Khi có các thiết bị điện cần bù công suất phản kháng, tụ bù là lựa chọn lắp đặt hàng đầu. Trong bài tổng hợp dưới đây, chúng tôi sẽ giới thiệu về khái niệm, cấu tạo, nguyên lý làm việc và tính ứng dụng của tụ bù.
Tụ bù là gì? Lịch sử phát triển của tụ bù
Tụ bù (hay còn được gọi là tụ bù điện, tụ bù công suất, tụ bù công suất, tụ bù công suất phản kháng) là thiết bị chất lượng điện chuyên dụng để bù công suất phản kháng trong các hệ thống điện. Thông thường, khi điện năng được truyền từ nguồn đến tải, sẽ có 2 loại công suất được sản sinh là công suất phản kháng và công suất tác dụng. Công suất tác dụng hữu ích cho hệ thống còn công suất phản kháng là phần tiêu hao, không sinh ra công nên cần sử dụng tụ bù công suất phản kháng.
Tụ điện có lịch sử phát triển lâu đời, bắt nguồn từ thế kỷ 18. Pieter van Musschenbroek - nhà khoa học người Hà Lan, được coi là “cha đẻ” của tụ điện, với tên gọi đầu tiên là bình Leyden, phát minh vào năm 1745. Thiết bị này bao gồm một bình thủy tinh được phủ bên trong và bên ngoài bằng lá kim loại, với một thanh kim loại được đưa qua nút bần. Khi thanh kim loại được chạm vào và tích điện, có thể lưu trữ năng lượng điện để xả sau.
Năm 1839, một nhà triết học tự nhiên người Anh - Michael Faraday đã phát hiện ra rằng, điện tích được lưu trữ trong tụ điện tỉ lệ thuận với điện dung của tụ điện và điện áp được áp dụng. Khám phá này đặt nền tảng cho sự phát triển của tụ điện hiện đại, giúp tăng điện dung và độ tin cậy của tụ điện.
Vai trò của tụ bù trong hệ thống điện
Chức năng chính của tụ bù trong hệ thống điện là bù công suất phản kháng để nâng cao hệ số cosφ nhằm đảm bảo hoạt động hiệu quả của lưới điện và tránh bị phạt tiền theo quy định của Điện lực. Đây được coi là giải pháp giảm công suất vô công hiệu quả nhất hiện nay.
Ngoài ra, tụ bù điện cũng có tác dụng làm giảm dòng điện cực đại và dao động điện áp trong hệ thống - 2 tác nhân có thể gây hư hỏng các thiết bị điện khác. Bằng cách này, tụ điện giúp kéo dài tuổi thọ của các thiết bị, chẳng hạn máy biến áp và động cơ.
Trong ngành năng lượng, việc sử dụng tụ bù có thể giảm mức tiêu thụ năng lượng lên đến 10% (Theo nghiên cứu của Viện Nghiên cứu Điện lực). Việc giảm mức tiêu thụ năng lượng không chỉ tiết kiệm chi phí mà còn có tác động tích cực đến môi trường bằng cách giảm phát thải khí nhà kính từ quá trình sản xuất điện.
Etinco là đơn vị hàng đầu về nhập khẩu và phân phối tụ bù tại Việt Nam. Hiện chúng tôi cung cấp tụ bù đến từ các thương hiệu uy tín như:
Tất cả các sản phẩm đều đảm bảo 100% chính hãng với giá cả cạnh tranh, chính sách bảo hành theo quy định của nhà sản xuất, tối thiểu 12 tháng.
Cấu tạo của tụ bù
Cấu tạo đặc trưng của tụ bù gồm hai hoặc ba vật dẫn đặt cạnh nhau, được ngăn cách bởi một lớp dung môi cách điện. Phần đầu tụ bù chứa 2-3 bản cực, thực tế là 2-3 lá nhôm đặt cạnh nhau và có lớp cách điện xen giữa. Toàn bộ kết cấu như vậy được đặt trong bình hàn kín, bao bọc bên ngoài là 2 lớp vỏ gồm aluminum và nhựa.
Phần bản cực đưa ra ngoài tụ điện còn được gọi là cọc đấu nối, được dùng để kết nối với nguồn điện. Ngoài ra, tụ bù 3 pha được trang bị thêm cơ cấu ngắt điện tự động khi quá tải để ngăn ngừa tình trạng nổ tụ (ngấn phòng nổ).
Ký hiệu và thông số của tụ bù
Theo bản vẽ kỹ thuật, tụ bù có ký hiệu như sau:
Các thông số cơ bản của tụ bù, bao gồm:
- Điện dung C (μF): thông số cho biết lượng công suất phản kháng tụ có thể bù. Giá trị thường gặp: 5μF, 10μF, 20μF, 25μF, 50μF,... đến hàng nghìn μF.
- Điện áp định mức U (V): điện áp tối đa mà tụ có thể chịu được trong thời gian dài mà không bị hỏng.
- Công suất phản kháng Q (kVAr): giá trị thể hiện khả năng bù công suất phản kháng của tụ. Ví dụ: 2.5kVAr, 5kVAr, 10kVAr, 20kVAr,...
- Dòng điện định mức I (A): dòng điện tối đa mà tụ có thể chịu được khi hoạt động liên tục.
- Tuổi thọ: 50.000 ~ 100.000 giờ.
- Nhiệt độ làm việc: -25°C ~ 50°C.
Nguyên lý làm việc của tụ bù
Tụ bù có nguyên lý hoạt động cơ bản là nâng cao hệ số cosφ, bù công suất phản kháng, từ đó làm tăng công suất tác dụng. Hai loại công suất trên có quan hệ mật thiết với nhau, được thể hiện qua các công thức:
Trong đó:
- S: Công suất biểu kiến
- P: Công suất tác dụng
- Q: Công suất phản kháng
Nguồn điện trong thực tế chỉ cung cấp 1 phần công suất phản kháng, lượng còn lại sẽ do tụ bù sản sinh.
Tìm hiểu thêm: Tụ bù có tiết kiệm điện hay không?
Cách phân loại tụ bù
Tụ bù được phân loại theo 3 tiêu chí phổ biến gồm: Cấu tạo, cấp điện áp và vị trí lắp đặt.
Theo cấu tạo
Theo cấu tạo, có 2 loại tụ bù phổ biến là tụ bù khô và tụ bù dầu
- Tụ bù khô là loại bình tròn dài, nhỏ gọn, trọng lượng nhẹ dễ lắp đặt, thay thế, chiếm ít không gian trong tủ điện và giá thành thường thấp hơn tụ dầu. Tụ bù khô thường được sử dụng cho các hệ thống bù công suất nhỏ, chất lượng điện tương đối tốt. Tụ khô phổ biến trên thị trường Việt Nam có các dải công suất bù 10kVAr, 15kVAr, 20kVAr, 25kVAr, 30kVAr.
- Tụ bù dầu là loại bình chữ nhật (cạnh sườn vuông hoặc tròn), có độ bền cao hơn tụ bù khô. Tụ dầu thường được sử dụng cho tất cả các hệ thống bù, đặc biệt là hệ thống bù công suất lớn, chất lượng điện xấu, có sóng hài (kết hợp với cuộn kháng lọc sóng hài). Tụ bù dầu phổ biến trên thị trường Việt Nam có các dải công suất bù 10kVAr, 15kVAr, 20kVAr, 25kVAr, 30kVAr, 40kVAr, 50kVAr.
Bên cạnh đó, còn có tụ có cầu chì và tụ không có cầu chì:
- Tụ có cầu chì: tích hợp sẵn cầu chì nối tiếp bên trong vỏ tụ điện. Khi một thành phần bên trong tụ điện bị hỏng, cầu chì bảo vệ thành phần đó cũng bị xóa. Sau khi cầu chì bị xóa, điện áp trên các thành phần song song với thành phần hỏng sẽ tăng lên, kéo theo điện áp trên tụ điện cũng tăng lên.
- Tụ không có cầu chì: thường được sử dụng trong các hệ thống ngân hàng tụ điện không có cầu chì hoặc sử dụng cầu chì bên ngoài.
Theo cấp điện áp
Tương ứng với 3 loại lưới điện thông dụng, có 3 loại tụ bù là cao thế, trung thế và hạ thế.
- Tụ bù cao thế
Tụ bù cao thế hoạt động ở cấp điện áp từ 100kV đến 500kV, được dùng để bù công suất phản kháng cho các thiết bị cảm kháng như động cơ và máy biến áp trong hệ thống điện cao thế.
- Tụ bù trung thế
Tụ bù trung thế sử dụng cho lưới điện trung thế với cấp điện áp từ 3kV đến 35kV. Tụ loại này có khả năng tích và phóng điện để ổn định điện áp nguồn, cũng như bù công suất phản kháng cho các thiết bị. Tù bù trung thế thường được chia thành 2 loại: 1 pha 2 sứ và 3 pha 3 sứ.
- Tụ bù hạ thế
Tụ bù hạ thế chuyên dùng cho lưới điện hạ thế để bù công suất phản kháng, nâng cao hiệu suất hoạt động của thiết bị và giảm chi phí hóa đơn tiền điện. Có 2 loại tụ bù hạ thế phổ biến là tụ bù 1 pha và tụ bù 3 pha.
- Tụ 1 pha có 2 loại điện áp 230V và 250V.
- Tụ bù 3 pha có các mức điện áp đa dạng hơn. Ví dụ: tụ 250V dùng cho mạch điện 220V, tụ 415V dùng cho hệ thống điện 3 pha có mức điện áp chuẩn là 380V.
Theo vị trí lắp đặt
- Tụ bù treo cột: gồm 1 khung chứa tụ điện được gắn trực tiếp trên cột. Các tụ điện này thường bao gồm thiết kế 3 pha, trong đó mỗi pha có 1 đến 3 đơn vị (3 đến 9 đơn vị cho mỗi tụ điện). Tụ treo cột dễ lắp đặt, bảo trì và định vị, có thể chứa đầy đủ các phụ kiện hoặc tùy chọn điều khiển, có sẵn ở dạng cố định hoặc chuyển mạch.
- Tụ điện vỏ kim loại: vỏ kim loại bao quanh tụ đóng vai trò như rào chắn bảo vệ. Vỏ bọc này giúp bảo vệ người dùng tránh khỏi việc vô tình tiếp xúc với thiết bị mang điện. Ngoài ra, tụ điện bên trong cũng ít bị ảnh hưởng bởi các sự cố mất điện do tác nhân bên ngoài.
- Tụ điện di động: được thiết kế để có thể vận chuyển linh hoạt, nhanh chóng mà không cần lắp đặt thiết bị cố định. Loại tụ bù này được sử dụng trong các trường hợp mất điện khẩn cấp, ứng dụng bảo trì, nguồn điện xây dựng tạm thời…
- Tụ điện ngoài trời: thường được gắn vào một tấm đệm cứng, được nâng lên cao để đảm bảo khoảng cách an toàn với người vận hành và các thiết bị lân cận.
Ngoài ra, còn có hệ thống tụ bù chuyên dụng để lọc sóng hài, truyền tải điện một chiều điện áp cao (HVDC), truyền tải điện xoay chiều linh hoạt (FACTS)...
Đọc thêm: 5 cách kiểm tra tụ bù chuẩn kỹ thuật và khắc phục sự cố
Ứng dụng của tụ bù
- Hiệu chỉnh hệ số công suất (PFC): Việc điều chỉnh hệ số công suất trong các hệ thống điện năng tiêu thụ, điện năng thương mại và điện năng nhân tạo thường đạt được thông qua việc sử dụng tụ điện nhằm nâng cao hiệu quả hệ thống và giảm chi phí điện.
- Điện tử công suất: Các ứng dụng cho điện tử công suất, ví dụ bộ biến tần, cần có tụ điện để điều chỉnh hệ số công suất. Bộ chuyển đổi, bộ chỉnh lưu trong biến tần có tác dụng làm mịn dạng sóng đầu vào của điện áp và dòng điện nhưng cũng gây ra các vấn đề về chất lượng điện như sóng hài, hệ số cos phi thấp. Tụ bù trong trường hợp này đảm nhận chức năng bù công suất phản kháng, qua đó làm tăng năng suất và hiệu quả của hệ thống điện tử công suất.
- Hệ thống năng lượng tái tạo: Trong các hệ thống năng lượng tái tạo như nhà máy điện mặt trời và điện gió, tụ điện là thiết bị thiết yếu. Để duy trì sự ổn định của lưới điện, bao gồm các nguồn năng lượng tái tạo không thường xuyên, tụ bù hỗ trợ điều chỉnh điện áp, giảm biến động năng lượng và cung cấp khả năng lưu trữ năng lượng.
Cách lắp tụ bù cho hệ thống
Tùy thuộc vào quy mô của hệ thống điện mà các chuyên gia sẽ khuyến cáo việc sử dụng tụ bù phù hợp.
Đối với cơ sở sản xuất nhỏ
Các cơ sở sản xuất nhỏ lẻ thường có lượng điện tiêu thụ không lớn và gần như không có sóng hài nên yêu cầu của hệ thống tụ bù khá đơn giản, trong đó bù tĩnh là phương pháp lắp đặt tụ bù được ưu tiên, đồng thời không cần bổ sung thiết bị lọc sóng hài. Một hệ thống tụ bù tiêu chuẩn có thể bao gồm các thành phần chính: Vỏ tủ, 1 CB đóng ngắt và 1 tụ bù điện công suất thấp ≤10kVAr.
Đối với cơ sở sản xuất trung bình
Các cơ sở sản xuất vừa có công suất tiêu thụ điện năng ở mức trung bình, sóng hài ở mức thấp. Để hạn chế việc bị phạt tiền công suất phản kháng, các cơ sở này cần lắp tủ tụ bù nhiều cấp khác nhau. Tủ bù tự động đặc trưng cho cơ sở sản xuất trung bình có cấu tạo như sau: Vỏ tủ tụ bù, bộ điều khiển tụ bù, aptomat đóng ngắt nhiều cấp (MCCB, MCB), contactor, thiết bị phụ trợ và có thể bổ sung cuộn kháng lọc sóng hài.
Xem thêm: Hướng dẫn tính chọn tụ bù theo công suất
Đối với cơ sở sản xuất lớn
Cơ sở sản xuất lớn thường có tổng công suất tiêu thụ điện rất lớn tới hàng MW, yêu cầu có trạm biến áp riêng. Các thiết bị sử dụng trong hệ thống cũng sản sinh công suất phản kháng lớn và sóng hài bậc cao. Vì vậy, hệ thống tụ bù cho quy mô lớn yêu cầu linh hoạt 2 phương pháp bù tĩnh và bù động với lượng tụ bù lớn, công suất cao. Ưu tiên khả năng tự động hóa đóng ngắt với contactor, bộ điều khiển tụ bù và rơ le. Yêu cầu thêm cần có cuộn kháng ngăn sóng hài và bộ lọc sóng hài để bảo vệ tụ. Riêng hệ thống có tính tự động hóa cao nhưng không gian lắp đặt hạn chế, có thể cân nhắc sử dụng tụ bù thông minh để tiết kiệm không gian mà vẫn đảm bảo các đặc tính bảo vệ.
Hướng dẫn đấu lắp tụ bù
Có 2 phương pháp đấu lắp tụ bù thông dụng là bù tĩnh và bù động.
Cách đấu lắp bù tĩnh
Phương pháp này sử dụng từ một đến nhiều tụ bù đấu song song. Bù tĩnh tạo ra lượng công suất bù không đổi nên có thể linh hoạt điều khiển tụ bằng tay, bán tự động hoặc đấu trực tiếp vào tải. Ưu điểm của bù tĩnh có thể kể đến: chi phí lắp đặt hợp lý, thao tác đơn giản và dễ thực hiện nhưng hiệu quả bù không cao, có thể bù thừa hoặc bù thiếu.
Quy trình đấu lắp tụ bù điện tĩnh như sau:
- Bước 1: Lắp aptomat vào đúng vị trí trong tủ tụ bù, đồng thời đấu đúng dây pha, dây trung tính tới các cực nguồn, cực tải.
- Bước 2: Nối tụ bù vào aptomat. Lưu ý cần đấu đúng cực âm, cực dương của tụ với dây pha, dây trung tính của aptomat. Sau đó nối tụ với aptomat.
- Bước 3: Nối dây trung hòa (nếu có). Dây này nối từ tụ tới nguồn.
- Bước 4: Cố định tụ bù lên giá đỡ hoặc thanh ray trong tủ điện.
- Bước 5: Kiểm tra và vận hành tủ. Quan sát kỹ lưỡng hoạt động của tụ sau khi cấp nguồn và các chỉ số quan trọng như công suất, điện áp của hệ thống.
Cách đấu lắp bù động
Bù động là phương pháp sử dụng bộ điều khiển tụ bù để tự động giám sát các chỉ số và thay đổi dung lượng bù khi cần thiết, nhằm đảm bảo hệ số công suất đạt giá trị người vận hành mong muốn. Cách đấu lắp này hạn chế tối đa tình trạng bù thừa, giúp hệ thống đạt tính ổn định công suất cao. Tuy nhiên, bù động cần trang bị thêm thiết bị nên chi phí khá cao.
Quy trình lắp bù động khá tương đồng với bù tĩnh, ngoại trừ việc có thêm bước kết nối tụ bù với bộ điều khiển và điều chỉnh dung lượng tụ bù. Sau khi lắp đặt xong, bạn cần phải vận hành thử hệ thống tụ bù để đảm bảo hoạt động của tụ, thiết bị điều khiển tự động được trơn tru và đúng cách.
Hướng dẫn xả điện cho tụ bù
Trước mọi công đoạn sửa chữa, vận chuyển hay bảo trì, thay thế tụ bù đều cần xả tụ để đảm bảo an toàn, tránh cháy nổ. Cách xả điện an toàn nhất cho tụ bù là lắp điện trở vào các cực và xả điện.
2 phương pháp xả điện cho tụ bù bằng điện trở:
- Xả tự động: Một số tụ bù hiện đại có tích hợp điện trở xả bên trong, có khả năng tự động xả sau khi ngắt điện.
Cách kiểm tra như sau: Dùng đồng hồ VOM đo điện áp 2 cực tụ sau khi ngắt nguồn 5–10 phút. Nếu điện áp <50V → tụ đã xả an toàn.
- Xả thủ công: Chọn điện trở xả có công suất ≥5W (ví dụ: 10kΩ/5W). Sau đó dùng kìm cách điện nối điện trở vào 2 cực tụ và giữ nguyên trong 5–10 phút để tụ xả hết. Hết thời gian xả, đo lại điện áp, đảm bảo giá trị phải <50V trước khi chạm vào.
Lưu ý: Tuyệt đối không sử dụng các biện pháp xả tụ tự phát như dùng tua vít hay kìm kẹp cá sấu. Các phương pháp này đều là dạng thủ công, do không kiểm soát được lượng điện xả nên rất dễ gây chập cháy, nguy hiểm cho người thực thi.
Sau khi xả tụ, cần kiểm tra điện áp giữa các cực tụ bằng đồng hồ vạn năng, đảm bảo điện áp về 0. Khi xả cần trang bị quần áo bảo hộ đúng tiêu chuẩn, vị trí xả thoáng mát, tránh xa nguồn nước và vật liệu dễ cháy.
Một số câu hỏi về tụ bù
Câu hỏi 1: Tại sao phải sử dụng tụ bù?
Trả lời: Hệ thống điện có vấn đề về hệ số công suất có thể được khắc phục bằng tụ điện. Thiết bị này có tác dụng làm giảm năng lượng phản kháng, tăng hiệu quả của lưới điện và kiểm soát điện áp tốt hơn.
Câu hỏi 2: Khi nào nên dùng tụ bù dầu?
Trả lời: Tụ bù dầu thường được sử dụng cho các hệ thống bù công suất lớn, chất lượng điện xấu, có sóng hài nên phù hợp lắp đặt cho hệ thống điện quy mô nhà máy.
Câu hỏi 3: Tụ bù có thể bị hỏng không?
Trả lời: Trên thực tế, quá điện áp, quá dòng, quá nhiệt đều có thể khiến tụ điện bị hỏng. Để đảm bảo hiệu suất cao nhất và hỗ trợ ngăn ngừa hỏng hóc tụ điện, nên bảo trì và kiểm tra tụ bù thường xuyên.
Câu hỏi 4: Làm thế nào để bảo vệ tụ bù?
Trả lời: Với các hệ thống lớn có nhiều thiết bị sinh sóng hài nên lắp thêm cuộn kháng và bộ lọc sóng hài để bảo vệ tụ bù.
