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

Trong quá khứ, hệ thống điện đơn giản hơn và tính chất điện cũng sạch hơn hiện tại rất nhiều, chủ yếu là các tải tuyến tính tự nhiên. Các tải này sinh ra sóng hình sin cho dòng điện với tần số 50Hz đến 60Hz – là tần số cơ bản. 

Tuy nhiên sóng hài ngày càng gia tăng theo thời gian. Hiện tượng méo sóng hài rất thường gặp trong hệ thống điện. Loại sóng này ảnh hưởng xấu tới chất lượng điện và hoạt động của các thiết bị. Trong bài viết dưới đây, bạn hãy cùng BTB Electric đi tìm hiểu sóng hài là gì, cơ chế sản sinh, những tác hại của sóng hài và phương pháp nào để hạn chế ảnh hưởng của loại sóng này.

Sóng hài là gì?

Sóng hài là dạng sóng nhiễu bất thường, dạng hình sin, ảnh hưởng xấu tới chất lượng điện nói chung. Dòng điện hài có tần số là bội số của tần số điện cơ bản nên sóng hài bậc cao là sóng hài có bậc từ 2 trở lên. Ví dụ tần số điện lưới là 50Hz và xuất hiện dòng có tần số 350Hz – đây là dòng sóng hài bậc 7 và không thể sử dụng cho thiết bị điện lưới. Khi đó dòng điện này bị chuyển hóa sang nhiệt năng và gây tổn hao cho hệ thống. Tương tự có sóng hài bậc 2 – 100Hz; sóng hài bậc 3 – 150Hz; sóng hài bậc 5 – 250Hz;…

Đặc trưng sóng hài là dao động hoàn toàn trên phổ tần số công nghiệp cơ bản. Trong nguồn AC, thành phần sóng hài là phần sin của 1 chu kì 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 = h x fb (Hz)

Trong đó:

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

Nguyên nhân phát sinh sóng hài

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

Một dạng sóng bất kỳ là tổng hợp của nhiều dạng sóng hình sin, bao gồm sóng sin cơ bản và chuỗi các dạng sóng sin hài bậc cao hay chuỗi Fourier. Khi cả nửa chu kỳ âm, dương của một dạng sóng có sự đồng nhất về dạng, chuỗi Fourier sẽ chỉ chứa hài bậc lẻ. Các nguyên nhân sản sinh sóng hài thường có dạng sóng đồng nhất nên trong thực tế đa phần bạn sẽ bắt gặp sóng hài bậc lẻ là 3, 5, 7,… Các bậc sóng hài chẵn gần như không có.

Hiện tượng sóng hài diễn ra trong khoảng thời gian ngắn ở mỗi pha nhưng đủ làm biến dạng dòng AC đầu vào khỏi hình sin chuẩn ban đầu. Thêm vào đó, sự chênh lệch giữa điện áp AC và DC ở đầu vào khiến dòng điện phải có biên độ đỉnh cao hơn để truyền đủ năng lượng cho động cơ trong một chu kỳ lưới.Điều này dẫn tới việc dòng điện không còn mang hình sin mà trở thành các xung biên độ cao, với bốn xung tổng cộng (hai xung cho mỗi bán kỳ) đồng thời độ méo hài THD của dòng điện kiểu này rất cao.

Các phương pháp đo sóng hài

Đo sóng hài sử dụng chỉ số Tổng độ méo sóng hài THD (Total Harmonic Distortion) và Tổng độ méo điện tiêu thụ TDD (Total Demand Distortion). Đối với dòng điện, sử dụng TDD là chỉ số chính xác hơn về ảnh hưởng của độ méo hài. Ví dụ trường hợp điện áp cao nhưng tải thấp thì trị số dòng điện thấp. Tuy nhiên khi xem xét điện áp, chỉ số THD là thông số được ưu tiên để đo lường tổng độ méo hài.

Đây là bảng so sánh hai thông số trên:

Hạng mục	Tổng độ méo sóng hài THD	Tổng độ méo điện tiêu thụ TDD
Thông số biểu thị	Phần trăm điện áp/dòng điện méo do sóng hài, tham chiếu là tần số cơ bản	Phần trăm biến dạng điện áp/dòng điện do sóng hài, tham chiếu tải tiêu thụ tối đa
Phép đo	Tổng công suất sóng hài / Công suất tần số cơ bản	Tổng công suất sóng hài / Công suất tiêu thụ tối đa của tải
Giá trị biểu thị	Giá trị càng cao biểu thị hệ số công suất càng thấp, dòng điện đỉnh càng cao và tăng chi phí	Giá trị càng cao biểu thị biến dạng sóng hài lên hệ thống có ảnh hưởng càng cao
Tiêu chuẩn	IEC 61000-3-2	IEEE 519

Để hạn chế các tác động từ sóng hài, bạn có thể tham khảo bài viết: Hướng dẫn 5 phương pháp lọc sóng hài hiệu quả

Tiêu chuẩn quy định về mức đo sóng hài

Theo tiêu chuẩn về sóng hài của IEEE & IEC là I_THD = 12%(max) (Ratio = Isc/ I_load deman = 50 ÷ 100), V_THD = 5 %(max) (<6kV). Ngoài ra trong từng ngành nghề như thông tin, quân đội, y tế,.. quy chuẩn về mức sóng hài sẽ khác nhau.

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

Quy định về sóng hài điện áp THD 

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

Trong đó:

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

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

Đọc thêm: Ý nghĩa của tổng độ méo hài THD trong hệ thống điện

Quy định về sóng hài dòng điện TDD

Sóng hài dòng điện (Tổng độ méo điện tiêu thụ – TDD) là tỷ lệ giá trị hiệu dụng của sóng hài dòng điện với giá trị hiệu dụng của dòng điện bậc cơ bản trong chế độ phụ tải và công suất phát cực đại có công thức tính sóng hài như sau:

Trong đó:

• TDD: Tổng biến dạng sóng hài dòng điện
• Ii: Giá trị hiệu dụng sóng hài dòng điện bậc i với N là bậc cao nhất của sóng hài cần đánh giá
• IL: Giá trị hiệu dụng của dòng điện cơ bản với tần số 50Hz

Quy định: Giá trị cực đại tới hạn của tổng biến dạng sóng hài dòng điện do các thành phần sóng hài bậc cao gây nên với các cấp điện áp 220kV và 500kV không vượt quá 3%.

Giá trị cực đại tới hạn của tổng độ biến dạng sóng hài dòng điện phụ tải theo quy định như sau:

• Với đầu nối vào điện áp cấp trung áp và hạ áp có công suất dưới 50kW thì giá trị dòng điện sóng hài bậc cao không quá 20% dòng điện phụ tải.
• Với đầu nối vào điện áp cao áp hoặc đầu nối có công suất từ 50kW trở lên thì giá trị dòng điện sóng hài bậc cao không quá 12% dòng điện phụ tải.

Tác hại của sóng hài lên hệ thống điện

Dòng điện hài tác động xấu tới hệ thống điện như gây quá tải điện, nóng và hư hại thiết bị điện. Với đặc điểm dòng điện cấp cho biến tần 3 pha có 2 dạng xung liên tiếp cách nhau 3.3ms có thể ảnh hưởng xấu tới rất nhiều thiết bị, điển hình là máy biến áp nguồn. Do máy biến áp được thiết kế để hoạt động với dòng điện có hình sin tiêu chuẩn, không có khả năng kháng sóng hài nên thiệt hại rất đáng kể, có thể bị hư hại hoàn toàn. 

Sóng hài làm nhiễu điện từ mạnh hơn dạng sóng hình sin thông thường. Nhiễu sóng hài quá lớn có thể phát ra âm thanh mà con người nghe thấy được, nhiễu đường truyền vô tuyến, làm chập chờn màn hình hiển thị. Trong nhiều trường hợp, các dạng sóng hài có thể lan gián tiếp sang hệ thống khác thông qua thanh cái. Sóng hài làm dòng điện biến dạng, không giữa được dạng sóng sin đơn thuần mà bị “nhiễu” rất nhiều, như hình dưới đây.

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

Tình trạng sóng hài kéo dài có thể khiến hệ thống phân phối điện không thể mở rộng phụ tải bổ sung trong tương lai. Bên cạnh đó, sóng hài có các tác hại sau:

• Hư hỏng thiết bị: Gây quá tải CB (MCB, MCCB, ACB,..), làm phù tụ, nổ tụ, tụ phát tiếng kêu, sinh nhiệt cho tủ điện,…
• Mất ổn định hệ thống điện: Relay điện tử mất ổn định, tăng nhiệt trên dây dẫn, tổn thất từ thông, méo dạng mô men máy biến áp, motor,…
• Ảnh hưởng quá trình khởi động động cơ: Gây sai số góc kích, vector momen, vector từ thông trong khi điều khiển inverter,… dẫn tới sai số điều khiển hoặc mất điều khiển.
• Sai lệch thông số trên thiết bị đo đếm với nhiều bộ đếm như V, A, Hz, kVAr, kWh,….
• Thiệt hại kinh tế: Giảm tuổi thọ động cơ, hư hại CB, tăng kích cỡ dây dẫn, lãng phí năng lượng,…
• Mất ổn định hệ vô tuyến thông tin như truyền hình, phát thanh, thu phát sóng từ thiết bị điện tử,…

Ảnh hưởng của sóng hài lên tụ bù

Tụ bù có đặc tính tĩnh và tuyến tính nên không sản sinh sóng hài. Tuy nhiên tụ bù tương tác với các nguồn tự 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, nhảy CB,…

Không nên tự ý bổ sung tụ bù trong môi trường có sóng hài để tăng hệ số công suất cosφ vì việc này rất dễ gây sự cố cho hệ thống điện. Nguyên nhân do tụ bù điện đã gây ra cộng hưởng sóng hài làm tăng mức ảnh hưởng của sóng hài.

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

BTB 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 dưới các 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 chủ động BTB Electric