp những thông tin về sóng hài là gì cũng như các tác hại nghiêm trọng của sóng hài đối với các thiết bị điện và hệ thống điện. Nhờ vậy, bạn có thể hiểu chi tiết về sóng hài, cách đo sóng hài để tìm ra phương pháp làm giảm sóng hài hiệu quả giúp bảo vệ hệ thống điện của gia đình, nhà máy sản xuất.