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Auswahl der Kondensatorbatterien

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Wenn die wirtschaftlichste Lösung kostspielig wird

Jeder Techniker mit minimalen elektrischen Kenntnissen ist in der Lage, die Blindstromkompensation zu bestimmen oder zu berechnen. In der Regel erfolgt dies mithilfe «einer einzigen Stromrechnung». Wir betonen hier «eine einzige Stromrechnung», da an diesem Punkt eine Reihe von Fehlern entstehen kann, die leider immer häufiger mit wirtschaftlichen Verlusten einhergehen, die die Kosten für eine ordnungsgemäße Bestimmung einer Kondensatorbatterie bei Weitem übersteigen.

Die Berechnung der zu kompensierenden Blindleistung anhand der Stromrechnungen bietet uns einen ziemlich verlässlichen Näherungswert für die Größenordnung und kann so als Grundlage für weitere Maßnahmen verwendet werden. In diesen Fällen sollte sichergestellt werden, dass die Berechnungen anhand der größtmöglichen Anzahl von Rechnungen erfolgen, da zeitlich begrenzte Einflüsse auftreten können, die nicht berücksichtigt werden sollten (Beispiel: Bürogebäude und Hotels, die im Sommer ganz unterschiedliche Verbräuche aufweisen).

Wie oben erwähnt, muss dies unsere Grundlage für weitere Maßnahmen sein, doch sollten weitere Faktoren berücksichtigt werden, die nicht aus der Stromrechnung hervorgehen und für eine korrekte Kompensation der Blindleistung zwingend erforderlich sind:

  • Geschwindigkeit der Bedarfsschwankungen.
  • Symmetrie des Systems.
  • Niveau der Oberschwingungsverzerrung.

Wir konzentrieren uns hier auf den letzten Faktor, da immer häufiger Netze mit harmonischer Verzerrung anzutreffen sind.

Für eine induktive Blindstromkompensation ist die Installierung einer parallel geschalteten Kondensatorbatterie logisch, um diese Energie abzuschwächen und die Scheinleistung (kVA) an die Wirkleistung (kW) anzugleichen, die tatsächlich zur Verrichtung nützlicher Arbeiten verwendet wird. Dieses überaus einfache Grundprinzip lässt sich als Parallelschaltung zwischen einer Induktivität (L – Wandler und Netz) und einer Kapazität (C – Kondensatorbatterie) zusammenfassen.

esquema y curva de resonancia

Bei einer genaueren Betrachtung des Frequenzverhaltens dieses Systems würden wir feststellen, dass die Anlage bei einer Frequenz fR eine wesentlich höhere Impedanz aufweist als im normalen Zustand.

Wie bereits erwähnt, sind heute immer häufiger Anlagen mit nichtlinearen Lasten anzutreffen, die eine erhöhte harmonische Verzerrung des Stroms und gleichzeitig auch der Spannung zur Folge haben.

Arten der Lasten   

1. Gleichrichter
2. Lichtbogenschweißgeräte
3. Drehzahlregler
4. USV
5. Entladungslampen
6. Computer

Das Auftreten von Strömen, deren Frequenz höher ist als die Grundfrequenz von 50 oder 60 Hz, bewirkt, dass die oben beschriebenen Resonanzbedingungen erfüllt werden können. Dies wirkt sich vor allem aus auf:

  • Verstärkung der Spannungsverzerrung der gesamten Anlage (kann empfindliche elektrische Geräte und Elemente stören)
  • Höhere Stromabsorption und folglich übermäßige Erhitzung der Kondensatoren, was ihre Leistung und Lebensdauer beeinträchtigt und in einigen Fällen zur vollständigen Zerstörung der Kondensatoren führen kann.

Nachdem wir alle diese Argumente und Effekte aufgeführt haben, möchten wir sie anhand eines realen Beispiels veranschaulichen.

Anlage mit Standort in Spanien, eingesetzt im Hüttenwesen (Bearbeitung von Metallteilen). Diese Anlage umfasst einen Stromwandler mit 1000 kVA, verschiedene Verteilerschalttafeln mit Rotationsmaschinen (Drehmaschinen, Förderbänder, Hubwerke usw.) und Geschäftsräumlichkeiten (Büros, Versandlager, Umkleideräume usw.).

Nachdem der leitende Wartungstechniker des Unternehmens beträchtliche Mehrkosten für Blindleistungsverbrauch festgestellt hatte, berechnet er anhand «einer» Stromrechnung die zu installierende Kondensatorbatterie, ohne dabei andere Faktoren zu berücksichtigen.

Er entschied sich für die Anschaffung einer herkömmlichen Kondensatorbatterie mit Schützschaltung von 150 kvar.

Einige Wochen nach ihrem Einbau wurde an der Kondensatorbatterie Rauchaustritt festgestellt, was die Zerstörung von zwei Kondensatoren und die Auslösung eines Alarms der betroffenen Arbeitsstätte zur Folge hatte. Die Kondensatoren wurden eine Woche später ersetzt und nach kurzer Zeit trat wieder der gleiche Effekt auf. Diesmal zusammen mit der Auslösung mehrerer Schutzschalter der kleineren Verteilerschalttafeln wie etwa in Umkleideräumen, an Hilfsmaschinen und im Versandlager. Die beschädigten Kondensatoren wurden erneut ersetzt. Diesmal durch stärkere 460 V Kondensatoren, was allerdings erfolglos blieb, da sich der Vorgang wiederholte. Schließlich entschied man sich für das Abschalten der Kondensatorbatterie und damit letztlich wieder zur Zahlung der Zuschläge für Blindstrom.

Der Wartungstechniker des Unternehmens beauftragte CIRCUTOR als Marktführer in Blindstromkompensation mit der Überprüfung dieser Kondensatorbatterie. Es wurden einige einfache Messungen an der Hauptschalttafel der Anlage vorgenommen. Dabei handelt es sich um einfache Messungen ohne die angeschlossene Kondensatorbatterie und mit dieser (stets bei Anlage unter Last).

Esquema de THD (U)% y THD (I)% indicando con y sin batería conectada
Schema THD (U)% und THD (I)%, Angabe mit und ohne Anschluss der Batterie

Obwohl die Anlage einen relativ geringen Verzerrungsgrad des Stroms (7-8 % THDI% bei XX A) aufwies, war die Verzerrung der Spannung nicht unerheblich (3,3 % THDV%). Nach eigener empirischer Erfahrung liegt das Risiko, dass eine Anlage in Resonanz gerät, bei 15 % THDI% und 2 % THDV% (es gibt diesbezüglich keine besonderen Bestimmungen).

Bei der manuellen Überprüfung der Kondensatoren konnte ein erheblicher Anstieg der THDV% festgestellt werden. Dies ist ein eindeutiger Hinweis dafür, dass eine Parallelresonanz erzeugt wird. Bei vollständig eingeschalteter Batterie wurden unter Vollast im Werk Werte von 80 % THDI% und 23 % THDV% erreicht. Zum Vergleich sei erwähnt, dass der Grenzwert für die Qualität der Versorgungsspannung (UNE EN-50160) 8 % beträgt. 

Sin batería conectada

Ohne angeschlossene Batterie

Con batería conectada

Mit angeschlossener Batterie

Abschließend nahmen wir eine Schätzung der durch diese Falschinstallation verursachten Kosten vort:

KONZEPT Anz. BETRAG
Herkömmliche Batterie 150 kvar 1 4400 €
Austausch der Kondensatoren 400 V 9 3056,50 €
Austausch der Kondensatoren 460 V 6 2474 €
Arbeitsaufwand (geschätzte Kosten 20 €/h) 19 380 €
Ausfälle Fertigung und Versand (geschätzte Kosten 2500 €/h) 2,5 6250 €
Zuschlag für Blindleistung (durchschnittliche monatliche Kosten 958 €/Monat) 2 1916 €
Verdrosselte Kondensatorbatterie Typ FR 1 12285 €
GESAMTKOSTEN   30761,50 €

Hier wird deutlich, dass eine scheinbar billigere Lösung letztendlich zu wesentlich höheren Kosten führte. Hätte man sich stattdessen von vornherein für eine korrekte technische Lösung mit einer verdrosselten Batterie des Typs FR entschieden, wäre eine Kosteneinsparung von praktisch rund 60 % möglich gewesen.

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Francesc Fornieles Castells
ffornieles@circutor.es
Responsable de Mercados - División Calidad de Red
Markets Manager - Power Quality Division

 

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