April 2012

Hochspannungs-Keramik-Kondensatoren

Spannungsschwankungen auf der Spur

Der Anteil elektrischer Energie, die mit Photovoltaik- und Windkraftanlagen erzeugt wird, nimmt laufend zu. Für den stabilen Betrieb der Netze gewinnen dadurch intelligente Steuersysteme an Bedeutung. In den darin genutzten, empfindlichen automatischen Lasttrennschaltern spielen TDK Hochspannungs-Keramik-Kondensatoren mit extrem geringen Toleranzen eine entscheidende Rolle.

Bis vor Kurzem wurde fast die gesamte elektrische Energie in einer relativ kleinen Anzahl großer Wärme- oder Kernkraftwerke erzeugt und nach Spannungsanpassungen in Umspannwerken an Industriebetriebe und Haushalte verteilt. Die Erzeugung und Bereitstellung der Energie erfolgte nur in einer Richtung, das heißt vom Kraftwerk zum Verbraucher. Mit der rasant wachsenden Zahl von Photovoltaik- und Windkraftanlagen wird nun ein erheblicher Anteil der Energie von zahlreichen kleineren dezentralen Kraftwerken und privaten Verbrauchern/Erzeugern selbst bereitgestellt.

Ein Nachteil dieser Form der Energieerzeugung liegt darin, dass sie wetterabhängig ist und starken Schwankungen unterliegt. Daher müssen Energieversorger die Leistungswerte wie Spannung, Stromstärke und Phasenwinkel in den einzelnen Abschnitten der Leitungen kontinuierlich kontrollieren und anpassen. Um die Spannungsschwankungen im Netz zu überwachen und den Betrieb moderner Energieverteilnetze zu unterstützen, installieren die Versorger intelligente automatische Lasttrennschalter, die mit integrierten Spannungssensoren bestückt sind (Abbildung 1). Die Hochspannungs-Keramik-Kondensatoren von TDK stellen eine Schlüsselkomponente im Lasttrennschalter dar und werden als kapazitive Spannungsteiler eingesetzt.

Abbildung 1: Automatische Lasttrennschalter in einem intelligenten Stromnetz

Ein Netz zur Energieverteilung beinhaltet zahlreiche Schaltgeräte zum Trennen von Abschnitten, in denen Störungen auftreten. Damit lassen sich die von einem Stromausfall betroffenen Gebiete möglichst klein halten. Die dargestellten automatischen Lasttrennschalter sind mit Sensoren ausgestattet, die Spannungsschwankungen im Netz überwachen.

Stabile Leistung über einen breiten Temperaturbereich

Um Spannungsschwankungen im Netz mit hoher Genauigkeit zu erkennen, dürfen die elektrischen Eigenschaften der Hochspannungskondensatoren nicht von der Umgebungstemperatur und den Spannungspegeln beeinflusst werden. Der Hochspannungskondensator muss bei Temperaturen von –20 °C bis +70 °C und bei Spannungen von bis zu 3810 VRMS stabile Kapazitanzwerte aufweisen. Ähnliches gilt für Niederspannungskondensatoren. Zusätzlich müssen die Kondensatoren so klein sein, dass jeweils sechs Stück in den Ein- und Ausgang eines jeden Schalters der Dreiphasenleitung passen. Abbildung 2 zeigt die Basiskonfiguration eines Spannungssensors. Die Schaltung des Sensors besteht aus einem Hochspannungskondensator und einem parallel angeschlossenen Niederspannungskondensator.

Abbildung 2: Schaltbild eines Sensor-Schaltkreises

Kapazitiver Spannungsteiler aus einem Hochspannungskondensator und einem seriell geschalteten Niederspannungskondensator. Beide Kondensatoren müssen eine sehr geringe Kapazitätstoleranz aufweisen.

Auf Grundlage des Designs der TDK Keramik-Kondensatoren der FD-Serie wurde ein neues Keramikmaterial mit einer relativen Leitfähigkeit von über 90 und C0G-Temperaturkennwerten
(0 Drift ±30 ppm/K) entwickelt. Um diese herausragenden Eigenschaften zu erreichen, wurden der Bariumtitanat-Verbindung Seltenerdmetalle beigefügt. Das Ergebnis ist ein Keramikmaterial mit einer hohen Leitfähigkeit und stabilen Temperaturkennwerten. Dies ermöglicht Kondensatoren mit kompakten Abmessungen, wie sie für die Installation in intelligenten Lasttrennschaltern nötig sind.

Robustes Design
Die neuen Hochspannungs-Keramik-Kondensatoren zeichnen sich durch ein langlebiges und robustes Design aus. Silberelektroden werden an die gegenüberliegenden Endflächen des Keramikelements gesintert, mit Schraubklemmen versehen und verlötet. Anschließend wird der Kondensator in Epoxidharz vergossen, sodass ein hervorragender Isolationswiderstand und eine ausgezeichnete Feuchtigkeitsbeständigkeit gewährleistet sind (Abbildung 3). Der Kondensator ist für eine Wechselspannungsfestigkeit von 30 kV und eine Impulsfestigkeit von ±65 kV (3 Impulse, siehe Tabelle) bemessen. Er unterstützt auch Spezifikationen mit höheren Isolationsanforderungen und erfüllt die RoHS-Kriterien.

Abbildung 3: Aufbau des TDK Hochspannungs-Keramik-Kondensators

Die neuen Hochspannungs-Keramik-Kondensatoren sind extrem robust. Silberelektroden werden an die gegenüberliegenden Endflächen des Keramikelementes angebracht und mit Schraubklemmen versehen.

Tabelle: Technische Daten der TDK Hochspannungs-Keramikkondensatoren
Wechselspannungsfestigkeit, 60 s [kVRMS]30
Blitzstoßspannungsfestigkeit [±65 kV]3 Spannungsstöße
Isolationswiderstand bei 1 kV DC / 60 s [MΩ]105 und höher
Kapazität ±5% bei 1 kHz VRMS [pF]50 bis 150
Dielektrischer Verlustfaktor bei 1 kHz VRMS [%]≤ 0,2
Temperaturcharakteristik der Kapazitanz [ppm/K]0 ±60
Teilzündspannung [bei 3 pC 50 Hz kVRMS]≥ 15

Perfekt aufeinander abgestimmte Kondensatorpaarungen
Bei konventionellen Lasttrennschaltern spielen die Temperaturkennwerte der Kapazitätswerte der Kondensatoren auf der Hoch- und Niederspannungsseite keine große Rolle. Bei automatischen Lasttrennschaltern mit integrierten Sensoren müssen die Auswirkungen von Temperaturschwankungen möglichst gering gehalten werden. Um dies zu erreichen, eignen sich als Sensoren für Spannungsänderungen TDK UHV-Keramik-Kondensatoren in Kombination mit bedrahteten MLCCs der TDK FK-Serie, welche die gleichen C0G-Temperaturkennwerte besitzen. Vor der Auslieferung werden die Kapazitanzwerte der Kondensatoren auf der Hoch- und Niederspannungsseite aufeinander abgestimmt und entsprechend kombiniert. Somit werden eine gleichbleibende Ausgangsspannung und ein konstantes Teilungsverhältnis sichergestellt.

Die UHV-Serie liefert in Kombination mit der FK-Serie (Abbildung 4) ein lineares Ausgangssignal im Bereich der Betriebstemperatur von –20 °C bis +70 °C. Damit ist die sehr genaue Erkennung von Spannungsschwankungen im Netz möglich. Nur so kann durch entsprechende Spannungsregler in jedem Leitungsabschnitt die Spannung stabilisiert werden.

Abbildung 4: TDK Keramik-Kondensatoren der UHV- und FK-Serien

TDK UHV-Keramik-Kondensatoren in Kombination mit den MLCCs der TDK FK-Serie bieten über einen weiten Temperaturbereich ein konstantes Teilerverhältnis und ermöglichen so die genaue Erkennung von Spannungsschwankungen im Netz.

Entwickelt für eine Vielzahl von Hochspannungsanwendungen
TDK hat mehr als 40 Jahre Erfahrung in der Entwicklung von Keramik-Kondensatoren für die Energieverteilung und bietet diese Bauelemente in einer breiten Palette von Spezifikationen für eine Vielzahl von Hochspannungsanwendungen. Konventionelle Applikationen beinhalten Lasttrennschalter für die Stromversorgung von Gebäuden und für Hochspannungsgeräte von Anwendungen in der Medizintechnik wie etwa Röntgengeräte. Weitere Einsatzmöglichkeiten sind Lade- und Entladevorrichtungen für Laser und Elektronenmikroskope. Innovative TDK Bauelemente unterstützen in zunehmendem Maße auch neue Anwendungen wie intelligente Stromnetze und tragen damit zur Optimierung der Energieeffizienz bei.

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