August 2006

Leistungskondensatoren für Windkraftanlagen

Auf ein langes Leben

Im Gegensatz zu industriellen Blindleistungskompensations-Anlagen (BLK-Anlagen) sind Kondensatoren in Windkraftanlagen wesentlich härteren Bedingungen ausgesetzt, denn in Windkraftanlagen herrschen höhere Packungsdichten und starke Lastschwankungen. Außerdem kommen verdrosselte Konfigurationen zum Einsatz. Mit wenigen Kunstgriffen beim Einbau lässt sich jedoch ihre Lebensdauer verlängern.

Hohe Packungsdichten der Kondensatoren im Schaltschrank – bedingt durch eingeschränkte Platzverhältnisse innerhalb der Windkraftanlagen – bedeuten erhöhte spezifische Verlustleistung (W/cm3). Dies führt zu steigenden Temperaturen in den Schaltschränken und damit zu höheren Betriebstemperaturen für die Kondensatoren. Auf Grund der ohmschen und dielektrischen Verluste im Betrieb erwärmen sich die Leistungskondensatoren. Sind die Temperaturanstiege zu groß, klettert also die Hotspot-Temperatur über definierte Grenzwerte, dann führen sie zum Ausfall oder aber zumindest zu einer Verringerung der Lebensdauer des Kondensators. Typischerweise sind Leistungskondensatoren heute nach der höchsten Temperaturklasse

(-25/D) gemäß dem Standard IEC60831-1/2 beziehungsweise EN60831 spezifiziert. Die Temperaturklasse -25/D steht für folgende Temperaturen:

  • 55 °C maximal zulässige Spitzentemperatur
  • 45 °C maximal zulässige Tagesdurchschnittstemperatur
  • 35 °C maximal zulässige Jahresdurchschnittstemperatur

Bei den Angaben handelt es sich um die den Kondensator direkt umgebende Lufttemperatur.

Sicherheitsrisiken durch Überhitzung

Das verwendete Polypropylen-Dielektrikum von Leistungskondensatoren weist bis zu einer bestimmten Hotspot-Temperatur eine hohe Spannungsfestigkeit auf. Wird diese Temperatur überschritten, sinkt die Spannungsfestigkeit stark ab. Die Lebensdauer von Kondensatoren mit Polypropylen-Dielektrikum ist somit deutlich abhängig von der Hotspot-Temperatur. Abgeleitet von der Arrhenius-Gleichung, die temperaturabhängige Alterungsprozesse beschreibt, geht man davon aus, dass eine Temperaturerhöhung von sieben Grad bei metallisierten Polypropylen-Kondensatoren eine Halbierung der Lebensdauer zur Folge hat.

Wird die spezifizierte Temperatur überschritten, führt dies – durch zunehmende Selbstheilung – zu einer Verkürzung der Lebensdauer. Ab einer gewissen Grenztemperatur kann es zu einem Versagen der Selbstheilung kommen, und ein nicht selbstheilender Durchschlag entsteht. Dies bedeutet, dass sich neben der reinen Lebensdauerbetrachtung bei Überschreitung der vom Hersteller spezifizierten Kondensatorwerte oder des international für Kondensatoren gültigen Standards IEC60831-1/2 auch Sicherheitsrisiken ergeben. So wird bei deutlicher Überschreitung der maximalen Betriebstemperatur die kondensatoreigene Sicherheitseinrichtung (Überdruckabreißsicherung) außer Kraft gesetzt. Im schlimmsten Fall kann dies zum Bersten des Kondensators mit Brandfolge führen.

Bei Planung, Konstruktion und Betrieb von BLK-Anlagen ist daher auf eine ausreichende Schaltschrankbelüftung – bei den häufig vorzufindenden Packungsdichten sicherlich Zwangsbelüftung – sowie auf genügend Abstand sowohl zwischen den Kondensatoren als auch zu wärmeren Bauelementen wie Wickelgütern oder Leistungshalbleitern zu achten (Abbildung 1). Die vom Kondensatorhersteller spezifizierten Parameter sind in jedem Falle einzuhalten.

ABBILDUNG 1: BLK-ANLAGE MIT OPTIMIERTEM THERMISCHEM DESIGN
Unverdrosselte BLK-Anlage, optimal dimensioniert

Schaltspiele für längere Lebensdauer

Starke Lastschwankungen ergeben eine hohe Anzahl an Schaltspielen, mit teilweise ungenügender Einschaltstromdämpfung. In Windkraftanlagen ergeben sich auf Grund der unsteten Windgeschwindigkeiten ständig wechselnde Leistungsverhältnisse. Dadurch ist auch die Phasenverschiebung und als Konsequenz daraus die benötigte kapazitive Blindleistung einer hohen Dynamik unterworfen. Mit der Folge, dass Kondensatoren häufig zu- und abgeschaltet werden müssen. Die Anzahl der Kondensatorschaltungen ist neben dem Anlagendesign stark vom Standort der Windkraftanlage und der Jahreszeit abhängig.

Idealerweise regelt die Software der Windkraftanlage die Kondensatoren so, dass alle gleich häufig geschaltet werden und im Mittel die gleiche Betriebszeit aufweisen. Diese Maßnahme allein reicht jedoch in der Regel nicht aus.

In konventionellen BLK- und Windkraftanlagen werden die Kondensatoren durch elektromechanische Schütze (vorzugsweise Kondensatorschütze mit Einschaltstromdämpfung) mit dem Netz verbunden. Beim Schalten von Wechselspannungskondensatoren, insbesondere beim parallelen Zuschalten zu bereits am Netz liegenden Kondensatoren, sowie bei erhöhten Netzkurzschlussleistungen wie in Windparks entstehen hohe Kondensatoreinschaltströme. Abhängig von der Wahl des Schützes und dem zufälligen Zuschaltzeitpunkt in Bezug auf den Augenblickswert der Sinushalbwelle (Worst Case bei Spitzenspannungswert) entstehen auf Grund der Formel I = C dV/dt Einschaltströme mit recht hohen Amplituden. Überhöhte Einschaltströme erzeugen auf Grund hoher elektrodynamischer Kräfte, speziell im Bereich der Kontaktierung der Elektroden, ein gesteigertes Stressmoment auf die Kondensatoren. Dies hat nicht nur Einfluss auf Aspekte der Netzqualität (Transienten oder Spannungseinbrüche) und die Lebensdauer der Schütze, sondern auch auf die Lebensdauer des Kondensators.

Die Lebensdauer von metallisierten Leistungskondensatoren wird durch die Anzahl der Schaltspiele begrenzt. Gemäß dem Kondensatorstandard nach IEC60831-1/2 soll die Anzahl der Schaltspiele 5.000 Schalthandlungen pro Jahr bei definierter Amplitude nicht überschreiten. Kondensatoren von EPCOS sind durchaus in der Lage, diese Werte zu überbieten. In der Praxis werden heute sogar mehr als 150.000 Schaltspiele erreicht.

Die Anzahl der Schaltspiele verkürzt die Lebensdauer der Kondensatoren nicht nur direkt, sondern auch indirekt. Kondensatorschütze mit Lebensdauererwartungen von spezifizierten Schaltspielen zwischen 100.000 und 200.000 Schalthandlungen verweigern auf Grund der hohen Schalthäufigkeit bereits nach ein bis zwei Jahren den Dienst. Typischerweise zeigen sie zum Ende ihrer Lebensdauer Schäden an der Einschaltstromdämpfung ebenso wie an den Kontakten im Hauptstromkreis. Gerade die fehlende Dämpfung führt zu einer Reduzierung der Lebensdauer des Kondensators. Verbrannte Hauptkontakte neigen zu Oszillationseffekten und unsauberem Schalten. Für die Kondensatoren bedeuten diese massiven Überbelastungen zudem Frühausfälle und unter gewissen Bedingungen auch ein Sicherheitsrisiko.

 ABBILDUNG 2: THYRISTOR-MODUL
Thyristor-Modul für sanftes Zuschalten von Leistungskondensatoren

Für derartig schnell wechselnde Lasten werden in Echtzeit reagierende Technologien benötigt. In dynamischen BLK-Anlagen ersetzen elektronische Schalter wie Thyristor-Module die langsamen elektromechanischen Schalter (Abbildung 2). Neben der Reaktionszeit ist auch die Lebensdauer ein wichtiger Vorteil, da die Thyristoren keine mechanische Abnutzung kennen. Durch den Wegfall der mechanischen Schütze wird zudem das Problem hoher Einschaltströme behoben (Abbildung 3). Thyristoren schalten die Kondensatoren sanft im Stromnulldurchgang und vermeiden damit die sonst erhöhten Einschaltströme, die Werte bis zum 200fachen Nennstrom annehmen können (Abbildung 4). Die Kosten für Thyristor-Module amortisieren sich innerhalb von zwei bis drei Jahren. Berücksichtigt man Kondensatorausfälle mit Brandfolge, verkürzt sich die Amortisationszeit weiter.

 ABBILDUNG 3: EINSCHALTSTROM MIT THYRISTOR-MODUL
Der untere Graph zeigt den Steuerimpuls, der obere Graph stellt den Laststrom des Thyristor-Moduls beziehungsweise des Leistungskondensators dar. Der sonst übliche Einschaltimpuls ist eliminiert. Ferner sind die schnelle Reaktionszeit und die Oberschwingungsverzerrung erkennbar.
 ABBILDUNG 4: EINSCHALTSTROM MIT SCHÜTZ

Diese Messung in einer Anlage zeigt einen Einschaltstromstoß mit einer Amplitude des 157fachen Nennstroms

Oberschwingungen als Gefahr für Leistungskondensatoren

Mit steigender Anzahl nicht linearer Verbraucher im industriellen, kommerziellen und auch privaten Bereich wird die Netzqualität zunehmend negativ beeinflusst: Es kommt zu einer Verunreinigung des Netzes mit Oberschwingungen. Netzrückwirkungen in Form von Oberschwingungen und mögliche Resonanzen des Kondensators stellen zusammen mit den Netzinduktivitäten ein mögliches Stresspotenzial für Bauelemente dar. Stimmen die Frequenzen vorhandener Oberschwingungsströme mit der Eigenresonanzfrequenz eines LC-Systems überein, kommt es zu einer Resonanz mit entsprechend starken Überströmen. Die Anregung durch Oberschwingungen kann dabei ausgelöst werden durch den Generator (Parallelresonanz) oder durch Oberschwingungsverzerrungen von der Mittelspannungsseite – beispielsweise verursacht durch andere Anlagen in einem Windpark (Reihenresonanz). Auch ohne Resonanz tritt eine zusätzliche Strombeaufschlagung und Erwärmung der Kondensatoren auf.

Im Bereich der Industrie werden heute fast ausschließlich verdrosselte BLK-Systeme eingesetzt. Bei verdrosselten Anlagen wird eine Filterkreisdrossel mit dem Kondensator in Reihe geschaltet. Diese LC-Kombination wird so ausgelegt, dass die Filterfrequenz unter der niedrigsten Oberschwingungsfrequenz liegt. Als Folge stellt die BLK-Anlage für alle Oberschwingungsfrequenzen eine induktive Last mit erhöhtem Widerstand dar. Durch die Verdrosselung werden Resonanzen vermieden und die Belastung der Kondensatoren in engen Grenzen klar definiert. Durch die Vermeidung von Resonanzanhebungen wird außerdem die Netzqualität verbessert. Die Reduzierung der Oberwellen wirkt sich ebenfalls positiv auf die Lebensdauer von anderen elektronischen und elektrischen Geräten aus. Ferner werden Wartungs- und Instandhaltungskosten gesenkt.

Da man in komplexen Netzstrukturen sowohl mit Parallelresonanzen (Oberschwingungsbelastung auf der Niederspannungsseite) als auch mit Serienresonanzen (Oberschwingungsbelastung auf der Mittelspannungs- oder Hochspannungsseite) rechnen muss, ist eine verdrosselte Kompensationsanlage in jedem Fall eine gute Lösung, um die Resonanzproblematik zu unterbinden.

Sicherheit hat Vorrang

Selbstheilende Leistungskondensatoren sind üblicherweise mit Überdruckabreißsicherungen ausgestattet, um am Ende ihrer Lebensdauer nach vielen Selbstheilungsvorgängen und dem damit steigenden internen Überdruck die Kondensatoren elektrisch vom Netz zu trennen. Diese Überdruckabreißsicherungen bedienen lediglich den Fall der Gasproduktion durch Regenerationsvorgänge infolge einer übermäßigen Überlastung oder wenn in Folge der Überlastung ein nicht selbstheilender Durchschlag initiiert wurde. Andere Schadensfälle wie Kurzschlüsse oder Ausfallszenarien des Bauelements, die keine Gasproduktion nach sich ziehen, werden durch die Überdruckabreißsicherung nicht abgefangen. Hierfür werden zusätzliche Schutzeinrichtungen benötigt. Wichtigstes Schutzelement ist eine direkt vorgelagerte NH-Sicherung für den Kurzschlussschutz. Bei der Auswahl der NH-Sicherung sind insbesondere folgende Kriterien zu beachten (siehe dazu auch IEC61818):

  • Nennspannung: Diese sollte immer eine Spannungsstufe höher als die Netzspannung gewählt werden, um im Fall eines Fehlers eine sichere Lichtbogenlöschung zu gewährleisten. Insbesondere in diesem Bereich findet man aber bei 690-V-Windkraftanlagen häufig Sicherungen mit einer Nennspannung von 690 V, was den Empfehlungen der IEC61818 widerspricht.
  • Nennstrom: Empfohlen wird der 1,6- bis 1,8fache Nennstrom.
  • I2t-Kennlinie: Die Energiemenge für die Auslösung der Sicherung muss unter dem unteren Grenzbereich der Berstenergie des Leistungskondensators und/oder nachgeschalteter Bauelemente liegen. Die Sicherung muss im Fall eines Fehlers auslösen, bevor die Energieaufnahme durch den Kondensator einen kritischen Bereich (Berstenergie) übersteigt.

Als weiteren Kondensatorschutz gibt es im Bereich der Mittelspannungs-BLK Kondensatorschutzrelais. Zusätzliche Schutzfunktionen dieser Bauelemente umfassen Erdschluss, Überstrom, Unsymmetrie, Unterstrom sowie Überspannung. Neben speziellen BLK-Kondensatoren bietet EPCOS eine Reihe von Produkten für die Blindleistungskompensation in Industrieanlagen und Privathaushalten und ist damit seit Jahren Weltmarktführer. Das Leistungsspektrum reicht von 0,8 kvar bis 56 kvar pro Kondensator bei Spannungen von 230 V bis 800 V. Außerdem  bietet die Produktpalette alle Schüsselbauelemente für eine erfolgreiche BLK: Blindleistungsregler, Multi-Meß-Interface, Filterkreisdrosseln, Kondensatorschütze und Thyristormodule – alle  sorgfältig aufeinander abgestimmt. Kombiniert mit der technischen Erfahrung der Mitarbeiter und Partner in der ganzen Welt, bietet EPCOS nicht nur einzelne Komponenten, sondern wirkliche Lösungen für die Energiequalität!

Autor:

Dr. Peter Goldstrass, Product Marketing Manager PFC

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