Sóng hài và phương pháp lọc sóng hài cho tụ bù

Sóng Hài (Harmonics) là Gì?

Sóng hài là một dạng nhiễu không mong muốn trong hệ thống điện xoay chiều (AC), ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng điện năng.

Định nghĩa: Dòng điện hài (hoặc điện áp hài) là thành phần sóng sin có tần số là bội số nguyên của tần số cơ bản của hệ thống fh = h.fb trong đó: h là số nguyên dương.
Ví dụ: cuộn kháng Mikro 7% dùng cho tụ bù 50kVAr cho phép lọc sóng hài bậc 5,7.
Bản chất: Sóng hài là năng lượng không sử dụng được đối với các thiết bị thông thường. Chúng chuyển hóa thành nhiệt năng và gây ra tổn hao trong lưới điện.

Sóng hài được sinh ra chủ yếu do việc sử dụng các phụ tải phi tuyến (Non-linear Loads) trong hệ thống điện.

Tải phi tuyến: Là các thiết bị có trở kháng thay đổi trong một chu kỳ sóng điện áp, khiến cho dòng điện đi qua chúng có dạng không sin (mặc dù điện áp đầu vào có dạng sin lý tưởng).
Các thiết bị phổ biến:
- Biến tần (Inverters, VFDs)
- Bộ chỉnh lưu (Rectifiers), Bộ chuyển điện thế (Switch-mode power supplies – SMPS)
- Bộ lưu điện (UPS)
- Đèn huỳnh quang, lò hồ quang…
Phân tích Fourier: Bất kỳ dạng sóng tuần hoàn không sin nào cũng có thể được phân tích thành tổng của sóng sin cơ bản và một chuỗi các sóng sin hài bậc cao (gọi là chuỗi Fourier).
Hài bậc lẻ: Vì hầu hết các thiết bị sinh ra sóng hài có dạng sóng đối xứng qua trục thời gian (đồng nhất nửa chu kỳ âm và dương), nên thực tế chủ yếu chỉ cần quan tâm đến các sóng hài bậc lẻ (3, 5, 7, 9,…).

Sóng hài gây ra nhiều tác động tiêu cực, làm giảm hiệu suất và tuổi thọ của thiết bị, thậm chí gây nguy hiểm:

Quá nhiệt và Hư hỏng Thiết bị:
- Quá tải và quá nhiệt Máy biến áp, có thể dẫn đến cháy nổ.
- Giảm tuổi thọ Động cơ và Tụ bù, gây nổ tụ bất thường.
- Quá tải dây dẫn và CB (Aptomat/Máy cắt).
Sự cố Vận hành:
- Máy cắt, Aptomat, cầu chì bị tác động/ngắt mà không rõ nguyên nhân (do dòng hiệu dụng RMS tăng cao bởi sóng hài).
- Thiết bị đo hoạt động không chính xác.
- Lãng phí năng lượng do tổn hao nhiệt.
Nhiễu Hệ thống:
- Gây nhiễu ảnh hưởng đến các thiết bị điện tử, viễn thông và hệ thống tự động hóa như PLC, Rơ-le (Role), v.v.

Để giảm thiểu tác động của sóng hài, đặc biệt là bảo vệ tụ bù (thường rất nhạy cảm với sóng hài), người ta sử dụng giải pháp lọc sóng hài.

Thiết bị: Lắp nối tiếp Cuộn kháng lọc sóng hài (Reactor) với Tụ bù.
Tác dụng: Cuộn kháng (với các cấp độ như 6%, 7%, 14% trở kháng) tạo ra một mạch cộng hưởng với tụ bù, giúp ngăn chặn hoặc triệt tiêu các bậc sóng hài nhất định