Elektromagnetisk interferens og høyfrekvent støy
Stadig flere nettkunder opplever problemer med apparatene sine forårsaket av forhold i nettspenningen. Kundene melder om at utstyr ikke vil skru seg av eller på, ikke kan styres, at lys blinker når ulike apparater er på, osv. I de siste årene har det blitt økt bevissthet internasjonalt om at i enkelte tilfeller skyldes disse problemene elektromagnetisk interferens, forårsaket av høyfrekvent støy. Denne støyen kommer fra kraftelektronikk, som finnes i de fleste forbruksapparater.
Uforklarlige problemer med et elektrisk apparat i huset? Det kan være forårsaket av et annet apparat hos deg selv eller hos naboen.
Spenningskvalitet og harmonisk støy
Spenningskvalitet (også kalt forsyningsspenningens anvendelighet), må holde et tilstrekkelig nivå for at ulike apparater skal fungere som tiltenkt. En av spenningskvalitetsparameterne er overharmoniske spenninger, som er signaler overlagret spenningens grunnfrekvens på 50 Hz. De overharmoniske spenningene har frekvens på n*50 Hz, hvor n er et heltall. 2. harmoniske har dermed en frekvens på 100 Hz, 3. harmoniske 150 Hz, osv. Det er normalt at det er et visst nivå av harmoniske spenninger i kraftnettet, men om det blir for høye nivåer vil dette skape problemer. Det kan f.eks. være overoppheting av enkelte komponenter, økte tap, og potensielt forstyrrelser i kontrollelektronikken til elektrisk utstyr.
Harmoniske spenninger oppstår på grunn av ulineære komponenter i kraftsystemet, f.eks. store likerettere, som er mye brukt i industrien. Også vanlige elektriske apparater forårsaker harmoniske spenninger. For å holde nivåene så lave som mulig, stilles det derfor krav til hvor store harmoniske spenninger utstyr kan forårsake. Dette reguleres gjennom CE-merkingen, som er påbudt for alle apparater som selges i Europa.
En fourrier transform brukes for å skille ut signaler med forskjellig frekvens fra et sammensatt signal (f.eks. forsyningsspenningen). Dette viser hvilke overharmoniske komponenter forsyningsspenningen inneholder.
Nye typer kraftelektronikk forårsaker nye typer harmonisk støy
Nye typer kraftelektronikk fungerer annerledes enn før. De er mindre og mer kompakte, og har ofte en høy svitsjefrekvens på bryterne (frekvens på flere kHz). I praksis gjør dette at påvirkning på lavere ordens harmoniske (harmoniske med lavere frekvens enn 2 kHz) blir liten, men det gjør også at det oppstår forstyrrelser med høyere frekvens, som sammenfaller med svitsjefrekvensen til kraftelektronikken.
Disse høyfrekvente harmoinske spenningene, som typisk har en frekvens mellom 2 og 150 kHz, skiller seg fra de “vanlige” harmoniske spenningene ved at de:
- Ikke blir filtrert bort av filtrene til apparatene, som er beregnet for lavere ordens harmoniske
- Ikke reguleres i eksisterende produktstandarder, og dermed er det ikke krav om hvor store nivåer av disse forstyrrelsene ulikt utstyr skal kunne forårsake, eller tåle før de slutter å fungere
- Er vanskelige å måle, ettersom måleutstyr ofte ikke måler med høyere samplefrekvens enn rundt 10 kHz. De vil dermed ikke vises i målinger foretatt med mange av de vanligste måleinstrumentene.
Over harmoniske spenninger målt med en Elspec G4500 hos en plusskunde med et 6 kW solcelleanlegg. Legg merke til komponenten ved 300. overharmoniske (15 kHz) forårsaket av omformeren til solcelleanlegget. Nivået her er lavt, og forårsaket ikke interferens.
Mange merkelige problemer flere forbrukere har erfart har vært forårsaket av disse “supraharmoniske” spenningene. Når støynivået blir høyt nok vil ofte kontrollelektronikken ikke fungere som tiltenkt, som resulterer i apparater ikke skrur seg av eller på, eller generelt oppfører seg merkelig. Ofte kan det oppstå komiske situasjoner når et elektrisk apparat genererer støy som gjør at et annet elektrisk apparat ikke fungerer. I et tilfelle kunne en husstand ikke bruke induksjonstoppen mens varmepumpen gikk, i et annet hus var det umulig å styre belysningen (dimmingen) når induksjonstoppen stod på.
Mer alvorlige interferens-utfordringer
Etterhvert som utbredelsen av kraftelektronikk har økt (praktisk talt alle produkter du har hjemme inneholder kraftelektronikk, fra PC-ladere, mobil-ladere, strømforsyninger, induskjonstopper, kjøkkenutstyr, elbilladere, mm.), har også mengden tilfeller av elektromagnetisk inteferens økt. Eksemplene kan også være mer alvorlige, som at flere kunder blir berørt av samme problem (i et nettområde måtte flere kunder bytte ut samme modell av en induksjonstopp), at apparater med termostater skrur seg ukontrollert av og på (brannfare), eller at mer kritisk utstyr (f.eks. labteknisk eller medisinsk utstyr) blir forstyrret. PQA har vært kjennskap til eller vært involvert i konkrete case i alle de nevnte tilfellene.
Håndtering
Siden emisjon (hvor mye støy et apparat forårsaker) og immunitet (hvor mye støy et apparat tåler før det ikke fungerer som tiltenkt) er dårlig definert for støy med frekvens mellom 2 og 150 kHz vil ulike apparater ha svært forskjellig emisjon og immunitet. Et apparat kan f.eks. være sensitivt for forstyrrelser på 20 kHz. Om da et annet apparat skaper støy på denne frekvensen, vil det få problemer. Men en annen modell av samme type apparat kan tåle mye støy ved 20 kHz, og lite ved f.eks. 70 kHz, og vil derfor fungere fint i samme tilfelle. Derfor vil ofte problemer med interferens kunne løses ved å bytte f.eks. varmepumpen i en annen modell, og i praksis er det også løsningen som oftest brukes.
Siden problemet kan løses enkelt, uten at årsaken til problemet forstås, antas det at det underrapporteres hvor utbredt problemet er. I en britisk studie fra 2012 hadde ett telekomselskap registrert problemer med høyfrekvent interferens som årsak, og dette viste seg å dreie seg om i snitt 1200 tilfeller i året de siste fire årene. I flesteparten av tilfellene viste det seg å være kondensatorene i strømforsyningene som forårsaket problemene.
Det er likevel ikke alltid at det er mulig å bytte ut utstyr. Dyrere utstyr er vanskeligere å bytte ut, og om mange kunder er berørt kan det bli dyrt (og krevende) å bytte alt utstyret. Sistnevnte var et problem i Trøndelag for noen år siden, da testturbinen Blaaster på Valsneset forårsaker forstyrrelser som påvirket kunder i et flere kvadratkilometer stort område.
EMC i smarte nett
Det er nettopp denne utfordringen det nye forskningsprosjektet EMC i smarte nett skal håndtere. Prosjektet er et samarbeid mellom fem nettselskap (Hafslund Nett, Eidsiva Nett, Skagerak Nett, NTE Nett og Lyse Elnett), NVE, Solenergiklyngen, Elbilforeningen, og Smartgridsenteret, Energi Norge og PQA. Det skal blant annet se på hvordan problemer med høyfrekvent støy kan feilsøkes effektivt, og om ny bruk av filtrering kan være en alternativ løsning til å bytte ut utstyr. Samtidig forventes det at dokumentering av tilfeller med interferens, spesielt relatert til solcelleanlegg og elbilladere, skal gi produsentene mulighet til å lage utstyr med bedre immunitet.
Arbeidspakker / fokusområder i EMC i smarte nett. I tillegg kommer en kartleggingsaktivitet i begynnelsen av prosjektet, og bearbeiding av resultater til slutt.
Prosjektet ble bevilget støtte av Forskningsrådet 14. desember, og starter etter planen opp i februar 2018. Se også Forskningsrådets / ENERGIXs hjemmesider for oversikt over alle prosjektene som fikk støtte.) Prosjektet avsluttes ved utgangen av 2019. I mellomtiden vil utdrag av resultater fra prosjektet vil bli publisert på nettsidene, og i andre relevante kanaler. Følg med videre!