Sóng hài trong hệ thống điện: Tác hại và giải pháp

 BẢN TIN HỘI ĐIỆN LỰC MIỀN NAM - THÁNG 6 / 202010
ThS. BÙI VĂN TRÌNH
Trưởng nhóm chuyên gia về chất lượng nguồn điện
SÓNG HÀI TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN:
TÁC HẠI VÀ GIẢI PHÁP
(PHẦN 1)
I. TỔNG QUAN VỀ SÓNG HÀI
Sóng hài trong Hệ thống điện được tạo ra như thế nào? Tác hại do sóng hài gây ra cho các thiết bị điện, các dây chuyền sản 
xuất mức độ như thế nào? Giải pháp nào làm 
giảm thiểu thiệt hại do sóng hài gây ra? 
Những câu hỏi đó luôn là động cơ, thôi 
thúc các chuyên gia nghiên cứu trong lĩnh vực 
Kỹ thuật điện. tìm ra lời giải cho chủ đề mang 
tính thời sự nêu trên. 
Bài viết sau đây nhằm cung cấp cho người 
đọc những kiến thức cần thiết góp phần tìm 
lời giải cho một vấn đề mang tính thời sự nêu 
trên. 
Đối với các hoạt động sản xuất và đặc biệt 
là trong thời kỳ Công nghiệp 4.0 hiện nay, sóng 
hài là một trong những vấn đề gây nhức nhối 
vì nó có thể gây ra hư hỏng các thiết bị điện 
công nghệ cao và làm gián đoạn quy trình sản 
xuất. 
Việc phát triển nóng các dự án năng lượng 
tái tạo hòa lưới cũng như sự tăng trưởng ồ ạt 
của các thiết bị bán dẫn đã và đang làm ảnh 
hưởng của sóng hài lên hệ thống điện ngày 
càng nghiêm trọng. Tuy nhiên việc tìm hiểu và 
lắp đặt các thiết bị giám sát, lọc sóng hài đang 
bị xem nhẹ tại các nhà máy công nghiệp. Lý do 
có thể vì chính phủ chưa thật sự có chế tài sử 
phạt đối với khách hàng phát sóng hài lớn lên 
lưới truyền tải, hay chủ đầu tư tin tưởng vào 
công nghệ hiện đại của mình có thể hạn chế 
sóng hài,Thật không may, nguồn sóng hài có 
thể không hình thành từ chính nhà máy đang 
xét, mà có thể đến từ các nhà máy lân cận, hoặc 
do hiện tượng tự nhiên (giông sét, ngắn mạch 
trên lưới điện, ) và hậu quả là thiệt hại kinh 
tế cho nhà máy do dừng dây chuyền sản xuất 
còn cao hơn nhiều so với mức đầu tư cho thiết 
bị giám sát và lọc sóng hài.
Bên cạnh đó, Việt Nam đang là điểm đến 
đầy tiềm năng cho các nhà đầu tư nước ngoài, 
vì vậy sẽ có nhiều nhà máy sử dụng công nghệ 
tiên tiến của Châu Âu hay Bắc Mĩ được xây 
dựng. Những công nghệ này yêu cầu chất 
lượng cung cấp điện là tuyệt đối. Nếu không 
“ tự bảo vệ mình” trước sóng hài hay các vấn 
đề tương tự thì các nhà máy rất khó đạt được 
năng suất cao và giảm tính cạnh tranh trên thị 
trường. 
Từ những nhận định trên, việc tìm hiểu về 
sóng Hài là vô cùng quan trọng để người vận 
hành có thể xử lý sự cố. Trên tất cả, nghiên cứu 
giải pháp hạn chế sóng hài là thật sự cần thiết 
để chủ đầu tư có thể bảo vệ tài sản của mình, 
cũng như đảm bảo các quy định của nhà nước.
II. SÓNG HÀI ĐƯỢC TẠO RA NHƯ 
THẾ NÀO ?
Trong nhiều thập kỷ, các kỹ sư điện đã cố 
gắng thử nghiệm nhiều phương pháp khác 
nhau để thiết kế một hệ thống phân phối năng 
lượng đến các hộ gia đình và các khu công 
nghiệp một cách hiệu quả. Tuy nhiên, sự ra 
đời của các thiết bị điện tử đã làm thay đổi tất 
cả. Trước khi bùng nổ sử dụng các thiết bị bán 
dẫn, hầu hết khu dân cư và tải công nghiệp đều 
dùng các thiết bị có tính chất đơn giản, và, tất 
nhiên, là dễ dự đoán. Nhưng với các thiết bị 
điện tử hiện đại được kết nối vào hệ thống điện 
ngày nay lại có tính chất phức tạp và khó dự 
đoán hơn, bởi vì đó là những tải không tuyến 
tính (non-linear load).
Thuật ngữ tuyến tính nhấn mạnh ở việc 
dòng điện chạy trong tải có dạng sóng đồng 
dạng với dạng sóng của điện áp đầu vào (hình 
Sin). Các thiết bị sưởi ấm, động cơ, tụ điện, 
bóng đèn sợi đốt, là những ví dụ về tải tuyến 

 BẢN TIN HỘI ĐIỆN LỰC MIỀN NAM - THÁNG 6 / 2020 11
tính (Hình 1.a). Có thể suy luận ngược lại, các tải không tuyến tính hình thành dòng điện có 
dạng sóng không tuân theo dạng sóng tự nhiên của điện áp nguồn (Hình 1.b). Dòng điện tải phi 
tuyến này được tạo ra vì hầu hết các thiết bị điện tử hiện đại đều yêu cầu dòng điện một chiều 
(DC) để hoạt động. Điện áp được cung cấp từ các nhà máy điện cho phụ tải ở dạng xoay chiều 
(AC), nên các thiết bị điện tử phải sử dụng các kỹ thuật để chuyển đổi điện áp này sang một chiều 
(DC). Các kỹ thuật chuyển đổi này được gọi là converter.
Bộ converter một pha được sử dụng nhiều 
nhất ngày nay là bộ nguồn chuyển mạch (switch-
mode power supply). Các thiết bị này được 
ứng dụng chủ yếu để cấp nguồn cho máy tính 
cá nhân, máy in, Một số đèn huỳnh quang 
(fluorescent lighting) cũng sử dụng thiết bị trên 
để hoạt động.
Phổ biến nhất trong ứng dụng bộ converter 
ba pha là thiết bị điều khiển tốc độ động cơ 
(variable speed motor drive), đôi khi còn được 
gọi là bộ điều tốc (adjustable speed drive). Bộ 
điều tốc nhận nguồn AC đầu vào, chỉnh lưu 
sang nguồn một chiều DC, và sau đó nghịch lưu 
trở lại nguồn xoay chiều. Khi chuyển đổi DC 
ngược lại sang AC, tín hiệu điện áp hoặc tần số 
của nguồn AC bị thay đổi để điều khiển tốc độ 
động cơ. Ứng dụng của bộ chuyển đổi này là để 
kiểm soát tốc độ, ví dụ như, quạt và máy bơm ở 
những khu công nghiệp lớn.
Lưu ý rằng việc tạo ra dòng tải phi tuyến 
không phụ thuộc vào tính chất tự nhiên một 
pha hay ba pha của thiết bị. Sự thật là chúng ta 
đang chuyển đổi AC sang DC và điều đó hình 
thành nên dòng điện không tuyến tính. Phân 
tích chi tiết về hoạt động của bộ converter sẽ 
không được đề cập trong nội dung bài báo này; 
tuy nhiên hiểu biết cơ bản về nguyên tắc hoạt 
động của chuyển đổi AC sang DC để tạo ra sóng 
hài dòng điện là cần thiết.
Và đây là cách nó hoạt động. Điện áp nguồn 
được cung cấp bởi hệ thống điện phân phối 
trước hết được chỉnh lưu và lưu trữ trong tụ 
điện, một bộ phận tích hợp trong bộ converter. 
Trong nửa đầu chu kỳ điện, những bộ tụ lớn 
được tích điện đến giá trị trung bình của điện áp 
nguồn, sau đó phóng điện để hình thành dòng 
một pha DC có điện áp giới hạn tùy theo thiết 
kế của bộ converter. Khi điện áp trong tụ chạm 
đến ngưỡng giới hạn xả điện, nó bắt đầu nạp 
điện trở lại – thời điểm này diễn ra ở nữa chu kỳ 
điện tiếp theo. Thiết bị lại tạo ra dòng một pha. 
Và cứ như vậy, tụ điện nạp và xả điện. Bây giờ bộ 
converter đang ở chu kỳ tiếp theo và đơn giản là 
lặp lại tiến trình trên.
Hình 1: Các tải thông dụng trong hệ thống điện. (a): tải tuyến tính, (b): tải phi tuyến (Nguồn: Google)
Hình 1.a Hình 1.b

 BẢN TIN HỘI ĐIỆN LỰC MIỀN NAM - THÁNG 6 / 202012
Như ta có thể thấy, dòng điện của những tải 
phi tuyến không cùng dạng sóng với điện áp đầu 
vào. Tuy nhiên, dòng điện và điện áp đều giống 
nhau ở một khía cạnh – tần số. Thật sự, dòng 
điện xung tạo ra do tải không tuyến tính là điều 
hòa và có tần số cơ bản, f0 , có độ lớn bằng với 
điện áp. Chúng ta đã gặp may khi những dòng 
điện phi tuyến này là điều hòa, bởi vì nhờ đó 
mà chúng ta có thể áp dụng lý thuyết Fourier để 
phân tích dạng sóng xung này thành tổng của 
vô hạn các sóng hình Sin có tần số khác nhau.
Mỗi thành phần trong chuỗi vô hạn này 
được gọi là sóng hài – harmonic. Mỗi thành 
phần sóng hài có một tần số duy nhất với giá trị 
là tích của một số nguyên với tần số cơ bản. Giá 
trị số nguyên này đặc trưng cho bậc sóng hài, 
giả sử như sóng hài :
bậc 1 có tần số f1 = 1x50 = 50Hz, 
bậc hai có tần số f2 = 2x50 = 100Hz 
Nếu phân tích toán học, mỗi thành phần 
sóng hài của chuỗi vô hạn được thể hiện 
là, ansin(ωnt+∂n) trong đó an là độ lớn, n là 
Để đơn giản, ta sẽ bỏ qua góc lệch pha sóng 
hài ∂n. Sử dụng tần số cơ bản của Việt Nam là
f0 = 50Hz, dòng điện trong phương trình (1) 
bao gồm thành phần sóng hài bậc 3, 5, 11 và 17, 
bởi vì 924/2πf0 = 3; 1570/2πf0 = 5; 3454/2πf0 = 11; 
và 5338/2π f0 = 17.
Với những hiểu biết cơ bản về cách tải 
không tuyến tính tạo ra sóng hài dòng điện, 
chúng ta đã sẵn sàng thảo luận về những vấn 
đề thật sự. Nếu suy nghĩ rằng bản thân dòng 
điện hài là vấn đề duy nhất cần giải quyết, 
có lẽ hệ thống của chúng ta đã không quá bị 
“tổn thương”. Tuy nhiên, với bản chất là dòng 
Hình 2: Dạng sóng dòng điện và điện áp của tải không tuyên 
tính (Nguồn: Google)
Hình 3: Dạng sóng cơ bản và các bậc sóng hài (Nguồn: Google)
Để dòng điện AC sau khi được tạo thành 
trong bộ converter đi qua tải và trả ngược về 
lưới thì điện áp đầu vào bộ chỉnh lưu phải cao 
hơn điện áp của tụ. Do đó dòng điện từ nguồn 
cấp phải có dạng xung và không liên tục trong 
suốt chu kỳ của điện áp. Quá trình này được thể 
hiện trong Hình 2.
bậc sóng hài, và ωn= 2πnf0. ∂n là góc lệch pha 
sóng hài. Giá trị n=1 đặc trưng cho giá trị 
cơ bản. Phương trình phân tích dạng sóng 
dòng điện cho Hình 3 được thể hiện như sau:
i(t)=sin(377t)+0.85sin(942t)+025sin(1570t)
+0.55sin(3454t)+0.15sin(5338t) (1)

 BẢN TIN HỘI ĐIỆN LỰC MIỀN NAM - THÁNG 6 / 2020 13
dịch chuyển các điện tích, dòng điện hài sẽ 
tương tác với điện khánh của hệ thống và gây 
ra sụp áp.
Nhớ lại rằng điện kháng bao gồm hai 
thành phần: điện trở (không phụ thuộc vào 
tần số) và trở kháng (phụ thuộc tần số). Khi 
dòng điện hài chạy trong hệ thống, giá trị của 
trở kháng thay đổi phụ thuộc vào tần số của 
sóng hài. Sự tương tác của dòng điện hài và 
trở kháng biến thiên (theo định luật Ohm) 
gây ra biến thiên sụp áp. Do đó ta có sóng hài 
điện áp và làm méo dạng sóng điện áp trên 
thanh cái hệ thống.
Bây giờ ta xét lại góc pha từ phương trình 
(1) mà ta đã bỏ qua trước đó. Góc pha ở đây 
được hiểu là cùng pha (in-phase) hoặc lệch 
pha (out-of-phase). Nếu góc pha sóng hài 
càng gần góc pha thành phần cơ bản, thì 
chúng sẽ càng cùng pha với nhau và ngược lại. 
Điều này rất quan trọng vì cùng pha nghĩa là 
cộng vào với nhau và làm tăng độ lớn của tín 
hiệu tổng. Ngược pha sẽ triệt tiêu lẫn nhau, 
và làm giảm tín hiệu tổng. Tất nhiên, bằng 
cách nào đi nữa (cùng pha hay ngược pha), 
sóng hài điện áp và dòng điện đều làm méo 
dạng tín hiệu gốc. 
Hình 3 thể hiện hình ảnh của tín hiệu cơ 
bản và hai thành phần hài – bậc 3,bậc 5 và 
bậc 7, cũng như kết quả sự tương tác của các 
tín hiệu này. Nếu so sánh tín hiệu cơ bản và 
kết quả tương tác, ta thấy độ lớn của tín hiệu 
nhiễu cao hơn nhiều so vơi tin hiệu ở tần số 
chuẩn. Điều đó chứng tỏ sóng hài và tín hiệu 
chuẩn cùng pha với nhau trong ví dụ trên.
Nhớ rằng Hình 3 chỉ thể hiện hai tín hiệu 
sóng hài. Trong thực tế, có rất nhiều sóng hài 
thành phần chứa trong tín hiệu chuẩn. Tất cả 
các thành phần này sẽ cộng dồn và mức độ 
méo dạng sóng hình Sin ở tần số cơ bản.
III. TÁC HẠI CỦA SÓNG HÀI ĐỐI VỚI 
CÁC THIẾT BỊ 
Tác hại của sóng hài rất rõ ràng và dễ hình 
dung. Có hài vấn đề chính mà chúng ta sẽ xem 
xét, đó là sự nóng lên bất thường của thiết bị và 
gián đoạn hoạt động sản xuất (Hình 4)
1. Với dây dẫn điện: Phát nóng bất 
thường là tác động phổ biến của sóng hài lên 
dân dẫn. Nhiệt luôn được tạo ra bởi dòng 
điện chạy trong dây dẫn theo công thức tính 
tổn thất nhiệt là . Sóng hài càng nhiều càng 
gây trầm trọng vấn đề, bởi vì ảnh hưởng của 
hiệu ứng bề mặt (skin effect). Hiệu ứng bề 
mặt tỉ lệ thuận với tần số, do đó bậc sóng 
hài càng tăng thì hiệu ứng này càng nghiêm 
trọng. Dòng điện lớn sẽ xuất hiện trên bề mặt 
của dây dẫn và làm tăng tổn thất, giá trị càng 
lớn thì tổn thất càng nhiều.
2. Với máy biến áp: Cùng với việc phát 
nóng do hiệu ứng bề mặt, máy biến áp còn 
phải chịu thêm tổn thất từ dòng điện xoáy 
phu cô (eddy current). Dòng điện xoáy được 
tạo ra bởi từ trường xoay chiều khép vòng 
bên trong lõi từ của máy biến áp. Tổn thất do 
dòng điện xoáy tỉ lệ thuận với bình phương 
tần số. Do đó, tổn thất sẽ rất lớn với chỉ hai 
hay ba thành phần hài. Từ đó làm giảm tuổi 
thọ và thời gian làm việc của máy biến áp.
3. Với tụ điện: Một lý do vì sao sóng hài 
ảnh hưởng lớn lên tụ điện là do điện kháng 
của tụ giảm khi tần số tăng. Do đó, sóng hài 
có bậc càng cao, thì tụ điện sẽ hoạt động như 
một điểm ngắn mạch. Điều này được hiểu 
đơn giản là tụ điện sẽ hút sóng hài tần số cao 
vào mình. Kết quả là tụ điện trở nên quá tải 
do dòng điện lớn đi qua. Một vấn đề khác 
giữa tụ điện và sóng hài là khả năng sinh ra 
cộng hưởng. Hiện tượng này xảy ra khi cảm 
kháng và dung kháng của hệ thống có độ lớn 
bằng nhau và triệt tiêu lẫn nhau. Khi cộng 
hưởng xảy ra, nó làm giảm điện kháng của hệ 
thống. Do đó, dòng điện không bị cản trở và 
bị khuếch đại có thể phá hủy tụ điện và các 
thiết bị khác trong hệ thống.
4. Với thiết bị điện tử: Các thiết bị điện 
tử rất nhạy cảm với méo dạng sóng hài, bởi 
vì chúng phụ thuộc vào dạng sóng điện áp 
chuẩn để đưa ra các tín hiệu điều khiển. 
Thiết bị điện tử công xuất sử dụng điểm zero 
(thời điểm sóng điện áp đi qua mức 0) để 
điều khiển đóng mở van các thiết bị bán dẫn. 
Nếu thời điểm zero bị dịch chuyển, thì bộ điều 
 BẢN TIN HỘI ĐIỆN LỰC MIỀN NAM - THÁNG 6 / 202014
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1) G.T. Heydt, Electric Power Quality, 2nd ed. West LaFayette, IN: Stars in a Circle Publications, 1994.
2) IEEE Recommended Practice for Electric Power Distribution for Industrial Plants, IEEE Standard 141-1993. New 
York: The IEEE Red Book, 1994.
3) R.C. Dugan, M.F. McGranaghan, and H.W. Beaty, Electrical Power Systems Quality. New York: McGrawHill, 
1996.
4) J.C. Whitaker, AC Power Systems Handbook, 2nd ed. Boca Raton, FL: CRC Press, 1999.
5) G.N.C. Ferguson, “Power Quality Improvement in a Harmonic Environment,” from a paper presented at the Inter 
National Electrical Testing Association (NETA) Annual Technical Conference, Mar. 19, 1997.
6) IEEE Task Force, “Effects of Harmonics on Equipment,” IEEE Trans. Power Delivery, vol. 8, pp. 672-680, 1993.
7) C. Sankaran, “Effects of Harmonics on Power Systems—Part 1,” EC&M, pp. 33-42, Oct. 1995
khiển sẽ hoạt động sai. Hơn nữa, nhiều thiết bị 
đóng ngắt bán dẫn hoạt động tại điểm zero để 
giảm tác động của từ trường và dòng khởi động 
(inrush current). Một lần nữa, lệch điểm zero lại 
gây ra hoạt động sai lệch cho thiết bị.
Các bộ nguồn chuyển mạch (electronic 
power supply) phụ thuộc vào giá trị đỉnh của 
điện áp đầu vào để giữ cho tụ điện luôn được 
nạp đầy. Nếu điện áp nguồn tăng hay giảm do 
ảnh hưởng của sóng hài, thì bộ chuyển mạch sẽ 
hoạt động ở chế độ quá áp hoặc thấp áp. Hiện 
tượng này cũng được xem là sai lệch hoạt động 
cho thiết bị./ 
Hình 4: Tác hại của sóng hài (Nguồn: Google)