Sóng hài là một trong những hiện tượng phức tạp và phổ biến trong hệ thống điện, gây ra nhiều hệ lụy nghiêm trọng đến chất lượng điện năng, hiệu suất và tuổi thọ thiết bị. Bài viết này, DAT Group sẽ cung cấp kiến thức chuyên sâu về bản chất, nguyên nhân, ảnh hưởng cũng như các giải pháp kiểm soát sóng hài hiệu quả.

1. Sóng hài là gì?

Sóng hài không chỉ là khái niệm kỹ thuật mà còn là chỉ số quan trọng phản ánh chất lượng điện năng – một yếu tố quyết định đến sự ổn định, an toàn và chi phí vận hành của toàn bộ hệ thống.

Trong thực tế, nhiều sự cố điện và hỏng hóc thiết bị đều liên quan đến sóng hài, nhưng thường bị bỏ qua hoặc đánh giá thấp. Vì vậy, việc nhận diện đúng bản chất sóng hài là nền tảng để triển khai giải pháp hiệu quả, đảm bảo tuổi thọ thiết bị và tối ưu hóa năng lượng sử dụng.

1.1. Định nghĩa và bản chất

Sóng hài là thành phần điện áp hoặc dòng điện có tần số là bội số nguyên của tần số cơ bản (50Hz ở Việt Nam). Khi xuất hiện sóng hài, dạng sóng điện bị méo dạng so với hình sin lý tưởng, gây ra hiện tượng biến dạng tín hiệu điện.

Theo IEEE Std 519-2014, sóng hài được coi là một chỉ số quan trọng để đánh giá chất lượng điện năng. Nếu tổng độ méo dạng hài (THD) vượt ngưỡng cho phép, hệ thống điện sẽ gặp phải nhiều rủi ro về an toàn và hiệu suất.

1.2. Phân loại sóng hài

Để hiểu rõ tác động của sóng hài, việc phân loại theo đặc tính và bậc sóng là bước cần thiết. 

Sóng hài được chia theo bậc:

• Sóng hài bậc thấp: bậc 2, 3, 5, 7. Thường gặp trong thiết bị chiếu sáng, biến tần công suất nhỏ.
• Sóng hài bậc cao: bậc 11 trở lên, thường phát sinh trong hệ thống có nhiều bộ nghịch lưu, UPS hoặc thiết bị điện tử công suất cao.

Mỗi loại sóng hài có tác động khác nhau và yêu cầu giải pháp xử lý riêng biệt.

2. Ảnh hưởng của sóng hài

Sóng hài không chỉ ảnh hưởng đến hiệu suất năng lượng mà còn tác động trực tiếp đến an toàn và tuổi thọ thiết bị.

Giảm chất lượng điện năng

Khi sóng hài tăng, độ méo sóng điện áp và dòng điện gia tăng. Điều này khiến điện năng không còn ổn định, gây giảm hiệu quả sử dụng. Một hệ thống điện có THD vượt ngưỡng 5% thường được coi là không đạt chuẩn chất lượng điện năng.

Ảnh hưởng thiết bị và máy móc

Các thiết bị như máy biến áp, động cơ, UPS, biến tần, và tấm pin PV dễ bị rung, nóng hoặc phát tiếng ồn khi hoạt động trong môi trường có sóng hài cao. Theo nghiên cứu của Schneider Electric (2018), sóng hài làm giảm 32% tuổi thọ trung bình của biến tần công nghiệp.

Tổn hao năng lượng và an toàn

Theo IEC 61000, tổn thất điện năng do sóng hài có thể chiếm từ 5–20% tổng năng lượng tiêu thụ. Ngoài lãng phí chi phí vận hành, sóng hài còn có thể gây cháy nổ do gia tăng nhiệt độ trong dây dẫn và tụ điện.

Ảnh hưởng hệ thống bảo vệ

Rơ-le bảo vệ, CB, cầu chì có thể tác động sai khi dòng điện bị méo dạng. Điều này làm giảm độ tin cậy của hệ thống bảo vệ, tăng nguy cơ sự cố lan rộng.

3. Nguyên nhân phát sinh sóng hài

Sóng hài phát sinh chủ yếu từ các thiết bị phi tuyến tính – tức thiết bị mà dòng điện không tỷ lệ thuận với điện áp:

• Biến tần, UPS, bộ nguồn xung.
• Thiết bị chiếu sáng LED, đèn huỳnh quang.
• Máy tính, thiết bị văn phòng.
• Hệ thống điện mặt trời, gió sử dụng bộ nghịch lưu.

Khi tỷ lệ thiết bị phi tuyến tính trong hệ thống tăng, sóng hài cũng tăng theo, gây áp lực lên toàn bộ mạng lưới điện.

4. Đo và phân tích sóng hài

Việc đo lường sóng hài là bước quan trọng để xác định mức độ ảnh hưởng và đưa ra biện pháp xử lý phù hợp. Thông qua giám sát liên tục, doanh nghiệp có thể phát hiện sớm các vấn đề, ngăn chặn sự cố và đảm bảo hệ thống vận hành ổn định. Các kỹ sư điện cần nắm rõ phương pháp, thiết bị đo cũng như các tiêu chuẩn liên quan để thực hiện công việc này hiệu quả.

4.1. Thiết bị đo phổ biến

Trước khi đánh giá sóng hài, cần biết các thiết bị được sử dụng rộng rãi trong thực tế. Đây là công cụ hỗ trợ quan trọng cho việc phân tích và kiểm soát chất lượng điện.

Các thiết bị được sử dụng để đo sóng hài:

• Máy phân tích chất lượng điện năng (Power Quality Analyzer).
• Máy hiện sóng số (Digital Oscilloscope).
• Đồng hồ đo tích hợp chỉ số THD.

4.2. Phân tích phổ tần số

Phân tích sóng hài thường dùng thuật toán FFT (Fast Fourier Transform), giúp tách sóng tổng hợp thành nhiều thành phần tần số, từ đó xác định biên độ và bậc sóng hài.

4.3. Tiêu chuẩn và giới hạn

Mỗi quốc gia và tổ chức quốc tế đều đưa ra quy định cụ thể về mức sóng hài cho phép. Nắm rõ các tiêu chuẩn này là cơ sở để doanh nghiệp tuân thủ và vận hành an toàn.

• Theo IEEE 519, độ méo dạng sóng điện áp (THD-V) cho hệ thống dưới 69kV không vượt quá 5%.
• Với hệ thống từ 69–161kV, giới hạn là 2.5%.
• IEC 61000 cũng đưa ra các ngưỡng cho từng loại thiết bị điện.

Việc tuân thủ tiêu chuẩn này giúp hệ thống an toàn và tiết kiệm năng lượng.

5. Công thức tính sóng hài

Phần công thức là bước quan trọng để định lượng mức độ méo dạng sóng và đánh giá chính xác tình trạng hệ thống. Các kỹ sư điện thường sử dụng chỉ số THD và các công thức tính toán liên quan đến điện áp và dòng điện để xác định mức độ ảnh hưởng. Nhờ đó, có thể so sánh với các tiêu chuẩn hiện hành và đưa ra giải pháp xử lý kịp thời.

5.1. Định nghĩa THD (Total Harmonic Distortion)

Một trong những chỉ số quan trọng nhất khi đánh giá sóng hài chính là THD. Hiểu về THD giúp kỹ sư và doanh nghiệp xác định mức độ méo dạng sóng điện áp và dòng điện.

THD là tỷ số giữa căn bậc hai tổng các thành phần sóng hài và thành phần cơ bản: 

Trong đó:

• V1: Biên độ của tần số cơ bản.
• V2, V3, V4, … : Biên độ của các sóng hài bậc 2, 3, 4, …

5.2. Công thức tính cho điện áp và dòng điện

THD có thể tính cho cả điện áp (THD-V) và dòng điện (THD-I). Mức THD cao cho thấy sự méo dạng sóng nghiêm trọng, cần có giải pháp giảm thiểu. THD càng cao, hệ thống càng mất ổn định. Giá trị THD nhỏ hơn 5% thường được xem là chấp nhận được.

6. Sóng hài bậc cao

Theo IEEE 519, mức THD điện áp không được vượt quá 5%. Tại Việt Nam, nhiều nhà máy công nghiệp có mức THD từ 7–12%, gây ra tổn thất đáng kể.

Sóng hài bậc cao (thường từ bậc 11 trở lên) gây ra nhiều tác động tiêu cực:

• Nguyên nhân: Do tần số đóng cắt cao trong biến tần, UPS hoặc nghịch lưu năng lượng tái tạo.
• Tác hại: Gây nóng dây dẫn, cộng hưởng trong tụ bù, tạo nhiễu điện từ, làm sụt áp cục bộ và tăng chi phí vận hành.

Trong các nhà máy có tỷ lệ thiết bị điện tử công suất cao, sóng hài bậc cao chiếm tới 40% tổng méo dạng sóng.

7. Giải pháp giảm sóng hài

Có nhiều cách để kiểm soát và giảm thiểu sóng hài, từ phần cứng đến giải pháp quản lý.

7.1. Bộ lọc sóng hài

Trong số các giải pháp khắc phục, bộ lọc sóng hài là công cụ được sử dụng rộng rãi. Trước hết, hãy cùng tìm hiểu cách hoạt động và ưu nhược điểm của nó.

Hai loại bộ lọc được sử dụng phổ biến:

• Bộ lọc thụ động: Sử dụng cuộn cảm (L), tụ điện (C) và điện trở (R) để triệt tiêu sóng hài theo tần số xác định. Thích hợp cho tải ổn định.
• Bộ lọc chủ động: Dùng công nghệ điện tử công suất để tạo dòng bù sóng hài. Hiệu quả với tải thay đổi, nhưng chi phí cao.

7.2. Cải thiện thiết kế hệ thống

Không chỉ dựa vào thiết bị, việc tối ưu thiết kế hệ thống ngay từ đầu đóng vai trò then chốt trong việc giảm thiểu sóng hài. Đây là một hướng tiếp cận bền vững và hiệu quả.

Ngoài bộ lọc, cải thiện thiết kế hệ thống giúp giảm sóng hài:

• Cân bằng tải: Phân phối tải đều trên các pha.
• Lựa chọn thiết bị đạt chuẩn IEEE 519: Giúp giảm phát sinh sóng hài.
• Giảm biến dạng tín hiệu: Sử dụng máy biến áp cách ly, nâng cấp tụ bù chất lượng cao.

7.3. Bảo trì và giám sát hệ thống

Sóng hài có thể gia tăng theo thời gian nếu thiếu bảo trì. Do đó, việc theo dõi định kỳ và giám sát liên tục giúp giữ hệ thống ở trạng thái tối ưu và an toàn.

• Tối ưu dây dẫn và kết nối đất: Giúp giảm tổn thất và tránh cộng hưởng.
• Giám sát liên tục: Dùng hệ thống giám sát THD online để cảnh báo sớm.
• Xử lý kịp thời: Khi THD vượt chuẩn, cần thay đổi tải hoặc bổ sung bộ lọc sóng hài.

Sóng hài là yếu tố gây méo dạng tín hiệu điện, làm giảm chất lượng điện năng, tổn hao và ảnh hưởng tuổi thọ thiết bị. Việc hiểu rõ bản chất, nguyên nhân và giải pháp kiểm soát là điều kiện tiên quyết để hệ thống điện vận hành ổn định, an toàn.

Với kinh nghiệm triển khai từ DAT Group – đơn vị thành lập năm 2006, bạn có thể yên tâm lựa chọn các giải pháp lọc sóng hài và thiết kế hệ thống điện tối ưu. Điều này giúp tiết kiệm chi phí vận hành và nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng trong dài hạn.

Tham khảo thêm tại: https://datsolar.com/ 

Nguồn tham khảo:

• IEEE Std 519-2014 – IEEE Recommended Practice and Requirements for Harmonic Control in Electric Power Systems.

• IEC 61000 series – Electromagnetic compatibility (EMC) standards.
• EPRI (Electric Power Research Institute) – Harmonics and Power Quality Studies.