Sóng hài và phương pháp lọc sóng hài cho tụ bù

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.

2. Nguyên nhân gây ra sóng hài

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,... 

3. Các nguồn sinh ra sóng hài

- Các tải công nghiệp: Các thiết bị điện tử công suất, 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.

4. Tác hại sóng hài lên lưới điện

Hình: Sóng hài bậc 5 gây tác hại biến dạng lưới điện

Sóng hài là dạng nhiễu không mong muốn ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng điện năng, xuất hiện khi sử dụng những tải không tuyến tính (biến tần, bộ chuyển điện thế, UPS,…) có tác dụng rất xấu đến những thiết bị, máy móc được sử dụng trong nhà máy như:

- Giảm tuổi thọ động cơ.

- Quá tải CB, quá nhiệt và gây cháy nổ máy biến áp (trong khi lượng điện sử dụng vẫn nhỏ hơn định mức).

- Máy cắt, Aptomat, cầu chì có thể bị tác động mà không rõ nguyên nhân.

- Giảm tuổi thọ tụ bù, thậm chí gây nổ tụ bù bất thường.

- Gây nhiễu ảnh hưởng đến các thiết bị viễn thông, hệ thống tự động hóa như PLC, Role,...

- Các thiết bị đo hoạt động không chính xác.

- Lãng phí năng lượng…

5. Các vấn đền liên quan đến tụ bù

Tụ bù là thành phần tĩnh và tuyến tính nên nó không gây ra sóng hài. Tuy nhiên nó sẽ tương tác với các nguồn tự cảm của hệ thống điện và có thể tạo ra điều kiện cộng hưởng song song ở tần số hài. Việc này làm tăng dòng qua tụ một cách đáng kể và có thể gây ra nổ cầu chì, nhảy aptomat hay làm điện áp trên tụ tăng cao dẫn đến phá hỏng chất điện môi hoặc tụ bị phồng, nổ.

Với sóng hài trong hệ thống và việc bổ sung tụ bù để giảm hệ số công suất phản kháng cosφ, rất dễ gây ra sự cố cho hệ thống mặc dù trước đó hệ thống vận hành hoàn toàn bình thường. Nguyên nhân chính là do tụ bù điện đã gây ra cộng hưởng sóng hài làm tăng mức độ ảnh hưởng của sóng hài. 

Sử dụng cuộn kháng lọc sóng hài:

Để lọc sóng hài cho tụ bù chỉ cần lắp nối tiếp cuộn kháng lọc sóng hài với Tụ bù. Có nhiều loại cuộn kháng 6%, 7%, 14% và được chế tạo tương ứng với các dung lượng khác nhau của tụ bù. Ví dụ cuộn kháng Mikro 7% dùng cho tụ bù 50kVAr cho phép lọc sóng hài bậc 5,7.