Aktueller Entwicklungsstand von Blindleistungskompensationsgeräten

Die in Kompensationsgeräten eingesetzten Niederspannungskondensatoren sind alle Metallkondensatoren. Metallkondensatoren sind kompakt, kosteneffizient und besitzen Selbstheileigenschaften, weshalb sie weit verbreitet sind.

Die Elektrodenplatten der Metallkondensatoren bestehen aus im Vakuum verdampften Aluminiumfolien mit nanometerskaliger Dicke. Aufgrund der extrem geringen Dicke der Aluminiumfolie verdampft bei lokalen Durchschlägen des Dielektrikums durch Defekte die umliegende Aluminiumfolie, wodurch Kurzschlussfehler vermieden werden. Dieses Phänomen wird Selbstheileffekt genannt.

Der Elektrodenanschlussprozess bei Metallisierkondensatoren umfasst das Aufsprühen einer metallischen leitenden Schicht auf beide Enden des Wicklerelements nach dem Wickeln, gefolgt vom Löten der Anschlussdrähte auf die leitende Schicht. Da der Elektrodenplattenstrom von der Mitte des Elements in Richtung beider Enden fließt, und die Aluminiumfolie der Elektrodenplatte äußerst dünn ist, entstehen vergleichsweise hohe ohmsche Verluste. Daher ist es wünschenswert, das Wicklerelement in einer kurzen und dicken Form zu wickeln, um die ohmschen Verluste zu minimieren. Umgekehrt hat die äußerst dünne Aluminiumfolie der Elektrodenplatte jedoch nur eine begrenzte mechanische Festigkeit, sodass zwischen der Endleiterschicht und der Elektrodenplatte keine feste Verbindung hergestellt werden kann. Wenn das Wicklerelement aufgrund von Erwärmung ungleichmäßig verformt wird, kommt es leicht zu lokalen Ablösungen zwischen der Endleiterschicht und der Elektrodenplatte, was zu Störungen führt. Aus diesem Blickwinkel ist es vorteilhaft, das Wicklerelement in schlanker Form zu wickeln.

Metallisierter Leistungskondensatoren haben zwei Bauformen: rechteckig und zylindrisch. Die Kernbauteile in rechteckigen Kondensatoren sind schlank und parallel angeordnet, wodurch sie für allgemeine Anwendungen geeignet sind. Die Kernbauteile in zylindrischen Kondensatoren sind kurz und dick, in Serie geschaltet, wodurch sie für Umgebungen mit starken Harmonischen geeignet sind.

Das Hauptproblem bei der Anwendung von Metallisierkondensatoren ist ein Kapazitätsverlust. Alle Metallisierkondensatoren weisen im Laufe der Zeit eine Abnahme der Kapazität auf, verursacht durch den Selbstheilungsprozess, wobei das Ausmaß variiert. Einige Kondensatoren minderer Qualität können zudem Defekte aufweisen, bei denen die leitende Schicht am Ende sich von der Elektrodenplatte löst, was zu Kapazitätsverlusten auf die Hälfte, ein Drittel oder sogar auf null des Nennwerts führt. Bei Kondensatoren derselben Marke gilt: Je größer die Kapazität einer Einheit, desto länger ist das Kern-Element und desto dicker ist dessen Durchmesser. Ein längeres Element führt zu höheren ohmschen Verlusten, während ein dickeres Element eine größere leitende Schichtfläche auf der Stirnseite verursacht und eine höhere Temperaturdifferenz zwischen Innen- und Außenteil des Elements entsteht, wodurch die leitende Schicht anfälliger für eine Ablösung von der Elektrodenplatte ist. Daher ist die Verwendung eines einzelnen Kondensators mit großer Kapazität weniger zuverlässig als der Einsatz mehrerer kleinerer Kondensatoren in Parallelschaltung. Metallisierkondensatoren weisen weniger Kurzschluss- und Explosionsausfälle auf.

Die ersten Blindleistungskompensationsregler basierten auf der Leistungsfaktorregelung; diese Regler werden auch heute noch aufgrund ihrer geringen Kosten eingesetzt. Allerdings führt die Regelung anhand des Leistungsfaktors zu dem Problem der Schwachlastschwingung. Beispiel: Bei einer Kompensationsvorrichtung beträgt die kleinste Kapazitätsbewertung des Kondensators 10 Kvar, die induktive Blindleistung der Last beträgt 5 Kvar und der Leistungsfaktor ist um 0,5 verzögert. In diesem Fall führt das Einschalten eines Kondensators dazu, dass der Leistungsfaktor um 0,5 voreilt; das Ausschalten des Kondensators führt dazu, dass der Leistungsfaktor wieder um 0,5 nachläuft. Folglich wird der Schwingungsvorgang unendlich lange fortgesetzt.

Moderne Blindleistungsregler arbeiten auf Grundlage der Blindleistung und benötigen daher eine Einstellfunktion, die es ermöglicht, die Kapazitätsbewertung innerhalb der Kompensationsvorrichtung zu konfigurieren. Dadurch kann die kapazitive Schaltung entsprechend der Blindleistung der Last erfolgen, wodurch das Phänomen der Schwachlastschwingung unterbunden wird.

Mit fortschreitender technologischer Entwicklung haben sich die zusätzlichen Funktionen von Blindleistungskompensationsreglern zunehmend erweitert, einschließlich Datenspeicherung, Datenkommunikation, Harmonischenmessung, Leistungsmessung und vieles mehr. Die Steuerungskomponenten haben sich von anfänglichen kleinskaligen integrierten Schaltungen hin zu 8-Bit-Mikrocontrollern weiterentwickelt, danach zu 16-Bit-Mikrocontrollern, gefolgt von 16-Bit-DSPs und schließlich zu 32-Bit-Mikrocontrollern. Derzeit ist der Preis für 32-Bit-Mikrocontroller auf unter 30 Yuan pro Stück gesunken und hat somit nur noch eine geringe Auswirkung auf die Hardwarekosten der Regler. Ihre Leistung übertrifft die von 8-Bit-Mikrocontrollern um mehr als das 100-fache. Die Hauptbarriere für eine breite Anwendung ist die hohe technische Entwicklungscomplexität.

Mit der ständigen Verbreitung von Blindleistungskompensationsgeräten hat die Integration dieser Kompensationsgeräte mit anderen Anlagen eine unvermeidliche Entwicklungstendenz erfahren. Beispielsweise die Integration von Kompensationsgeräten mit Zählerschränken, Schalterschränken und ähnlicher Ausrüstung. Integrierte Geräte können Kosten senken, Platz sparen, Verkabelung reduzieren und den Wartungsaufwand verringern. Konstruktion und Fertigung integrierter Geräte stellen keine technischen Herausforderungen dar; aufgrund fehlender einheitlicher Standards können Hersteller jedoch nur auftragsbezogen produzieren.