Distorsión supraarmónica en redes de MT y BT: cuatro efectos negativos documentados y la brecha de límites
| Tipo de papel | Revisión analítica completa - Universidad de Génova & Universidad de Bolonia, Italia |
| Rango de frecuencia abordado | supraarmónicos: 2 kilociclos – 150 kHz (más allá del análisis armónico convencional) |
| Cuatro efectos documentados | Pérdida de energía & calentamiento · Envejecimiento dieléctrico · Fallo en la terminación del cable MT · Interferencia del PLC |
| Hallazgo de propagación | Fuerte correlación medida entre subestaciones 16 km de distancia: SH se propaga a largas distancias en redes de MT |
| Transferencia de transformador MT/BT | Relación de transferencia 0.5 a 3.0 — algunos componentes SH son amplificado al cruzar de MV a LV |
| Interacción del condensador | Los condensadores de entrada de cargas cercanas atraen corrientes SH, lo que reduce la propagación pero acelera el envejecimiento del condensador y provoca fallos prematuros. |
| Estado regulatorio | No existen límites de planificación o compatibilidad arriba 9 kHz en los estándares de las redes de distribución: brecha de estandarización activa |
| Fuente | Mariscotti A, Mingotti A. Sensores 2024, 24(8), 2465. DOI: 10.3390/s24082465. Acceso abierto CC BY 4.0. |
01 Contexto: una nueva frontera del estrés en la red
El marco convencional de calidad de la energía aborda la distorsión armónica hasta el orden 40: 2 kHz a 50 Hz. Arriba 2 kHz, el rango supraarmónico (2–150kHz) Históricamente se consideró no problemático.: Los dispositivos electrónicos de potencia de las décadas de 1980 y 1990 conmutaban a frecuencias inferiores o ligeramente superiores a este umbral., y sus emisiones en el rango supraarmónico fueron modestas. Esta suposición ya no se cumple.
Electrónica de potencia moderna: inversores fotovoltaicos, EV cargadores, convertidores de almacenamiento de batería, y controladores LED: use carburo de silicio (Sic) y nitruro de galio (GaN) Dispositivos de conmutación a frecuencias de 20 a 100 kHz o superiores.. Estos dispositivos colocan su energía de conmutación primaria directamente en el rango supraarmónico.. El resultado es una contaminación rápida y generalizada de las redes de distribución con emisiones conducidas en una banda de frecuencia donde no existen límites de emisión., ningún estándar de medición es adecuado, y los efectos negativos sobre los activos de la red y los equipos conectados apenas están comenzando a documentarse sistemáticamente.
La 2024 El artículo de Mariscotti y Mingotti de las Universidades de Génova y Bolonia proporciona el análisis publicado más completo de los efectos supraarmónicos en las redes de distribución de MT y BT, que cubre cuatro categorías distintas de efectos negativos., características de propagación, comportamiento de transferencia del transformador, y las implicaciones para la estandarización. Se basa en aproximadamente 70 Referencias documentadas que abarcan una década de investigación supraarmónica..
Los supraarmónicos no son simplemente “armónicos más rápidos” — su comportamiento de propagación y agregación difiere fundamentalmente de los armónicos clásicos. armónicos clásicos (abajo 2 kHz) están sincronizados con la frecuencia de la red, propagarse de manera predecible a través de las impedancias de la red, y se puede modelar por superposición. Los supraarmónicos tienen una distribución de fase casi aleatoria entre dispositivos (se cancelan parcialmente cuando se agregan desde múltiples fuentes), pero también crean resonancias de red que pueden amplificar componentes de frecuencia específicos localmente.. Su comportamiento temporal es intermitente y variable en el tiempo., a diferencia del espectro armónico clásico relativamente estable. Estas diferencias requieren diferentes enfoques de medición., diferentes herramientas de modelado, y, en última instancia, diferentes marcos de límites.
02 Cuatro efectos negativos documentados
El estudio identifica y documenta cuatro categorías principales de efectos negativos de la distorsión supraarmónica en los activos de red de MT y BT y en los equipos conectados.:
Pérdida de energía y calefacción
En frecuencias supraarmónicas, El efecto piel concentra la corriente en la superficie del conductor., reduciendo la sección transversal efectiva y aumentando la resistencia. Cables, devanados del transformador, y los conductores neutros que transportan corrientes supraarmónicas se calientan más de lo que su carga de frecuencia industrial por sí sola predeciría.. Las clasificaciones térmicas estándar basadas en la corriente de frecuencia industrial no son conservadoras en presencia de un contenido supraarmónico significativo.. Las pérdidas dieléctricas en el aislamiento del cable también aumentan con la frecuencia: el mecanismo de calentamiento I²R se ve agravado por el calentamiento dieléctrico dentro del propio material aislante..
Envejecimiento del material dieléctrico
La intensidad elevada del campo eléctrico en frecuencias supraarmónicas acelera la degradación dieléctrica a través de dos mecanismos: eventos de descarga parcial (más probable a altas intensidades de campo) y calentamiento por pérdida dieléctrica. Ambos mecanismos se aceleran con una frecuencia más alta: el número de ciclos de tensión por unidad de tiempo aumenta proporcionalmente con la frecuencia.. Un material dieléctrico expuesto a 50 Experiencias supraarmónicas de kHz. 1,000 veces más ciclos de tensión eléctrica por segundo que a 50 Hz. Esto acelera drásticamente el envejecimiento del aislamiento de los cables., dieléctricos del condensador, y aislamiento de transformadores, especialmente en equipos de media tensión donde las intensidades de campo ya son altas.
Fallo de terminación del cable MT
La consecuencia documentada más grave de la distorsión supraarmónica en los activos de la red de MT es el fallo de las terminaciones de los cables.. Las terminaciones de cables de MT son geométricamente complejas: la transición de la geometría del campo eléctrico controlado del cable a la conexión aislada en aire implica componentes de alivio de tensión. (conos de estrés, materiales de clasificación de campo) Diseñado para operación de frecuencia industrial.. Las corrientes supraarmónicas producen calentamiento localizado y tensiones de campo eléctrico elevadas en estas terminaciones que el diseño original no tuvo en cuenta.. La combinación de estrés dieléctrico y calentamiento local ha provocado fallos prematuros en las terminaciones en redes de MT con alta penetración de energías renovables.
Interferencia del PLC
Comunicaciones por operador de línea eléctrica: utilizadas para medición inteligente (DLMS/COSEM), respuesta a la demanda, control de red, y gestión de carga de vehículos eléctricos: funcionan en el rango de frecuencia de 9 a 148 kHz (CENELEC bandas A–D). Este rango de frecuencia se superpone directamente con el rango supraarmónico.. Emisiones supraarmónicas de inversores fotovoltaicos, EV cargadores, y los controladores LED pueden abrumar las señales del PLC, causando errores de medición, Fallos de comunicación en los sistemas de respuesta a la demanda., y pérdida de capacidad de monitoreo remoto. El problema de la interferencia circular en la carga de vehículos eléctricos, donde las emisiones de conmutación del cargador de vehículos eléctricos interrumpen la comunicación del PLC destinada a gestionar la carga de vehículos eléctricos, es una manifestación práctica inmediata de este efecto..
03 Propagación: más allá de lo esperado
Uno de los hallazgos más significativos y prácticamente importantes en la literatura supraarmónica es la propagación a larga distancia de perturbaciones supraarmónicas en redes de MT.. Se midió una fuerte correlación entre los niveles supraarmónicos en dos subestaciones de MT 16 km de distancia: lo que demuestra que una fuente supraarmónica en un punto de la red puede afectar equipos en subestaciones a varios kilómetros de distancia. Esto va mucho más allá del acoplamiento local que los ingenieros suponen intuitivamente para las emisiones conducidas de alta frecuencia..
La medición de la red sueca de MT
Las mediciones de campo en una red de MT real sueca con ocho alimentadores, incluido un pequeño parque eólico, confirmaron la propagación supraarmónica en toda la red.. Las frecuencias de conmutación del inversor del parque eólico fueron detectables en todos los puntos de monitoreo de los ocho alimentadores., con la amplitud variando según la impedancia de la red en cada ubicación. El estudio también encontró que las redes de MT más grandes tienen más frecuencias resonantes pero amplitudes máximas de resonancia más bajas, una característica de impedancia de la red que afecta cómo se propagan los supraarmónicos y dónde se amplifican..
Los condensadores de entrada de cargas conectadas cerca de la fuente supraarmónica actúan como caminos de baja impedancia en altas frecuencias: atraen corrientes supraarmónicas que de otro modo se propagarían más dentro de la red.. Esto localiza la energía supraarmónica cerca de la fuente y reduce la propagación a larga distancia., lo que parece beneficioso para equipos distantes. El costo es el envejecimiento acelerado y la falla prematura de los propios capacitores, que ahora están absorbiendo la energía que de otro modo se habría extendido por la red.. Este es un mecanismo clásico de falla oculta.: La protección de equipos distantes se produce a expensas de la degradación acelerada de los equipos cercanos., sin ningún indicador visible hasta que falle el condensador.
04 Transferencia de transformador: algunos componentes están amplificados
La transferencia de supraarmónicos a través de transformadores de distribución MT/BT no es un simple proceso de atenuación. Las mediciones de relaciones de transferencia de transformadores a frecuencias supraarmónicas muestran un rango de 0.5 a 3.0 — lo que significa que para algunos componentes de frecuencia, la amplitud supraarmónica en el lado BT es hasta tres veces mayor que en el lado MT. Algunos componentes supraarmónicos se amplifican al cruzar el transformador..
Esta amplificación se produce debido a las complejas interacciones de impedancia entre la inductancia de fuga del transformador., capacitancias de bobinado, y las cargas capacitivas conectadas al lado BT. En ciertas frecuencias, El transformador y la red de BT conectada forman un circuito resonante que amplifica el voltaje a la frecuencia de resonancia.. Las frecuencias resonantes dependen del diseño del transformador., las longitudes de los cables, y la capacitancia de las cargas conectadas, todo lo cual varía según la configuración de la carga y el diseño del alimentador..
Un ingeniero de servicios públicos que mide la distorsión supraarmónica en el lado de MT de un transformador de distribución y la encuentra dentro de niveles aceptables (si dichos niveles existieran) no puede concluir que el suministro de BT entregado a los clientes también es aceptable.. Para ciertos componentes de frecuencia, la distorsión LV puede ser significativamente mayor que la distorsión MV. Esto significa que la monitorización del lado de MT por sí sola es insuficiente para evaluar la exposición supraarmónica del lado del cliente.. La medición del lado de BT es esencial siempre que los efectos supraarmónicos en los equipos conectados a BT sean motivo de preocupación.
05 La brecha de los límites: no hay reglas arriba 9 kHz
La brecha regulatoria más significativa identificada por Mariscotti y Mingotti es marcada: Actualmente no existen niveles de planificación ni límites de compatibilidad en los estándares de redes de distribución para los supraarmónicos anteriores. 9 kHz. El CENELEC ES 50160 estándar, que define las características de tensión para las redes públicas de BT, aborda la desviación de frecuencia, magnitud de voltaje, armónicos hasta el orden 25, y parpadeo, pero no contiene límites para el rango supraarmónico. IEC 61000-2-2 aborda niveles de compatibilidad para redes LV de hasta 2 kHz. Arriba 2 kHz, Los únicos límites relevantes están en los estándares CISPR. (arriba 150 kHz, para compatibilidad electromagnética) y las estrechas bandas de frecuencia de señalización del CENELEC, dejando todo el 9 kHz a 150 Ventana de kHz no regulada desde la perspectiva de PQ de la red de distribución..
Mariscotti y Mingotti derivan límites indicativos para la distorsión supraarmónica basándose en los umbrales de efectos documentados, utilizando el mismo razonamiento físico aplicado para derivar límites armónicos a partir de los datos de sensibilidad del equipo.. Sus límites derivados proporcionan un marco cuantitativo que no existía anteriormente en la literatura.. Estos límites se han presentado al proceso de estandarización en curso en IEC SC 77A WG9., que está revisando activamente la IEC 61000-4-30 para abordar la medición supraarmónica. Sin embargo, la brecha entre los efectos documentados, límites derivados, y las normas aplicables siguen siendo amplias, y mientras tanto, Los operadores de redes no tienen base regulatoria para exigir a los fabricantes de equipos que controlen sus emisiones supraarmónicas..
La ausencia de límites tiene dos consecuencias prácticas para los ingenieros de redes de distribución. Primero, no existe una base objetiva para exigir mitigación cuando se identifican perturbaciones supraarmónicas, lo que dificulta obligar a actuar al propietario del equipo cuyo dispositivo es la fuente. Segundo, cuando el equipo falla prematuramente: un condensador, una terminación de cable, un sistema de medición PLC: la conexión con la perturbación supraarmónica es difícil de establecer porque no se requirieron mediciones de referencia, no se definieron niveles de alarma, y no había ningún seguimiento.
06 Perspectiva de la calidad de la energía
Este estudio de caso es complementario de CS04. (Supraarmónicos del inversor fotovoltaico) y CS07 (Supraarmónicos del cargador EV) — aborda las consecuencias a nivel de red de las emisiones a nivel de fuente documentadas en esos estudios de caso. CS04 y CS07 caracterizan lo que emiten los dispositivos individuales. CS08 documenta lo que sucede con la red y sus activos cuando esas emisiones están presentes a escala.
Desde una perspectiva de ingeniería de servicios públicos, el hallazgo de fallas en la terminación del cable MT es el más inmediato. Las fallas de terminación de cables en redes de MT son costosas: el reemplazo requiere cambiar la sección de cable afectada, movilizar un equipo de unión, y gestionar las interrupciones de los clientes. Si la distorsión supraarmónica de los convertidores de energía renovable conectados al mismo alimentador de MT está contribuyendo al envejecimiento acelerado de las terminaciones, La empresa de servicios públicos soporta los costos de mantenimiento y capital causados por el comportamiento de los equipos del lado del cliente., sin ningún mecanismo regulatorio para atribuir esos costos o exigir a la fuente que mitigue sus emisiones.
No se puede gestionar lo que no se mide. El primer paso práctico para cualquier operador de red de distribución preocupado por los efectos supraarmónicos es el despliegue de monitoreo con capacidad supraarmónica: instrumentos con velocidades de muestreo superiores. 300 kHz, capaz de capturar el rango completo de 2 a 150 kHz. El coste de un monitor PQ Clase A con capacidad supraarmónica ha caído drásticamente en los últimos cinco años., y el proyecto ADMIT, financiado por la UE (Medición precisa de instrumentos y transformadores distorsionados) está desarrollando los estándares de precisión de transformadores de instrumentos necesarios para la medición supraarmónica de nivel MT. Para empresas de servicios públicos con alta penetración de energías renovables en alimentadores de MT: energía eólica, PV, Almacenamiento en baterías: establecer una línea de base supraarmónica ahora será mucho menos costoso que explicar fallas prematuras de la infraestructura de MT más adelante sin ningún historial de mediciones que respalde el análisis de la causa raíz..
Referencias
- Mariscotti A, Mingotti A. “Los efectos de la distorsión supraarmónica en redes de CA de MT y BT.” Sensores, 24(8), 2465, 2024. DOI: 10.3390/s24082465. Acceso abierto CC BY 4.0.
- Rönnberg SK, WahlbergM, La pelota MHJ. “Evaluación de Red de Media Tensión para Propagación de Resonancia Supraarmónica.” Energías, 14(4), 1093, 2021. DOI: 10.3390/es14041093.
- IEC 61000-4-30:2015+AMD1:2021. Compatibilidad electromagnética — Parte 4-30: Métodos de medición de calidad de potencia. IEC, Ginebra. (Bajo revisión por parte del SC 77A WG9 para abordar los supraarmónicos.)
- EN 50160:2010+A3:2019. Características de tensión de la electricidad suministrada por las redes eléctricas públicas.. CENELEC, Bruselas.
- IEC 61000-2-2:2002+AMD1:2017. Compatibilidad electromagnética: niveles de compatibilidad para sistemas de suministro de BT, 0–2kHz. IEC, Ginebra.
- Proyecto ADMITIR. Medición precisa de instrumentos y transformadores distorsionados. Proyecto de investigación financiado por la UE. Disponible: admitir-proyecto.eu
Mariscotti A, Mingotti A. “Los efectos de la distorsión supraarmónica en redes de CA de MT y BT.” Sensores (MDPI), vuelo. 24, no. 8, p. 2465, Abril 2024.
DOI: 10.3390/s24082465 · Texto completo en PMC → — Acceso abierto CC BY 4.0.
Este estudio de caso se presenta en forma de resumen y comentario con fines educativos.. Diagramas SVG y la sección Perspectiva PQ (Sección 6) son contenido editorial original de IPQDF de Denis Ruest, Maestría en Ciencias. (Aplicado), P.Eng. (retirado.). IPQDF no reivindica la autoría de la investigación original.