Trong hệ thống điện, sóng hài có tần số là bội số của tần số cơ bản. Chúng làm dạng sóng điện áp hoặc dòng điện bị méo. Biến tần, UPS và thiết bị chỉnh lưu là các nguồn phát sinh phổ biến. Máy biến áp thường chịu tác động từ dòng điện méo dạng, thay vì là nguồn phát sinh chính. Hiện tượng này có thể làm tăng tổn hao và nhiệt độ vận hành. Vì vậy, cần đánh giá đặc tính phụ tải trước khi lựa chọn máy biến áp. Trong bài viết này hãy cùng MBT tìm hiểu sóng hài là gì – nguyên nhân và cách khắc phục.

1. Sóng hài trong hệ thống điện là gì?

Ở trạng thái lý tưởng, điện áp và dòng điện có dạng sóng sin đều và mượt. Trong hệ thống điện xoay chiều, tần số cơ bản thường là 50 Hz hoặc 60 Hz. Việt Nam sử dụng tần số danh định 50 Hz. Có thể hình dung các đỉnh và đáy sóng xuất hiện theo một nhịp ổn định.

Khi có sóng hài, dạng sóng không nhảy ngẫu nhiên hoặc mất hẳn tần số cơ bản. Thay vào đó, các thành phần tần số cao hơn chồng lên sóng cơ bản. Có thể hình dung một đường sóng lớn bị vẽ thêm các gợn sóng phụ. Điều này làm đỉnh, đáy và đường cong của sóng trở nên méo hơn. Ở hệ thống 50 Hz, sóng hài bậc 3 có tần số 150 Hz. Ở hệ thống 60 Hz, cùng bậc sóng hài có tần số 180 Hz. Điểm quan trọng là sóng hài có quy luật, không phải nhiễu ngẫu nhiên. Chỉ số THD cho biết dạng sóng bị méo nhiều hay ít.

2. Sóng hài phát sinh từ đâu?

Phần lớn sóng hài phát sinh từ phụ tải phi tuyến. Khác với tải tuyến tính, chúng không lấy dòng điện đều trong toàn bộ chu kỳ. Chúng thường dùng phần tử bán dẫn để chỉnh lưu hoặc đóng cắt điện năng. Vì vậy, dòng điện được lấy theo từng nhịp ngắn trong mỗi chu kỳ. Dạng sóng dòng điện vì thế bị méo và chứa các thành phần sóng hài.

Những nguồn phổ biến gồm biến tần, UPS, bộ chỉnh lưu và nguồn xung của máy chủ. Bộ sạc xe điện, bộ nguồn LED và thiết bị CNTT cũng cần được đánh giá. Mức méo tại từng điểm còn phụ thuộc vào tổng tải, đặc tính hệ thống và chế độ vận hành.

Trong đa số công trình, máy biến áp không phải nguồn phát sinh chính. Dòng từ hóa có thể bị méo khi lõi thép tiến gần vùng bão hòa. Điều này có thể xảy ra khi điện áp tăng bất thường hoặc từ thông trong lõi quá cao. Trong trường hợp đó, dòng từ hóa có thể chứa các thành phần sóng hài. Vì vậy, phụ tải phi tuyến cần được kiểm tra trước khi đánh giá máy biến áp.

3. Sóng hài gây ảnh hưởng gì đến máy biến áp?

Sóng hài không làm máy biến áp hỏng ngay lập tức. Tuy nhiên, dòng hài làm tăng tổn hao trong dây quấn và các bộ phận kim loại. Các thành phần tần số cao gây thêm tổn hao do dòng điện xoáy. Phần tổn hao này chuyển thành nhiệt trong quá trình vận hành. Vì vậy, máy biến áp có thể nóng hơn khi cấp điện cho phụ tải phi tuyến. Nếu nhiệt độ tăng kéo dài, hệ thống cách điện sẽ lão hóa nhanh hơn. Điều này có thể rút ngắn tuổi thọ của hệ thống cách điện. Khi dòng hài lớn, khả năng tải an toàn có thể thấp hơn mức ghi trên nhãn máy. Việc giảm tải chỉ được xác định sau khi đánh giá dòng hài và nhiệt độ thực tế.

Sóng hài cũng có thể làm tăng tiếng ồn và rung động. Thiết bị đo lường và bảo vệ cũng có thể bị ảnh hưởng khi mức méo cao. Trong hệ thống ba pha bốn dây, các hài bội của ba có thể cộng dồn ở dây trung tính. Điều này làm tăng nhiệt cho dây trung tính và các điểm đấu nối. Vì vậy, cần kiểm tra THDi, tổng độ méo hài dòng điện, tổng tải và nhiệt độ vận hành.

Ảnh hưởng của sóng hài đối với máy biến áp

4. Sóng hài ở trong máy biến áp dầu và máy biến áp khô

Sóng hài phát sinh chủ yếu từ đặc tính phụ tải, không phải từ loại cách điện của máy. Vì vậy, máy biến áp dầu và máy biến áp khô đều có thể chịu ảnh hưởng. Mức ảnh hưởng phụ thuộc vào dạng dòng điện và chế độ vận hành thực tế.

Máy biến áp khô thường được lắp trong nhà, gần các phụ tải điện tử. Ví dụ gồm UPS, máy chủ, đèn LED và biến tần. Những thiết bị này có thể tạo ra dòng điện không còn dạng sóng sin lý tưởng. Khi dòng hài tăng, nhiệt trong cuộn dây và hệ thống cách điện cũng tăng. Đây là điểm cần lưu ý tại các công trình có không gian lắp đặt hạn chế.

Máy biến áp dầu thường được dùng tại nhà máy, khu công nghiệp và trạm ngoài trời. Các bộ chỉnh lưu, biến tần công suất lớn và dây chuyền điện tử có thể tạo ra dòng hài. Dầu hỗ trợ cách điện và làm mát, nhưng không loại bỏ các thành phần hài. Vì vậy, máy dầu vẫn chịu tổn hao bổ sung khi phụ tải có mức méo cao.

MBT chuyên cung cấp các giải pháp máy biến áp hỗ trợ cho các hệ thống điện để giảm bớt lượng sóng hài tồn tại trong mạng lưới điện sinh hoạt và công nghiệp. Các máy biến áp sẽ thể hiện rõ điều kiện vận hành của từng dòng máy. Đây là những yếu tố cần đặt song song với dữ liệu phụ tải. Nhờ đó, ảnh hưởng của sóng hài được nhìn nhận sát hơn trong từng dự án.