Ist jede batterie mit filtern gültig, um blindleistung in netzen mit oberschwingungen auszugleichen?

Die Besonderheit der Kompensation von Blindleistung in Netzen, die sowohl in Bezug auf Spannung als auch in Bezug auf Strom erhebliche harmonische Verzerrungen aufweisen, wird von den Verantwortlichen für die Verschreibung der Kondensatorbänke, die für jede elektrische Installation geeignet sind, immer deutlicher.

Im Allgemeinen nehmen die meisten Hersteller von automatischen Kompensationsanlagen Geräte in ihren Katalog auf, die für den Einsatz in Netzen mit harmonischen Verzerrungen eines bestimmten Pegels ausgelegt sind. Insbesondere CIRCUTOR bietet ein komplettes Sortiment an automatischen Kompensationsanlagen mit Schütz- und Thyristorbetrieb sowie festen Kompensationsgruppen mit Sperrfiltern (auch Verstimmungsfilter genannt) mit einer Abstimmung von 189 Hz (in 50 Hz Netzen), entsprechend einem Überspannungsfaktor von p = 7%.

Diese Einstellung von 189 Hz ist der von CIRCUTOR gewählte Standard, da er eine angemessene und effektive Lösung für die große Mehrheit der Installationen bietet, bei denen eine Batterie mit Sperrfiltern erforderlich ist, die für Oberschwingungen der Ordnung 5 (250 Hz) geeignet ist in Netzen mit 50 Hz) oder höher, die normalerweise durch die häufigsten Quellen von Oberschwingungsströmen erzeugt werden, d.h. dreiphasige Lasten, die an ihrem Eingang mit einer 6-Puls Gleichrichterbrücke ausgestattet sind: Drehzahl- oder Frequenzregler, AC/DC-Gleichrichter, Induktionsöfen, ....

Für den weitaus selteneren Fall mit Vorherrschen von Oberschwingungen der Ordnung 3 (150 Hz in 50-Hz Netzen) ist der Einbau von auf 134 Hz abgestimmten Sperrfiltern optional möglich (Überspannungsfaktor von p = 14%).

• Bedeutet diese Standarisierung dann bei der 189-Hz-Resonanzfrequenz, dass die Wahl der Kondensatorbank einfach durch Auswahl der benötigten Leistung zwischen den Standardmodellen erfolgen sollte?
  Die Antwort lautet einfach: Nein.

• Gibt es dann einen Fehler, wenn Sie diese Frequenz von 189 Hz als Standard gewählt haben?
  Die Antwort lautet wiedermal einfach: Nein.

Die Beantwortung dieser Frage erfordert eine kurze Überprüfung der Funktionsweise der Sperrfilter. Betrachten wir den Impedanz-Frequenz Graphen einer mit p = 7% eingestellten Reaktanz-Kondensator Reihe (Abb. 1), wir sehen, dass es die niedrigste Impedanz bei 189 Hz bietet und die Impedanz auf beiden Seiten allmählich ansteigt, mit der Besonderheit, dass die Impedanz bei Frequenzen unter 189 Hz kapazitiv und für höhere Frequenzen induktiv ist.

"Es ist genau dieser induktive Charakter vor den Oberschwingungsfrequenzen der Ordnung 5 oder höher, der das Auftreten eines Resonanzphänomens bei jeder dieser Frequenzen vermeidet."

Es ist aber auch ein Schlüsselparameter für die korrekte Funktion des Sperrfilters, der Wert dieser Impedanz bei den verschiedenen Oberschwingungsfrequenzen sowie der Wert der Kurzschlussimpedanz am Verbindungspunkt der Batterie zum Netz (Xcc in PCC).

Abb. 1 Frequenzgang eines Sperrfilters mit p = 7% (189 Hz)

In einem Netz, das mit einem Sperrfilter ausgestattet ist, mit einem einadrigen Diagramm äquivalent zur Darstellung in Abb. 2, ist es üblich, dass die Kurzschlussimpedanz (Xcc) am Verbindungspunkt der Batterie zum Netz (PCC) signifikant niedriger ist als die Impedanz jeder Stufe der Kondensatorbank, sodass die Absorption, durch die für jeden Schritt der durch das Netz fließenden Oberschwingungsströme im Vergleich, zu dem relativ niedrigen sein muss, der in Richtung des Netzes fließt, da dies der Pfad mit der geringsten Impedanz ist.

Die Situation kann sich jedoch bei Netzen ändern, in denen der Xcc-Wert hoch ist, d.h. bei Netzen, in denen die Kurzschlussleistung (Scc) in der PCC niedrig ist. Diese Art von Netzen werden auch als weiche Netze bezeichnet.

Abb. 2 Einadriges Diagramm und äquivalente Darstellung einer mit einem Sperrfilter ausgestatteten Anlage

Installationen, die für diese Situation anfällig sein können, sind solche, bei denen die Kurzschlussleistung im Hochspannungsverteilungsnetz zum Zeitpunkt der Kopplung des Niederspannungsnetzes niedrig ist, oder sie werden von einem Leistungstransformator mit einem Wert versorgt des Faktors K (Oberschwingungs-Überlastungsfaktor) ist standardmäßig nicht für den Oberschwingungsgehalt der von ihm versorgten Lasten geeignet, oder es gibt lange Kabelstrecken zwischen dem Transformatorausgang und dem PCC von der Batterie zum Netz, was eine hohe Impedanz in diesem Abschnitt einbezieht.

In diesen Fällen tritt am häufigsten ein Anstieg der Oberschwingungsströme auf, die durch die Stufen der Kondensatorbank absorbiert werden. Diese Erhöhung kann in einigen Fällen sehr wichtig sein, die Kondensatoren und Reaktanzen, aus denen jeder Sperrfilter besteht, stark zu überlasten und insbesondere bei Kondensatoren deren Verschlechterung beschleunigen, normalerweise in Form einer Verringerung der Kapazität. Diese Abnahme der Kapazität erhöht sogar die Absorption von Oberschwingungsströmen, wie es sich aus der Formel zur Bestimmung der Resonanzfrequenz gefolgert werden kann (Abb. 1) eine Verringerung der Kapazität bedeutet eine Erhöhung der Frequenzabstimmung, sodass diese noch näher an den im Netz vorhandenen Oberschwingungsfrequenzen liegt (denken Sie daran, dass diese im Allgemeinen in der Größenordnung von 5 liegen), wodurch die Impedanz verringert wird auf diese Frequenz und folglich Erhöhen des Stromverbrauchs dieser Anordnung. Mit anderen Worten gesagt, der verstimmte Filter hat ein ähnliches Verhalten wie ein abgestimmter Filter oder ein Absorptionsfilter.

Da er jedoch nicht für eine solche Verwendung ausgelegt ist, wird seine Kapazität überschritten, was seine Verschlechterung verursacht.

Hinzu kommt, dass Netze mit niedrigen Scc-Werten dazu neigen, im Falle eines starken Umlaufs von Oberschwingungsströmen ein hohes Maß an harmonischen Verzerrung (THD (U)) zu zeigen, was ein weiteres Element voraussetzt, dass zur Erhöhung des von den Kondensatoren aufgenommenen Oberschwingungsstroms beiträgt.

Kurz gesagt, eine Lösung, mit der verhindert werden soll, dass eine Kondensatorbank installiert wird, die sich auf das Netz auswirkt und wiederum durch das Vorhandensein von Oberschwingungen im Netz beeinträchtigt, folglich zweifellos problematisch, sowohl auf technischer als auch auf kommerzieller Ebene.

Welche Option können wir zum Zeitpunkt des Vorschlags zum Blindleistungsausgleich mittels einer Batterie mit Sperrfiltern in dieser Art von Anlagen in Betracht ziehen?

Der erste Punkt wäre natürlich zu bestimmen, ob die zu ausgleichenden Anlagen dem dargelegtem Typ entspricht oder nicht, d.h. ein weiches Netz. Leider gibt es keine unfehlbare und einfache Methode, aber es gibt eine Reihe von Bedingungen, die uns zu einer einigermaßen erfolgreichen Entscheidung verhelfen können. Die wichtigsten sind im Folgenden genannt:

• Der Wert der Spannung zwischen leer (ohne Last) und Volllastbedingungen nimmt merklich ab und der Grad der harmonischen Verzerrung des Stroms (THD (I)) beträgt unter Volllastbedingungen mehr als 15%.
• Der Pegel der harmonischen Verzerrung in der Spannung (THD (U)) an dem Punkt, an dem die Kondensatorbank angeschlossen wird, ist unter Vakuumbedingungen der Anlage größer als 3%.
• Der Pegel der harmonischen Verzerrung in der Spannung (THD (U)) an dem Punkt, an dem die Kondensatorbank angeschlossen wird, ist unter normalen Lastbedingungen der Anlage größer als 6%.

Für den Fall, dass eine oder mehrere der oben genannten Situationen sich ergeben, ist es sehr ratsam, eine Kondensatorbank vorzuschreiben, die mit Sperrfiltern ausgestattet ist, deren Abstimmung von der Standardeinstellung von 189 Hz abweicht (dies wird natürlich immer vorausgesetzt in Netzen mit Oberschwingungen in der Größenordnung von 5 oder höher).

Welche Abstimmung wird dann empfohlen?

CIRCUTOR schlägt für diese Fälle eine Abstimmung auf einen Wert von 170 Hz vor, der p = 8,7% entspricht und der Kondensatorbank einen hohen Schutz verleiht, wenn sie in Netzen des oben genannten Typs installiert werden.

Was erhalten wir durch diese Änderung der Abstimmung?

Erinnern wir uns an das Diagramm des Frequenzgangs eines Sperrfilters (Abb. 1) wird beobachtet, dass durch Verringern der Resonanzfrequenz die Impedanz, die der Filter für Oberschwingungen der Ordnung 5 oder höher aufweist, erhöht wird, weshalb wir die Möglichkeit eines hohen Verbrauchs der Oberschwingungsströme signifikant verringern. Diese Änderung der Einstellung geht außerdem mit der Verwendung von Spannungskondensatoren einher, deren Nennspannung höher ist als die in den Standardfiltern mit p = 7% und deren Blindwiderstand mit einem Induktivitätswert (mH) ebenfalls höher ist als die Standardfilter. All dies führt zu einer Kondensatorbank, die mit p = 7% wesentlich robuster ist als ihre analoge Leistung.

Das Folgende ist ein realer Fall, in dem die Verwendung von zwei Sperrfilterbatterien mit Thyristorbetrieb und Reaktanzkondensatorsätzen, die auf 170 Hz abgestimmt sind, eine perfekte Kompensation des Netzes ermöglicht und außerdem scheinbar die Versorgungsqualität (Spannungsqualität) in diesem Netz verbessert hat.

Die Installation entspricht einer Standseilbahn in der Stadt Barcelona, deren vereinfachtes einadriges Diagramm dargestellt ist in Abb. 3.

Abb. 3 Vereinfachtes einadriges Diagramm der Installation einer Standseilbahn in der Stadt Barcelona

Abb. 4 Installation der Standseilbahn. Die Kondensatorbank ist auf dem Foto links zu sehen.

Diese Art von Einrichtung weist eindeutig eine Symptomatik auf, die der beschriebenen ähnelt, um festzustellen, ob sie für den Fall, dass eine Kondensatorbank mit herkömmlichen Sperrfiltern installiert wird, problematisch ist oder nicht, da sie sich normalerweise weit entfernt von der Hochspannungsstation befindet. Sie versorgt sie mit einem Abstand zwischen dem MV / LV-Transformator und der Hauptlast, in diesem Fall dem Leistungsumrichter und dem Antriebsmotor, üblicherweise mehrere Meter, und mit der Existenz eines Leistungsumrichter, der genau den Grad der harmonischen Verzerrung im Strom ziemlich hoch verursacht.

Die Abb. 5 zeigt die Entwicklung der Wirkleistungen und der induktiven Blindleistung (Integrationsdauer von 1 s) in einem der beiden Transformatoren der Anlage. Die Kondensatorbank, die einem CIRCUTOR-Gerät mit Thyristor-Betrieb von 6 x 55 kvar / 500 V / 50 Hz / p = 8,7% entspricht, ist abgeschaltet.

Abb. 5 Entwicklung der erzeugten dreiphasigen Wirkleistung (rot), der verbrauchten dreiphasigen Wirkleistung (grün) und der verbrauchten induktiven Blindleistung (lila und blau)

Die Abb. 6 zeigt deutlich den Einfluss des Wertes des vom Transformator gelieferten Stroms auf die Netzspannung, ein weiteres deutliches Symptom des weichen Netzes.

Abb. 6 Entwicklung der Spannung zwischen den Phasen L1 und L2 (blau) und der Stromstärke in L1 (grün) am Punkt A

Die Abb. 7 zeigt die Entwicklung der gesamten harmonischen Spannungsverzerrung THD (U), die zu Zeiten eines höheren Stromverbrauchs durch den Leistungsumrichter signifikant hoch ist.

Abb. 7 Entwicklung der harmonischen Verzerrung der Spannung pro Phase am Punkt A

Abb. 8 Wellenformen von Spannung und Strom bei maximalem Stromverbrauch des Umrichters

Die Abb. 9 zeigt die Entwicklung der Wirkleistungen und der induktiven Blindleistungen (Integrationsdauer von 1 s) in einem der beiden Transformatoren der Anlage. Die Kondensatorbank ist bereits in Betrieb.

Abb. 9 Entwicklung der erzeugten dreiphasigen Wirkleistung (rot), der verbrauchten dreiphasigen Wirkleistung (grün) und der verbrauchten induktiven Blindleistung (lila und blau)

Die Abb. 10 zeigt, wie die Verringerung des Stromwerts, den der Transformator liefern muss, die Schwankungen der Spannung im Netz sehr empfindlich verringert, wodurch die Versorgungsqualität verbessert wird.

Abb. 10 Entwicklung der Spannung zwischen den Phasen L1 und L2 (blau) und der Stromstärke in L1 (grün) am Punkt A

Die Abb. 11 zeigt die Entwicklung der gesamten harmonischen Spannungsverzerrung THD (U), wenn die Blindleistungskompensationseinrichtung in Betrieb ist. Vergleich dieser Werte mit denen von Abb. 7, ist eine merkliche Verringerung der harmonischen Verzerrungsraten in der Spannung zu beobachten (ungefähr 40% für die Maximalwerte). Der Anschluss der Batterie hat eine doppelte reduzierende Wirkung auf diese Raten, eine Wirkung, die durch die Absorption eines bestimmten Prozentsatzes des vom Wandler durch die Kondensatoren erzeugten Oberschwingungsstroms verursacht wird (in diesem Fall ohne dies zu gefährden, da es sich um eine verstärkte Ausrüstung für diese Situation handelt), die Verringerung des zwischen dem Ausgang des Leistungstransformators und dem PCC fließenden Stroms, wodurch der Oberwellen Spannungsabfall in diesem Kabel erheblich verringert wird und die internen Verluste im Transformator verringert werden. Kurz gesagt, die Qualität der Netzspannung verbessert sich, obwohl sie immer noch stark verzerrt ist, auf erträglichere Werte, was zu einer deutlichen Verbesserung der Qualität der Stromversorgung in der Anlage führt, wodurch das Risiko von Gerätestörungen minimiert wird.

Abb. 11 Entwicklung der harmonischen Verzerrung der Spannung pro Phase am Punkt A