Ảnh hưởng của sóng hài

Cùng với việc sử dụng các thiết bị điện tử, điện tử công suất càng ngày càng phổ biến là tình trạng ô nhiễm sóng hài trong hệ thống điện ngày một tăng cao. Trong khi đó, ở Việt Nam, việc đánh giá, chế tài sóng hài chưa được quan tâm đúng mực. Thậm chí trong khu vực phụ tải công nghiệp và thương mại, khái niệm bộ lọc sóng hài cũng chưa hoàn toàn được phổ biến. Một nguyên nhân dẫn đến hiện tượng này là do thiếu những nhận thức về các tác hại của sóng hài có thể gây ra đối với các thiết bị trong hệ thống điện.

Bởi vậy, một lượng lớn các thiết bị điện không được bảo vệ đầy đủ trước các ảnh hưởng của sóng hài. Những tác động chính của sóng hài như sau:

-Tăng tổn thất công suất tác dụng của hệ thống điện

-Làm giảm chất lượng điện năng, giảm hiệu suất và tuổi thọ của thiết bị

-Gây ra các hiện tượng cộng hưởng, làm hư hỏng, cháy nổ các thiết bị trong hệ thống điện.

-Gây ra các hiện tượng quá tải trên các thiết bị lân cận như đường dây, máy biến áp và các thiết bị truyền tải, phân phối khác.

-Làm cho các thiết bị bảo vệ tác động sai, thiết bị đo lường hoạt động không chính xác.

-Làm nhiễu các hệ thống radio, chiếu sáng.

1 Tác động của sóng hài đối với các loại thiết bị điện:

 Dây dẫn.

Tổn thất công suất trên dây dẫn là tổn thất do phát nhiệt, trong tần số cơ bản được tính theo công thức .

Giá trị dòng điện hiệu dụng khi xuất hiện dòng điện hài trong hệ thống được tính theo công thức: 

Trong đó:     Irms là giá trị dòng điện hiệu dụng của dòng điện khi có dòng hài

                  I0 là giá trị dòng điện một chiều

                  I­n là giá trị hiệu dụng của dòng điện ở bậc n (tần số n.f0­)

Như vậy có thể thấy, tổn thất do dòng điện sóng hài gây ra tỷ lệ với bình phương của giá trị tổng méo dạng sóng hài THDI, Nếu độ méo là 40% thì tổn thất do sóng hài dòng điện gây ra thêm khoảng 16%. 

Tuy nhiên, khi xuất hiện sóng hài trong mạng điện, không chỉ giá trị hiệu dụng của dòng điện thay đổi, mà điện trở R của dây dẫn cũng thay đổi với các sóng hài có tần số khác nhau dưới ảnh hưởng của hiệu ứng bề mặt (skin effect) và hiệu ứng gần (proximity effect).

Hiệu ứng bề mặt (skin effect):

Hiệu ứng bề mặt là hiện tượng dòng điện có xu hướng chạy gần bề mặt dây dẫn, dẫn đến điện trở của dây dẫn tăng khi tần số tăng cao. Điện trở của dây dẫn dưới tác động của hiệu ứng bề mặt được tính theo công thức:

Trong đó:        L là chiều dài dây dẫn

                      ρ  là điện trở suất của đường dây

                      δ là độ sâu bề mặt (skin-depth) được tính theo công thức

Có thể thấy theo công thức trên, điện trở R sẽ tăng lên một lượng tỷ lệ thuận với căn bậc hai của tần số h.

Hiệu ứng gần (proximity effect):

Hiệu ứng gần xảy ra khi các dây dẫn dẫn điện xoay chiều đặt cạnh nhau. Điện trở dây dẫn dưới tác động của hiệu ứng gần được tính theo công thức:

Trong đó: RDC là điện trở dây dẫn với dòng điện một chiều

               Re() là phần thực của biểu thức trong ngoặc

               m là số lớp của phần tử.

 Trong đó:                  

 ρ là điện trở suất của đường dây

 ω,µ  lần lượt là tần số góc và độ từ thẩm của không khí

Như vậy, có thể thấy, nếu các dây cáp đặt gần nhau, điện trở của dây cáp sẽ tỷ lệ với căn bậc 2 của tần số.

Có thể thấy, dưới tác động của hiệu ứng bề mặt (skin effect) và hiệu ứng gần (proximity effect), điện trở của dây dẫn ở tần số của các sóng bậc cao lớn hơn nhiều lần so với điện trở dây dẫn ở tần số cơ bản (50/60Hz). Ở tần số cơ bản, hiệu ứng gần và hiệu ứng bề mặt thường bị bỏ qua, nhất là với các dây dẫn nhỏ. Tuy nhiên, ở các tần số lớn hơn (hài bậc 5 trở lên), tổn thất công suất tương ứng với hiệu ứng bề mặt và hiệu ứng gần có thể tăng lên đáng kể.

Dòng điện sóng hài không chỉ làm tăng giá trị dòng điện hiệu dụng trên các dây pha, các dòng hài thành phần thứ tự không (bậc 3, 9, 15) còn chạy trong dây trung tính. Điều này không chỉ gây tổn thất trên dây dẫn trung tính, mà còn có thể dẫn đến quá nhiệt, cháy dây trung tính. Trong nhiều trường hợp, dòng trong dây trung tính tăng cao gấp 3 lần dây dẫn pha.

Vậy nên với các phụ tải có lượng hài thứ tự không lớn, người ta thường dùng dây trung tính có tiết diện bằng 2, 3 lần dây pha. Với mạch điện 3 pha cân bằng thì việc quan sát nhiệt độ trên dây trung tính máy biến áp có thể dùng để phát hiện mạch trung tính có bị quá tải do dòng hài thứ tự không hay không.

Máy biến áp

Tương tự như đối với dây dẫn, sóng hài làm tăng tổn thất do phát nhiệt trong máy biến áp do sự gia tăng giá trị dòng điện hiệu dụng và sự gia tăng điện trở ở các tần số cao (hiệu ứng bề mặt và hiệu ứng gần). Lượng nhiệt tăng thêm này ảnh hưởng đáng kể đến vòng đời của cách điện máy biến áp. Mặt khác, sóng hài còn làm tăng tổn thất sắt từ (Fe) trong máy biến áp (tăng dòng điện xoáy- Eddy current  và độ trễ từ). Những nghiên cứu của các hãng chế tạo máy biến áp lớn trên thế giới cho thấy, tổn thất sắt từ có thể tăng tới 20 lần do tác động của sóng hài.

Các máy biến áp phân phối thường có sơ đồ nối dây kiểu tam giác –sao. Do cuộn sơ cấp có tổ đấu dây tam giác, các sóng hài bội 3 mang đặc tính của thành phần thứ tự không được giữ lại trong cuộn tam giác, gây phát nhiệt cục bộ máy biến áp. Thành phần thứ tự không của các dòng hài bội 3 còn có thể gây phát nhiệt, cháy dây trung tính máy biến áp.

Ngoài ra, sóng hài điện áp có thể làm tăng tốc độ biến thiên điện áp dv/dt, trong một số trường hợp có thể dẫn đến hư hỏng cách điện, đặc biệt là cách điện giữa các cuộn dây máy biến áp. Sóng hài cũng có thể dẫn đến rung động các tấm thép trong lõi từ của máy biến áp, gây ra ô nhiễm tiếng ồn cho môi trường xung quanh.

Máy điện

Méo dạng dòng điện tăng tổn thất trong các máy điện quay theo cách tương tự như máy biến áp và gây phát nhiệt, do tăng tổn thất sắt từ và tổn thất đồng trong cuộn stator, mạch rotor và lõi rotor. Các tổn thất này còn được tăng lên do hiệu ứng bề mặt và hiệu ứng gần, đặc biệt với tần số lớn hơn 250Hz (hài bậc 5).

Quá nhiệt có thể ảnh hưởng xấu tới sự bôi trơn của ổ trục, gây hỏng ổ trục. Quá nhiệt ảnh hưởng rất lớn đến tuổi thọ của động cơ, nhiệt độ cứ tăng lên 10 độ C so với nhiệt độ định mức thì tuổi thọ của động cơ giảm 50 %. Động cơ rotor lồng sóc có thể chịu được nhiệt độ cao hơn so với động cơ rotor dây cuốn.

Tương tự như với máy biến áp, cuộn dây của động cơ, đặc biệt là các động có có cấp cách điện thấp có khả năng bị hư hỏng khi dv/dt lớn.

Các thành phần hài thứ tự thuận (ví dụ như hài bậc 7, 13 ,19 ) sẽ làm tăng moment quay, trong khi các thành phần hài thứ tự nghịch ( bậc 5 11 17) làm giảm moment quay và gây rung lắc động cơ. Thành phần thứ tự không( hài bậc 3,6 ,9,) không tạo ra từ trường quay mà chỉ gây phát nhiệt. Các moment do sóng hài gây ra có thể gây nên rung lắc mạnh và gây vặn xoắn trục.

Tụ điện

Tụ điện là phần tử rất nhạy cảm trong hệ thống điến. Theo tiêu chuẩn IEEE18-2002 thì tụ điện được phép vận hành với giới hạn là 135% Qđm,135% Idm, 110% Udm.

Như đã nói ở trên, sóng hài có ảnh hưởng tới biên độ và giá trị hiệu dụng cũng như tốc độ biến thiên của dòng điện và điện áp.  Quá áp, quá dòng, tốc độ biến thiên điện áp dV/dt hoặc dòng điện dI/dt lớn đều có khả năng làm giảm tuổi thọ thậm chí gây hư hỏng tụ.

Hiện tượng vận hành cộng hưởng xảy ra ở một tần số mà giá trị điện kháng của tụ bằng với điện kháng tương đương của hệ thống. Trong trường hơp cộng hưởng nối tiếp, điện kháng của mạch tại tần số cộng hưởng giảm xuống bằng với điện trở của mạch. Nếu điện trở nhỏ, dòng điện chạy trong mạch ở tần số đó sẽ tăng lên rất lớn. Trong trường hợp cộng hưởng song song, điện kháng ở tần số cộng hưởng rất lớn ( trên lý thuyết là vô cùng lớn). Điều này dẫn đến điện áp hài lớn trên các nhánh, ngay cả với dòng hài do tải phi tuyến gây ra nhỏ. Méo dạng điện áp này lại gây ra dòng điện hài lớn trên hệ thống và tụ bù.  Bởi vậy, tình trạng cộng hưởng có thể gây nguy hại cho cách điện rắn, cuộn dây máy biến áp và tụ điện. Sơ đồ cộng hưởng song song và nối tiếp của sóng hài cho trong hình 1.1.

Tần số cộng hưởng có thể dự đoán được nếu biết công suất ngắn mạch tại điểm cài đặt tụ bù.

Trong đó hr là tần số cộng hưởng ( tính theo bội của tần số cơ bản)

Ssc là công suất ngắn mạch

Qc là công suất phản kháng định mức của tụ

Nếu tần số này trùng với tần số của sóng hài, điện kháng ở tần số hài rất lớn dẫn đến điện áp hài tăng mạnh gây hư hỏng thiết bị. Thường thì các sóng hài bậc 5 ,7 là phổ biến và có biên độ lớn nhất.

 Sơ đồ cộng hưởng: a) song song, b): nối tiếp

Relay và các thiết bị đo đếm, đóng cắt

Một lượng đáng kể các aptomat (MCB) hạ áp sử dụng nguyên lý lưỡng kim, hoạt động dựa trên hiệu ứng phát nhiệt của dòng điện. Khi có tải phi tuyến, dòng điện hiệu dụng sẽ lớn hơn dòng điện hiệu dụng của tải tuyến tính có cùng công suất. Bởi vậy, trừ khi ngưỡng cắt đã được hiệu chỉnh theo phụ tải phi tuyến, thì aptomat có thể cắt nhầm khi có xuất hiện sóng hài.

Hoạt dộng của cầu chì cũng dựa trên hiệu ứng nhiệt của dòng điện,. Giá trị dòng điện hiệu dụng càng cao thì cầu chì phản ứng càng nhanh. Với phụ tải phi truyến dòng điện hiệu dụng cao hơn phụ tải tuyến tính của cùng công suất, bởi vậy việc lựa chọn cầu chì cần cân nhắc đến phụ tải phi tuyến để tránh trường hợp tác động nhầm. Mặt khác, cầu chì ở tần số hài, chịu tác động của hiệu ứng bề mặt cũng như hiệu ứng lân cận làm tăng thêm phát nhiệt trên cầu chì.

Các thiết bị đo, thiết bị bảo vệ và các thiết bị khác dựa trên các phương pháp đo lường truyền thống hay là hiệu ứng nhiệt của dòng điện sẽ hoạt động không chính xác khi có sóng hài, có thể gây hâu quả nghiêm trọng: dây dẫn quá tải không được phát hiện có thể gây cháy, tuổi thọ các thiết bị như thanh cái và dây dẫn giảm. MCB và cầu chì kém tin cậy.

Các công tơ truyền thống được thiết kế để đo các đại lượng hình sin. Điện áp và dòng phi truyến gây sai số trong mạch đo, dẫn đến kết quả đo không chính xác.

Các thiết bị thông tin và mạng viễn thông

Dòng hài gây ảnh hưởng các thiết bị viễn thông

Sóng hài bậc 9-20 có thể gây ảnh hưởng đến đường dây điện thoại chạy song song gây nhiễu cho các đường dây này.

Thiết bị chiếu sáng

Một hiệu ứng đáng chú ý là hiện tượng nhấp nháy ánh sáng (Flicker -tăng giảm độ sáng liên tục theo chu kỳ). Các phụ tải chiếu sáng rất nhạy cảm với sự thay đổi điện áp. Mắt người có thể nhận ra sự thay đổi trong ánh sang khi có sự biến thiện điện áp hiệu dụng từ 0.25% trở lên. Do vậy, sóng hài ảnh hưởng đáng kể đến hiện tượng nhấp nháy ánh sáng.