Vấn đề: Tại sao cần phải phát hiện và loại bỏ sóng hài?

Nhiễu gây ra bởi sóng hài

  • Sóng hài trong mạng phân phối làm giảm chất lượng của nguồn.
  • Điều này có thể gây ra một số tác động tiêu cực như sau:
    • Qúa tải trên mạng phân phối vì nguyên nhân gia tăng dòng hiệu dụng mms.
    • Qúa tải trên các dây dẫn trung tính vì sự gia tăng tích lũy của các hài bậc 3 được tạo bởi các tải 1 pha
    • Qúa tải, dao động và giảm tuổi thọ của các máy phát, máy biến áp, và động cơ như tiếng kêu từ máy biến áp tăng lên.
    • Qúa tải và giảm tuổi thọ của các tụ bù hiệu chỉnh hệ số công suất
    • Gây méo dạng nguồn cung cấp có thể dẫn đến gây nhiễu các tải nhạy
    • Gây nhiễu trên các mạng truyền thông và trên đường dây điện thoại.

Tác động kinh tế của nhiễu

  • Sóng hài có thể gây ra một số tác động kinh tế như sau:
    • Giảm tuổi thọ của thiết bị, đồng nghĩa với việc nó phải được thay thế sớm, trừ khi thiết bị quá kích cỡ ngay từ đầu
    • Qúa tải trên mạng phân phối có thể đòi hỏi các mức năng lượng cung ứng hơn và gia tăng tổn hao
    • Làm méo dạng các dạng sống của dòng dẫn đến tác động xấu gây ngắt mạch có thể phải dừng sản xuất

Các hậu quả nghiêm trọng đáng kể khác

  • Chỉ cách đây 10 năm, sóng hài không được xem là vấn đề thực sự đáng quan tâm bởi vì các tác động của chúng trên mạng phân phối thông thường không đắng kể. Tuy nhiên, sự xuất hiện sóng hài với quy mô lớn trong các mạch điện tử công suất của thiết bị có thể gây nên hiện tượng nghiêm trọng hơn rất nhiều trong tất cả các lĩnh vực của hoạt động kinh tế.
  • Hơn nữa, thiết bị sinh ra hài thường là các thiết bị quan trọng, cần thiết cho hoạt động của công ty hay tổ chức.

Loại sóng hài nào phải được đo và loại bỏ?

  • Các loại sóng hài hay gặp thường xuyên nhất trong mạng lưới phân phối 3 pha là các hài bậc lẻ. Các biên độ hài thông thường giảm khi tần số tăng. Đối với các hài bậc 50 trở lên, hài được bỏ qua và phép đo không còn ý nghĩa nữa. Các phép đo chính xác đầy đủ đạt được bằng cách chỉ đo các hài bậc dưới 30.
  • Thực tế thuận lợi khi giám sát hài bậc 2, 5, 7, 11 và 13. Nói chung, chúng ta chỉ cần xử lý các sóng hài của các bậc thấp nhất (lên đến bậc 13) là đủ. Sự xử lý toàn diện hơn phải tính bậc hài lên đến 25.

Các Tiêu Chuẩn

  • Sự phát sinh hài phụ thuộc vào các tiêu chuẩn và quy định khác nhau: Các tiêu chuẩn tương thích với mạng lưới phân phối 
    • Các tiêu chuẩn phát sinh ứng dụng cho các thiết bị sinh ra sóng hài
    • Các đề nghị xuất phát từ các công ty điện lực và có thể ứng dụng vào lưới điện, Nhằm làm suy yếu tác động của sóng hài một cách nhanh chóng, một hệ thống ba phần của các tiêu chuẩn và quy định hiện hành được sử dụng dựa vào các tài liệu được liệt kê phía dưới đây.

Các tiêu chuẩn kiểm soát sự tương thích giữa các mạng lưới phân phối và sản phẩm

  • Các tiêu chuẩn này quyết định tính tương thích cần thiết giữa các mạng lưới phân phối và các sản phẩm: 
    • Các hài sinh ra bởi một thiết bị phải không làm nhiều hệ thống phân phối cách xa những giới hạn nào đó 
    • Mỗi thiết bị phải có khả năng hoạt động bình thường trong trường hợp nhiễu xuất hiện ở các mức đặc trưng 
    • Tiêu chuẩn IEC 61000-2-2 cho các hệ thống cấp nguồn điện áp thấp công cộng 
    • Tiêu chuẩn IEC 61000-2-4 cho các lưới điện công nghiệp hạ áp và trung áp

Các tiêu chuẩn kiểm soát chất lượng của mạng lưới phân phối 

  • Tiêu chuẩn EN 50160 quy định các đặc tính của lưới điện được cung cấp bởi mạng lưới phân phối công cộng 
  • Tiêu chuẩn IEEE 519 thể hiện sự tiếp cận chung giữa các ích lợi và khách hàng để giới hạn tác động của các tải không tuyến tính. Hơn thế nữa, các ích lợi này khuyến khích hành động ngăn ngừa trên quan điểm làm giảm giá trị chất lượng năng lượng, nhiệt độ gia tăng và sự sụt giảm hệ số công suất. Những nguồn phát sinh hài chính có khuynh hướng gây tổn phí cho khách hàng một cách đáng kể.

Các tiêu chuẩn kiểm soát thiết bị

  • Tiêu chuẩn IEC 61000-3-2 hoặc EN 61000-3-2 cho thiết bị điện hạ thế với dòng định mức dưới 16 A 
  • Tiêu chuẩn IEC 61000-3-12 cho thiết bị điện hạ thế với dòng điện định mức trong khoảng từ cao hơn 16 A đến thấp hơn 75 A.

Các mức độ hài cho phép tối đa

  • Những nghiên cứu quốc tế đã thu thập dữ liệu dẫn đến kết quả có thể ước lượng các trạng thái hài điển hình thường xuyên gặp phải trong mạng lưới phân phối điện, Hình dưới thể hiện các mức độ khi nhìn theo quan điểm của nhiều Ích lợi, không nên bị vượt qua.

các mức sóng hài

Tổng quan

  • Sự xuất hiện của hài cho thấy dạng sóng của áp hoặc dòng đã bị méo dạng. Sự méo dạng của dạng sóng điện áp hoặc dòng điện có ý nghĩa cho ta biết việc phân phối năng lượng điện đã bị nhiễu và chất lượng nguồn điện không tối ưu.
  • Các dòng điện hài được sinh ra bởi các tải phi tuyến đã kết nối vào mạng lưới phân phối. Luồng di chuyển của các dòng điện hài sinh ra các điện áp hài thông qua trở kháng mạng lưới phân phối và hậu quả là gây méo dạng nguồn điện áp cung cấp.

Nguồn gốc của hài

  • Các thiết bị và hệ thống sinh ra hài hiện diện ở tất cả các tĩnh vực, ví dụ như trong công nghiệp, thương mại và công trình cư trú. Hài được sinh ra bởi các tải phi tuyến (ví dụ như các tải kéo dòng điện với dạng sóng không giống như dạng sóng của nguồn cáp).
  • Một số ví dụ của các tải phi tuyến như sau: 
    • Thiết bị công nghiệp (máy hàn, lò luyện phát sinh hồ quang, lò cảm ứng, bộ chỉnh lưu…) 
    • Các bộ điều khiển biến đổi tốc độ bất đồng bộ hoặc các động cơ DC 
    • Bộ lưu điện UPS
    • Thiết bị văn phòng (máy tính, máy photocopy, máy fax…)
    • Các ứng dụng tại nhà (TV, lò vi sóng, đèn huỳnh quang…)
    • Các thiết bị nào đó liên quan đến sự bão hoà từ (máy biến áp)

Nhiễu sinh ra bởi các tải phi tuyến: dòng điện và điện áp hài

  • Các tải phi tuyến kéo dòng điện hài lưu chuyển vào mạng lưới phân phối. Các điện áp hài sinh ra bởi luồng di chuyển của các dòng điện hài thông qua trở kháng của các mạch cung cấp (máy biến áp và mạng lưới phân phối cho các tình huống tương tự được thể hiện như trong hình)

sơ đồ tuyến

  • Điện kháng của một dây dẫn điện gia tăng như là một hàm số của tần số của dòng điện chạy qua dây dẫn đó. Do đó đối với mỗi dòng điện hài (bậc h) sẽ có một trở kháng Zh trong mạch cung cấp.
  • Khi dòng điện hài bậc h chảy thông qua trở kháng Zh, nó tạo ra điện áp hài Uh Với Uh = Zh x lh (định luật Ohm). Điện áp tại điểm B do đó bị méo dạng. Tất cả các thiết bị được cung cấp thông qua điểm B sẽ nhận được điện áp méo dạng đối với dòng điện hài đã biết trước, sự méo dạng sẽ tỉ lệ Với trở kháng trong mạng lưới phân phối.

Sự lưu thông của các dòng điện hài trong mạng lưới phân phối

  • Các tải phi tuyến có thể được xem xét để “bơm” các dòng điện hài chảy ngược vào trong mạng lưới phân phối và tiến đến nguồn. 
  • 2 hình dưới ở trạng kế tiếp thể hiện một quá trình cài đặt bị làm méo dạng bởi hài. Hình 1 thể hiện luồng dòng điện tại tần số 50Hz trong quá trình cài đặt và hình 2 thể hiện dòng điện hài (bậc h).

mạng điện cấp cho tải phi tuyến

mạng điện

  • Việc cấp nguồn cho tải phi tuyến tạo ra dòng I50HZ, luồng này được thêm vào trong mỗi phần của các dòng hài lh, đáp ứng đến mỗi hài bậc h.
  • Vẫn xem xét về việc các tải thêm dòng hài di chuyển ngược vào trong mạng lưới phân phối, nó có thể tạo ra một biểu đồ thể hiện các dòng hài trong mạng lưới (xem hình)

luồng di chuyển

  • Chú ý: Trong biểu đồ này, mặc dù các tải nào đó tạo ra các dòng điện hài trong mạng lưới phân phối, các tải khác vẫn có thể hấp thu các dòng hài này. 
  • Các hài có tác động kinh tế chính trong các quá trình lắp đặt sau:
    • Gia tăng về chi phí năng lượng 
    • Giảm tuổi thọ của thiết bị
    • Tổn thất trong quá trình sản xuất

Các các động chính của sóng hài trong lưới điện

Cộng hưởng

  • Việc sử dụng đồng thời các thiết bị điện dung và cảm ứng mắc song song hoặc nối tiếp trong các mạng lưới phân phối dẫn đến xuất hiện sự cộng hưởng, thể hiện qua các giá trị trở kháng rất cao hoặc rất thấp tương ứng. Sự biến đổi trong trở kháng sẽ làm thay đổi dòng và áp trong mạng lưới phân phối. Dưới đây, chỉ có các hiện tượng cộng hưởng song song, phổ biến nhất, sẽ được thảo luận.
  • Khảo sát lược đồ (hình dưới) trình bày một mạng điện gồm có những thiết bị sau:
    • Máy biến áp cung cấp 
    • Các tải tuyến tinh 
    • Các tải phi tuyến kéo các dòng điện hài
    • Các tụ bù hiệu chỉnh hệ số công suất

quá trình lắp đặt

  • Đối với việc phân tích hài, biểu đồ tương đương được thể hiện phía dưới.

quá trình cài đặt

  • Trở kháng Z được tính bởi: Z = jLsw/(1 – LsCw2)
  • Bỏ qua R, các thông số được định nghĩa như sau:
    • Ls = Độ tự cảm cung cấp (mạng lưới ngược + biển áp + đường dây)
    • C = Điện dung của các tụ bù hiệu chỉnh hệ số năng lượng
    • R = Điện trở của các tải tuyến tính
    • lh = Dòng điện hài
  • Cộng hưởng xuất hiện khi mẫu số (1-LsCw2) có xu hướng tiến về zero. Tần số đáp ứng được gọi là tần số cộng hưởng của mạch. Tại tần số này, trở kháng đạt giá trị tối đa và số lượng các điện áp hài cao bắt đầu xuất hiện dẫn đến sự méo dang chính trong điện áp. Sự méo dạng điện áp sẽ xuất hiện trong mạch (Ls+C) bởi luồng di chuyển của các dòng điện hài lớn hơn chúng được kéo bởi các tải này
  • Mạng lưới phân phối và các tụ bù hiệu chỉnh hệ số công suất phu th. dòng điện hài cao và kết quả là tạo ra nguy cơ quá tải. Để tránh cấp cuộn dây khử hài có thể được lắp đặt nối tiếp với các tụ.

Gia tăng tổn hao

Tổn hao trên các dây dẫn

  • Công suất tác dụng truyền đến một tải là một hàm số của thành phần cơ bản l1 của dòng điện.
  • Khi dòng được kéo bởi các tải có chứa các sóng hài, giá trị hiệu dụng của dòng – Irms sẽ lớn hơn dòng hài cơ bản l1
  • Định nghĩa của THD là: 

công thức 1

  • Hình sau được xem như là hàm số của sự méo dạng hài:

sự gia tăng

    • Sự gia tăng của dòng hiêu dụng Irms đối với tải kéo dòng cơ bản biết trước
    • Sự gia tăng về các tổn hao Jun, không liên quan đến các hoạt động bề mặt bên ngoài. (Điểm tham khảo trong đồ thị này là 1 đối với Irms và tổn hao Joules, trường hợp khi không có hài)
  • Các dòng điện hài kích thích sự gia tăng về tổn hao Jun trong tất cả dây dẫn mà chúng đi qua và làm gia tăng nhiệt độ trong các máy biến áp, các thiết bị, dây cáp…

Tổn hao trong các máy không đồng bộ

  • Các điện áp hài (bậc h) được cung cấp tới các máy không đồng bộ sẽ kích thích luồng di chuyển của các dòng điện trong rôto với các tần số cao hơn 50 Hz là nguyên nhân gây nên các tổn hao phụ.
  • Các bậc độ lớn. 
    • Điện áp cấp nguồn dạng xung vuông gây ra tổn hao gia tăng 20% 
    • Điện áp cung cấp với hài u5 = 8% (của sống hài cơ bản U1), u7 = 5%, u11 = 3%, u13 = 1%, do đó tổng méo dạng hài THDu là 10%, gây ra 6% tổn hao phụ.

Tổn hao trong các máy biến áp

  • Các dòng hài chạy trong máy biến áp làm tăng tổn hao đồng do hiệu ứng Jun và tổn hao “sắt” bởi các dòng điện xoáy. Các hài điện áp là nguyên nhân gây ra tồn hao “sắt” bởi hiện tượng từ trễ.
  • Thông thường ta xem các tổn hao trong các cuộn dây tăng tỷ lệ bình phương với THDi và các tổn hao trong mạch từ tăng tuyến tính với THDu.
  • Trong các máy biến áp phân phối điện lực, nơi mà mức độ méo dạng bị giới hạn, các tổn hao tăng từ 10 đến 15%.

Tổn hao trong các tụ điện

  • Các sóng hài điện áp đặt trên tụ sinh ra các dòng hài tỉ lệ thuận với tần số của các hài. Các dòng điện này sinh ra các tổn hao phụ.
  • Ví dụ: Điện áp cung cấp có các hài như sau:
    • Hài cơ bản U1, các hài u5 = 8% (của U1), u7 = 5%, u11 = 3%, u13 = 1%, suy ra hệ số méo dạng toàn phần THDu tương đương 10%. Để xác định cường độ dòng nhân với 1,19. Các tổn hao Jun nhân với 1,192, có nghĩa là 1.4.

Quá tải trên thiết bị

Các máy phát

  • Các máy phát cấp nguồn cho các tải phi tuyến phải được giảm định mức do các tổn hao phụ gây ra bởi các sóng hài dòng điện.
  • Mức giám định mức xấp xỉ 10% đối với máy phát nơi có 30% tải phi tuyến trong tổng tải. Do đó cần thiết phải nâng hạng máy phát.

Hệ thống nguồn cấp điện liên tục (UPS)

  • Dòng điện được tiêu thụ bởi các hệ thống máy tính cố hệ số đỉnh rất cao. Một thiết bị UPS được định mức chỉ theo giá trị hiệu dụng dòng điện có thể không có khả năng cung cấp dòng điện đỉnh cần thiết và có thể bị quá tải.

Máy biến áp 

  • Đường cong được biểu diễn như phía dưới (xem hình dưới) thể hiện sự giảm định mức điển hình được yêu cầu đối với máy biến áp cung cấp cho các tải điện.

sự giảm định mức

  • Ví dụ: Nếu máy biến áp cung cấp cho tổng tải gồm 40% tái điện tử, nó phải được giảm định mức xuống 40%.
    • Tiêu chuẩn UTE C15-112 cung cấp hệ số giảm định mức đối với các máy biến áp đóng vai trò như là hàm của các dòng điện hài

công thức 2

  • Các giá trị đặc trưng: 
    • Dòng điện với dạng sóng vuông (1/h phổ hài): k = 0.86 
    • Dòng điện bộ biến tần (THD ≈ 50%): k = 0.80

Các máy điện không đồng bộ

  • Tiêu chuẩn IEC 60892 định nghĩa hệ số hài có trọng lượng (hệ số sóng hài điện áp) có phương trình và giá trị lớn nhất như dưới đây:

công thức 3

  • Ví dụ: Một điện áp cung cấp có hài điện áp cơ bản U1 và các sóng hài bậc 3, 5, 7: u3 = 2% của U1, u5 = 3%, u7 = 1%. THDu là 3,7% và MVF là 0,018. Giá trị MVE rất gần với giá trị lớn nhất phía trên mà loại máy này phải được giảm định mức. Trên thực tế, để cấp nguồn cho loại máy này, THDu phải không được vượt quá 10%.

Các tụ điện

  • Theo tiêu chuẩn IEC 60831-1, trị hiệu dụng của dòng điện chạy qua tụ phải không vượt quá 1,3 lần dòng định mức.
  • Sử dụng ví dụ đã đề cập phía trên, hài cơ bản U1, các điện áp hài u5 = 8% (của U1), u7 = 5%, u11= 3%, u13 = 1%, như thể tông của méo dạng hài THDu tương đương với 10%, kết quả là Irms/l1 = 1,19, tại điện áp định mức. Đối với điện áp tương đương gấp 1,1 lần so với điện áp tỉ lệ, giới hạn dòng đạt Irms/l1 = 1,3 lần và cần thiết thay đổi kích thước của tụ.

Các dây dẫn trung tính

  • Xem xét 1 hệ thoonhs cấu tạo bởi nguồn 3 pha cân bằng và 3 tải 1 pha giống nhau được kết nối giữa các pha và dây trung tính (xem hình)

chiều của các dòng điện

  • Hình sau thể hiện 1 ví dụ của các dòng điện chạy trong 3 pha và dòng điện tổng chạy trong dây trung tính.

ví dụ

  • Trong ví dụ này, dòng điện trong dây trung tính có trị hiệu dụng cao hơn trị hiệu dụng của dòng điện trong 1 pha bởi hệ số căn bậc hai của 3
  • Dây dẫn trung tính do đó phải được thay đổi kích thước cho phù hợp.

Nhiều tác động lên các tải nhạy

Các tác động của sự méo dạng điện áp nguồn cung cấp

  • Sự méo dạng trong điện áp cung cấp có thể gây ảnh hưởng hoạt động của các thiết bị nhạy sau: 
    • Các thiết bị điều chỉnh (nhiệt độ) 
    • Phần cứng máy tính 
    • Mạch điều khiển và các thiết bị giám sát (rơle bảo vệ)

Sự méo dạng của các tín hiệu điện thoại

  • Các bài gây nhiễu trong mạch điều khiển (các mức độ dòng điện thấp). Mức độ của sự méo dạng phụ thuộc vào khoảng cách từ nguồn và các dây cáp điều khiển chạy song song, đây chính là khoảng cách giữa các dây cáp và tần số của các hài

Tác động kinh tế

Tổn hao năng lượng

  • Các hài gây ra các tổn hao phát sinh thêm (tổn hao Joule) trong các dây dẫn và thiết bị.

Các chi phí tiều thụ cao hơn

  • Sự xuất hiện của các dòng điện bài có thể đòi hỏi mức năng lượng tiêu thụ cao hơn và hậu quả là tốn nhiều chi phí hơn. Hơn thế nữa, Công ty điện sẽ tăng việc thu phí đối với các khách hàng nếu nguồn sóng hài có giá trị lớn.

Gia tăng định mức của thiết bị 

  • Việc giảm hạng của nguồn cấp (máy phát, máy biến áp, UPS) đồng nghĩa với việc chúng phải được nâng định mức 
  • Các dây dẫn phải được thay đổi kích thước tùy theo cường độ của dòng điện hài. Ngoài ra, do hiệu ứng bề mặt, trừ khảng của các dây dẫn này gia tăng theo tần số. Để tránh tổn hao cao do hiệu ứng Jun, cần thiết phải thay đổi kích thước dây dẫn.
  • Luồng chảy của các hài trong dây dẫn trung tính đồng nghĩa với việc cũng phải thay đổi kích thước dây lớn hơn.

Giảm tuổi thọ của thiết bị

  • Khi mức độ của sự méo dạng trong điện áp cung cấp khoảng 10%, tuổi thọ của thiết bị sẽ giảm nghiêm trọng. Sự giảm tuổi thọ được ước lượng như sau:
    • 32, 5% đối với các loại máy điện 1 pha 
    • 18% đối với các loại máy điện 3 pha
    • 5% đối với các máy biến áp 
  • Để duy trì tuổi thọ của thiết bị ứng với tải có định mức, thiết bị phải được nâng hạng cho phù hợp.

Tác động cắt nhầm và mạng điện ngưng hoạt động do mất nguồn

  • Các CB (thiết bị ngắt mạch) trong mạng điện phải chịu tắc động bởi các giá trị đỉnh của dòng gây ra bởi các hài.
  • Các giá trị đỉnh của dòng này không chỉ là nguyên nhân dẫn đến tác động nhầm gây tổn thất trong sản xuất mà còn tốn thêm các chi phí tương ứng với thời gian được yêu cầu để khởi động lại mạng điện.

Các ví dụ

  • Các hệ quả kinh tế được đưa ra đối với các mạng điện được đề cập phía dưới, cần. thiết phải lắp đặt các bộ lọc hài.

Phòng máy tính trung tâm cho một công ty bảo hiểm

  • Trong trung tâm này, tác động nhầm của CB được tính toán với mức khoảng 100 k€/giờ do thời gian ngưng hoạt động.

Phòng thí nghiệm dược phẩm

  • Các bài gây ra hư hỏng máy phát và làm gián đoạn quá trình kiểm tra trong khoảng thời gian dài trên các loại thuốc mới. Hệ quả là dẫn đến tổn hao ước lượng khoảng 17 M€.

Các nhà máy luyện kim

  • Một tổ hợp các lò cảm ứng gây ra quá tải và phá huỷ các máy biến áp 3 pha có tầm từ 1500 đến 2500 kVA trên mỗi năm. Chi phí của việc gián đoạn trong sản xuất ước lượng khoảng 20 k trên mỗi giờ.

Các nhà máy sản xuất dụng cụ làm vườn

  • Sự hư hỏng của các hệ truyền động điều khiển tốc độ làm ngưng trệ quá trình sản xuất ước lượng khoảng 10 ktrên mỗi giờ.

 

Trích: Hướng dẫn thiết kế lắp đặt điện theo tiêu chuẩn quốc tế IEC – Bản chính sửa 2019

 

Hãy chia sẻ, nếu bạn cảm thấy bài viết có ích cho bạn bè !