Tổng quan nghiên cứu

Hiện tượng cộng hưởng sóng hài trong lưới phân phối điện có tụ bù là một vấn đề kỹ thuật quan trọng, ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng điện năng và độ bền của thiết bị điện. Theo báo cáo của ngành điện, tỷ lệ sóng hài trong các hệ thống phân phối có thể lên đến 20-30%, đặc biệt tại các khu vực có nhiều tải phi tuyến như làng nghề, khu công nghiệp. Hiện tượng cộng hưởng sóng hài xảy ra khi tần số sóng hài trùng với tần số cộng hưởng của hệ thống, gây ra sự tăng đột biến điện áp hoặc dòng điện, làm hư hỏng thiết bị, tăng tổn thất và giảm hiệu quả vận hành.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là phân tích hiện tượng cộng hưởng sóng hài trong lưới phân phối có tụ bù, đặc biệt tại xuất tuyến 374E27.11 Châu Khê – Bắc Ninh, nhằm đánh giá khả năng xảy ra cộng hưởng và đề xuất các giải pháp giảm thiểu. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào hệ thống điện 35kV cung cấp cho làng nghề có sử dụng các lò nấu thép kiểu cảm ứng, trong khoảng thời gian khảo sát năm 2017. Ý nghĩa nghiên cứu thể hiện qua việc nâng cao chất lượng điện năng, bảo vệ thiết bị và tối ưu hóa vận hành lưới điện, góp phần giảm thiểu sự cố và tổn thất kinh tế.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Lý thuyết sóng hài trong hệ thống điện: Sóng hài là các thành phần tần số bội của tần số cơ sở (50Hz), phát sinh từ các tải phi tuyến như lò cảm ứng, biến tần, thiết bị điện tử công suất. Các khái niệm chính gồm sóng hài bậc 3, 5, 7, tổng méo sóng hài dòng điện (THDi) và điện áp (THDu).

  • Hiện tượng cộng hưởng sóng hài: Bao gồm cộng hưởng song song và cộng hưởng nối tiếp. Cộng hưởng song song xảy ra khi tần số sóng hài trùng với tần số cộng hưởng của mạch LC song song, gây tăng điện áp đột biến. Cộng hưởng nối tiếp xảy ra khi tần số sóng hài trùng với tần số cộng hưởng của mạch LC nối tiếp, gây tăng dòng điện đột biến.

  • Mô hình mạch điện lưới phân phối có tụ bù: Mô hình bao gồm máy biến áp, đường dây 35kV, các tụ bù công suất phản kháng và phụ tải lò cảm ứng. Các tham số điện trở, điện cảm, điện dung được xác định để tính toán tần số cộng hưởng và dòng điện sóng hài.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Số liệu thu thập từ lưới phân phối tỉnh Bắc Ninh, đặc biệt tại xuất tuyến 374E27.11 Châu Khê, bao gồm thông số máy biến áp, đường dây, tụ bù và phụ tải lò cảm ứng. Dữ liệu đo đạc sóng hài được thực hiện trong thực tế tại các điểm khảo sát.

  • Phương pháp phân tích: Sử dụng phương pháp phân tích mạch điện tương đương để tính toán tần số cộng hưởng song song và nối tiếp dựa trên các công thức chuẩn. Phân tích phổ sóng hài và đánh giá khả năng cộng hưởng dựa trên các chỉ số THDi, THDu. So sánh kết quả với các tiêu chuẩn kỹ thuật và nghiên cứu trước đây.

  • Timeline nghiên cứu: Quá trình nghiên cứu kéo dài trong năm 2017, bao gồm thu thập số liệu, mô phỏng tính toán, phân tích kết quả và đề xuất giải pháp.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Tần số cộng hưởng song song và nối tiếp xác định rõ ràng
    Qua tính toán, tần số cộng hưởng song song của hệ thống nằm trong khoảng 0.5 – 10 kHz, phù hợp với tần số hoạt động của các lò cảm ứng trung tần. Tần số cộng hưởng nối tiếp cũng được xác định chính xác, cho thấy khả năng xảy ra cộng hưởng tại các bậc sóng hài 5, 7, 11. Ví dụ, tần số cộng hưởng song song tính được là khoảng 3.2 kHz, trùng với bậc sóng hài 7 trong hệ thống.

  2. Mức độ sóng hài cao tại xuất tuyến 374E27.11
    Số liệu đo đạc cho thấy tổng méo sóng hài dòng điện (THDi) tại xuất tuyến này đạt khoảng 18-22%, vượt ngưỡng cho phép theo tiêu chuẩn kỹ thuật. Sóng hài bậc 5 và 7 chiếm tỷ lệ lớn, lần lượt khoảng 7% và 5% tổng dòng điện.

  3. Ảnh hưởng tiêu cực của cộng hưởng sóng hài đến thiết bị
    Sóng hài gây ra hiện tượng quá nhiệt, tổn thất điện năng tăng 25-30% tại cuộn cảm và tụ bù. Máy biến áp 110/35kV chịu ảnh hưởng bởi sóng hài làm giảm tuổi thọ và tăng nguy cơ hư hỏng. Các thiết bị bảo vệ hoạt động không chính xác do méo dạng sóng.

  4. Phụ tải lò cảm ứng là nguồn phát sinh sóng hài chính
    Lò cảm ứng sử dụng trong làng nghề sắt thép Đa Hội có tần số hoạt động trung tần (0.5 – 10 kHz), là nguồn phát sinh sóng hài chủ yếu, đặc biệt khi kết hợp với tụ bù công suất phản kháng tạo điều kiện cộng hưởng.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của hiện tượng cộng hưởng sóng hài là sự kết hợp giữa đặc tính điện cảm của đường dây, máy biến áp và điện dung của tụ bù công suất phản kháng. Khi tần số sóng hài do lò cảm ứng phát sinh trùng với tần số cộng hưởng của hệ thống, dòng điện và điện áp tại các điểm này tăng đột biến, gây ra các hiện tượng quá tải, tổn thất và hư hỏng thiết bị.

So sánh với các nghiên cứu trong ngành, kết quả phù hợp với báo cáo của ngành điện về mức độ sóng hài tại các khu công nghiệp có sử dụng lò cảm ứng. Việc đo đạc và phân tích tại Bắc Ninh cho thấy mức sóng hài cao hơn mức trung bình quốc gia, do mật độ phụ tải lò cảm ứng lớn và hệ thống tụ bù chưa được thiết kế tối ưu.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ phổ sóng hài tại các điểm đo, bảng tổng hợp chỉ số THDi, THDu và bảng so sánh tần số cộng hưởng tính toán với tần số sóng hài thực tế. Các biểu đồ này minh họa rõ ràng sự trùng khớp tần số cộng hưởng và mức độ sóng hài cao tại các bậc sóng hài quan trọng.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu hóa thiết kế tụ bù công suất phản kháng
    Thực hiện điều chỉnh dung lượng và vị trí lắp đặt tụ bù để tránh trùng tần số cộng hưởng với sóng hài phát sinh. Mục tiêu giảm THDi xuống dưới 10% trong vòng 12 tháng, do đơn vị quản lý lưới điện phối hợp với nhà thầu thiết bị thực hiện.

  2. Lắp đặt bộ lọc sóng hài chủ động hoặc thụ động
    Áp dụng bộ lọc sóng hài tại các điểm phát sinh sóng hài cao, đặc biệt tại các lò cảm ứng. Giải pháp này giúp giảm sóng hài bậc 5, 7 ít nhất 50% trong 6 tháng, do nhà cung cấp thiết bị và đơn vị vận hành phối hợp triển khai.

  3. Nâng cao công tác giám sát và đo đạc sóng hài định kỳ
    Thiết lập hệ thống giám sát sóng hài liên tục tại các điểm trọng yếu, cập nhật dữ liệu để kịp thời phát hiện và xử lý hiện tượng cộng hưởng. Mục tiêu hoàn thành trong 3 tháng, do đơn vị vận hành lưới điện thực hiện.

  4. Tuyên truyền và đào tạo nâng cao nhận thức cho người vận hành
    Tổ chức các khóa đào tạo về ảnh hưởng sóng hài và biện pháp phòng tránh cho cán bộ kỹ thuật và người vận hành. Mục tiêu nâng cao năng lực xử lý sự cố sóng hài trong 6 tháng, do trường đại học và đơn vị điện lực phối hợp thực hiện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư vận hành và bảo trì lưới điện
    Giúp hiểu rõ nguyên nhân và cách xử lý hiện tượng cộng hưởng sóng hài, từ đó nâng cao hiệu quả vận hành và giảm thiểu sự cố.

  2. Nhà thiết kế hệ thống điện công nghiệp
    Cung cấp cơ sở lý thuyết và số liệu thực tế để thiết kế hệ thống tụ bù và lọc sóng hài phù hợp, tránh hiện tượng cộng hưởng.

  3. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật điện
    Là tài liệu tham khảo chuyên sâu về sóng hài, cộng hưởng và ứng dụng trong lưới phân phối có tụ bù, phục vụ cho nghiên cứu và học tập.

  4. Đơn vị quản lý và vận hành lưới điện phân phối
    Hỗ trợ đánh giá chất lượng điện năng, lập kế hoạch cải tạo và nâng cấp hệ thống nhằm giảm thiểu tác động của sóng hài.

Câu hỏi thường gặp

  1. Hiện tượng cộng hưởng sóng hài là gì?
    Cộng hưởng sóng hài xảy ra khi tần số sóng hài trùng với tần số cộng hưởng của hệ thống điện, làm tăng đột biến điện áp hoặc dòng điện, gây hư hỏng thiết bị. Ví dụ, tại Bắc Ninh, tần số cộng hưởng song song khoảng 3.2 kHz trùng với sóng hài bậc 7.

  2. Tại sao lò cảm ứng lại phát sinh sóng hài?
    Lò cảm ứng hoạt động ở tần số trung tần (0.5 – 10 kHz) sử dụng dòng điện xoáy để làm nóng kim loại, tạo ra sóng hài do đặc tính phi tuyến của tải. Sóng hài này ảnh hưởng đến chất lượng điện năng và có thể gây cộng hưởng.

  3. Sóng hài ảnh hưởng như thế nào đến thiết bị điện?
    Sóng hài làm tăng tổn thất điện năng, gây quá nhiệt, giảm tuổi thọ máy biến áp, tụ bù và thiết bị bảo vệ hoạt động không chính xác. Tổn thất có thể lên đến 25-30% công suất hữu ích.

  4. Làm thế nào để giảm thiểu hiện tượng cộng hưởng sóng hài?
    Có thể điều chỉnh dung lượng tụ bù, lắp đặt bộ lọc sóng hài, giám sát sóng hài định kỳ và đào tạo nhân viên vận hành. Các giải pháp này giúp giảm THDi xuống dưới 10% và hạn chế sự cố.

  5. Phương pháp tính tần số cộng hưởng trong hệ thống là gì?
    Sử dụng mô hình mạch điện tương đương với các công thức tính tần số cộng hưởng song song và nối tiếp dựa trên các tham số điện cảm và điện dung của hệ thống. Phương pháp này giúp xác định chính xác tần số cộng hưởng để thiết kế giải pháp phù hợp.

Kết luận

  • Hiện tượng cộng hưởng sóng hài trong lưới phân phối có tụ bù tại Bắc Ninh là vấn đề nghiêm trọng, ảnh hưởng đến chất lượng điện năng và độ bền thiết bị.
  • Tần số cộng hưởng song song và nối tiếp được xác định phù hợp với tần số hoạt động của lò cảm ứng, làm tăng sóng hài bậc 5, 7, 11.
  • Mức sóng hài đo được tại xuất tuyến 374E27.11 vượt ngưỡng tiêu chuẩn, gây tổn thất và hư hỏng thiết bị.
  • Đề xuất các giải pháp tối ưu tụ bù, lắp đặt bộ lọc sóng hài, giám sát và đào tạo nhằm giảm thiểu hiện tượng cộng hưởng.
  • Tiếp tục nghiên cứu mở rộng phạm vi khảo sát và ứng dụng các công nghệ lọc sóng hài tiên tiến trong 1-2 năm tới để nâng cao hiệu quả vận hành lưới điện.

Call-to-action: Các đơn vị quản lý lưới điện và nhà nghiên cứu nên phối hợp triển khai các giải pháp đề xuất nhằm nâng cao chất lượng điện năng và bảo vệ thiết bị trong hệ thống phân phối có tụ bù.