中压和低压电网中的超谐波失真 - 四种已记录的负面影响和极限差距
| 纸张类型 | 综合分析评论——热那亚大学 & 博洛尼亚大学, 意大利 |
| 涉及的频率范围 | 超谐波: 2 千赫兹 – 150 千赫 (超越传统谐波分析) |
| 四种已记录的效果 | 断电 & 发热·电介质老化·中压电缆终端故障·PLC干扰 |
| 传播发现 | 变电站之间测量到的强相关性 16 相隔公里 — SH 在中压网络中长距离传播 |
| 中/低压变压器传输 | 传输率 0.5 至 3.0 — 一些 SH 组件是 放大的 从 MV 穿越 LV 时 |
| 电容交互 | 附近负载的输入电容器会吸引 SH 电流——减少传播，但会加速电容器老化并导致过早失效 |
| 监管状况 | 以上不存在规划或兼容性限制 9 配电网络标准中的 kHz — 主动标准化差距 |
| 源 | 马里斯科蒂A, 明戈蒂A. 传感器 2024, 24(8), 2465. DOI: 10.3390/s24082465. 开放获取 CC BY 4.0. |
01 上下文——网络压力的新领域
传统的电能质量框架可解决高达 40 次的谐波失真 — 2 千赫兹在 50 赫兹. 多于 2 千赫, 超谐波范围 (2–150kHz) 历史上被认为没有问题: 20 世纪 80 年代和 90 年代的电力电子设备的开关频率低于或仅略高于此阈值, 并且它们在超谐波范围内的发射是适度的. 这个假设不再成立.
现代电力电子——光伏逆变器, 电动车充电器, 电池存储转换器, 和 LED 驱动器 — 使用碳化硅 (碳化硅) 和氮化镓 (氮化镓) 频率为 20–100 kHz 或更高的开关设备. 这些器件将其初级开关能量直接置于超谐波范围内. 其结果是，在不存在发射限制的频段内，传导发射对配电网络造成快速而广泛的污染, 没有足够的测量标准, 对网络资产和连接设备的负面影响才刚刚开始被系统记录.
“ 2024 paper by Mariscotti and Mingotti at the Universities of Genova and Bologna provides the most comprehensive published analysis of supraharmonic effects on MV and LV distribution networks — covering four distinct negative effect categories, propagation characteristics, transformer transfer behaviour, and the implications for standardisation. It is based on approximately 70 documented references spanning a decade of supraharmonic research.
Supraharmonics are not simply “faster harmonics” — their propagation and aggregation behaviour differs fundamentally from classical harmonics. Classical harmonics (下面 2 千赫) are synchronised to the mains frequency, propagate predictably through network impedances, and can be modelled by superposition. 超谐波在设备之间具有几乎随机的相位分布——当从多个源聚合时，它们会部分抵消——但它们也会产生网络谐振，可以局部放大特定的频率分量. 他们的时间行为是间歇性的且随时间变化的, 与相对稳定的经典谐波频谱不同. 这些差异需要不同的测量方法, 不同的建模工具, 以及最终不同的限制框架.
02 四种已记录的负面影响
该研究确定并记录了超谐波失真对中压和低压网络资产及连接设备造成的四个主要负面影响类别:
断电和发热
在超谐波频率, 趋肤效应使电流集中在导体表面, 减小有效截面并增加阻力. 电缆, 变压器绕组, 承载超谐波电流的中性导体的运行温度比其工频负载单独预测的温度要高. 在存在大量次谐波含量的情况下，基于工频电流的标准热额定值是不保守的. 电缆绝缘层中的介电损耗也会随着频率的增加而增加 — I²R 加热机制因绝缘材料本身内的介电加热而加剧.
介电材料老化
超谐波频率下电场强度的升高通过两种机制加速介电退化: 局部放电事件 (在高场强下更有可能) 和介电损耗加热. 更高的频率会加速这两种机制 - 每单位时间的应力循环数量随频率成比例增加. 介电材料暴露于 50 kHz 超谐波体验 1,000 每秒的电应力周期比 50 赫兹. 这极大地加速了电缆绝缘层的老化, 电容器电介质, 和变压器绝缘——特别是在场强已经很高的中压设备中.
中压电缆端接故障
据记录，中压网络资产上谐波失真最严重的后果是电缆终端故障. 中压电缆终端的几何形状很复杂——从电缆的受控电场几何形状到空气绝缘连接的过渡涉及应力释放组件 (应力锥, field grading materials) designed for power-frequency operation. Supraharmonic currents produce localised heating and elevated electric field stresses at these terminations that the original design did not account for. The combination of dielectric stress and local heating has caused premature termination failures in MV networks with high renewable energy penetration.
PLC干扰
Power line carrier communications — used for smart metering (DLMS/COSEM), demand response, grid control, and EV charging management — operate in the 9–148 kHz frequency range (CENELEC bands A–D). This frequency range overlaps directly with the supraharmonic range. Supraharmonic emissions from PV inverters, 电动车充电器, and LED drivers can overwhelm PLC signals, causing metering errors, communication failures in demand response systems, and loss of remote monitoring capability. The circular interference problem in EV charging — where the EV charger’s switching emissions disrupt the PLC communication intended to manage EV charging — is an immediately practical manifestation of this effect.
03 传播——比预期更远
超谐波文献中最重要和最重要的发现之一是中压网络中超谐波扰动的长距离传播. 在两个中压变电站的高次谐波电平之间测量到强相关性 16 相距公里——证明网络中某一点的超谐波源可以影响几公里外变电站的设备. 这远远超出了工程师直观地假设的高频传导发射的局部邻域耦合.
瑞典MV网络测量
对具有八个馈线（包括一个小型风电场）的真实瑞典中压网络进行的现场测量证实了整个网络的超谐波传播. 风电场的逆变器开关频率在八条馈线的所有监控点均可检测到, 幅度根据每个位置的网络阻抗而变化. 研究还发现，较大的中压网络具有更多的谐振频率，但谐振峰值幅度较低，这是一种影响超谐波传播方式及其放大位置的网络阻抗特性.
Input capacitors of loads connected near the supraharmonic source act as low-impedance paths at high frequencies — they attract supraharmonic currents that would otherwise propagate further into the network. This localises supraharmonic energy near the source and reduces long-distance propagation, which appears beneficial for distant equipment. The cost is accelerated aging and premature failure of the capacitors themselves — which are now absorbing the energy that would otherwise have spread across the network. This is a classic hidden failure mechanism: the protection of distant equipment comes at the expense of accelerated degradation in nearby equipment, without any visible indicator until the capacitor fails.
04 变压器传输——某些组件被放大
次谐波通过中/低压配电变压器的传输并不是一个简单的衰减过程. 超谐波频率下变压器传输比的测量显示了一系列 0.5 至 3.0 — 这意味着对于某些频率分量, 低压侧的超谐波幅度比中压侧高出三倍. 一些次谐波分量在穿过变压器时被放大.
这种放大是由于变压器漏感之间复杂的阻抗相互作用而发生的, 绕组电容, 以及连接到低压侧的容性负载. 在某些频率下, 变压器和连接的低压网络形成谐振电路，以谐振频率放大电压. 谐振频率取决于变压器设计, 电缆长度, 以及连接负载的电容 - 所有这些都随着负载配置和馈线布局而变化.
A utility engineer who measures supraharmonic distortion at the MV side of a distribution transformer and finds it within acceptable levels — if such levels existed — cannot conclude that the LV supply delivered to customers is also acceptable. For certain frequency components, the LV distortion can be significantly higher than the MV distortion. This means that MV-side monitoring alone is insufficient for assessing customer-side supraharmonic exposure. LV-side measurement is essential wherever supraharmonic effects on LV-connected equipment are of concern.
05 The Limits Gap — No Rules Above 9 千赫
The most significant regulatory gap identified by Mariscotti and Mingotti is stark: no planning levels or compatibility limits currently exist in distribution network standards for supraharmonics above 9 千赫. The CENELEC EN 50160 标准, which defines voltage characteristics for public LV networks, addresses frequency deviation, voltage magnitude, harmonics up to the 25th order, and flicker — but contains no limits for the supraharmonic range. 符合IEC 61000-2-2 addresses compatibility levels for LV networks up to 2 千赫. 多于 2 千赫, the only relevant limits are in CISPR standards (多于 150 千赫, for EMC) and the narrow CENELEC signalling frequency bands — leaving the entire 9 kHz至 150 kHz window unregulated from a distribution network PQ perspective.
Mariscotti and Mingotti derive indicative limits for supraharmonic distortion based on the documented effect thresholds — using the same physical reasoning applied to derive harmonic limits from equipment sensitivity data. 他们得出的极限提供了一个以前文献中不存在的定量框架. 这些限制已提交给 IEC SC 77A WG9 正在进行的标准化流程, 正在积极修订IEC 61000-4-30 解决谐波测量问题. 然而, 记录效果之间的差距, 派生极限, 可执行的标准仍然广泛——并且在此期间, 网络运营商没有监管依据要求设备制造商控制其次谐波发射.
缺乏限制对于配电网络工程师来说有两个实际后果. 第一, 当识别出超谐波干扰时，没有要求缓解的客观依据，因此很难迫使其设备作为源的设备所有者采取行动. 第二, 当设备过早失效时——电容器, 电缆终端, PLC 计量系统 - 很难建立与超谐波干扰的连接，因为不需要基线测量, 没有定义警报级别, 并且没有监控到位.
06 电能质量视角
本案例研究是 CS04 的姊妹篇 (光伏逆变器高次谐波) 和CS07 (电动汽车充电器高次谐波) — 它解决了这些案例研究中记录的源级排放的网络级后果. CS04 和 CS07 描述了各个设备发出的信号. CS08 记录当这些排放大规模存在时网络及其资产会发生什么.
从公用事业工程的角度来看, 中压电缆终端故障发现是最立即可采取行动的. 中压网络中的电缆终端故障代价高昂——更换需要关闭受影响的电缆部分, 动员联合人员, 和管理客户干扰. 连接到同一中压馈线的可再生能源转换器的超谐波失真是否会加速终端老化, 公用事业公司承担由客户端设备行为引起的维护和资本成本, 没有监管机制来归因这些成本或要求来源减少其排放.
你无法管理你不衡量的东西. 对于任何关心超谐波效应的配电网络运营商来说，实际的第一步是部署具有超谐波功能的监测仪器——采样率高于 300 千赫, 能够捕获整个 2–150 kHz 范围. 具有超谐波功能的 A 类 PQ 监视器的成本在过去五年中大幅下降, 以及欧盟资助的 ADMIT 项目 (失真仪器和变压器的精确测量) 正在制定中压级次谐波测量所需的互感器精度标准. 对于中压馈线可再生能源渗透率较高的公用事业公司——风能, 光伏, battery storage — establishing a supraharmonic baseline now will be far less expensive than explaining premature MV infrastructure failures later without any measurement history to support root cause analysis.
参考文献
- 马里斯科蒂A, 明戈蒂A. “The Effects of Supraharmonic Distortion in MV and LV AC Grids.” 传感器, 24(8), 2465, 2024. DOI: 10.3390/s24082465. 开放获取 CC BY 4.0.
- Rönnberg SK, Wahlberg M, Bollen MHJ. “Evaluation of Medium Voltage Network for Propagation of Supraharmonics Resonance.” 能源, 14(4), 1093, 2021. DOI: 10.3390/en14041093.
- 符合IEC 61000-4-30:2015+AMD1:2021. 电磁兼容性 - 部分 4-30: 电能质量测量方法. 符合IEC, 日内瓦. (Under revision by SC 77A WG9 to address supraharmonics.)
- IN 50160:2010+A3:2019. 公共电网供电的电压特性. CENELEC的, 布鲁塞尔.
- 符合IEC 61000-2-2:2002+AMD1:2017. Electromagnetic compatibility — Compatibility levels for LV supply systems, 0–2 kHz. 符合IEC, 日内瓦.
- ADMIT Project. 失真仪器和变压器的精确测量. EU-funded research project. 可用的: admit-project.eu
马里斯科蒂A, 明戈蒂A. “The Effects of Supraharmonic Distortion in MV and LV AC Grids.” 传感器 (MDPI), 飞行. 24, 不. 8, p. 2465, 四月 2024.
DOI: 10.3390/s24082465 · Full text at PMC → — Open access CC BY 4.0.
本案例研究以总结和评论的形式呈现，用于教育目的. SVG diagrams and the PQ Perspective section (部分 6) 是 Denis Ruest 的原创 IPQDF 编辑内容, 硕士. (应用), P.Eng. (ret。). IPQDF 不声称原始研究的作者.