MV および LV グリッドの超高調波歪み — 文書化された 4 つの悪影響と限界ギャップ
| 用紙の種類 | 包括的な分析レビュー — ジェノバ大学 & ボローニャ大学, イタリア |
| 対応する周波数範囲 | 超高調波: 2 kHz – 150 kHzの (従来の高調波解析を超えた) |
| 文書化された 4 つの効果 | 電力損失 & 加熱・絶縁劣化・MVケーブル終端不良・PLC干渉 |
| 伝播の発見 | 変電所間で測定された強い相関 16 km 離れた — SH は MV ネットワーク内で長距離に伝播します |
| MV/LVトランス転送 | 伝達率 0.5 へ 3.0 — 一部の SH コンポーネントは 増幅された MVからLVへ渡るとき |
| コンデンサの相互作用 | 近くの負荷の入力コンデンサは SH 電流を引き寄せます。伝搬は減少しますが、コンデンサの劣化が加速し、早期故障が発生します。 |
| 規制状況 | 上記には計画や互換性の制限はありません 9 配電網標準における kHz — 現在の標準化ギャップ |
| ソース | マスコッティA, ミンゴッティA. センサ 2024, 24(8), 2465. DOI: 10.3390/s24082465. オープンアクセス CC BY 4.0. |
01 コンテキスト — ネットワークストレスの新たなフロンティア
従来の電力品質フレームワークは、最大 40 次までの高調波歪みに対処します。 2 kHzで 50 ヘルツ. その上 2 kHzの, 超高調波の範囲 (2–150kHz) 歴史的には問題ないと考えられていた: 1980 年代と 1990 年代のパワー エレクトロニクス デバイスは、このしきい値よりも低いか、わずかに高い周波数でスイッチングしていました。, 超高調波領域での放射は控えめでした. この仮定はもはや当てはまりません.
最新のパワー エレクトロニクス — PV インバーター, EVの充電器, 蓄電池コンバータ, および LED ドライバー - 炭化ケイ素を使用 (SiC) および窒化ガリウム (GaN) 20 ～ 100 kHz 以上の周波数のスイッチング デバイス. これらのデバイスは、主スイッチング エネルギーを超高調波領域に直接配置します。. その結果、放射制限が存在しない周波数帯域での伝導性放射による配電ネットワークの急速かつ広範な汚染が発生します。, 適切な測定基準がない, ネットワーク資産と接続された機器に対する悪影響は、体系的に文書化され始めたばかりです。.
ザ 2024 ジェノバ大学とボローニャ大学のマリスコッティとミンゴッティによる論文は、MV および LV 配電ネットワークに対する超高調波の影響に関する最も包括的な公開された分析を提供しており、4 つの異なる負の影響カテゴリーをカバーしています。, 伝播特性, トランスの伝達動作, そして標準化への影響. およそに基づいています 70 10年にわたる超高調波研究の文書化された参考文献.
超高調波は単純なものではありません “より速い高調波” — それらの伝播と集合の挙動は古典高調波とは根本的に異なります. 古典的高調波 (以下 2 kHzの) 主電源周波数に同期している, ネットワークインピーダンスを通じて予測通りに伝播する, 重ね合わせによってモデル化できます. Supraharmonics have nearly random phase distribution between devices — they partially cancel when aggregated from multiple sources — but they also create network resonances that can amplify specific frequency components locally. Their time behaviour is intermittent and time-varying, unlike the relatively steady classical harmonic spectrum. These differences require different measurement approaches, different modelling tools, and ultimately different limit frameworks.
02 Four Documented Negative Effects
The study identifies and documents four principal categories of negative effects from supraharmonic distortion on MV and LV network assets and connected equipment:
Power Loss and Heating
At supraharmonic frequencies, skin effect concentrates current on the conductor surface, 有効断面積が減少し、抵抗が増加します。. ケーブル, 変圧器巻線, 超高調波電流が流れる中性線は、電力周波数負荷だけで予測されるよりも高温になります。. 電力周波数電流に基づく標準熱定格は、多量の超高調波成分が存在する場合には非保守的です. ケーブル絶縁における誘電損失も周波数とともに増加します。I²R 加熱メカニズムは、絶縁材料自体内の誘電加熱によってさらに強化されます。.
誘電体材料の経年変化
超高調波周波数での電界強度の上昇は、2 つのメカニズムを通じて誘電体の劣化を加速します。: 部分放電イベント (電界強度が高い場合に発生する可能性が高くなります) 誘電損失加熱と. どちらのメカニズムも周波数が高くなると加速されます。単位時間あたりのストレス サイクル数は周波数に比例して増加します。. にさらされた誘電体材料 50 kHz超高調波体験 1,000 1秒あたりの電気的ストレスサイクルは、 50 ヘルツ. これによりケーブル絶縁体の劣化が劇的に加速します, コンデンサ誘電体, および変圧器絶縁 — 特に電界強度がすでに高い MV 機器において.
MV ケーブル終端の失敗
MV ネットワーク資産に対する超高調波歪みの最も深刻な結果は、ケーブル終端の故障であると文書化されています。. MV ケーブルの終端は幾何学的に複雑です。ケーブルの制御された電界形状から空気絶縁接続への移行には応力緩和コンポーネントが必要です。 (ストレスコーン, フィールドグレーディングマテリアル) 電力周波数動作用に設計. 超高調波電流は、元の設計では考慮されていなかった局所的な加熱と電界ストレスの上昇をこれらの終端で発生させます。. 誘電応力と局所加熱の組み合わせにより、再生可能エネルギーの普及率が高い MV ネットワークで早期終了障害が発生する.
PLCの干渉
電力線搬送通信 - スマートメーターに使用 (DLMS/COSEM), デマンドレスポンス, グリッドコントロール, および EV 充電管理 — 9 ～ 148 kHz の周波数範囲で動作します (CENELEC バンド A ～ D). この周波数範囲は超高調波範囲と直接オーバーラップします。. 太陽光発電インバータからの超高調波放出, EVの充電器, LED ドライバーは PLC 信号を圧倒する可能性があります, 計量誤差の原因となる, デマンドレスポンスシステムの通信障害, リモート監視機能の喪失. EV 充電における循環干渉問題（EV 充電器のスイッチングエミッションが EV 充電管理を目的とした PLC 通信を妨害する）は、この影響がすぐに実際に現れる現象です。.
03 伝播 – 予想を超える
超高調波文献における最も重要かつ実際的に重要な発見の 1 つは、MV ネットワークにおける超高調波外乱の長距離伝播です。. 2 つの MV 変電所の超高調波レベル間に強い相関関係が測定されました 16 km 離れた場所 — ネットワーク内のある点にある超高調波発生源が、数キロメートル離れた変電所の機器に影響を与える可能性があることを示しています。. これは、技術者が高周波伝導放出について直感的に想定しているローカル近隣結合をはるかに超えています。.
スウェーデンの MV ネットワーク測定
小規模風力発電所を含む 8 つのフィーダを備えたスウェーデンの実際の MV ネットワークでのフィールド測定により、ネットワーク全体にわたる超高調波の伝播が確認されました。. 風力発電所のインバータのスイッチング周波数は、8 つのフィーダのすべての監視ポイントで検出可能でした。, 振幅は各場所のネットワークインピーダンスに応じて変化します. この研究では、大規模な MV ネットワークほど共振周波数が高いものの、共振ピーク振幅が低いことも判明しました。これは、超高調波の伝播方法と超高調波がどこで増幅されるかに影響を与えるネットワーク インピーダンス特性です。.
超高調波ソースの近くに接続された負荷の入力コンデンサは、高周波では低インピーダンス パスとして機能します。超高調波電流が引き寄せられ、それがなければネットワーク内にさらに伝播してしまいます。. これにより、超高調波エネルギーが発生源の近くに集中し、長距離の伝播が減少します。, これは遠方の機器にとって有益であると思われる. そのコストは、コンデンサ自体の劣化の加速と早期故障です。コンデンサ自体が、ネットワーク全体に広がるはずだったエネルギーを吸収しています。. これは典型的な隠れた障害メカニズムです: 遠くの機器を保護するには、近くの機器の劣化が加速するという犠牲が伴います。, コンデンサが故障するまで目に見えるインジケータはありません.
04 トランス転送 — 一部のコンポーネントが増幅されます
MV/LV 配電変圧器を介した超高調波の転送は単純な減衰プロセスではありません. 超高調波周波数でのトランス伝達率の測定では、次の範囲が示されています。 0.5 へ 3.0 — 一部の周波数成分についてはそれを意味します, LV側の超高調波振幅はMV側の最大3倍です. 一部の超高調波成分はトランスを通過する際に増幅されます。.
この増幅は、トランスの漏れインダクタンス間の複雑なインピーダンス相互作用によって発生します。, 巻線静電容量, およびLV側に接続される容量性負荷. 特定の周波数で, 変圧器と接続された LV ネットワークは、共振周波数で電圧を増幅する共振回路を形成します。. 共振周波数はトランスの設計によって異なります, ケーブルの長さ, および接続された負荷の静電容量 - これらはすべて、負荷構成とフィーダーのレイアウトによって異なります.
配電変圧器の MV 側で超高調波歪みを測定し、それが許容レベル内であることを確認した公益事業技術者は、そのようなレベルが存在する場合には、顧客に納入される LV 電源も許容できると結論付けることはできません。. 特定の周波数成分について, LV 歪みは MV 歪みより大幅に大きくなる可能性があります. これは、顧客側の超高調波暴露を評価するには、MV 側のモニタリングだけでは不十分であることを意味します。. LV に接続された機器に対する超高調波の影響が懸念される場合には、LV 側の測定が不可欠です.
05 限界のギャップ — 上にルールはない 9 kHzの
Mariscotti と Mingotti によって特定された最も重大な規制上のギャップは明らかです: 現在、上記の超高調波に関する配電網標準には計画レベルや互換性制限は存在しません。 9 kHzの. CENELEC JP 50160 標準, 公共 LV ネットワークの電圧特性を定義します。, 周波数偏差に対処する, 電圧の大きさ, 25次までの高調波, ちらつきがありますが、超高調波範囲には制限がありません. IEC 61000-2-2 LV ネットワークの互換性レベルに対応 2 kHzの. その上 2 kHzの, 関連する唯一の制限は CISPR 標準にあります (その上 150 kHzの, EMC用) そして狭いCENELEC信号周波数帯域は、全体を残します。 9 kHzまで 150 配電ネットワーク PQ の観点からは規制されていない kHz ウィンドウ.
Mariscotti と Mingotti は、機器の感度データから高調波限界を導き出すのに適用されるのと同じ物理的推論を使用して、文書化された効果しきい値に基づいて超高調波歪みの指標限界を導き出します。. 導き出された限界は、これまで文献には存在しなかった定量的な枠組みを提供します。. これらの制限は、IEC SC 77A WG9 で進行中の標準化プロセスに提出されています。, IECの改訂を積極的に行っている 61000-4-30 超高調波測定に対応する. しかしながら, 文書化された効果間のギャップ, 導出された制限, そして、法的強制力のある基準は依然として広範であるが、当面は, ネットワーク事業者には、機器メーカーに超高調波放射の制御を要求する規制上の根拠がない.
制限がないことは、配電ネットワーク エンジニアにとって 2 つの実際的な影響を及ぼします。. 最初の, 超高調波外乱が特定された場合に緩和を要求する客観的な根拠はなく、発生源となっている機器の所有者に行動を強制することが困難です。. 2番目の, 機器が早期に故障した場合 - コンデンサ, ケーブル終端, PLC 計量システム - ベースライン測定が必要ないため、超高調波外乱との関係を確立するのが困難, アラームレベルが定義されていません, そして監視も設置されていなかった.
06 電力品質の観点
このケーススタディは CS04 に関連するものです (太陽光発電インバータ超高調波) とCS07 (EV充電器超高調波) — これらのケーススタディで文書化されている、ソースレベルの排出がネットワークレベルで及ぼす影響に対処します。. CS04 と CS07 は、個々のデバイスが発するものを特徴付けます. CS08 は、これらの排出が大規模に存在する場合にネットワークとその資産に何が起こるかを文書化します。.
ユーティリティエンジニアリングの観点から, MV ケーブル終端障害の発見は、最も即時に対処できるものです. Cable termination failures in MV networks are expensive — replacement requires switching out the affected cable section, mobilising a jointing crew, and managing customer interruptions. If supraharmonic distortion from renewable energy converters connected to the same MV feeder is contributing to accelerated termination aging, the utility is bearing maintenance and capital costs caused by the behaviour of customer-side equipment, with no regulatory mechanism to attribute those costs or require the source to mitigate its emissions.
You cannot manage what you do not measure. 超高調波の影響を懸念する配電ネットワーク事業者にとって、実際的な最初のステップは、超高調波対応のモニタリング、つまり上記のサンプリング レートを備えた機器を導入することです。 300 kHzの, 2 ～ 150 kHz の範囲全体をキャプチャ可能. 超高調波機能を備えたクラス A PQ モニターのコストは、過去 5 年間で劇的に低下しました。, EU が資金提供する ADMIT プロジェクト (歪んだ楽器や変圧器の正確な測定) MVレベルの超高調波測定に必要な計器用変圧器の精度基準を開発中. MV フィーダでの再生可能エネルギーの普及率が高い公益事業向け - 風力, PV, バッテリーストレージ — 超高調波ベースラインを今確立することは、根本原因分析をサポートするための測定履歴なしで、後で MV インフラストラクチャの早期障害を説明するよりもはるかに低コストになります。.
参照
- マスコッティA, ミンゴッティA. “MV および LV AC グリッドにおける超高調波歪みの影響。” センサ, 24(8), 2465, 2024. DOI: 10.3390/s24082465. オープンアクセス CC BY 4.0.
- レンベルク SK, ウォールバーグ・M, ボールMHJ. “超高調波共振伝播のための中電圧ネットワークの評価。” エネルギー, 14(4), 1093, 2021. DOI: 10.3390/en14041093.
- IEC 61000-4-30:2015+AMD1:2021. 電磁両立性 - パート 4-30: 電力品質測定方法. IEC, ジュネーブ. (超高調波に対処するために、SC 77A WG9 による改訂中。)
- IN 50160:2010+A3:2019. 公共電力網から供給される電力の電圧特性. CENELEC, ブリュッセル.
- IEC 61000-2-2:2002+AMD1:2017. 電磁両立性 — LV 供給システムの互換性レベル, 0–2kHz. IEC, ジュネーブ.
- アドミットプロジェクト. 歪んだ楽器や変圧器の正確な測定. EUの資金提供による研究プロジェクト. 利用可能: 承認プロジェクト.eu
マスコッティA, ミンゴッティA. “MV および LV AC グリッドにおける超高調波歪みの影響。” センサ (MDPI), フライト. 24, しない. 8, P. 2465, 4月 2024.
DOI: 10.3390/s24082465 ・・ 全文はPMCで→ — オープンアクセス CC BY 4.0.
このケーススタディは、教育目的のために概要と解説の形で提示されています。. SVG 図と PQ パースペクティブ セクション (セクション 6) Denis Ruest によるオリジナルの IPQDF 編集コンテンツです, 修士号. (適用済み), P.Eng. (レット。). IPQDF は元の研究の著者であることを主張していません.