CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ SÓNG HÀI VÀ TÍNH TOÁN TỔN THẤT ĐIỆN NĂNG
1.2. TỔNG QUAN VỀ BIẾN DẠNG SÓNG VÀ SÓNG HÀI
1.2.6. Các ảnh hưởng của sóng hài
a. Ảnh hưởng sóng hài đến yêu cầu dây dẫn điện.
Sự hiện diện của dòng điện sóng hài có thể tăng đáng kể nhiệt trong dây dẫn.
Nhiệt tăng bởi 2 cơ chế: (1) phụ tải tăng thêm dẫn đến dòng điện sóng hài và (2) phân bố lại dòng điện trong dây dẫn.
Đo tải thêm vào trong dây dẫn là khác nhau giữa giá trị RMS thực sự của luồng dòng điện thông qua dây dẫn và giá trị RMS của thành phần dòng điện tần số cơ bản. Giả định dòng điện bao gồm thành phần tần số cơ bản và chỉ thành phần sóng hài (ví dụ không có thành phần DC và không có sóng hài bậc 3), sự khác nhau sẽ quy cho phụ tải sóng hài.
Nhiệt tăng thêm bên trong dây dẫn được gây ra bởi phân bố lại dòng điện.
Phân bố lại dòng điện chủ yếu do hiệu ứng bề mặt, đó là khuynh hướng của dòng điện tần số cao hơn đến dòng bên phía ngoài dây dẫn do đó thực tế giảm một phần độ lớn mang dòng điện của dây dẫn, loại trong dây dẫn tăng điện trở và nhiệt. Hiệu ứng bề mặt tăng làm tần số tăng đáng kể của dòng điện sóng hài bậc cao. Để độ méo it hơn, dòng điện cũng được phân bố lại bởi hiệu ứng lân cận do ghép điện từ giữa các dây dẫn liền kề nhau mang dòng điện và giữa dây dẫn mang dòng điện và các đối tượng khác ví dụ như lớp bảo vệ bằng thép và ống luồn dây điện.
Vấn đề liên quan đến hiệu ứng bề mặt có thể đáng kể thậm trí trong sóng hài thấp hơn. Khi xem xét dây dẫn đồng hình trụ điển hình với đường kính của 20mm, tỷ số điện trở xoay chiều AC và điện trở một chiều DC về mặt lý thuyết có thể đến 1.35 cho thành phần sóng hài bậc 3 và 2.07 cho thành phần sóng hài bậc 9.
Trong khi dòng điện hài gây ra nhiệt gia tăng bất kể loại dây dẫn nào, dây dẫn trung tính trong hệ thống phân phối 3 pha 4 dây tương ứng xem xét đặc biệt.
Bởi vì sóng hài thứ tự không (đó là sóng hài mà nhân 3 theo số nguyên) thêm vào theo số học trong dây trung tính như đối lập với dòng điện cơ bản cân bằng.
Luồng sóng hài bậc 3 trong dây dẫn trung tính tăng, dòng điện từ mất cân bằng có thể dẫn đến quá tải dây trung tính. Điều này thậm trí nhiều khó khăn hơn nếu chỉ cân bằng tải được tính toán cho kích thước dây dẫn trung tính và phụ tải sóng hài bậc 3 là không đáng kể dẫn đến kết quả dây dẫn trung tính kích thước nhỏ hơn dây dẫn pha.
Dòng điện sóng hài bậc 3 có thể rắc rối đặc biệt trong tòa nhà thương mại.
Nơi nhiều phụ tải sinh ra dòng điện sóng hài bậc 3. Ví dụ nhiều máy tính cá nhân (PC) sinh ra dòng điện sóng hài bậc 3 nhiều hơn 80% dòng điện cơ bản. Cho phụ tải 3 pha cân bằng bao gồm hoàn toàn của máy tính PC, dây dẫn sẽ mang dòng điện sóng hài bậc 3 là 240% (3 lần 80%). Việc đo được thực hiện trong tòa nhà thương mại trong đó tỷ số lớn của phụ tải là sóng hài bậc 3 sinh ra dòng điện dây trung tính mà giữa 1.5 và 2.1 lần lớn hơn dòng điện pha. Quá tải dòng điện dây trung tính thường chỉ là vấn đề cục bộ bên trong toà nhà, ví dụ tại tủ điện. Vì sự khác nhau góc pha trong các dòng điện pha, các dòng điện sóng hài thứ tự không được sinh ra bởi các phụ tải phi tuyến là không hoàn toàn tăng lên ở dây trung tính.
So vơi dòng điện pha RMS Iph với dòng điện trung tính RMS IN cho phụ tải 3 pha rút ra từ dòng điện tần số cơ bản If và dòng điện sóng hài bậc 3 với 70% cơ bản.
b. Hoat động không mong muốn của cầu chì và thiết bị đóng ngắt điện
Các dòng điện sóng hài ảnh hưởng đến hoạt động của thiết bị bảo vệ. Cầu chì và thiết bị đóng cắt dễ xảy ra hoạt động tác hại khi phải chịu dòng điện phi tuyến.
Các dòng điện phụ tải và các dòng điện lỗi mức thấp gồm phần trăm cao của méo sóng hài. Thành phần sóng hài của các dòng điện lỗi mức cao luôn nhỏ không đáng kể.
Ví dụ như lỗi máy cắt 15kV do dòng điện sóng hài. Thì dòng điện với hệ số méo 50% được giới hạn khả năng cuộn dây nổ cầu chì của máy cắt ép buộc hồ quang trong buồng dập hồ quang. Hơn nữa, sự ngắt quãng kéo dài cũng làm trễ sự tiêu tán dòng điện lỗi và gây cháy lại sau khi tự đóng lại nhanh. Thiết bị ngắt chân không ít nhạy cảm đến méo dòng điện sóng hài hơn là đóng cắt từ tính không khí.
Thiết bị đóng cắt điện nhạy cảm giá trị đỉnh có thời gian ngắt giảm nếu sóng hài thêm vào giá trị đỉnh của dạng sóng dòng điện và thời gian ngắt tăng nếu các sóng hài trừ đi từ giá trị đỉnh. Nói chung, sóng hài tần số cao tăng giá trị đỉnh thì có kết quả thời gian cắt tăng lên. Sự tiêu tán nhiệt tăng trong thiết bị có thể gây ra bởi RMS tăng của dòng điện méo. Với tần số tăng, điện trở trong thiết bị tăng lên, gây ra nhiệt bắt đầu tăng. Ngắt sớm của thiết bị đóng cắt theo quá nhiệt có thể do nhiệt phát ra.
Méo sóng hài tác động khả năng nhạy dòng điện của thiết bị đóng cắt bằng từ tính nhiệt. Cơ cấu tức thời của một vài đóng cắt là cuộn hút mà tiêu tán nhiệt thêm vào do tổn thất cho tần số ở trên dòng cơ bản. Dòng điện tăng dẫn đến nhiệt tăng, do đó cầu chì ngắt theo nhiệt khi thiết bị quá dòng điện RMS. Tăng mức độ THD dòng điện kết quả là tăng nhiệt độ bên trong cầu chì. Luồng dòng điện không méo qua cầu chì gây ra nhiệt độ điểm nóng là 211 độ C. Nhiệt độ tăng 29.8oC đến
240.8oC cho dòng điện có THD của 40% điện thế để tác động cầu chì ngắt ngoài mong muốn.
c. Điện áp t ung tính-đất tăng lên.
Điện áp trung tính-đất tăng lên (NEV) trong hệ thống phân phối là mối quan tâm chất lượng điện từ lâu, NEV có kết quả không thể chấp nhận được và chạm đến điện thế tại vị trí truy cập riêng và chung. NEV được tạo bởi mạng không đồng bộ, phụ tải không cân bằng, hoạt động của dây dẫn trung tính nối đất tại nhiều điểm thông qua hệ thống điện. Phân tích chuyển đổi NEV trên hệ thống 3 pha tập trung vào trung tính dư phản hồi do mất cân bằng hệ thống và phụ tải tại tần số cơ bản.
Tuy nhiên, tăng phổ biến của thiết bị điện tử công suất, đặc biệt phụ tải phi tuyến một pha trên mạch phân phối thương mại hoặc dân cư nối sao.
Các nghiên cứu chỉ ra mức NEV tăng tại thanh dẫn của hệ thống phân phối nhiều điểm nối đất. Điện áp trung tính-đất lấy trên phía sơ cấp của máy biến áp phân phối tại thanh dẫn đặt ở cuối của dây dẫn nối đất lộ ra khác nhau điện thế giữa điểm trung tính và nối đất tại chỗ của 0.26pu trên điện áp cơ bản 220 (ví dụ 57.2V).
Điện áp trung tính cao này gây ra bởi luồng dòng điện trung tính trong dây dẫn trung tính và trở kháng nối đất do cả mất cân bằng phụ tải tuyến tính và đặc tính phi tuyến của thiết bị điện thông qua đo dây dẫn mà sóng hài nổi trội là bậc 2, 3, 4 và 5.
d. Đồng hồ đo
Sóng hài có thể ảnh hưởng đến hiệu quả của thiết bị đo và do đó tác động đến hóa đơn chi phí của khách hàng. Do đó hóa đơn của khách hàng dựa trên cơ sở xác định rõ số lượng điện 3 pha: Công suất biểu kiến, tác dụng, và phản kháng tương ứng S, P và Q khi các vấn đề thực tế của phép đo số lượng xác định và chỉ số bắt đầu để xem xét. Nó rõ ràng công cụ đo truyền thống (đo công suất tác dụng và phản kháng là chủ yếu) được dùng dưới điều kiện hình sin để đánh giá tiêu thụ năng lượng, cả từ điểm số lượng và chất lượng của xem xét là thiếu. Tuy nhiên chúng đang hoạt động tăng trong môi tường dưới các điều kiện dạng sóng, loại không sin.
Theo điều kiện này thì phương pháp đo thực hiện trong đồng hồ thu thập dữ liệu tiêu chuẩn. Dữ liệu hiện trường chỉ ra rằng sự khác nhau trong chỉ số của đồng hồ đo nhu cầu kVA có thể lớn 30% cho các dạng sóng bị méo. Sự khác nhau chủ yếu do các xác định công suất biểu kiến khác nhau trong đồng hồ ghi giữ liệu. câu hỏi mở và được trao đổi rộng rãi trong nhóm đồng hồ được xác định. Ví dụ, méo của dạng sóng hài dòng điện có thể dẫn đến kết quả hệ số công suất và hệ số nhu cầu khác nhau để tính phí phụ thuộc vào đồng hồ sử dụng.
e. Các ảnh hưởng khác của sóng hài.
- Quá tải máy biến áp:
Các sóng hài điện áp sản sinh ra tổn thất tăng trong lõi máy biến áp như là điện áp sóng hài tần số cao hơn gây ra vòng trễ, loại đè lên vòng cơ bản. Các vòng thêm vào gây ra bởi các sóng hài tăng các yêu cầu công suất từ tính và tổn thất lõi từ. Dòng điện sóng hài gây ra tổn thất tăng thêm trong cuộn dây máy biến áp và các bộ phận kết cấu khác. Các máy biến áp đấu nối tam giác sẽ ngăn cản dòng điện thứ tự không.
- Hư hỏng các bộ tụ:
Đặc điểm của tụ là trở kháng thấp, nên các tụ điện dễ bị tổn thương bởi các sóng hài bậc cao.
Hình 1.22. Tụ bị cháy nổ do sóng hài
Các bộ tụ tìm thấy điểm chung trong hệ thống điện thương mại và trong công nghiệp để điều chỉnh hệ số công suất. Các bộ tụ được thiết kế để hoạt động trong điện áp lớn nhất của 110% điện áp định mức của chúng và trong 135% định mức công suất kVAR. Các điện áp và dòng điện sóng hài vượt mức có thể gây ra dòng điện và điện áp tăng trên ngưỡng lớn nhất dẫn đến kết quả là bị lỗi dẫn đến cháy nổ tụ như hình ảnh trên, ví dụ (1) cầu chì nổ, (2) quá tải công suất phản kháng, (3) quá áp, và (4) tổn thất cách điện tăng. Các điện áp sóng hài có thể sinh ra các dòng điện sóng hài vượt quá trong các tụ điện. Ảnh hưởng này gia tăng bởi vì mối liên hệ nghịch giữa trở kháng và tần số tụ điện, đó là trở kháng thấp hơn cho điện áp với tần số cao hơn dẫn đến kết quả dòng điện tăng. Méo điện áp của 5% và 10% có thể tăng dòng điện RMS một cách dễ dàng bởi 10% đến 50%. Trở kháng giảm cho tần số cao gây ra bộ tụ như là ổ của các dòng điện sóng hài.
Dòng điện sóng hài phân tán được hấp thụ bởi tụ điện, loại có kết quả trong quá tải và cầu chì sau đó sẽ bị nổ hoặc lỗi tụ. Sức quá điện áp trên cách điện có thể gia tăng lão hóa và cuối cùng gây ra lỗi tụ. 10% điện áp sóng hài cho bất kỳ sóng hài trên bậc 3 làm tăng điện áp đỉnh bởi xấp xỉ 10% bởi vì đỉnh của sóng hài luôn trùng hoặc gần trùng với điện áp cơ bản. Bộ tụ có thể tạo ra điều kiện cộng hưởng.
Các dòng điện sóng hài vượt mức sẽ tạo ra trong điều kiện cộng hưởng nối tiếp khi phần tử điện dung trong mạch là nối tiếp với phần tử cảm kháng và các trở kháng riêng bị khử tại tần số cộng hưởng. Trong trường hợp này, dòng điện tần số cộng
hưởng chỉ được giới hạn bởi thành phần mạch điện trở. Điện áp sóng hài vượt mức có thể được tạo ra trong điều kiện cộng hưởng song song khi phần tử điện dung trong mạch là song song với phần tử điện cảm và tổn thất điện áp qua cả điện kháng lớn nhất tại tần số cộng hưởng. Các điều kiện cộng hưởng song song có thể gây ra lỗi cách điện trong bộ tụ, cáp, máy biến áp.
- Sóng hài gây phát nhiệt cho cuộn dây của động cơ, máy biến áp và dây cáp điện dẫn đến cháy nổ như hình ảnh bên dưới
Hình 1.23. Máy biến áp, động cơ bị cháy cuộn dây do sóng hài - hiễu hệ thống t uyền thông
Các tần số sóng hài hệ thống công suất có thể gây ra tiếng ồn trong hệ thống truyền tin nối với đường dây điện. Với các phát triển mới trong kỹ thuật phần cứng và phần mềm, nhiễu sóng hài trong hệ thống truyền thông trở nên ít quan trọng hơn.
Tuy nhiên, mặc dù ngày nay loại nhiễu này ít hơn, tuy nhiên nó vẫn hiện diện.
- Sai chức năng của ơ le
Các hoạt động của rơ le khác biệt trong hiện diện nhiễu sóng hài. Sự phản hồi không chỉ phụ thuộc vào loại thiết bị và nhà sản suất, mà còn biến đổi mỗi thiết bị được kiểm tra, cũng như thay đổi chức năng đặc tính của phổ.