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Smart Grid Wie sich Spannungsschwankungen mit Keramik-Kondensatoren vermeiden lassen

| Redakteur: Thomas Kuther

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

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Die als Stromsensoren in intelligenten Lasttrennschaltern eingesetzten Keramikkondensatoren müssen höchsten Ansprüchen genügen
Die als Stromsensoren in intelligenten Lasttrennschaltern eingesetzten Keramikkondensatoren müssen höchsten Ansprüchen genügen
(Bild: Christoph Jehle)

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.

Unzuverlässiger Strom aus Wind und Sonne

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.

Schlüsselkomponenten in solchen Lasttrennschaltern sind als kapazitive Spannungsteiler eingesetzte Hochspannungs-Keramik-Kondensatoren, wie sie TDK entwickelt hat.

Stabile Leistung über einen breiten Temperaturbereich

Um Spannungsschwankungen im Netz mit hoher Genauigkeit zu erkennen, dürfen die elektrischen Eigenschaften der in den Lasttrennschaltern eingesetzten Hochspannungskondensatoren nicht von der Umgebungstemperatur und den Spannungspegeln beeinflusst werden. Der Hochspannungskondensator muss bei Temperaturen von –20 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 jedes Schalters der Dreiphasenleitung passen.

Das Bild zeigt die Basiskonfiguration eines Spannungssensors. Die Schaltung des Sensors besteht aus einem Hochspannungskondensator und einem parallel angeschlossenen Niederspannungskondensator.

Hohe Leitfähigkeit und stabile Temperaturkennwerte

Auf Grundlage des Designs der Keramik-Kondensatoren der FD-Serie von TDK 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. So lassen sich besonders kompakte Kondensatoren realisieren, wie sie für die Installation in intelligenten Lasttrennschaltern nötig sind.

Langlebige und robuste Keramik-Kondensatoren

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 sichergestellt sind. 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.

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