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

Trong một hệ thống điện lý tưởng, dòng điện và điện áp có dạng hình sin hoàn hảo. Tuy nhiên, trong thực tế, sự phổ biến của các thiết bị điện tử hiện đại đã tạo ra một hiện tượng gọi là sóng hài (harmonics). Đây là những “vị khách không mời” làm méo dạng sóng điện, gây ra nhiều vấn đề nghiêm trọng cho hạ tầng điện, và dây cáp điện là một trong những nạn nhân chịu ảnh hưởng nặng nề nhất. Vậy sóng hài là gì và nó “tàn phá” dây cáp điện theo những cách nào?

I. Sóng Hài Đến Từ Đâu?

Sóng hài được sinh ra bởi các phụ tải phi tuyến (non-linear loads). Đây là những thiết bị không tiêu thụ dòng điện một cách trơn tru, mà theo dạng xung đột ngột. Các thủ phạm chính trong thế giới hiện đại bao gồm:

• Bộ nguồn xung (SMPS): Có trong máy tính, TV, đèn LED, bộ sạc điện thoại…
• Biến tần (VFD): Dùng để điều khiển tốc độ động cơ trong công nghiệp.
• Bộ lưu điện (UPS).
• Các loại lò hồ quang, bộ chỉnh lưu công suất lớn.

1. Tăng tổn thất nhiệt và gây quá tải

Đây là tác động trực tiếp và rõ ràng nhất. Sóng hài làm cáp nóng lên nhiều hơn mức bình thường thông qua hai cơ chế cộng hưởng:

2. Dòng điện hiệu dụng (RMS) tăng cao

Tổng dòng điện chạy trong cáp không chỉ có dòng ở tần số cơ bản (50Hz) mà còn có thêm các dòng của sóng hài (150Hz, 250Hz…). Các dòng điện này cộng lại làm cho giá trị dòng điện hiệu dụng (RMS) tổng tăng lên. Vì tổn thất nhiệt được tính bằng công thức I²R, nên chỉ một sự gia tăng nhỏ của dòng điện (I) cũng đủ làm cho lượng nhiệt tỏa ra (tổn thất) tăng lên đáng kể theo hàm số mũ 2.

3. Điện trở AC tăng theo tần số (Hiệu ứng bề mặt & Hiệu ứng gần)

Điện trở của một sợi cáp không phải là hằng số đối với dòng điện xoay chiều.

• Hiệu ứng bề mặt (Skin Effect): Dòng điện có tần số càng cao (như sóng hài) càng có xu hướng chỉ chạy trên bề mặt ngoài của dây dẫn, làm giảm tiết diện hiệu dụng và tăng điện trở của dây.
• Hiệu ứng gần (Proximity Effect): Từ trường của các dòng hài tần số cao trong các lõi cáp gần nhau sẽ tương tác, đẩy dòng điện dồn về một phía, tiếp tục làm tăng điện trở hiệu dụng.

Kết quả: Các dòng điện hài không chỉ làm tăng tổng dòng điện mà còn phải đối mặt với một điện trở lớn hơn nhiều so với dòng điện 50Hz, từ đó sinh ra một lượng nhiệt lớn hơn rất nhiều lần so với tính toán thông thường.

4. Nguy hiểm đặc biệt cho dây trung tính

Đây là một trong những rủi ro nguy hiểm và thường bị bỏ qua nhất của sóng hài.

• Trong một hệ thống 3 pha cân bằng, các dòng điện ở tần số 50Hz sẽ triệt tiêu lẫn nhau tại dây trung tính, làm cho dòng điện trong dây trung tính gần như bằng 0.
• Tuy nhiên, các sóng hài bậc 3 và bội số của 3 (bậc 9, 15…) không triệt tiêu nhau. Thay vào đó, chúng cộng dồn lại trong dây trung tính.

Hậu quả: Dây trung tính, vốn thường có tiết diện bằng hoặc nhỏ hơn dây pha và không được bảo vệ bởi aptomat, có thể phải chịu một dòng điện cực lớn. Điều này gây ra tình trạng quá nhiệt nghiêm trọng cho dây trung tính, có thể làm chảy lớp cách điện và gây cháy nổ mà không có thiết bị bảo vệ nào kịp ngắt.

5. Méo dạng điện áp và rủi ro cộng hưởng

Dòng điện hài chạy qua hệ thống dây dẫn sẽ gây ra sụt áp hài, làm cho dạng sóng điện áp cung cấp đến các thiết bị khác cũng bị méo dạng, ảnh hưởng đến hoạt động của chúng.

Nguy hiểm hơn, trong các nhà máy có lắp đặt tụ bù công suất phản kháng, hệ thống có thể xảy ra hiện tượng cộng hưởng ở một tần số hài nào đó. Hiện tượng này sẽ khuếch đại dòng điện và điện áp hài lên nhiều lần, gây ra quá áp đột ngột, có thể làm đánh thủng lớp cách điện của cáp và phá hủy thiết bị.

6. Hậu quả thực tế: Phải giảm tải cho cáp

Vì tất cả các tác động gây nóng lên kể trên, một sợi cáp điện hoạt động trong môi trường có nhiều sóng hài sẽ không thể mang tải được đúng như công suất thiết kế của nó. Khả năng mang tải thực tế của cáp bị giảm đi. Hiện tượng này gọi là giảm định mức (Derating).

Điều này có nghĩa là, để cung cấp cho một lượng tải nhất định, các kỹ sư phải lựa chọn một sợi cáp có tiết diện lớn hơn (và đắt tiền hơn) so với tính toán thông thường để bù trừ cho các ảnh hưởng của sóng hài.

Sóng hài không chỉ đơn giản là làm cáp điện nóng lên. Nó làm tăng tổn thất, gây quá nhiệt một cách nguy hiểm cho dây trung tính, làm méo dạng điện áp và buộc chúng ta phải sử dụng cáp lớn hơn định mức. Trong thời đại của các thiết bị điện tử, việc xem xét và tính toán đến ảnh hưởng của sóng hài là một yêu cầu bắt buộc trong thiết kế hệ thống điện để đảm bảo an toàn, hiệu quả và độ tin cậy.