Berechnung des elektromagnetischen Feldes von Freileitungen zur Anwendung in Funkstör-Risikoanalysen für VSC-MMC

Seitdem im Jahr 2000 das Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) beschlossen wurde, befindet sich die elektrische Energieversorgung im Wandel. Insbesondere der auf den nördlichen Teil des Landes konzentrierte Ausbau von erneuerbaren Energien hat einen erhöhten Bedarf an Stromtransfer von Nord- nach Süddeutschland zur Folge. Für lange Übertragungsstrecken erweist sich die Hochspannungsgleichstromübertragung (HGÜ) gegenüber der konventionellen Hochspannungsdrehstromübertragung (HDÜ) als vorteilhafter. Im Bereich der HGÜ hat sich die Technologie der selbstgeführten modularen MultilevelKonverter (VSC-MMC) durchgesetzt. Durch ihre Funktionsweise bedingt, ergeben sich beim Betrieb derartiger Konverter spektrale Anteile bis in den einstelligen Megahertzbereich. Mit der Einführung der EMV-Richtlinie 2014/30/EU1 und der Überführung in das Gesetz über die elektromagnetische Verträglichkeit von Betriebsmitteln (EMVG) sowie dem Leitfaden zur Anwendung der EMV-Richtlinie2 , bleibt die Entbehrung einer CE-Kennzeichnung bzw. einer Konformitätserklärung oder einer förmlichen EMV-Bewertung für ortsfeste Anlagen, wie es bspw. Freileitungen sind, bestehen. Allerdings wurde hier eine Dokumentationspflicht in Form einer Risikoanalyse, welche für Überprüfungszwecke durch eine nationale Behörde bereitzuhalten ist, eingeführt. Problematisch hierbei ist, dass die Technologie der VSC-MMC im Bereich der Energieübertragung hinsichtlich ihrer EMV in den bestehenden Normen nicht lückenlos und eindeutig beschrieben ist. Speziell für größere transversale Entfernungen von mehr als 100 m besteht Ungewissheit. Daher wird in dieser Dissertation erstmalig ein Modell zur Berechnung des elektromagnetischen Feldes von Freileitungen im Frequenzbereich entwickelt, welches die Berechnung des Feldes in beliebigen Beobachtungspunkten um die Leitung durch die Superposition einzelner quasi-statischer und abgestrahlter Felder ermöglicht. Das Modell wird auf verkettete Leitungen und Mehrleitersysteme ausgeweitet und ermöglicht so die Untersuchung des Einflusses der Freileitungsmasten. Die Verifizierung wird anhand von Simulationen auf Basis der Momentenmethode durchgeführt. Die Validierung erfolgt mittels Messungen in einem Absorberraum und an einem 30 km langen Freileitungssystem. Darüber hinaus befasst sich diese Arbeit mit der Erarbeitung eines Beeinflussungsmodells zur EMV-Risikoanalyse von Funkdiensten, mit Hilfe dessen die Angabe eines objektiven, quantifizierbaren technischen Risikos ermöglicht wird. Die Anwendung des entwickelten Modells zur Berechnung des elektromagnetischen Feldes von Freileitungen wird beispielhaft gezeigt.

Since the Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) was passed in 2000, the electrical energy supply has been in a state of change. In particular, the expansion of renewable energies concentrated in the northern part of the country has resulted in an increased demand for electricity transfer from northern to southern Germany. For long transmission distances, high-voltage direct current (HVDC) transmission is proving more advantageous than conventional high-voltage three-phase current (HVDC) transmission. Here, the technology of voltage-source-converter modular multilevel converters (VSC-MMC) has become established. Due to their mode of operation, spectral components down to the single-digit megahertz range result when operating such converters. With the introduction of the EMC Directive 2014/30/EU and the transfer into the law on electromagnetic compatibility of equipment (EMVG) as well as the guideline for the application of the EMC Directive, the dispensing with a CE marking or a declaration of conformity or a formal EMC assessment for fixed installations, such as overhead lines, remains. However, a documentation obligation was introduced in the form of a risk analysis, which must be kept available for inspection purposes by a national authority. With regard to the technology of VSC-MMC the problem arises that this technology is not completely and clearly described in the existing standards with regard to its EMC. Especially for transverse distances exceeding 100 m, there is uncertainty. In this dissertation, for the first time, a model for the calculation of the electromagnetic field of overhead lines in the frequency domain is developed, which allows the calculation of the field in arbitrary observation points around the line by the superposition of static and radiated fields. The model is extended to concatenated lines and multi-conductor systems, allowing the investigation of the influence of the towers. Verification is performed using simulations based on the method of moments. Validation is performed by measurements in an anechoic chamber and on a 30 km long overhead line. Furthermore, this work deals with the development of an influence model for EMC risk analysis for radio services, with the help of which the specification of an objective, quantifiable technical risk is possible. The application of the developed model for the calculation of the electromagnetic field of overhead lines is shown as an example.

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