Ảnh hưởng của sóng hài (Harmonic) lên dây cáp điện

Sóng hài (Harmonic) là sóng có tần số cao gấp bội lần tần số cơ bản của điện xoay chiều. Ví dụ điện có tần số 50Hz, sóng hài có thể có tần số 100Hz, 150Hz, 200Hz… Sóng hài có tần số 100Hz được gọi là sóng hài bậc 2, sóng tần số 150Hz được gọi là sóng hài bậc 3…

Sóng hài là một dạng sóng nhiễu không mong muốn, nó ảnh hưởng trực tiếp tới hiệu quả truyền tải điện, chủ yếu làm thất thoát năng lượng dưới dạng nhiệt, thậm chí làm hư hỏng các thiết bị của hệ thống điện.

Ảnh hưởng chính của sóng hài trên dây cáp điện là làm nóng dây do tăng tổn thất điện trở I²xR. Điều này có thể là do hai hiện tượng được gọi là hiệu ứng bề mặt và hiệu ứng tiệm cận, cả hai hiện tượng này thay đổi theo hàm số của tần số cũng như kích thước và khoảng cách của dây dẫn. Ngoài ra, dây cáp cũng liên quan đến cộng hưởng hệ thống, có thể chịu ứng suất điện áp và hào quang (corona effect), có thể dẫn đến đánh thủng điện môi (làm hỏng lớp cách điện).

Tổn thất điện trở RxI²

Tổn thất này phụ thuộc vào hai thông số: cường độ dòng điện chạy qua cáp và điện trở của dây.

a. Giá trị RMS

Tổn thất do điện trở I²xR thay đổi tùy theo bình phương của dòng điện RMS, do đó, các sóng hài phải được giảm thiểu vì nó sẽ dẫn đến tổn thất điện trở dây dẫn cao hơn, làm tăng nhiệt độ của dây dẫn và về lâu dài sẽ làm giảm đáng kể tuổi thọ của dây.

Phương trình dưới đây minh họa cách dòng điện hài góp phần làm tăng tổng dòng điện RMS:

Irms = √ [(I ₁ ) ² + (I ₂ ) ² + (I ₃ ) ² +… .. + (I _n ) ² ] trong đó:

• I ₁ = dòng điện có tần số cơ bản
• Dòng điện sóng hài bậc hai I ₂ = 2
• Dòng điện sóng hài bậc ba I ₃ = 3
• I _n = dòng điện có sóng hài bậc n.

b. Trở kháng hiệu quả của cáp

Như đã đề cập, điện trở của dây dẫn có thể tăng lên do hiệu ứng bề mặt và hiệu ứng tiệm cận.

• Hiệu ứng bề mặt là do từ thông không đồng đều trên mặt cắt ngang của dây dẫn, làm cho dòng điện chủ yếu chạy ở bề mặt của dây dẫn.
• Các dây dẫn tải điện xoay chiều được đặt gần nhau sẽ có sự phân bố dòng điện trong mỗi dây dẫn bị thay đổi bởi điện kháng lẫn nhau. Điều này dẫn đến tăng trở kháng hiệu quả của dây và nó được gọi là hiệu ứng tiệm cận. Nếu khoảng cách ruột dẫn vượt quá 10 lần đường kính ruột dẫn, thì hiệu ứng tiệm cận sẽ nhỏ hơn 1% và không cần quan tâm tới.

Ở cả hai hiện tượng này, chúng đều có xu hướng lớn hơn khi tần số dòng điện cao hơn, do đó có thể làm cho điện trở xoay chiều hiệu dụng (R) tăng so với điện trở một chiều cơ bản (R_DC).

Ảnh hưởng của sự phát nóng sóng hài trong cáp thường không phải là một vấn đề đáng quan tâm. Tuy nhiên, khi thiết kế và định cỡ, người ta nên xem xét việc giảm kích thước của dây dẫn để tính đến những tác động không mong muốn như vậy.