Supraharmonische Verzerrung in Mittel- und Niederspannungsnetzen – vier dokumentierte negative Auswirkungen und die Grenzwertlücke
| Papiertyp | Umfassende analytische Überprüfung – Universität Genua & Universität Bologna, Italien |
| Angesprochener Frequenzbereich | Supraharmonische: 2 kHz – 150 kHz (über die herkömmliche harmonische Analyse hinaus) |
| Vier dokumentierte Effekte | Leistungsverlust & Erwärmung · dielektrische Alterung · Fehler beim MS-Kabelabschluss · SPS-Störung |
| Ausbreitungsbefund | Starke Korrelation zwischen Umspannwerken gemessen 16 km voneinander entfernt – SH breitet sich in Mittelspannungsnetzen über große Entfernungen aus |
| Übertragung von Mittel- und Niederspannungstransformatoren | Übertragungsverhältnis 0.5 zu 3.0 — Einige SH-Komponenten sind es verstärkt beim Übergang von MV nach LV |
| Kondensatorwechselwirkung | Eingangskondensatoren benachbarter Lasten ziehen SH-Ströme an – was die Ausbreitung verringert, aber die Alterung der Kondensatoren beschleunigt und zu vorzeitigen Ausfällen führt |
| Regulierungsstatus | Es bestehen oben keine Planungs- oder Kompatibilitätsbeschränkungen 9 kHz in Verteilnetzstandards – aktive Standardisierungslücke |
| Quelle | Mariscotti A, Mingotti A. Sensoren 2024, 24(8), 2465. DOI: 10.3390/s24082465. Open Access CC BY 4.0. |
01 Kontext – Eine neue Grenze des Netzwerkstresses
Der konventionelle Netzqualitätsrahmen befasst sich mit harmonischen Verzerrungen bis zur 40. Ordnung – 2 kHz bei 50 Hz. Über 2 kHz, der supraharmonische Bereich (2–150 kHz) galt historisch als unproblematisch: die leistungselektronischen Geräte der 1980er und 1990er Jahre schalteten bei Frequenzen unterhalb oder nur geringfügig oberhalb dieser Schwelle, und ihre Emissionen im supraharmonischen Bereich waren bescheiden. Diese Annahme gilt nicht mehr.
Moderne Leistungselektronik – PV-Wechselrichter, EV-Ladegeräte, Batteriespeicherkonverter, und LED-Treiber – verwenden Sie Siliziumkarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN) Schaltgeräte mit Frequenzen von 20–100 kHz oder höher. Diese Geräte platzieren ihre primäre Schaltenergie direkt im supraharmonischen Bereich. Die Folge ist eine schnelle und großflächige Verunreinigung von Verteilungsnetzen mit leitungsgebundenen Emissionen in einem Frequenzband, für das keine Emissionsgrenzwerte gelten, Keine Messstandards sind ausreichend, und die negativen Auswirkungen auf Netzwerkressourcen und angeschlossene Geräte werden erst allmählich systematisch dokumentiert.
Die 2024 Die Arbeit von Mariscotti und Mingotti an den Universitäten Genua und Bologna bietet die umfassendste veröffentlichte Analyse supraharmonischer Effekte auf Mittelspannungs- und Niederspannungsverteilungsnetze – sie deckt vier verschiedene Kategorien negativer Auswirkungen ab, Ausbreitungseigenschaften, Übertragungsverhalten des Transformators, und die Implikationen für die Standardisierung. Es basiert auf ungefähr 70 dokumentierte Referenzen aus einem Jahrzehnt supraharmonischer Forschung.
Supraharmonische sind nicht einfach “schnellere Harmonische” — Ihr Ausbreitungs- und Aggregationsverhalten unterscheidet sich grundlegend von klassischen Harmonischen. Klassische Harmonik (unten 2 kHz) sind auf die Netzfrequenz synchronisiert, breiten sich vorhersehbar über Netzwerkimpedanzen aus, und kann durch Überlagerung modelliert werden. Supraharmonische haben eine nahezu zufällige Phasenverteilung zwischen Geräten – sie heben sich teilweise auf, wenn sie aus mehreren Quellen aggregiert werden –, erzeugen aber auch Netzwerkresonanzen, die bestimmte Frequenzkomponenten lokal verstärken können. Ihr Zeitverhalten ist intermittierend und zeitvariabel, im Gegensatz zum relativ stabilen klassischen harmonischen Spektrum. Diese Unterschiede erfordern unterschiedliche Messansätze, verschiedene Modellierungswerkzeuge, und letztendlich unterschiedliche Grenzwertrahmen.
02 Vier dokumentierte negative Auswirkungen
Die Studie identifiziert und dokumentiert vier Hauptkategorien negativer Auswirkungen supraharmonischer Verzerrungen auf Mittel- und Niederspannungsnetze und angeschlossene Geräte:
Stromausfall und Erwärmung
Bei supraharmonischen Frequenzen, Der Skin-Effekt konzentriert den Strom auf der Leiteroberfläche, Verringerung des wirksamen Querschnitts und Erhöhung des Widerstands. Kabel, Transformatorwicklungen, und Neutralleiter, die supraharmonische Ströme führen, werden heißer, als ihre Netzfrequenzbelastung allein vorhersagen würde. Auf Netzfrequenzstrom basierende Standard-Wärmewerte sind bei Vorhandensein eines erheblichen supraharmonischen Gehalts nicht konservativ. Auch die dielektrischen Verluste in der Kabelisolierung nehmen mit der Frequenz zu – der I²R-Erwärmungsmechanismus wird durch die dielektrische Erwärmung im Isolationsmaterial selbst verstärkt.
Alterung dielektrischer Materialien
Eine erhöhte elektrische Feldstärke bei supraharmonischen Frequenzen beschleunigt den dielektrischen Abbau durch zwei Mechanismen: Teilentladungsereignisse (wahrscheinlicher bei hohen Feldstärken) und dielektrische Verlusterwärmung. Beide Mechanismen werden durch höhere Frequenz beschleunigt – die Anzahl der Spannungszyklen pro Zeiteinheit steigt proportional mit der Frequenz. Ein dielektrisches Material, dem ausgesetzt ist 50 Erfahrungen mit kHz-Supraharmonischen 1,000 mal mehr elektrische Belastungszyklen pro Sekunde als bei 50 Hz. Dies beschleunigt die Alterung der Kabelisolierung erheblich, Kondensatordielektrika, und Transformatorisolierung – insbesondere in Mittelspannungsgeräten, wo die Feldstärken bereits hoch sind.
Fehler beim Abschluss des MS-Kabels
Die schwerwiegendste dokumentierte Folge supraharmonischer Verzerrungen in Mittelspannungsnetzanlagen ist der Ausfall von Kabelanschlüssen. Mittelspannungskabelanschlüsse sind geometrisch komplex – der Übergang von der kontrollierten elektrischen Feldgeometrie des Kabels zur luftisolierten Verbindung erfordert Spannungsentlastungskomponenten (Spannungskegel, Materialien zur Feldbewertung) für Netzfrequenzbetrieb ausgelegt. Supraharmonische Ströme erzeugen an diesen Anschlüssen eine lokale Erwärmung und erhöhte elektrische Feldspannungen, die im ursprünglichen Entwurf nicht berücksichtigt wurden. Die Kombination aus dielektrischer Belastung und lokaler Erwärmung hat in Mittelspannungsnetzen mit hoher Verbreitung erneuerbarer Energien zu vorzeitigen Abschlussausfällen geführt.
SPS-Störung
Kommunikation über Stromleitungsbetreiber – wird für intelligente Messgeräte verwendet (DLMS/COSEM), Nachfragereaktion, Netzsteuerung, und EV-Lademanagement – arbeiten im Frequenzbereich von 9–148 kHz (CENELEC-Bänder A–D). Dieser Frequenzbereich überlappt direkt mit dem supraharmonischen Bereich. Supraharmonische Emissionen von PV-Wechselrichtern, EV-Ladegeräte, und LED-Treiber können SPS-Signale überfordern, was zu Fehlmessungen führen kann, Kommunikationsfehler in Demand-Response-Systemen, und Verlust der Fernüberwachungsfähigkeit. Das Problem der zirkulären Interferenz beim Laden von Elektrofahrzeugen – bei dem die Schaltemissionen des Elektrofahrzeug-Ladegeräts die SPS-Kommunikation stören, die das Laden von Elektrofahrzeugen steuern soll – ist ein unmittelbar praktischer Ausdruck dieses Effekts.
03 Ausbreitung – weiter als erwartet
Eine der bedeutendsten und praktisch wichtigsten Erkenntnisse in der supraharmonischen Literatur ist die Ausbreitung supraharmonischer Störungen in Mittelspannungsnetzen über große Entfernungen. An zwei Mittelspannungs-Umspannwerken wurde eine starke Korrelation zwischen supraharmonischen Pegeln gemessen 16 Kilometer voneinander entfernt – was zeigt, dass eine supraharmonische Quelle an einem Punkt im Netzwerk die Ausrüstung in mehreren Kilometer entfernten Umspannwerken beeinträchtigen kann. Dies geht weit über die lokale Nachbarschaftskopplung hinaus, die Ingenieure intuitiv für hochfrequente leitungsgebundene Emissionen annehmen.
Die schwedische Mittelspannungsnetzmessung
Feldmessungen an einem echten schwedischen Mittelspannungsnetz mit acht Einspeisern – darunter ein kleiner Windpark – bestätigten die supraharmonische Ausbreitung im gesamten Netz. An allen Überwachungspunkten der acht Einspeiser waren die Schaltfrequenzen der Wechselrichter des Windparks erkennbar, wobei die Amplitude je nach Netzwerkimpedanz an jedem Standort variiert. Die Studie ergab außerdem, dass größere Mittelspannungsnetze mehr Resonanzfrequenzen, aber niedrigere Resonanzspitzenamplituden aufweisen – eine Netzwerkimpedanzeigenschaft, die sich darauf auswirkt, wie sich Supraharmonische ausbreiten und wo sie verstärkt werden.
Eingangskondensatoren von Lasten, die in der Nähe der supraharmonischen Quelle angeschlossen sind, fungieren bei hohen Frequenzen als Pfade mit niedriger Impedanz – sie ziehen supraharmonische Ströme an, die sich andernfalls weiter in das Netzwerk ausbreiten würden. Dies lokalisiert supraharmonische Energie in der Nähe der Quelle und reduziert die Ausbreitung über große Entfernungen, was für entfernte Geräte vorteilhaft erscheint. Die Kosten hierfür sind eine beschleunigte Alterung und ein vorzeitiger Ausfall der Kondensatoren selbst, die nun die Energie absorbieren, die sich sonst über das Netzwerk verteilt hätte. Dies ist ein klassischer versteckter Fehlermechanismus: Der Schutz entfernter Geräte geht zu Lasten einer beschleunigten Verschlechterung der Geräte in der Nähe, ohne sichtbare Anzeige, bis der Kondensator ausfällt.
04 Transformatorübertragung – Einige Komponenten werden verstärkt
Die Übertragung von Supraharmonischen durch MS/NS-Verteilungstransformatoren ist kein einfacher Dämpfungsprozess. Messungen der Übertragungsverhältnisse von Transformatoren bei supraharmonischen Frequenzen zeigen eine Bandbreite von 0.5 zu 3.0 – das heißt, für einige Frequenzkomponenten, die supraharmonische Amplitude ist auf der LV-Seite bis zu dreimal höher als auf der MV-Seite. Einige supraharmonische Komponenten werden beim Durchqueren des Transformators verstärkt.
Diese Verstärkung erfolgt aufgrund der komplexen Impedanzwechselwirkungen zwischen der Streuinduktivität des Transformators, Wicklungskapazitäten, und die kapazitiven Lasten, die mit der Niederspannungsseite verbunden sind. Bei bestimmten Frequenzen, Der Transformator und das angeschlossene Niederspannungsnetz bilden einen Resonanzkreis, der die Spannung mit der Resonanzfrequenz verstärkt. Die Resonanzfrequenzen hängen vom Transformatordesign ab, die Kabellängen, und die Kapazität der angeschlossenen Lasten – alle variieren je nach Lastkonfiguration und Einspeisungslayout.
Ein Energieversorger, der die supraharmonische Verzerrung auf der Mittelspannungsseite eines Verteilungstransformators misst und feststellt, dass sie innerhalb akzeptabler Werte liegt – sofern solche Werte vorhanden sind – kann nicht zu dem Schluss kommen, dass die an Kunden gelieferte Niederspannungsversorgung ebenfalls akzeptabel ist. Für bestimmte Frequenzkomponenten, Die LV-Verzerrung kann deutlich höher sein als die MV-Verzerrung. Dies bedeutet, dass die mittelspannungsseitige Überwachung allein nicht ausreicht, um die kundenseitige supraharmonische Belastung zu beurteilen. Die Messung auf der Niederspannungsseite ist überall dort unerlässlich, wo supraharmonische Auswirkungen auf mit der Niederspannungsanlage verbundene Geräte von Bedeutung sind.
05 Die Grenzen-Lücke – es gibt keine Regeln oben 9 kHz
Die größte von Mariscotti und Mingotti identifizierte Regulierungslücke ist eklatant: In den oben genannten Verteilnetzstandards für Supraharmonische gibt es derzeit keine Planungsebenen oder Kompatibilitätsgrenzen 9 kHz. Die CENELEC EN 50160 Standard, welches die Spannungseigenschaften für öffentliche Niederspannungsnetze definiert, Behebt Frequenzabweichungen, Spannungsgröße, Harmonische bis zur 25. Ordnung, und Flicker – enthält jedoch keine Grenzen für den supraharmonischen Bereich. IEC 61000-2-2 befasst sich mit Kompatibilitätsstufen für Niederspannungsnetze bis zu 2 kHz. Über 2 kHz, Die einzigen relevanten Grenzwerte finden sich in den CISPR-Standards (über 150 kHz, für EMV) und die schmalen CENELEC-Signalfrequenzbänder – so bleibt das Ganze übrig 9 kHz bis 150 kHz-Fenster aus PQ-Perspektive des Verteilungsnetzes unreguliert.
Mariscotti und Mingotti leiten indikative Grenzwerte für supraharmonische Verzerrungen auf der Grundlage der dokumentierten Wirkungsschwellen ab – und verwenden dabei die gleichen physikalischen Überlegungen, die auch zur Ableitung harmonischer Grenzwerte aus Geräteempfindlichkeitsdaten angewendet werden. Ihre abgeleiteten Grenzwerte stellen einen quantitativen Rahmen dar, der bisher in der Literatur nicht existierte. Diese Grenzwerte wurden dem laufenden Standardisierungsprozess bei IEC SC 77A WG9 vorgelegt, die die IEC aktiv überarbeitet 61000-4-30 um die supraharmonische Messung anzusprechen. Jedoch, die Lücke zwischen dokumentierten Wirkungen, abgeleitete Grenzwerte, und durchsetzbare Standards sind nach wie vor weitreichend – und zwar vorerst, Netzbetreiber haben keine regulatorische Grundlage, um von Geräteherstellern zu verlangen, ihre supraharmonischen Emissionen zu kontrollieren.
Das Fehlen von Grenzwerten hat für Verteilnetzingenieure zwei praktische Konsequenzen. Erste, Es gibt keine objektive Grundlage für die Forderung nach einer Abhilfe, wenn supraharmonische Störungen festgestellt werden – was es schwierig macht, den Geräteeigentümer, dessen Gerät die Quelle ist, zum Handeln zu zwingen. Zweite, wenn Geräte vorzeitig ausfallen – ein Kondensator, ein Kabelabschluss, ein SPS-Messsystem – der Zusammenhang mit supraharmonischen Störungen ist schwierig herzustellen, da keine Basismessungen erforderlich waren, Es wurden keine Alarmstufen definiert, und es gab keine Überwachung.
06 Perspektive der Stromqualität
Diese Fallstudie ist eine Ergänzung zu CS04 (Supraharmonische PV-Wechselrichter) und CS07 (Supraharmonische Ladegeräte für Elektrofahrzeuge) — Es befasst sich mit den Folgen der in diesen Fallstudien dokumentierten Emissionen auf Quellenebene auf Netzwerkebene. CS04 und CS07 charakterisieren die Emission einzelner Geräte. CS08 dokumentiert, was mit dem Netzwerk und seinen Vermögenswerten passiert, wenn diese Emissionen in großem Umfang vorhanden sind.
Aus versorgungstechnischer Sicht, Die Feststellung eines MV-Kabelabschlussfehlers ist am unmittelbarsten umsetzbar. Kabelabschlussfehler in Mittelspannungsnetzen sind teuer – der Austausch erfordert den Austausch des betroffenen Kabelabschnitts, Mobilisierung einer Verbindungsmannschaft, und Verwaltung von Kundenunterbrechungen. Wenn supraharmonische Verzerrungen durch an denselben MV-Einspeiser angeschlossene Konverter für erneuerbare Energien zu einer beschleunigten Alterung der Terminierung beitragen, Der Energieversorger trägt die Wartungs- und Kapitalkosten, die durch das Verhalten der kundenseitigen Ausrüstung verursacht werden, Es gibt keinen Regulierungsmechanismus, um diese Kosten zuzuordnen oder von der Quelle zu verlangen, ihre Emissionen zu mindern.
Sie können nicht verwalten, was Sie nicht messen. Der praktische erste Schritt für jeden Verteilnetzbetreiber, der über supraharmonische Effekte besorgt ist, ist der Einsatz supraharmonischer Überwachungsinstrumente mit den oben genannten Abtastraten 300 kHz, Kann den gesamten Bereich von 2–150 kHz erfassen. Die Kosten für einen PQ-Monitor der Klasse A mit supraharmonischer Fähigkeit sind in den letzten fünf Jahren dramatisch gesunken, und das EU-finanzierte ADMIT-Projekt (Genaue Messung verzerrter Instrumente und Transformatoren) entwickelt die Genauigkeitsstandards für Instrumententransformatoren, die für die supraharmonische Messung auf Mittelspannungsebene erforderlich sind. Für Versorgungsunternehmen mit hohem Anteil erneuerbarer Energien an Mittelspannungseinspeisungen – Wind, PV, Batteriespeicherung – Die Erstellung einer supraharmonischen Basislinie wird jetzt weitaus kostengünstiger sein, als vorzeitige Ausfälle der Mittelspannungs-Infrastruktur später zu erklären, ohne dass eine Messhistorie zur Unterstützung der Ursachenanalyse vorliegt.
Referenzen
- Mariscotti A, Mingotti A. “Die Auswirkungen supraharmonischer Verzerrungen in Mittel- und Niederspannungs-Wechselstromnetzen.” Sensoren, 24(8), 2465, 2024. DOI: 10.3390/s24082465. Open Access CC BY 4.0.
- Rönnberg SK, Wahlberg M, Der Ball MHJ. “Bewertung eines Mittelspannungsnetzwerks zur Ausbreitung supraharmonischer Resonanz.” Energien, 14(4), 1093, 2021. DOI: 10.3390/en14041093.
- IEC 61000-4-30:2015+AMD1:2021. Elektromagnetische Verträglichkeit – Teil 4-30: Netzqualitätsmessverfahren. IEC, Genf. (Wird derzeit von SC 77A WG9 überarbeitet, um Supraharmonische zu berücksichtigen.)
- IN 50160:2010+A3:2019. Spannungseigenschaften des von öffentlichen Stromnetzen gelieferten Stroms. CENELEC, Brüssel.
- IEC 61000-2-2:2002+AMD1:2017. Elektromagnetische Verträglichkeit – Kompatibilitätsstufen für NS-Versorgungssysteme, 0–2 kHz. IEC, Genf.
- ADMIT-Projekt. Genaue Messung verzerrter Instrumente und Transformatoren. EU-gefördertes Forschungsprojekt. Verfügbar: Admit-Project.eu
Mariscotti A, Mingotti A. “Die Auswirkungen supraharmonischer Verzerrungen in Mittel- und Niederspannungs-Wechselstromnetzen.” Sensoren (MDPI), Flug. 24, KEIN. 8, p. 2465, April 2024.
DOI: 10.3390/s24082465 · Volltext bei PMC → — Open Access CC BY 4.0.
Diese Fallstudie wird zu Bildungszwecken in zusammenfassender und kommentierender Form präsentiert. SVG-Diagramme und der Abschnitt „PQ-Perspektive“. (Abschnitt 6) sind originale IPQDF-Redaktionsinhalte von Denis Ruest, M.Sc. (Angewandt), P.Eng. (im Ruhestand). IPQDF erhebt keinen Anspruch auf die Urheberschaft der ursprünglichen Forschung.