Distorsion supraharmonique dans les réseaux MT et BT - Quatre effets négatifs documentés et l'écart des limites
| Type de papier | Revue analytique complète — Université de Gênes & Université de Bologne, Italie |
| Gamme de fréquences adressée | Supraharmoniques: 2 kHz – 150 kHz (au-delà de l'analyse harmonique conventionnelle) |
| Quatre effets documentés | Perte de puissance & chauffage · Vieillissement diélectrique · Défaillance des terminaisons de câbles MT · Interférences API |
| Recherche de propagation | Forte corrélation mesurée entre les sous-stations 16 km de distance — SH se propage sur de longues distances dans les réseaux MT |
| Transfert transformateur MT/BT | Taux de transfert 0.5 à 3.0 — certains composants SH sont amplifié lors du passage de MT à BT |
| Interaction du condensateur | Les condensateurs d'entrée des charges proches attirent les courants SH, ce qui réduit la propagation mais accélère le vieillissement des condensateurs et provoque des pannes prématurées. |
| Statut réglementaire | Aucune limite de planification ou de compatibilité n'existe ci-dessus 9 kHz dans les normes des réseaux de distribution — lacune de normalisation active |
| Source | Mariscotti A, Mingotti A. Capteurs 2024, 24(8), 2465. DOI: 10.3390/s24082465. Accès libre CC BY 4.0. |
01 Contexte — Une nouvelle frontière du stress des réseaux
Le cadre conventionnel de qualité de l’énergie traite la distorsion harmonique jusqu’au 40ème ordre : 2 kHz à 50 Hz. Au-dessus de 2 kHz, la gamme supraharmonique (2–150 kHz) était historiquement considéré comme non problématique: les appareils électroniques de puissance des années 1980 et 1990 commutaient à des fréquences inférieures ou légèrement supérieures à ce seuil, et leurs émissions dans la gamme supraharmonique étaient modestes. Cette hypothèse n'est plus valable.
Électronique de puissance moderne — onduleurs photovoltaïques, Chargeurs EV, convertisseurs de stockage sur batterie, et pilotes de LED - utilisez du carbure de silicium (SiC) et nitrure de gallium (GaN) dispositifs de commutation à des fréquences de 20 à 100 kHz ou plus. Ces appareils placent leur énergie de commutation primaire directement dans la plage supraharmonique. Le résultat est une contamination rapide et généralisée des réseaux de distribution par des émissions conduites dans une bande de fréquences où il n'existe aucune limite d'émission., aucune norme de mesure n’est adéquate, et les effets négatifs sur les actifs du réseau et les équipements connectés commencent seulement à être systématiquement documentés.
La 2024 l'article de Mariscotti et Mingotti des Universités de Gênes et de Bologne fournit l'analyse publiée la plus complète des effets supraharmoniques sur les réseaux de distribution MT et BT - couvrant quatre catégories d'effets négatifs distinctes, caractéristiques de propagation, comportement de transfert du transformateur, et les implications pour la normalisation. Il est basé sur environ 70 références documentées couvrant une décennie de recherche supraharmonique.
Les supraharmoniques ne sont pas simplement “harmoniques plus rapides” — leur comportement de propagation et d'agrégation diffère fondamentalement des harmoniques classiques. Harmoniques classiques (au-dessous 2 kHz) sont synchronisés sur la fréquence du réseau, se propager de manière prévisible à travers les impédances du réseau, et peut être modélisé par superposition. Les supraharmoniques ont une distribution de phase presque aléatoire entre les appareils - elles s'annulent partiellement lorsqu'elles sont agrégées à partir de plusieurs sources - mais elles créent également des résonances de réseau qui peuvent amplifier localement des composantes de fréquence spécifiques.. Leur comportement temporel est intermittent et variable dans le temps, contrairement au spectre harmonique classique relativement stable. Ces différences nécessitent des approches de mesure différentes, différents outils de modélisation, et finalement des cadres limites différents.
02 Quatre effets négatifs documentés
L'étude identifie et documente quatre catégories principales d'effets négatifs de la distorsion supraharmonique sur les actifs des réseaux MT et BT et les équipements connectés.:
Perte de puissance et chauffage
Aux fréquences supraharmoniques, l'effet de peau concentre le courant sur la surface du conducteur, réduisant la section efficace et augmentant la résistance. Câbles, enroulements de transformateur, et les conducteurs neutres transportant des courants supraharmoniques chauffent plus que ce que leur seule charge à fréquence industrielle pourrait prédire. Les valeurs thermiques standard basées sur le courant à fréquence industrielle ne sont pas prudentes en présence d'un contenu supraharmonique important. Les pertes diélectriques dans l'isolation des câbles augmentent également avec la fréquence : le mécanisme de chauffage I²R est aggravé par un chauffage diélectrique au sein du matériau isolant lui-même..
Vieillissement des matériaux diélectriques
L'intensité élevée du champ électrique aux fréquences supraharmoniques accélère la dégradation diélectrique via deux mécanismes: événements de décharge partielle (plus probable à des intensités de champ élevées) et chauffage par perte diélectrique. Les deux mécanismes sont accélérés par une fréquence plus élevée : le nombre de cycles de contrainte par unité de temps augmente proportionnellement à la fréquence.. Un matériau diélectrique exposé à 50 expériences supraharmoniques kHz 1,000 fois plus de cycles de contrainte électrique par seconde qu'à 50 Hz. Cela accélère considérablement le vieillissement de l’isolation des câbles, diélectriques de condensateur, et l'isolation des transformateurs - en particulier dans les équipements MT où les intensités de champ sont déjà élevées.
Défaillance de la terminaison du câble MT
La conséquence documentée la plus grave de la distorsion supraharmonique sur les actifs du réseau MT est la défaillance des terminaisons de câbles.. Les terminaisons des câbles MT sont géométriquement complexes : la transition de la géométrie du champ électrique contrôlé du câble à la connexion isolée dans l'air implique des composants de réduction des contraintes. (cônes de contrainte, matériaux de classement sur le terrain) conçu pour un fonctionnement à fréquence industrielle. Les courants supraharmoniques produisent un échauffement localisé et des contraintes de champ électrique élevées à ces terminaisons dont la conception originale n'avait pas tenu compte.. La combinaison des contraintes diélectriques et de l'échauffement local a provoqué des défaillances prématurées des terminaisons dans les réseaux MT à forte pénétration des énergies renouvelables..
Interférence API
Communications par lignes électriques – utilisées pour les compteurs intelligents (DLMS/COSEM), réponse à la demande, contrôle du réseau, et gestion de la recharge des véhicules électriques – fonctionnent dans la plage de fréquences de 9 à 148 kHz (Bandes CENELEC A à D). Cette gamme de fréquences chevauche directement la gamme supraharmonique. Émissions supraharmoniques des onduleurs photovoltaïques, Chargeurs EV, et les pilotes de LED peuvent submerger les signaux PLC, provoquant des erreurs de comptage, échecs de communication dans les systèmes de réponse à la demande, et perte de capacité de surveillance à distance. Le problème d’interférence circulaire dans la recharge des véhicules électriques – où les émissions de commutation du chargeur de VE perturbent la communication CPL destinée à gérer la recharge des véhicules électriques – est une manifestation immédiatement pratique de cet effet..
03 Propagation – plus loin que prévu
L'une des découvertes les plus significatives et les plus importantes en pratique dans la littérature supraharmonique est la propagation sur de longues distances des perturbations supraharmoniques dans les réseaux MT.. Une forte corrélation a été mesurée entre les niveaux supraharmoniques dans deux sous-stations MT 16 km de distance - démontrant qu'une source supraharmonique en un point du réseau peut affecter les équipements de sous-stations à plusieurs kilomètres. Cela va bien au-delà du couplage de voisinage local que les ingénieurs supposent intuitivement pour les émissions conduites à haute fréquence..
La mesure du réseau MT suédois
Des mesures sur le terrain sur un véritable réseau MT suédois avec huit lignes d'alimentation — dont un petit parc éolien — ont confirmé la propagation supraharmonique sur l'ensemble du réseau.. Les fréquences de commutation des onduleurs du parc éolien étaient détectables à tous les points de surveillance des huit lignes d'alimentation., avec l'amplitude variant en fonction de l'impédance du réseau à chaque endroit. L'étude a également révélé que les réseaux MT plus grands ont plus de fréquences de résonance mais des amplitudes de crête de résonance plus faibles - une caractéristique d'impédance du réseau qui affecte la façon dont les supraharmoniques se propagent et où elles sont amplifiées..
Les condensateurs d'entrée des charges connectées à proximité de la source supraharmonique agissent comme des chemins à faible impédance aux hautes fréquences : ils attirent des courants supraharmoniques qui autrement se propageraient plus loin dans le réseau.. Cela localise l'énergie supraharmonique à proximité de la source et réduit la propagation sur de longues distances., ce qui semble bénéfique pour les équipements distants. Le coût en est un vieillissement accéléré et une défaillance prématurée des condensateurs eux-mêmes, qui absorbent désormais l'énergie qui, autrement, se serait propagée à travers le réseau.. Il s'agit d'un mécanisme de défaillance caché classique: la protection des équipements distants se fait au détriment d’une dégradation accélérée des équipements proches, sans aucun indicateur visible jusqu'à ce que le condensateur tombe en panne.
04 Transfert de transformateur - Certains composants sont amplifiés
Le transfert des supraharmoniques à travers les transformateurs de distribution MT/BT n'est pas un simple processus d'atténuation. Les mesures des rapports de transfert des transformateurs aux fréquences supraharmoniques montrent une gamme de 0.5 à 3.0 — ce qui signifie que pour certaines composantes de fréquence, l'amplitude supraharmonique côté BT est jusqu'à trois fois supérieure à celle côté MT. Certaines composantes supraharmoniques sont amplifiées en traversant le transformateur.
Cette amplification se produit en raison des interactions d'impédance complexes entre l'inductance de fuite du transformateur, capacités d'enroulement, et les charges capacitives connectées côté BT. À certaines fréquences, le transformateur et le réseau BT connecté forment un circuit résonant qui amplifie la tension à la fréquence de résonance. Les fréquences de résonance dépendent de la conception du transformateur, les longueurs de câbles, et la capacité des charges connectées, qui varient toutes en fonction de la configuration de la charge et de la disposition des lignes d'alimentation..
Un ingénieur de service public qui mesure la distorsion supraharmonique du côté MT d'un transformateur de distribution et la trouve dans des niveaux acceptables - si de tels niveaux existaient - ne peut pas conclure que l'alimentation BT fournie aux clients est également acceptable.. Pour certaines composantes de fréquence, la distorsion BT peut être nettement supérieure à la distorsion MT. Cela signifie que la surveillance côté MT seule est insuffisante pour évaluer l'exposition supraharmonique côté client.. La mesure côté BT est essentielle partout où les effets supraharmoniques sur les équipements connectés en BT sont préoccupants..
05 L'écart des limites - Aucune règle ci-dessus 9 kHz
La lacune réglementaire la plus importante identifiée par Mariscotti et Mingotti est flagrante.: aucun niveau de planification ou limite de compatibilité n'existe actuellement dans les normes des réseaux de distribution pour les supraharmoniques ci-dessus 9 kHz. Le CENELEC FR 50160 standard, qui définit les caractéristiques de tension des réseaux publics BT, traite l’écart de fréquence, amplitude de tension, harmoniques jusqu'au 25ème ordre, et scintillement - mais ne contient aucune limite pour la plage supraharmonique. CEI 61000-2-2 répond aux niveaux de compatibilité pour les réseaux BT jusqu'à 2 kHz. Au-dessus de 2 kHz, les seules limites pertinentes sont dans les normes CISPR (au-dessus de 150 kHz, pour CEM) et les bandes étroites de fréquences de signalisation du CENELEC — laissant l'ensemble 9 kHz à 150 fenêtre kHz non régulée du point de vue PQ du réseau de distribution.
Mariscotti et Mingotti dérivent des limites indicatives pour la distorsion supraharmonique sur la base des seuils d'effet documentés - en utilisant le même raisonnement physique appliqué pour dériver les limites harmoniques à partir des données de sensibilité des équipements.. Leurs limites dérivées fournissent un cadre quantitatif qui n'existait pas auparavant dans la littérature. Ces limites ont été soumises au processus de normalisation en cours à l'IEC SC 77A WG9., qui révise activement la CEI 61000-4-30 pour aborder la mesure supraharmonique. Cependant, l'écart entre les effets documentés, limites dérivées, et les normes applicables restent vastes – et dans l’intervalle, les opérateurs de réseaux ne disposent d'aucune base réglementaire pour obliger les fabricants d'équipements à contrôler leurs émissions supraharmoniques.
L'absence de limites a deux conséquences pratiques pour les ingénieurs des réseaux de distribution. Premier, il n'existe aucune base objective pour exiger des mesures d'atténuation lorsque des perturbations supraharmoniques sont identifiées, ce qui rend difficile d'imposer une action au propriétaire de l'équipement dont l'appareil est la source. Deuxième, lorsque l'équipement tombe en panne prématurément - un condensateur, une terminaison de câble, un système de mesure PLC — la connexion aux perturbations supraharmoniques est difficile à établir car aucune mesure de base n'est requise, aucun niveau d'alarme n'a été défini, et aucune surveillance n'était en place.
06 Perspective de la qualité de l'énergie
Cette étude de cas complète le CS04 (Supraharmoniques des onduleurs photovoltaïques) et CS07 (Supraharmoniques du chargeur EV) — il aborde les conséquences au niveau du réseau des émissions au niveau de la source documentées dans ces études de cas. CS04 et CS07 caractérisent ce qu'émettent les appareils individuels. CS08 documente ce qui arrive au réseau et à ses actifs lorsque ces émissions sont présentes à grande échelle.
Du point de vue de l’ingénierie des services publics, le constat de défaillance de la terminaison du câble MT est le moyen le plus immédiatement exploitable. Les pannes de terminaison de câble dans les réseaux MT sont coûteuses : le remplacement nécessite le remplacement de la section de câble concernée., mobiliser une équipe de liaison, et gérer les interruptions des clients. Si la distorsion supraharmonique des convertisseurs d'énergie renouvelable connectés au même départ MT contribue à un vieillissement accéléré des terminaisons, le service public supporte les coûts de maintenance et d'investissement causés par le comportement des équipements côté client, sans mécanisme réglementaire pour attribuer ces coûts ou exiger que la source atténue ses émissions.
Vous ne pouvez pas gérer ce que vous ne mesurez pas. La première étape pratique pour tout opérateur de réseau de distribution préoccupé par les effets supraharmoniques est le déploiement d'instruments de surveillance capables de gérer les supraharmoniques - des instruments avec des taux d'échantillonnage supérieurs à 300 kHz, capable de capturer toute la plage de 2 à 150 kHz. Le coût d'un moniteur PQ de classe A doté d'une capacité supraharmonique a chuté de façon spectaculaire au cours des cinq dernières années., et le projet ADMIT financé par l'UE (Mesure précise des instruments et transformateurs déformés) développe les normes de précision des transformateurs de mesure nécessaires à la mesure supraharmonique au niveau MT. Pour les services publics avec une forte pénétration des énergies renouvelables sur les départs MT – éolien, PV, stockage sur batterie - établir une ligne de base supraharmonique maintenant sera beaucoup moins coûteux que d'expliquer plus tard les pannes prématurées de l'infrastructure MT sans aucun historique de mesure pour soutenir l'analyse des causes profondes.
Références
- Mariscotti A, Mingotti A. “Les effets de la distorsion supraharmonique dans les réseaux MT et BT AC.” Capteurs, 24(8), 2465, 2024. DOI: 10.3390/s24082465. Accès libre CC BY 4.0.
- Rönnberg SK, Wahlberg M., Le ballon MHJ. “Évaluation du réseau moyenne tension pour la propagation de la résonance supraharmonique.” Énergies, 14(4), 1093, 2021. DOI: 10.3390/fr14041093.
- CEI 61000-4-30:2015+AMD1:2021. Compatibilité électromagnétique — Partie 4-30: méthodes de mesure de la qualité de l'alimentation. CEI, Genève. (En cours de révision par SC 77A WG9 pour traiter les supraharmoniques.)
- EN 50160:2010+A3:2019. Caractéristiques de tension de l'électricité fournie par les réseaux publics d'électricité. CENELEC, Bruxelles.
- CEI 61000-2-2:2002+AMD1:2017. Compatibilité électromagnétique — Niveaux de compatibilité pour les systèmes d'alimentation BT, 0–2kHz. CEI, Genève.
- Projet ADMETTRE. Mesure précise des instruments et transformateurs déformés. Projet de recherche financé par l'UE. Disponible: admet-project.eu
Mariscotti A, Mingotti A. “Les effets de la distorsion supraharmonique dans les réseaux MT et BT AC.” Capteurs (MDPI), vol. 24, pas. 8, p. 2465, Avril 2024.
DOI: 10.3390/s24082465 · Texte intégral sur PMC → — Accès libre CC BY 4.0.
Cette étude de cas est présentée sous forme de résumé et de commentaire à des fins pédagogiques.. Diagrammes SVG et section Perspective PQ (Section 6) sont des contenus éditoriaux originaux IPQDF de Denis Ruest, M.Sc.. (Appliqué), P.Eng. (ret.). IPQDF ne revendique pas la paternité de la recherche originale.