التشوه فوق التوافقي في شبكات الجهد المتوسط والمنخفض - أربعة تأثيرات سلبية موثقة وفجوة الحدود
| نوع الورق | مراجعة تحليلية شاملة – جامعة جينوفا & جامعة بولونيا, إيطاليا |
| نطاق التردد موجه | سوبرهارمونيكس: 2 كيلوهرتز – 150 كيلوهرتز (أبعد من التحليل التوافقي التقليدي) |
| أربعة آثار موثقة | فقدان الطاقة & التدفئة · شيخوخة العزل الكهربائي · فشل إنهاء كابل الجهد المتوسط · تداخل PLC |
| اكتشاف الانتشار | علاقة قوية تقاس بين المحطات الفرعية 16 كيلومترات متباعدة — ينتشر SH عبر مسافات طويلة في شبكات الجهد المتوسط |
| نقل المحولات MV/LV | نسبة النقل 0.5 إلى 3.0 — بعض مكونات SH تضخيم عند العبور من MV إلى LV |
| تفاعل مكثف | تجذب مكثفات الدخل ذات الأحمال القريبة تيارات SH - مما يقلل من الانتشار ولكن يؤدي إلى تسريع تقادم المكثف والتسبب في أعطال مبكرة |
| الوضع التنظيمي | لا توجد حدود للتخطيط أو التوافق أعلاه 9 كيلو هرتز في معايير شبكات التوزيع – فجوة التقييس النشطة |
| مصدر | ماريسكوتي أ, مينجوتي أ. أجهزة الاستشعار 2024, 24(8), 2465. دوى: 10.3390/s24082465. الوصول المفتوح CC BY 4.0. |
01 السياق – حدود جديدة لضغوط الشبكة
يعالج إطار جودة الطاقة التقليدية التشوه التوافقي حتى الدرجة الأربعين — 2 كيلو هرتز عند 50 هرتز. فوق 2 كيلوهرتز, النطاق فوق التوافقي (2-150 كيلو هرتز) كان يعتبر تاريخيا غير إشكالية: تحولت أجهزة الطاقة الإلكترونية في الثمانينيات والتسعينيات إلى ترددات أقل من هذا العتبة أو أعلى قليلاً منها, وكانت انبعاثاتها في النطاق فوق التوافقي متواضعة. وهذا الافتراض لم يعد قائما.
إلكترونيات الطاقة الحديثة – المحولات الكهروضوئية, الشحن EV, محولات تخزين البطارية, وبرامج تشغيل LED - استخدم كربيد السيليكون (كربيد كربيد) ونيتريد الغاليوم (الجاليوم) تبديل الأجهزة بترددات 20-100 كيلو هرتز أو أعلى. تضع هذه الأجهزة طاقة التحويل الأساسية الخاصة بها مباشرةً في النطاق فوق التوافقي. والنتيجة هي تلوث سريع وواسع النطاق لشبكات التوزيع مع البث في نطاق التردد حيث لا توجد حدود للانبعاثات, ولا توجد معايير قياس كافية, وقد بدأ للتو توثيق التأثيرات السلبية على أصول الشبكة والمعدات المتصلة بشكل منهجي.
و 2024 توفر الورقة البحثية التي أعدها ماريسكوتي ومينغوتي في جامعتي جينوفا وبولونيا التحليل المنشور الأكثر شمولاً للتأثيرات فوق التوافقية على شبكات توزيع الجهد المتوسط والمنخفض - والتي تغطي أربع فئات مختلفة من التأثيرات السلبية, خصائص الانتشار, سلوك نقل المحولات, والآثار المترتبة على التوحيد. ويستند على ما يقرب من 70 مراجع موثقة تمتد لعقد من البحث فوق التوافقي.
Supraharmonics ليست ببساطة “التوافقيات أسرع” - يختلف سلوك الانتشار والتجميع بشكل أساسي عن التوافقيات الكلاسيكية. التوافقيات الكلاسيكية (أقل من 2 كيلوهرتز) تتم مزامنتها مع تردد التيار الكهربائي, نشر بشكل يمكن التنبؤ به من خلال ممانعات الشبكة, ويمكن نمذجتها بالتراكب. تتميز التوافقيات الفائقة بتوزيع طور عشوائي تقريبًا بين الأجهزة - فهي تلغي جزئيًا عند تجميعها من مصادر متعددة - ولكنها أيضًا تنشئ رنينًا شبكيًا يمكنه تضخيم مكونات ترددية معينة محليًا. سلوكهم الزمني متقطع ومتغير بمرور الوقت, على عكس الطيف التوافقي الكلاسيكي الثابت نسبيًا. وتتطلب هذه الاختلافات أساليب قياس مختلفة, أدوات النمذجة المختلفة, وفي النهاية أطر حدود مختلفة.
02 أربعة آثار سلبية موثقة
تحدد الدراسة وتوثق أربع فئات رئيسية من التأثيرات السلبية الناجمة عن التشوه فوق التوافقي على أصول شبكات الجهد المتوسط والمنخفض والمعدات المتصلة:
فقدان الطاقة والتدفئة
في الترددات فوق التوافقية, تأثير الجلد يركز التيار على سطح الموصل, تقليل المقطع العرضي الفعال وزيادة المقاومة. الكابلات, اللفات المحولات, وتكون الموصلات المحايدة التي تحمل تيارات فوق توافقية أكثر سخونة مما يمكن أن يتوقعه تحميل تردد الطاقة الخاص بها وحده. تعتبر التصنيفات الحرارية القياسية المعتمدة على تيار تردد الطاقة غير محافظة في ظل وجود محتوى فوق توافقي كبير. تزداد أيضًا خسائر العزل الكهربائي في عزل الكابلات مع التردد - تتفاقم آلية التسخين I²R عن طريق التسخين العازل داخل المادة العازلة نفسها.
شيخوخة المواد العازلة
تعمل شدة المجال الكهربائي المرتفعة عند الترددات فوق التوافقية على تسريع تدهور العزل الكهربائي من خلال آليتين: أحداث التفريغ الجزئي (أكثر احتمالا في شدة المجال عالية) وفقدان العزل الكهربائي. يتم تسريع كلتا الآليتين بتردد أعلى، حيث يزداد عدد دورات الإجهاد لكل وحدة زمنية بشكل متناسب مع التردد. مادة عازلة تتعرض لها 50 تجارب سوبرهارمونيك كيلو هرتز 1,000 أضعاف دورات الإجهاد الكهربائي في الثانية الواحدة مقارنة بـ 50 هرتز. يؤدي هذا إلى تسريع عملية شيخوخة عزل الكابلات بشكل كبير, عوازل مكثف, وعزل المحولات - خاصة في المعدات ذات الجهد المتوسط حيث تكون شدة المجال مرتفعة بالفعل.
فشل في إنهاء كابل MV
إن أخطر النتائج الموثقة للتشوه فوق التوافقي على أصول شبكة الجهد المتوسط هي فشل إنهاء الكابلات. تعد نهايات الكابلات ذات الجهد المتوسط معقدة هندسيًا - حيث يتضمن الانتقال من هندسة المجال الكهربائي المتحكم فيه للكابل إلى الاتصال المعزول بالهواء مكونات تخفيف الضغط (مخاريط الإجهاد, مواد التصنيف الميداني) مصممة لتشغيل تردد الطاقة. تنتج التيارات فوق التوافقية تسخينًا موضعيًا وضغوطًا مرتفعة للمجال الكهربائي عند هذه النهايات والتي لم يأخذها التصميم الأصلي في الاعتبار. تسبب الجمع بين الإجهاد العازل والتدفئة المحلية في حدوث فشل مبكر في الإنهاء في شبكات الجهد المتوسط ذات الاختراق العالي للطاقة المتجددة.
تدخل PLC
الاتصالات الحاملة لخط الطاقة - تستخدم للقياس الذكي (DLMS/COSEM), استجابة الطلب, التحكم في الشبكة, وإدارة شحن السيارات الكهربائية - تعمل في نطاق التردد 9-148 كيلو هرتز (نطاقات CENELEC A – D). يتداخل نطاق التردد هذا مباشرة مع النطاق فوق التوافقي. الانبعاثات فوق التوافقية من المحولات الكهروضوئية, الشحن EV, ويمكن لمحركات LED أن تطغى على إشارات PLC, مما يسبب أخطاء القياس, فشل الاتصالات في أنظمة الاستجابة للطلب, وفقدان القدرة على المراقبة عن بعد. تعد مشكلة التداخل الدائري في شحن المركبات الكهربائية - حيث تؤدي انبعاثات تبديل شاحن المركبات الكهربائية إلى تعطيل اتصال PLC المخصص لإدارة شحن المركبات الكهربائية - هي مظهر عملي فوري لهذا التأثير.
03 الانتشار - أبعد من المتوقع
واحدة من أهم النتائج العملية والأكثر أهمية في الأدبيات فوق التوافقية هي الانتشار لمسافات طويلة للاضطرابات فوق التوافقية في شبكات الجهد المتوسط. تم قياس الارتباط القوي بين المستويات فوق التوافقية في محطتين فرعيتين MV 16 كيلومترات - مما يدل على أن المصدر فوق التوافقي عند نقطة واحدة في الشبكة يمكن أن يؤثر على المعدات في المحطات الفرعية على بعد عدة كيلومترات. وهذا يتجاوز بكثير اقتران الحي المحلي الذي يفترضه المهندسون بشكل بديهي فيما يتعلق بالانبعاثات عالية التردد.
قياس شبكة الجهد المتوسط السويدية
أكدت القياسات الميدانية على شبكة الجهد المتوسط السويدية الحقيقية التي تحتوي على ثمانية مغذيات - بما في ذلك مزرعة رياح صغيرة - الانتشار فوق التوافقي عبر الشبكة بأكملها. كانت ترددات التبديل العاكسة لمزرعة الرياح قابلة للاكتشاف في جميع نقاط المراقبة عبر المغذيات الثمانية, مع اختلاف السعة وفقًا لمقاومة الشبكة في كل موقع. ووجدت الدراسة أيضًا أن الشبكات ذات الجهد المتوسط الأكبر لديها ترددات رنين أكبر ولكن سعات ذروة الرنين أقل - وهي خاصية ممانعة الشبكة التي تؤثر على كيفية انتشار التوافقيات الفائقة ومكان تضخيمها.
تعمل مكثفات الإدخال للأحمال المتصلة بالقرب من المصدر فوق التوافقي كمسارات ذات مقاومة منخفضة عند الترددات العالية - فهي تجتذب تيارات فوق التوافقية التي قد تنتشر بشكل أكبر في الشبكة. يؤدي ذلك إلى توطين الطاقة فوق التوافقية بالقرب من المصدر وتقليل الانتشار لمسافات طويلة, والذي يبدو مفيدًا للمعدات البعيدة. وتتمثل التكلفة في تسريع عملية التقادم والفشل المبكر للمكثفات نفسها، والتي تمتص الآن الطاقة التي كان من الممكن أن تنتشر عبر الشبكة.. هذه آلية فشل مخفية كلاسيكية: وتأتي حماية المعدات البعيدة على حساب التدهور المتسارع في المعدات القريبة, بدون أي مؤشر مرئي حتى يفشل المكثف.
04 نقل المحولات - يتم تضخيم بعض المكونات
لا يعد نقل التوافقيات الفائقة من خلال محولات التوزيع ذات الجهد المتوسط/المنخفض عملية توهين بسيطة. تُظهر قياسات نسب نقل المحولات عند الترددات فوق التوافقية نطاقًا من 0.5 إلى 3.0 - وهذا يعني أنه بالنسبة لبعض مكونات التردد, تكون السعة فوق التوافقية على الجانب LV أعلى بما يصل إلى ثلاث مرات من الجانب MV. يتم تضخيم بعض المكونات فوق التوافقية عند عبور المحول.
يحدث هذا التضخيم بسبب تفاعلات المعاوقة المعقدة بين محاثة التسرب للمحول, لف السعة, والأحمال السعوية المتصلة بالجانب المنخفض. على ترددات معينة, يشكل المحول وشبكة الجهد المنخفض المتصلة دائرة رنين تعمل على تضخيم الجهد عند تردد الرنين. تعتمد ترددات الرنين على تصميم المحول, أطوال الكابل, وسعة الأحمال المتصلة - وكلها تختلف باختلاف تكوين الحمل وتخطيط وحدة التغذية.
لا يمكن لمهندس المرافق الذي يقيس التشوه فوق التوافقي في جانب الجهد المتوسط لمحول التوزيع ويجده ضمن مستويات مقبولة - إذا كانت هذه المستويات موجودة - أن يستنتج أن إمداد الجهد المنخفض الذي يتم تسليمه للعملاء مقبول أيضًا. لبعض مكونات التردد, يمكن أن يكون تشويه LV أعلى بكثير من تشويه MV. وهذا يعني أن مراقبة الجانب MV وحدها غير كافية لتقييم التعرض فوق التوافقي من جانب العميل. يعد قياس جانب الجهد المنخفض أمرًا ضروريًا عندما تكون التأثيرات فوق التوافقية على المعدات المتصلة بالجهد المنخفض مثيرة للقلق.
05 فجوة الحدود — لا توجد قواعد فوقها 9 كيلوهرتز
إن الفجوة التنظيمية الأكثر أهمية التي حددها ماريسكوتي ومينجوتي صارخة: لا توجد حاليًا مستويات تخطيط أو حدود توافق في معايير شبكة التوزيع للتوافقيات الفائقة المذكورة أعلاه 9 كيلوهرتز. سينيليك إن 50160 معيار, الذي يحدد خصائص الجهد لشبكات الجهد المنخفض العامة, يعالج انحراف التردد, حجم الجهد, التوافقيات حتى الترتيب 25, والوميض — لكنه لا يحتوي على حدود للنطاق فوق التوافقي. IEC 61000-2-2 يعالج مستويات التوافق لشبكات الجهد المنخفض حتى 2 كيلوهرتز. فوق 2 كيلوهرتز, الحدود الوحيدة ذات الصلة موجودة في معايير CISPR (فوق 150 كيلوهرتز, ل إي إم سي) ونطاقات تردد إشارات CENELEC الضيقة - تاركة الكل 9 كيلو هرتز إلى 150 نافذة كيلو هرتز غير منظمة من منظور شبكة التوزيع PQ.
يستمد ماريسكوتي ومينغوتي حدودًا إرشادية للتشوه فوق التوافقي استنادًا إلى عتبات التأثير الموثقة - باستخدام نفس المنطق الفيزيائي المطبق لاشتقاق الحدود التوافقية من بيانات حساسية المعدات. توفر حدودها المشتقة إطارًا كميًا لم يكن موجودًا من قبل في الأدبيات. لقد تم تقديم هذه الحدود إلى عملية التقييس المستمرة في IEC SC 77A WG9, التي تقوم بمراجعة IEC بنشاط 61000-4-30 لمعالجة القياس فوق التوافقي. لكن, الفجوة بين الآثار الموثقة, الحدود المشتقة, وتظل المعايير القابلة للتنفيذ واسعة النطاق - وفي هذه الأثناء, ليس لدى مشغلي الشبكات أي أساس تنظيمي لمطالبة الشركات المصنعة للمعدات بالتحكم في انبعاثاتها فوق التوافقية.
إن غياب الحدود له نتيجتان عمليتان بالنسبة لمهندسي شبكات التوزيع. الأول, لا يوجد أساس موضوعي لطلب التخفيف عند تحديد اضطرابات فوق التوافقية - مما يجعل من الصعب إلزام مالك الجهاز الذي يكون جهازه هو المصدر باتخاذ إجراء. ثان, عندما تفشل المعدات قبل الأوان - مكثف, إنهاء الكابل, نظام قياس PLC - من الصعب إنشاء الاتصال بالاضطراب فوق التوافقي لأنه لم تكن هناك حاجة إلى قياسات أساسية, لم يتم تحديد مستويات الإنذار, ولم يكن هناك أي رصد.
06 منظور جودة الطاقة
دراسة الحالة هذه هي رفيق لـ CS04 (العاكس الكهروضوئي سوبرهارمونيكس) و CS07 (شاحن EV سوبرهارمونيكس) - يتناول العواقب على مستوى الشبكة للانبعاثات على مستوى المصدر الموثقة في دراسات الحالة تلك. يصف CS04 وCS07 ما تنبعث منه الأجهزة الفردية. يوثق CS08 ما يحدث للشبكة وأصولها عندما تكون تلك الانبعاثات موجودة على نطاق واسع.
من منظور هندسة المرافق, إن اكتشاف فشل إنهاء كابل MV هو الأكثر قابلية للتنفيذ على الفور. تعد حالات فشل إنهاء الكابلات في شبكات الجهد المتوسط باهظة الثمن - ويتطلب الاستبدال تبديل قسم الكابل المتأثر, تعبئة طاقم الربط, وإدارة انقطاعات العملاء. إذا كان التشوه فوق التوافقي الناتج عن محولات الطاقة المتجددة المتصلة بنفس وحدة تغذية الجهد المتوسط يساهم في تسريع تقادم الإنهاء, تتحمل المنشأة تكاليف الصيانة والتكاليف الرأسمالية الناجمة عن سلوك المعدات من جانب العميل, مع عدم وجود آلية تنظيمية لعزو تلك التكاليف أو مطالبة المصدر بتخفيف انبعاثاته.
لا يمكنك إدارة ما لا تقيسه. الخطوة العملية الأولى لأي مشغل شبكة توزيع مهتم بالتأثيرات فوق التوافقية هي نشر أدوات المراقبة ذات القدرة فوق التوافقية - وهي أدوات ذات معدلات أخذ عينات أعلى 300 كيلوهرتز, قادر على التقاط النطاق الكامل من 2 إلى 150 كيلو هرتز. انخفضت تكلفة شاشة PQ من الفئة A ذات القدرة فوق التوافقية بشكل كبير في السنوات الخمس الماضية, ومشروع ADMIT الممول من الاتحاد الأوروبي (القياس الدقيق للأدوات والمحولات المشوهة) تعمل على تطوير معايير دقة محولات الأجهزة اللازمة للقياس فوق التوافقي لمستوى MV. للمرافق ذات الاختراق العالي للطاقة المتجددة في مغذيات الجهد المتوسط – الرياح, PV, تخزين البطارية - سيكون إنشاء خط أساس فوق التوافقي الآن أقل تكلفة بكثير من تفسير فشل البنية التحتية للجهد المتوسط المبكر لاحقًا دون أي سجل قياس لدعم تحليل السبب الجذري.
المراجع
- ماريسكوتي أ, مينجوتي أ. “آثار التشوه فوق التوافقي في شبكات التيار المتردد ذات الجهد المتوسط والمنخفض.” أجهزة الاستشعار, 24(8), 2465, 2024. دوى: 10.3390/s24082465. الوصول المفتوح CC BY 4.0.
- رونبيرج إس كيه, والبيرغ م, الكرة MHJ. “تقييم شبكة الجهد المتوسط لانتشار الرنين فوق التوافقي.” الطاقات, 14(4), 1093, 2021. دوى: 10.3390/en14041093.
- IEC 61000-4-30:2015+AMD1:2021. التوافق الكهرومغناطيسي – الجزء 4-30: أساليب قياس جودة الطاقة. IEC, جنيف. (قيد المراجعة بواسطة SC 77A WG9 لمعالجة التوافقيات الفائقة.)
- في 50160:2010+A3:2019. خصائص الجهد للكهرباء التي توفرها شبكات الكهرباء العامة. CENELEC, بروكسل.
- IEC 61000-2-2:2002+AMD1:2017. التوافق الكهرومغناطيسي – مستويات التوافق لأنظمة إمداد الجهد المنخفض, 0-2 كيلو هرتز. IEC, جنيف.
- مشروع الاعتراف. القياس الدقيق للأدوات والمحولات المشوهة. مشروع بحثي ممول من الاتحاد الأوروبي. متاح: اعترف-project.eu
ماريسكوتي أ, مينجوتي أ. “آثار التشوه فوق التوافقي في شبكات التيار المتردد ذات الجهد المتوسط والمنخفض.” أجهزة الاستشعار (مدبي), طيران. 24, لا. 8, ف. 2465, أبريل 2024.
دوى: 10.3390/s24082465 · النص الكامل في PMC → - الوصول المفتوح CC BY 4.0.
يتم تقديم دراسة الحالة هذه في شكل ملخص وتعليق للأغراض التعليمية. مخططات SVG وقسم منظور PQ (قسم 6) هي المحتوى التحريري الأصلي لـ IPQDF بواسطة Denis Ruest, ماجستير. (مُطبَّق), عين المهندس. (متقاعد.). لا تدعي IPQDF تأليف البحث الأصلي.