April 2014

Heavy-Duty-Kondensatoren für intelligente Stromzähler

Zuverlässig bei Hitze und Feuchte

Energieversorger nutzen immer öfter intelligente Zähler, um Zählerstände automatisch ablesen und das Energiemanagement zu optimieren. EPCOS X2-Kondensatoren der Heavy-Duty-Serie eignen sich für solche Zähler besonders gut, weil sie in rauen Umgebungen höchst zuverlässig sind und eine lange Lebensdauer haben.

Die automatische Zählerfernablesung (Automated Meter Reading, AMR) bietet Energieversorgungsunternehmen viele Vorteile: Unter anderem können die Kosten für Fahrten von Außendienstmitarbeitern eingespart werden, die sonst das regelmäßige, manuelle Vor-Ort-Ablesen erledigen müssen. Darüber hinaus helfen automatisch erfasste und damit stets verfügbare Daten Versorgungsunternehmen und Kunden, den Netzbetrieb bzw. den Stromverbrauch besser zusteuern.

Rund 40 Prozent aller Stromzähler weltweit sind außerhalb von Gebäuden installiert, wo sie einer hohen Luftfeuchte sowie extremen und schnell schwankenden Temperaturen ausgesetzt sind. Während bei konventionellen Stromzählern eine Installation im Freien wegen ihres einfachen elektromechanischen Aufbaus kaum Probleme bereitet, ist dies eine erheblich größere Herausforderung bei intelligenten Stromzählern. Sie nutzen eine kapazitive Stromversorgung, bei der das wichtigste Bauelement, der AC-Kondensator, in Reihe zur Phase geschaltet ist. Durch hohe Luftfeuchte und hohe Temperaturen kann sich die Kapazität dieser Kondensatoren erheblich verringern und ihre Lebensdauer beträchtlich verkürzen.

In der Vergangenheit wurden für diese Schaltungsanordnung Standard-Entstörkondensatoren mit Sicherheitszulassung (UL, ENEC) genutzt. Diese Bauelemente sind allerdings nicht auf die speziellen Anforderungen eines zuverlässigen Langzeitbetriebs eines Stromzählers zugeschnitten.

Neue Heavy-Duty-Baureihe

Die Herausforderung lag darin, einen Kondensator zu entwickeln, der unabhängig von klimatischen Bedingungen über mehrere Jahrzehnte extrem stabile Kapazitätswerte bietet. Genau diese Vorgaben erfüllt die EPCOS Heavy-Duty-Baureihe B3293* von AC-Folien-Kondensatoren. Sie bieten eine hohe Kapazitätsstabilität unter AC-Last und extremen Umgebungsbedingungen bei relativ kleinen Abmessungen und erfüllen gleichzeitig die Anforderungen der X2-Sicherheitsklasse.

Obwohl für kapazitive Stromversorgungen (Abbildung 1) sicherheitszertifizierte Kondensatoren nicht gefordert sind, werden dennoch X2-Entstörkondensatoren mit Zulassung nach IEC 60384-14 und UL 60384-14 von Kunden bevorzugt.

Abbildung 1: Schaltungsbeispiel mit X2-Kondensatoren

Während X2-Kondensatoren zur Entstörung parallel zur Stromleitung geschaltet werden (links), haben intelligente Stromzähler eine kapazitive Stromversorgung mit in Reihe geschaltetem Kondensator.

Aggressive Umgebungsbedingungen mit hoher Luftfeuchte und/oder relativ hohen Temperaturen können in Verbindung mit der Wechselspannung dazu führen, dass in den Elektroden zerstörerische Prozesse ausgelöst werden, die die metallisierten Ränder auflösen und zu einem Kapazitätsverlust führen (Abbildung 2).

Abbildung 2: Kunststofffolie mit beschädigten metallisierten Randzonen

Eine hohe Luftfeuchte und/oder hohe Temperaturen können in Verbindung mit Wechselspannung dazu führen, dass die metallisierten Folienränder beschädigt werden, wodurch es zu einem Kapazitätsverlust kommt. Die hellblau eingefärbte Fläche kennzeichnet den Bereich mit zerstörter Metallisierung.

Drei Risiken für Kondensatoren

Die drei großen Herausforderungen für Kondensatoren in intelligenten Stromzählern sind:

  • eine dauerhaft hohe Wechselspannung,
  • starke Temperaturschwankungen und
  • eine hohe Luftfeuchte.

Diese Betriebsbedingungen verkürzen bei konventionellen Kondensatoren die Lebensdauer erheblich. Deshalb war ein wichtiges Ziel bei der Entwicklung der AC-Folien-Kondensatoren der Heavy-Duty-Baureihe B3293*, eine lange Haltbarkeit und eine sehr geringe Kapazitätsänderung zu gewährleisten.

Lösung für hohe Wechselspannungen und Temperaturen

Um die Degradation der Elektroden durch die hohe Wechselspannung zu vermeiden, kommt bei der Baureihe B3293* ein alternierendes Metallisierungsmuster zum Einsatz. So entstehen im Prinzip zwei in Reihe geschaltete Kondensatoren. Infolgedessen wird die Wechselspannungsbelastung für den einzelnen Kondensator halbiert (Abbildung 3). Durch diesen wesentlich geringeren Stressfaktor verlangsamt sich der Auflösungsprozess der Elektroden erheblich. Darüber hinaus bietet dieses Design einen zusätzlichen Sicherheitsvorteil: Sollte in einem Kondensator ein Kurzschluss auftreten, bleibt der andere Kondensator davon unbeeinträchtigt und die Funktion der Stromversorgung ist weiterhin gewährleistet.

Abbildung 3: Metallisierungsmuster der Folie für die neue Heavy-Duty-Baureihe EPCOS B3293*

Innerer Aufbau der Heavy-Duty-Baureihe EPCOS B3293* mit zwei in Reihe geschalteten Kondensatoren. Durch diese Anordnung trägt jeder einzelne Kondensator nur die halbe Wechselspannungslast.

Metallisierte Folien-Kondensatoren sind eine sehr sichere Technologie, da sie selbstheilend sind – eventuelle Fehlerstellen werden beim Auftreten von Überspannungen weggebrannt. Nur diese Kondensatortechnologie erfüllt die Anforderungen an hohe Kapazitätswerte, hohe Spitzenspannungen, hohe Temperaturen (105 °C) und die X2-Sicherheitsklasse, die eine Überspannungsfestigkeit von bis zu 1000 V verlangt. Dank ihrer hohen Durchschlagfestigkeit kann bei der Heavy-Duty-Baureihe B3293* auf eine Überdimensionierung des Kondensators verzichtet werden.

Für die Mehrzahl der heute verwendeten Entstörkondensatoren der X2-Sicherheitsklasse kommt Polypropylen-Folie (PP) zum Einsatz. Die Baureihe B3293* basiert jedoch auf Polyesterfolie (PET). Die Dielektrizitätskonstante dieses Materials beträgt 3,3 und ist damit um 50 Prozent größer als bei PP. Zudem zeichnet sich PET durch eine größere Beständigkeit gegenüber hohen Temperaturen aus. Somit können Kondensatoren gefertigt werden, die für Betriebstemperaturen von bis zu 125 °C geeignet sind.

Beständig gegenüber hoher Luftfeuchte

Eine andere wesentliche Anforderung bestand darin, die Beständigkeit des Kondensators gegenüber hoher Luftfeuchte zu erhöhen. Um das Eindringen von Feuchtigkeit zu verhindern, werden für die Baureihe B3293* spezielle Materialien verwendet. Das gilt für das Gehäuse, die Harzfüllung sowie das aufgesprühte Metall zur Verbindung mit den Anschlüssen. Die wichtigste Verbesserung besteht darin, dass die Kunststofffolie nicht mehr mit Zink metallisiert wird. Dieses allgemein in X2- und AC-Kondensatoren eingesetzte Metall reagiert äußerst empfindlich auf Luftfeuchte und korrodiert sehr leicht. Ergänzend dazu wurde das Metallisierungsprofil der Folie der Baureihe B3293* optimiert, um deren Beständigkeit gegenüber Luftfeuchte weiter zu verbessern.

Diese Optimierungen ermöglichen mit der Baureihe B3293* Kondensatoren, die auch unter extremen Einsatzbedingungen eine sehr hohe Kapazitätsstabilität bieten und die äußerst strengen Anforderungen der Sicherheitsklasse X2 erfüllen.

Langzeitzuverlässigkeit in strengen Tests nachgewiesen

Unter Standardtestbedingungen (85 °C, 85 Prozent RH, 275 V AC) trat bei der Heavy-Duty-Baureihe B3293* nach 1000 Stunden eine Kapazitätsänderung von weniger als 2 Prozent auf. Demgegenüber kam es bei konventionellen X2-Kondensatoren nach nur 500 Stunden bereits zu einem Kapazitätsverlust von mehr als 10 Prozent (Abbildung 4). Diese Werte belegen die erheblich höhere Stabilität der neuen Kondensatorbaureihe. Weitere Tests unter gleichen Bedingungen ergaben, dass die Kapazitätsänderung selbst nach 2000 Stunden noch unter 2 Prozent bleibt.

Abbildung 4: Kapazitätsänderung der Heavy-Duty-Baureihe EPCOS B3293* im Vergleich zu konventionellen X2-Kondensatoren

Die Kapazität der Kondensatoren der Heavy-Duty-Baureihe EPCOS B3293* bleibt unter Standard-Testbedingungen (85 °C, 85 Prozent relative Luftfeuchte (RH), 275 V AC) auch nach 1000 Stunden äußerst stabil. Es tritt eine Kapazitätsdrift von weniger als 2 Prozent auf.

Auch in Dauertests wurde die Zuverlässigkeit dieser Baureihe nach den strengen Vorgaben der Norm IEC 60384-14 unter Berücksichtigung der von Smart Metern gestellten Anforderungen nachgewiesen. Die Norm IEC 60384-14 spezifiziert nach 1000 Stunden eine maximale Kapazitätsänderung von 10 Prozent bei der maximalen Temperatur der Klimakategorie und dem 1,25-fachen der Nennspannung. Unter diesen extremen Bedingungen liegt ein Kondensator der Heavy-Duty-Baureihe B3293* mit einer Kapazität von 2,2 µF deutlich unter dem zulässigen Kapazitätsänderungswert von 10 Prozent (Abbildung 5).

Abbildung 5: Dauertest-Ergebnisse der Heavy-Duty-Baureihe EPCOS B3293* unter extremen Einsatzbedingungen

Selbst bei höheren Temperaturen und Wechselspannungen (105 °C, 305 V AC) beträgt die Kapazitätsänderung der Heavy-Duty-Baureihe EPCOS B3293* weniger als 6 Prozent.

Mit der Heavy-Duty-Baureihe B3293* stehen jetzt neue AC-Folien-Kondensatoren für eine Nennspannung von 305 V AC und Temperaturen bis 105 °C bei Kapazitätswerten im Bereich von 47 nF bis 2,2 µF zur Verfügung. Bis zu dieser Kapazität übererfüllen diese Kondensatoren sogar die Vorgaben der Norm IEC 60384-14 für die X2-Sicherheitszertifizierung. Zudem werden diese Kondensatoren die ersten sein, die nach der neuen Norm UL 60384-14 zugelassen sind. Mit ihrer zuverlässigen Leistung bei hoher Luftfeuchte eignen sich die robusten Bauelemente für den Einsatz in der steigenden Anzahl von intelligenten Stromzählern. Weitere typische Anwendungen für die Baureihe B3293* sind Bewegungssensoren, Haushaltsgeräte, Rolltore und andere Produkte, die eine kostengünstige kapazitive Spannungsversorgung mit geringen Strömen erfordern.

Tabelle: Technische Daten der X2-Kondensatoren der Heavy-Duty-Baureihe EPCOS B3293*

Technologie

MKT-gewickelt, interne Reihenschaltung

Klimakategorie

40/105/56 (−40 °C/+105 °C/56 Tage Feuchte-Wärme-Test)

Passive Entflammbarkeit [Kategorie]

B

Kapazitätsbereich [µF]

0,047 bis 2,2 µF

Nennspannung [V AC]
(IEC 60384-14)

305 (50/60 Hz)

Max. Betriebstemperatur [°C]

105

Rastermaß [mm]

15 bis 37,5

Zulassungen (bis 2,2 µF)

IEC 60384-14 / EN 60384-14
UL 60384-14 (beantragt)

Feuchte-Wärme-Test

Temperatur [°C]

85 ±2

Relative Luftfeuchte (RH) [%]

85 ±2

Testdauer [h]

1000 / 2000

Spannungswert [V AC, 50 Hz]

240

Grenzwerte nach Feuchte-Wärme-Test

Kapazitätsänderung (ΔC/C) [%]

≤ 10

Verlustfaktoränderung (Δ tan δ)≤ 5 x 10-3 (bei 1 kHz)
Isolationswiderstand Rins [%]

≥ 50 vom Mindestwert oder
Zeitkonstante τ = CR x Rins

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