Sóng hài lưới điện đẩy nhanh quá trình hư hỏng tụ điện như thế nào? Cơ chế và các biện pháp đối phó

1. Trở kháng giảm theo tần số, dẫn đến khuếch đại dòng điện sóng hài

Đây là nguyên nhân cơ bản nhất. Công thức dung kháng là:

Xc = 1 / (2πfC)

Dung kháng Xc tỷ lệ nghịch với tần số f. Khi các sóng hài bậc cao tồn tại trong lưới điện (chẳng hạn như bậc 5, bậc 7, bậc 11, v.v.), trở kháng của tụ điện đối với các sóng hài bậc cao này giảm đáng kể do tần số sóng hài là bội số nguyên của tần số cơ bản.

Theo định luật Ohm I = U / Xc, ngay cả khi biên độ điện áp sóng hài nhỏ, trở kháng giảm mạnh sẽ khiến dòng điện sóng hài chạy qua tụ điện tăng lên gấp bội. Các dòng điện sóng hài chồng chất này đẩy tổng dòng điện của tụ điện vượt xa giới hạn định mức.

2. Tăng tổn hao điện môi dẫn đến đánh thủng nhiệt

Tổn hao công suất tác dụng (sinh nhiệt) của tụ điện chủ yếu được xác định bởi tổn hao điện môi, xấp xỉ theo công thức:

P ≈ U² · ω · C · tanδ

Sóng hài không chỉ mang lại dòng điện bổ sung mà còn trực tiếp làm tăng tần số góc ω. Công suất tổn hao tỷ lệ thuận với tần số — tần số càng cao, ma sát phân cực bên trong điện môi càng mạnh và nhiệt sinh ra càng nhiều.

Do khả năng tản nhiệt của tụ điện có hạn, tình trạng quá nhiệt kéo dài sẽ đẩy nhanh quá trình lão hóa của điện môi cách điện (chẳng hạn như màng polypropylene), làm suy giảm hiệu suất cách điện và cuối cùng dẫn đến đánh thủng nhiệt hoặc biến dạng phồng rộp.

3. Quá điện áp và quá dòng do cộng hưởng sóng hài

Lưới điện thường chứa điện cảm hệ thống (chẳng hạn như điện cảm rò của máy biến áp và điện cảm đường dây). Khi dung kháng của tụ điện bằng cảm kháng của hệ thống ở một tần số sóng hài nhất định, hiện tượng cộng hưởng song song hoặc cộng hưởng nối tiếp sẽ xảy ra:

• Cộng hưởng song song: Khuếch đại cực đại điện áp sóng hài ở tần số đó, khiến tụ điện chịu quá điện áp vượt xa định mức, đẩy nhanh quá trình lão hóa cách điện hoặc thậm chí gây đánh thủng trực tiếp.
• Cộng hưởng nối tiếp : Khuếch đại đáng kể dòng điện sóng hài trong nhánh tụ điện, khiến tụ điện bị cháy do quá dòng.

Ngay cả khi không có cộng hưởng hoàn toàn, hiệu ứng "khuếch đại sóng hài" gần điểm cộng hưởng cũng đủ để làm hỏng tụ điện trong thời gian ngắn.

4. Phóng điện cục bộ và lão hóa cách điện

Điện áp sóng hài tần số cao thường có đặc điểm là đầu sóng dốc (du/dt cao). Điện áp thay đổi nhanh chóng này kích hoạt hiện tượng phóng điện cục bộ mạnh mẽ tại các điểm yếu trong cách điện bên trong tụ điện, trong các khe hở không khí hoặc tại các mép điện cực.

Phóng điện cục bộ liên tục ăn mòn điện môi cách điện, gây ra ăn mòn hóa học và hư hỏng vật lý, làm rút ngắn đáng kể tuổi thọ của tụ điện.

5. Hiệu ứng chồng chất

Trong vận hành thực tế, một tụ điện hiếm khi chỉ chịu một ứng suất đơn lẻ. Thay vào đó, dòng điện cơ bản chồng chất với nhiều dòng điện sóng hài, đi kèm với sự chồng chất của điện áp cơ bản và các điện áp sóng hài. Tác động kết hợp của nhiều ứng suất này khiến điều kiện vận hành thực tế của tụ điện khắc nghiệt hơn nhiều so với các định mức trên biển tên.

Các cụm tụ điện kim loại màu xám nhiều kích thước được trang bị sứ cách điện trên nền trắng

Tóm tắt

• Tác hại của sóng hài đối với tụ điện là một vòng luẩn quẩn: "hấp thụ dòng điện trở kháng thấp → gia nhiệt tần số cao → khuếch đại cộng hưởng → lão hóa cách điện."
• Để ngăn chặn điều này, trong các lưới điện chứa nhiều sóng hài, thông thường không thể đóng cắt trực tiếp các tụ điện thuần. Thay vào đó, các cuộn kháng phải được mắc nối tiếp để tạo thành nhánh bộ lọc điều hưởng hoặc nhánh bộ lọc lệch hưởng:
• Nhánh điều hưởng: Mạch L-C được điều hưởng đến một tần số sóng hài chính để nó có trở kháng thấp đối với sóng hài đó, hấp thụ dòng điện sóng hài đồng thời cung cấp bù công suất phản kháng ở tần số cơ bản.
• Nhánh lệch hưởng: Một cuộn kháng nhỏ được mắc nối tiếp để mạch vẫn mang tính dung ở tần số cơ bản (bù công suất phản kháng) nhưng trở thành mang tính cảm ở các tần số sóng hài chính, do đó tránh được cộng hưởng song song với hệ thống và hạn chế sự khuếch đại của dòng điện sóng hài.

Biên tập từ: Garca