Trong trƣờng hợp lý tƣởng, tất cả những súng điện ỏp và dũng điện trong hệ thống điện cú dạng hỡnh sin với tần số là tần số cơ bản.Tuy nhiờn, điện ỏp và dũng điện thực tế trong hệ thống điện khụng thuần tỳy hỡnh sin.Khi đú, súng điện ỏp và dũng điện là tổng của súng điều hũa cơ bản và cỏc súng điều hũa cú bậc là bội số của súng cơ bản.
Dạng súng mộo ở hỡnh dƣới đõy đƣợc phõn tớch thành một thành phần súng cơ bản và thành phần súng hài bậc 3, bậc 5 (hỡnh 1.2 ).
Hỡnh 1.2: Súng bị mộo dạng và phõn tớch Furier tương ứng
1.3. Cỏc chỉ số đỏnh giỏ súng hài trong hệ thống điện
- Tổng độ mộo súng hài (Total Harmonic Distortion - THD);
- Tổng độ mộo nhu cầu (Total Demand Distortion- TDD).
Cả hai chỉ số này đều cú thể ỏp dụng cho đồng thời cả dũng điện và điện ỏp.
a. Tổng độ mộo súng hài (ỏp dụng cho điện ỏp và dũng điện, ký hiệu THDV và
THDi): là tỷ lệ của điện ỏp (dũng điện) hiệu dụng của súng hài với giỏ trị hiệu dụng của điện ỏp (dũng điện) tần số cơ bản, tớnh theo phần trăm (%).
2 1 100 i V V THD V. % 2 1100 i i I THD I. % Trong đú:
Vi, Ii: Là giỏ trị hiệu dụng thành phần điện ỏp, dũng điện của cỏc súng hài bậc i (i = 2, 3…).
V1, I1: là giỏ trị hiệu dụng thành phần điện ỏp, dũng điện tại tần số cơ bản
(50Hz).
b. Tổng độ mộo nhu cầu (ký hiệu TDDvvà TDDi): là tỷ lệ của điện ỏp (dũng điện) hiệu dụng của súng hài với giỏ trị hiệu dụng của điện ỏp (dũng điện) tần số cơ bản. 2 100 i V dinhmuc V TDD V . % 2 100 i i dinhmuc I TDD I . %
Cỏch tớnh toỏn hệ số TDD gần tƣơng tự nhƣ ỏp dụng đối với THD, tuy nhiờn mức độ mộo súng diễn tả theo tỷ lệ phần trăm của dũng điện (điện ỏp) định mức hoặc dũng điện (điện ỏp) cho phộp lớn nhất.
1.4. Cỏc tiờu chuẩn khuyến cỏo về mức độ súng hài trong hệ thống điện
Thụng tƣ 12 và 32 của Bộ Cụng thƣơng đƣa ra giới hạn cho phộp đối với tổng mức độ mộo súng điện ỏp và của từng mức súng hài riờng lẻ: Tổng độ mộo điện ỏp tại mọi điểm đấu nối khụng đƣợc vƣợt quỏ giới hạn, qui định tại cỏc Thụng tƣ số
12/2010/TT-BCT ban hành ngày 15 thỏng 4 năm 2010 và Thụng tƣ số 32/2010/TT-
Bảng 1.2: Tiờu chuẩn về độ mộo điện ỏp theo Thụng tư 12 và 32
Cấp điện ỏp Tổng biến dạng súng hài Biến dạng riờng lẻ
500kV, 220kV 3% -
110kV 3% 1,5%
Trung và hạ ỏp 6,5% 3%
Bờn cạnh đú tiờu chuẩn IEEE 519-1992 đƣa ra cỏc khuyến cỏo cụ thể hơn, mức độ mộo súng hài cho phộp cũn phụ thuộc vào cụng suất ngắn mạch của nguồn cấp (cụng suất ngắn mạch tớnh tới thanh cỏi cú tải phi tuyến nối vào). Chi tiết của tiờu chuẩn IEEE 519-1992 nhƣ sau [4 ]:
Bảng 1.3: Giới hạn độ mộo dũng điện đối với hệ thống phõn phốichung (cú điện ỏp từ 120V tới 69000 V) chung (cú điện ỏp từ 120V tới 69000 V)
Độ mộo súng hài lớn nhất của dũng điện trong tỷ lệ của IL
Súng hài bậc lẻ ISC/IL <11 11 ≤ h ≤ 17 17≤ h ≤23 23≤h ≤35 35≤h TDD <20 4.0 2.0 1.5 0.6 0.3 5.0 20<50 7.0 3.5 2.5 1.0 0.5 8.0 50<100 10.0 4.5 4.0 1.5 0.7 12.0 100<1000 12.0 5.5 5.0 2.0 1.0 15.0 >1000 15.0 7.0 6.0 2.5 1.4 20.0
Súng hài bậc chẵn đƣợc giới hạn đến 25% của giới hạn trờn của súng hài bậc lẻ. Tất cả thiết bị phỏt cụng suất đƣợc giới hạn đến những giỏ trị của độ mộo dũng điện, đƣợc tớnh ISC/IL.
Trong đú:
ISC : Dũng điện ngắn mạch lớn nhất tại vị trớ điểm kết nối chung;
IL : Nhu cầu tối đa của dũng điện tải (thành phần tần số cơ bản) tại vị trớ điểm kết nối chung.
Bảng 1.4: Giới hạn độ mộo dũng điện đối với hệ thống truyền tải điện(cú điện ỏp từ 69001V tới 161000 V) (cú điện ỏp từ 69001V tới 161000 V)
Độ mộo súng hài lớn nhất của dũng điện trong tỷ lệ của IL
Súng hài bậc lẻ ISC/IL <11 11 ≤ h ≤ 17 17≤ h ≤23 23≤h ≤35 35≤h TDD <20 2.0 1.0 0.75 0.3 0.3 2.5 20<50 3.5 1.75 1.25 0.5 0.5 4.0 50<100 5.0 2.25 2.0 0.75 0.7 6.0 100<1000 6.0 2.75 2.5 1.0 1.0 7.5 >1000 7.5 3.5 3.0 1.25 1.4 10.0
Súng hài bậc chẵn đƣợc giới hạn đến 25% của giới hạn trờn của súng hài bậc lẻ. Tất cả thiết bị phỏt cụng suất đƣợc giới hạn đến những giỏ trị của độ mộo dũng điện, đƣợc tớnh ISC/IL.
Trong đú:
ISC: Dũng điện ngắn mạch lớn nhất tại vị trớ điểm kết nối chung.
IL : nhu cầu tối đa của dũng điệntải (thành phần tần số cơ bản) tại vị trớ điểm kết nối chung.
Bảng 1.5: Giới hạn độ mộo dũng điện đối với hệ thống truyền tải điện (<161kV), cú nguồnphỏt phõn tỏn
Súng hài bậc lẻ
ISC/IL <11 11 ≤ h ≤ 17 17 ≤ h ≤23 23≤ h ≤35 35≤h TDD
<50 2.0 1.0 0.75 0.3 0.15 2.5
≥50 3.0 1.5 1.15 0.35 0.22 3.75
1.5. Cỏc nguồn phỏt sinh súng hài trong hệ thống điện
Súng hài đƣợc phỏt sinh từ nhiều nguồn khỏc nhau, một cỏch tổng quỏt nguồn phỏt sinh súng hài cú thể do cỏc yếu tố sau:
- Cỏc tải phi tuyến (quan hệ giữa điện ỏp đặt vào và dũng điện chạy qua tải khụng tuyến tớnh);
- Cỏc thiết bị cú lừi từ làm việc ở vựng bóo hũa (mỏy biến ỏp, cuộn khỏng, động cơ…);
- Cỏc thiết bị điện tử cụng suất cú cỏc mạch chỉnh lưu đầu vào và cỏc mạch đúng cắt bằng cỏc van thyristor;
- Cỏc lũ hồ quang hoặc hàn hồ quang.
1.5.1. Cỏc mỏy biến ỏp
Hiện tƣợng bóo hũa mạch từ là một nguyờn nhõn gõy ra súng hài. Khi biờn độ điện ỏp từ thụng đủ lớn (hiện tƣợng quỏ từ thụng) để rơi vào vựng khụng tuyến tớnh
trờn đƣờng cong B H của mạch từ sẽ dẫn đến dũng điện bị mộo dạng và chứa - thành
phần súng hài mặc dự súng điện ỏp đặt vào vẫn là hỡnh sin.
Cỏc mỏy biến ỏp đƣợc thiết kế hoạt động tại vựng tuyến tớnh của đƣờng cong
từ húa với dũng từ húa chiếm khoảng 1 2% dũng định mức. Tuy nhiờn khi điện ỏp -
tăng dẫn tới điểm làm việc rơi vào vựng phi tuyến, hệ quả là dũng từ húa tăng mạnh
và bị mộo dạng súng trở thành nguồn phỏt súng hài.
Điện ỏp tăng cú thể do vận hành non tải với mạng cỏp, hoặc do đúng cắt cỏc nguồn CSPK lớn nhƣ cỏc bộ tụ hoặc khỏng…
Trong phạm vi làm việc bỡnh thƣờng, súng hài sinh ra sự mộo dạng súng của dũng từ húa là khụng đỏng kể. Tuy nhiờn khi đúng mỏy biến ỏp hoặc vận hành ở quỏ điện ỏp thỡ mức độ súng hài cú thể tăng lờn đỏng kể.
Mặc dự dũng kớch thớch của mỏy biến ỏp lực chứa nhiều thành phần súng hài, trong thực tế nú vẫn nhỏ hơn 1-2% giỏ trị của dũng điện khi đầy tải. Tuy nhiờn, ảnh hƣởng của chỳng cú thể thấy rừ khi trong hệ thống truyền tải cú nhiều mỏy biến ỏp. Ta cú thể thấy độ lớn của súng hài bậc ba thƣờng tăng lờn đỏng kể khi mà cỏc mỏy biến ỏp làm việc non tải và điện ỏp tăng. Khi đú, dũng điện kớch thớch tăng lờn, do đú trị số súng hài cũng tăng lờn.
1.5.2. Cỏc động cơ
Tƣơng tự nhƣ mỏy biến ỏp, động cơ cũng cú lừi từ và khi hoạt động cũng cú thể sinh ra cỏc thành phần súng hài, tuy nhiờn chủ yếu là hài bậc 3. Cỏc hỡnh dƣới cho thấy dạng súng bị mộo của một số thiết bị dõn dụng cú sử dụng động cơ (mỏy lạnh, điều hũa...). Cỏc động cơ cú khe hở trong mạch từ do vậy đặc tớnh từ tuyến tớnh hơn so với mỏy biến ỏp.
1.5.3. Cỏc thiết bị điện tử cụng suất
Cỏc thiết bị điện tử cụng suất hiện nay đều sử dụng bộ chỉnh lƣu đầu vào, thiết bị chỉnh lƣu này chớnh là nguồn gõy phỏt súng hài. Mặt khỏc cỏc van cụng suất khi đúng/cắt cũng cú thể gõy ra nhiễu, hài với tần số cao. Thiết bị điện tử cụng suất sử dụng phổ biến trong cỏc thiết bị cụng nghiệp, gia dụng nhƣ: mỏy tớnh, bộ biến tần điều tốc động cơ, đốn huỳnh quang, bộ lƣu điện UPS... Cỏc thiết bị này tạo ra dũng điện mộo dạng rất lớn tựy thuộc vào cụng suất định mức.
Cỏc thiết bị điện tử cụng suất cú thể đƣợc coi nhƣ một trong những nguồn chớnh gõy ra súng hài trong lƣới điện.
1.5.4. Cỏc thiết bị hồ quang
Bao gồm cỏc thiết bị nhƣ lũ hồ quang, cỏc đốn cao ỏp thủy ngõn, mỏy hàn hồ quang, ... Đặc tớnh Volt Ampe của hồ quang cú tớnh chất phi tuyến mạnh, khi hồ -
quang đƣợc sinh ra, điện ỏp giảm đi do dũng hồ quang lớn.
Cú thể thấy rằng với cỏc lũ hồ quang thỡ mức độ súng hài sinh ra biến thiờn theo thời gian rất khú xỏc định chớnh xỏc do vậy thƣờng xỏc định theo phƣơng phỏp thống kờ xỏc suất. Mức độ súng hài biểu diễn theo phần trăm của dũng điện cơ bản đƣợc cho sơ bộ theo bảng 1.6:
Bảng 1.6: Phổ tần của súng hài phỏt sinh bởi lũ hồ quang
Bậc súng hài Tỷ lệ phần trăm theo cỏc thống kờ
khỏc nhau 2 3.2 4.1 4.5 3 4 0 4 5 4 7 4 1.1 1.8 2.8 5 3.2 2.1 4.5 6 0.6 - 1.7 7 1.3 1.0 1.6 8 0.4 1.0 1.1 9 0.5 0.6 1.0 10 >0.5 >0.5 >1.0
1.6. Ảnh hƣởng của súng hài tới hệ thống và cỏc thiết bị
Súng hài lan truyền trong lƣới điện cú thể gõy cỏc ảnh hƣởng tiờu cực tới cỏc sự vận hành bỡnh thƣờng của cỏc thiết bị. Mức độ ảnh hƣởng tựy theo đặc tớnh của từng loại thiết bị, do đú cần thiết phải cú cỏc đỏnh giỏ để xỏc định mức độ ảnh hƣởng cũng nhƣ đề ra cỏc giải phỏp hạn chế súng hài một cỏch hợp lý.
Ảnh hƣởng chớnh của súng hài dũng điện và điện ỏp tới hệ thống điện cú thể túm lƣợc nhƣ sau:
- Cú thể gõy ra hiện tượng cộng hưởng nguy hiểm tại một tần số súng hài nào đú, dẫn tới quỏ điện ỏp;
- Giảm khả năng khai thỏc tối đa hiệu suất của thiết bị;
- Già húa cỏch điện và làm giảm tuổi thọ cỏc thiết bị;
- Cỏc thiết bị hoạt động sai chức năng so với thiết kế.
1.6.1. Hiện tưởng cộng hưởng tại tần số súng hài
Việc lắp đặt cỏc bộ tụ để bự cụng suất phản khỏng trong hệ thống chớnh là một yếu tố gúp phần tạo ra hiện tƣợng cộng hƣởng súng hài. Hiện tƣợng cộng hƣởng súng hài mang tớnh chất địa phƣơng và cú thể gõy ra quỏ tải cỏc bộ tụ [5].
Cú thể phõn ra hai loại cộng hƣởng súng hài:
- Cộng hƣởng song song;
- Cộng hƣởng nối tiếp.
*) Hiện tượng cộng hưởng song song:
Tải phi tuyến sinh ra cỏc thành phần hài dũng điện, cỏc thành phần súng hài
này chạy về phớa hệ thống.
- Với cỏc bộ tụ bự: dung khỏng của bộ tụ giảm đối với cỏc súng hài bậc cao
(XC 1
j C ).
- Tổng trở của hệ thống: tăng cựng với bậc của súng hài ( ).
Sự cộng hƣởng song song xảy ra nếu giỏ trị điện khỏng của hệ thống bằng với giỏ trị dung khỏng của cỏc bộ tụ bự tại một tần số nào đú, tần số đú đƣợc gọi là tần số cộng hƣởng song song. Tại tần số cộng hƣởng thỡ tổng trở của tƣơng đƣơng của {hệ thống song song với bộ tụ} cú giỏ trị rất lớn.
Điều nguy hiểm khi xảy ra hiện tƣợng cộng hƣởng song song là dũng điện hài chạy vào cỏc bộ tụ và hệ thống tăng lờn lần (trong đú h là bậc tần số cộng hƣởng, XC là dung khỏng cỏc bộ tụ, R là độ lớn thành phần R trong tổng trở
nguồn).Thƣờng R cú giỏ trị rất nhỏ dẫn tới tỷ số cú giỏ trị rất lớn và nhƣ vậy
dũng điện hài cú thể gõy quỏ tải cho cỏc bộ tụ.
Tần số cộng hƣởng song song cú thể tớnh toỏn đƣợc một cỏch gần đỳng. Nờn tớnh toỏn lựa chọn cỏc bộ tụ sao cho tần số cộng hƣởng song song này khụng gần quỏ với cỏc tần số súng hài (vớ dụ: trỏnh trƣờng hợp tần số cộng hƣởng song song cú bậc 5,3 trong khi đang cú cỏc súng hài bậc 5).
*) Hiện tượng cộng hưởng nối tiếp:
L X j L * C h X R * C h X R
Hiện tƣợng cộng hƣởng nối tiếp cú thể xảy ra trong trƣờng hợp bộ tụ và mỏy
biến ỏp (hoặc đƣờng dõy) dõy tạo thành mạch cộng hƣởng R-L-C nối tiếp đối với
nguồn phỏt súng hài.
Tại tần số cộng hƣởng của mạch RLC thỡ tổng trở tƣơng đƣơng của mỏy biến ỏp và tụ bự rất nhỏ (bằng thành phần R), do đú hầu hết súng hài sẽ chạy vào khu vực này, gõy quỏ tải cỏc bộ tụ.
Tổng hợp về hiện tƣợng cộng hƣởng súng hài trong lƣới phõn phối cú thể biểu diễn nhƣ sau:
1.6.2. Ảnh hưởng tới cỏc động cơ và mỏy biến ỏp
Do ảnh hƣởng của hiệu ứng mặt ngoài, làm cho vật dẫn bị làm núng nhanh chúng khi tần số dũng điện tăng. Nếu trong điều kiện tồn tại súng hài với trị số lớn, thiết bị vẫn cú thể bị quỏ nhiệt ngay cả khi mang dũng định mức và làm cho tổn hao cụng suất cũng tăng lờn.
Tổn hao từ trễ tỉ lệ với tần số và dũng Fu cụ tỉ lệ với bỡnh phƣơng tần số nờn -
dũng hài cũng gõy tăng tổn thất trong cuộn dõy và mạch từ của mỏy biến ỏp. Cũng giống nhƣ mỏy biến ỏp súng hài gõy ra thờm tổn hao từ trƣờng trong lừi thộp của động cơ. Do chịu thờm phỏt núng nờn cỏc mỏy biến ỏp làm việc trong mụi trƣờng giàu súng hài cần đƣợc lựa chọn với cụng suất lớn hơn để trỏnh bị quỏ tải, hoặc nếu MBA đó cú thỡ phải xem xột giảm cụng suất tải qua MBA.
Mặt khỏc, cuộn tam giỏc của mỏy biến ỏp cú thể bị quỏ tải do cỏc thành phần
súng hài bậc 3, 9, 15…chạy quẩn. Thành phần từ thụng thứ tự khụng cũn gõy thờm
cỏc tổn hao trong lừi thộp, cỏc cấu kiện thộp khỏc.
Một ảnh hƣởng khỏc nghiờm trọng hơn là sự dao động mụmen vỡ súng hài.Những súng hài thƣờng gặp trờn lƣới điện là hài bậc năm và bậc bảy. Súng hài bậc năm là súng hài, dẫn tới từ trƣờng quay ngƣợc chiều với từ trƣờng cơ bản với tốc độ bằng năm lần tốc độ cơ bản. Hài bậc bẩy là hài thứ tự thuận, từ trƣờng quay cựng hƣớng từ trƣờng cơ bản với tốc độ bằng bẩy lần cơ bản. Từ đú dẫn tới sự tƣơng tỏc từ trƣờng và dũng điện cảm ứng trờn rotor tạo ra sự dao động của trục động cơ. Nếu tần số dao động trựng với tần số tự nhiờn của những thành phần cơ, những thiệt hại nghiờm trọng cú thể xảy ra. Sự rung và ồn quỏ mức trong hoạt dộng của động cơ trong mụi trƣờng súng hài nờn đƣợc kiểm tra để ngăn chặn những thiệt hại. Những động cơ làm việc trong mụi trƣờng ụ nhiễm súng hài cần đƣợc thiết kế đặc biệt.
1.6.3. Ảnh hưởng tới hệ số cụng suất
Càng nhiều thành phần súng hài thờm vào cựng với thành phần cơ bản, thỡ giỏ trị dũng điện hiệu dụng tổng sẽ tăng lờn, vỡ vậy sẽ ảnh hƣởng tới hệ số cụng suất của mạch. Hệ số cụng suất cos , đƣợc tớnh nhƣ sau (cho thành phần cơ bản của
dũng và ỏp):
1 1
P cos
Hệ số cụng suất tổng khi cú thành phần súng hài sẽ đƣợc tớnh nhƣ sau: 2 2 1 1 1 1 1 1 1 1 100 100 P P P cos U I THD U I THD U I * . % . %
Thành phần thứ hai trong tớch trờn là hệ số cụng suất mộo gõy bởi thành phần
súng hài. Nhận thấy thành phần này luụn nhỏ hơn 1 nờn hệ số cụng suất khi cú súng
hài bị giảm đi
1.6.4. Ảnh hưởng tới cỏc bộ tụ bự
Súng hài điện ỏp làm tăng tổn hao điện mụi trong cỏc bộ tụ, tổn hao này cú thể
tớnh theo: 2