Elektrotechnik
Blindleistungskompensation als Betätigungsfeld des Handwerks
ep11/2002, 4 Seiten
Energietechnik Elektropraktiker, Berlin 56 (2002) 7 921 1 Blindleistungskompensation zur Energiekosteneinsparung Die „angestammten“ EVU sind aufgrund der Liberalisierung dem freien Spiel des Stromwettbewerbs ausgesetzt. Für sie und für die neuen Stromanbieter bedeutet dies auch, schnell und wirksam Ansätze für die Kundenbindung und -gewinnung zu entwickeln. Die Blindleistungskompensation wird schon seit Jahren bei EVU-Geschäftskunden (Gewerbe- und Industriekunden) mit Erfolg eingesetzt. Kompensationskondensatoren werden hier installiert, um · die Blindstromkosten, die von den (meisten) EVU berechnet werden, einzusparen · elektrische Einrichtungen wie Leitungen, Schaltorgane, Transformatoren, Generatoren vom Blindstrom zu entlasten · im günstigsten Fall Kosten für eine neue Zuleitung oder die Anschaffung eines neuen Transformators einzusparen · den eigenen Generator wirtschaftlicher auszunutzen [1]. In der Regel wird beim EVU-Sondervertragskunden ein Blindverbrauchszähler installiert, über den der Blindverbrauch erfasst wird. Entsprechend der Strompreisregel zum Vertrag über die Lieferung elektrischer Energie aus dem EVU-Netz wird von den meisten Versorgungsunternehmen in Deutschland die Einhaltung eines Grundschwingungsleistungsfaktors cos = 0,9 (Freigrenze) gefordert. Als Freigrenze gelten bei der Blindarbeit (kvarh) 48 % der in der gleichen Zeit abgenommenen Wirkarbeit (kWh). Die über die Freigrenze hinausgehende gelieferte Blindarbeit (cos < 0,9) wird dem Kunden in Rechnung gestellt. Berechnungsbeispiel. Hierbei handelt es sich um eine größere Gewerbeanlage (Sondervertragskunde); die Ausgangsdaten wurden der EVU-Monatsstromrechnung entnommen: Wirkstromverbrauch (WP): 200000 kWh Blindenergieverbrauch (WQ): 159750 kvarh Wirkleistung (P): 480 kW Rechengang: Freigrenze der Blindarbeit: 48 % aus 200000 kWh = 96000 kvarh zu kompensierende Blindarbeit: 159750 kvarh - 96000 kvarh = 63750 kvarh Ermittlung der Kondensatorleistung: QC = P(tan 1 - tan 2) Vorhandener Grundschwingungsleistungsfaktor: tan 1 = WQ/WP = 0,8; cos 1 = 0,78 Gewünschter Grundschwingungsleistungsfaktor (vom EVU vorgeschrieben): cos 2 = 0,9; tan 2 = 0,48 Benötigte Kompensationsleistung: QC = 480 kW · (0,8 - 0,48) = 153,6 kvar gewählt: 180 kvar (Herstellerwert) Die Amortisationszeit liegt hier bei ca. vier Monaten. Die Blindleistungskompensation reduziert darüber hinaus die Stromwärmeverluste und trägt somit auch zur CO2-Reduzierung bei. Nach Angaben des ZVEI wurde bereits durch die bestehenden Blindleistungskompensationsanlagen in Deutschland im Jahr 1999 eine Reduzierung von rd. 5,1 Mio Tonnen CO2 erreicht. Über den heutigen Stand hinaus bietet die Blindleistungskompensation ein weiteres Potential zur Senkung der CO2-Emissionen um rund 2,5 Mio. Tonnen pro Jahr und würde etwa 10 % der geforderten Emissionssenkung für den Sektor Energiewirtschaft und Industrie aus dem Nationalen Klimaschutzprogramm darstellen [2]. 2 Kompensationsarten Bei der Kompensation mit Kondensatoren unterscheidet man grundsätzlich drei Arten. Welche Art - oder auch deren Kombination - die technisch und wirtschaftlich günstigste Lösung darstellt, richtet sich nach den betrieblichen Gegebenheiten. Blindleistungskompensation als Betätigungsfeld des Handwerks W. Just, Dorsten Die EVUs verkaufen nicht nur Strom, sondern bieten heute neben dem Preis für Sondervertragskunden auch die Blindleistungskompensation zur Energiekosteneinsparung, die dynamische Blindleistungskompensation sowie Filterkreisanlagen zur Spannungsqualitätsverbesserung als Kundenbindungsprodukte hinter dem Zähler an. Planung, Bau und Betrieb solcher Anlagen werden in der Regel vom Elektrohandwerk ausgeführt. Vereinfachte Darstellung der Gruppenkompensation Vereinfachte Darstellung der automatisch geregelten Zentral-Kompensationsanlage (Schutzmaßnahmen nicht eingezeichnet) Dipl.-Ing. Wolfgang Just ist Fachautor, Dorsten. Autor Regler C2 C3 C4 Netzeinspeisung zu weiteren Verbrauchern Einzelkompensation. Sie wird bei (größeren) induktiven Verbrauchern mit höherer Betriebsdauer oder konstanter Leistung angewendet. Die Einzelkompensation bietet verschiedene Vorteile, z. B. Kondensator und Verbraucher evtl. in einem Gehäuse, keine Regeleinrichtung erforderlich. Gruppenkompensation. Die Gruppenkompensation (Bild ) wird bei Verbrauchergruppen mit gleichem Betriebsverhalten (z. B. Lichtbändern) und zur Entlastung bestehender Unterverteilungen eingesetzt. Den Vorteilen niedriger Kondensatorkosten sowie der Verringerung der Stromwärmeverluste und des Spannungsfalls steht als Nachteil gegenüber, dass Stromkreisleitungen nicht entlastet werden. Zentralkompensation. Anwendung findet diese Kompensationsart (Bild) bei größeren Anlagen und ständig wechselnder Last. Mit einer automatischen Regelung lässt sich die Kondensatorleistung dem Blindleistungsbedarf anpassen. Eine nachträgliche Installation und Erweiterung der Kompensationsanlage ist möglich. Das Hauptverteilungssystem und die Stromkreisleitungen werden jedoch nicht entlastet. 3 Netzrückwirkungen Bei geregelten Kompensationsanlagen können durch Schalten von Kondensatoren Spannungsspitzen bis zum zweifachen der Nennspannung auftreten. Empfindliche Datenverarbeitungsanlagen könnten bei besonders energiereichen Spannungsspitzen gestört werden. Die Anwendung von Leistungselektroniken (Stromrichtern) führt zu erhöhtem Blindleistungsbedarf, weshalbindiesen Fällenhäufigkompensiert werden muss. Die nicht sinusförmige Stromentnahme von Stromrichtern bedeutet hohe Oberschwingungsströme bzw. -spannungen, die unter Umständen Kompensationskondensatoren gefährden können. Vor allem bei größeren Kompensationsanlagen können Resonanzen durch den Schwingkreis Kundentransformator/Kompensationsanlage auftreten, die in den Bereich der am stärksten vertretenen Oberschwingungen (5te, 7te Oberschwingung) fallen. Die eventuell durch Resonanzüberhöhungen auftretenden hohen Oberschwingungsströme oder -spannungen können einerseits die Kompensationsanlage überlasten, andererseits besteht die Gefahr, dass unzulässig hohe Oberschwingungen ins Netz gespeist werden. Abhilfe schaffen hier verdrosselte Kompensationsanlagen. Bei allen verdrosselten Kompensationsanlagen ist darauf zu achten, dass die Resonanzfrequenz des nunmehr entstandenen Schwingkreises einen ausreichenden Abstand zur Rundsteuerfrequenz des EVU-Netzbetreibers einhält. Hinweise für die Auswahl der Kompensationsanlage unter Berücksichtigung von Oberschwingungen können der Tafel entnommen werden. Um zu verhindern, dass Tonfrequenzsignale des EVU-Netzbetreibers von der Kompensationsanlage abgesaugt werden, muss den Kondensatoren eine Tonfrequenzsperre vorgeschaltet werden. Die Tonfrequenzsperre muss in Reihe der Kompensationsanlage vorgeschaltet werden. Des Weiteren wird empfohlen, sich vom EVU-Netzbetreiber beraten zulassen. 4 Anwendung verdrosselter Anlagen Bei der Auslegung von Kompensationsanlagen muss grundsätzlich die Zusammensetzung der Verbrauchseinrichtungen hinter dem Zähler untersucht werden. Das Verhältnis von oberschwingungserzeugenden Geräten in kW zu der Gesamtleistung des Betriebes sollte maximal 15 % betragen. Übersteigt das Verhältnis diesen Grenzwert, so muss eine verdrosselte Kompensationsanlage eingebaut werden. Beispiel: Sind von 100 kW Gesamtleistung 20 kW Stromrichter, so sollte eine verdrosselte Anlage eingesetzt werden. Dieses Verhältnis muss auch in Schwachlastzeiten untersucht werden, da sich gerade hier Verschiebungen einstellen können, die zu einer Resonanzbildung beitragen. Vor der Auslegung einer verdrosselten Anlage sollte eine Netzmessung durchgeführt werden. Nach Auswertung der Messung lässt sich der Verdrosselungsfaktor der Kompensationsanlage bestimmen. Ferner müssen die technischen Regeln des EVU-Netzbetreibers berücksichtigt werden. Zu beachten ist auch, dass verdrosselte und unverdrosselte Kondensatoren nicht am gleichen Netz betrieben werden dürfen. Denn durch das Parallelschalten von verdrosselten und unverdrosselten Kondensatoren wird ein neuer Schwingkreis gebildet. Die Resonanzfrequenz dieses neu gebildeten Schwingkreises kann im schlimmsten Fall mit einer vorkommenden Oberschwingung zusammenfallen. Der dabei entstehende Saugkreis würde das Oberschwingungssignal vollkommen absaugen und die Kondensatoren bis zur Zerstörung überlasten. Bei der Auslegung einer verdrosselten Kompensationsanlage ist noch zu beachten, dass sich die Kondensatorspannung durch den Spannungsfall an der vorgeschalteten Filterkreisdrossel erhöht. Die dadurch höhere Kompensationsleistung, vermindert um die Blindleistung der Drossel erhöht die Blindleistung eines Kondensators mit Verdrosselung. Hat ein Kondensator z. B. 50 kvar bei einer Netzspannung von 400 V, so erhöht sich bei 7 % Verdrosselung die Kondensatorspannung auf 430 V. Die Gesamtleistung der Kombination Kondensator-Filterkreisdrossel steigt somit auf 53,76 kvar. 5 Einsatz einer unverdrosselten Kompensationsanlage Wurde kein oder nur ein geringer Oberschwingungsanteil hinter dem Zähler ermittelt, so besteht die Möglichkeit, eine unverdrosselte Kompensationsanlage einzusetzen. Energietechnik Elektropraktiker, Berlin 56 (2002) 7 922 Tafel Auswahl der Kompensationsanlage bei Berücksichtigung von Oberschwingungen Oberschwingungsspannungen im einspeisenden Netz Oberschwingungserzeuger in der Kundenanlage Beachtung von Reihenresonanzen (Trafo-Kondensator) fr = 50 · SN · 100 -------- QC · uK falls fr 217, 250, 300, 350, 550 oder 650 Hz Sonderausführung*) z. B, 14 % Verdrosselung Verbesserung cos 1 Absaugen der Oberschwingungen und Sonderausführung*) z. B, 14 % Verdrosselung oder Saugkreis mit TF-Sperrkreis Sonderausführung*) Saugkreis mit TF-Sperrkreis Leistungskondensatoren Sonderausführung*) Saugkreis mit TF-Sperrkreis Stromrichterlast < 15 % > 15 % > 15 % > 15 % fr = Resonanzfrequenz SN = Trafo-Nennleistung QC = Kondensatorleistung uK = Kurzschlussspannung Die Angaben gelten für TRA 300 Hz *) In diesen Fällen ist Rücksprache mit dem EVU-Netzbetreiber zu nehmen. Energietechnik Bei unverdrosselten Anlagen kann aber, auch bei geringem Oberschwingungsanteil, ein Resonanzfall auftreten. Durch Schwingkreisbildung zwischen Kondensatoren und Transformatoren oder Netzinduktivitäten können die Oberschwingungsströme, die in der Nähe der Resonanzfrequenz liegen, stark erhöht werden. Eine Resonanz bedeutet unter Umständen die Zerstörung der elektronischen Anlage bis zum Ausfall der kompletten Energieversorgung. Fazit. Die hauptsächlichen Vorteile einer verdrosselten Anlage sind z. B.: · Einsparung der jährlichen Blindenergiekosten · keine Resonanzbildung · Absaugen von Oberschwingungen · kein Ausfall von Verbrauchseinrichtungen. Die Kondensatorhersteller bieten in der Regel standardmäßig 5,5 %, 7 % oder 14 % verdrosselte Anlagen sowie bei stark oberschwingungshaltigen Netzen so genannte Kombifilter an. Tafel gibt einen groben Überblick bezüglich des Einsatzes von Tonfrequenzsperren bei festgelegter Kompensation. Darüber hinaus gilt der Hinweis, dass einige EVU-Netzbetreiber einen Mindestverdrosselungsgrad vorschreiben. 6 Dynamische Blindleistungskom pensation Mit Thyristoren geschaltete Blindstromkompensationsanlagen setzt man seit einigen Jahren in der Kundenanlage ein. Ihr Nutzen zur Verbesserung der Spannungsqualität ist unbestreitbar. Dynamische Kompensationsanlagen ermöglichen z. B. folgende neue Anwendungen: · Reduzieren von Flickern, verursacht durch die schnelle Laständerung mit hohem Blindstromanteil von Lichtbogenöfen und Walzwerken mit hoher Leistung · Verbessern der Netzqualität bei Schaltfehlern oder plötzlichem Lastabwurf · Ausgleichen von Schieflast, Spannung stabilisieren, Dämpfen von Rotorschwingungen an großen Antrieben und untersynchrone Schwingungen in Versorgungsnetzen. Die mit Thyristoren geschalteten Kompensationsanlagen haben auch ihren Weg in den Markt der Niederspannungsschaltanlagen gefunden. Sie werden mit oder ohne Verdrosselung von verschiedenen Firmen angeboten. Insbesondere setzt man sie zur Kompensation von Punktschweißmaschinen ein, hauptsächlich um Flicker zu reduzieren. Des Weiteren können durch die dynamische Kompensation auch kostenintensive Motorstarter eingespart werden, die zusätzlich Oberschwingungen erzeugen und den Spannungseinbruch während des Starts nicht verhindern. Die kurze Reaktionszeit von nur wenigen Millisekunden ermöglicht die dynamische Kompensation bei vielen Anwendungen, wie z. B. Schweißmaschinen, Krananlagen, Pressen, Gattersägen, Schredder und ermöglicht somit eine wirtschaftliche Netzauslastung. 7 Neutralleiterfilter Ein in den letzten Jahren zunehmendes Problem ist die Neutralleiterüberlastung in TT- bzw. TN-Netzen. Werden in einem Niederspannungsnetzbereich hinter dem Zähler überwiegend elektronische Geräte, insbesondere Netzteile mit kapazitiver Glättung oder Vorschaltgeräte, die Oberschwingungen erzeugen, betrieben, so ist abhängig von der Gesamtnetzleistung mit einer Neutralleiterüberlastung zu rechnen. Mit einem einfachen Amperemeter ist schon eine Problemerkennung möglich. Ist der Neutralleiterstrom deutlich größer als der größte Unterschied zwischen den Außenleitern, liegt vermutlich ein 150-Hz-Problem (3. Harmonische) vor. Beispiel. Messung der Außenleiterströme: IL1 = 187 A; IL2 = 156A; IL3 = 163 A Differenzstrom: 187 A - 156 A = 31 A Neutralleiterstrom: 129 A Der Neutralleiterstrom von 129 A ist nicht durch unsymmetrische Last erklärbar. Andere mögliche Erklärungen eines Neutralleiterproblems sind z. B.: · Der Neutralleiter ist sehr heiß; die Isolation des Neutralleiters ist verfärbt oder spröde · Eine USV-Anlage bringt ihre Leistung nicht · Der Niederspannungs-Leistungsschalter löst frühzeitig aus. Bei einem hohen Grad an nichtlinearen Verbrauchern (z. B. Computer, Kompaktleuchtstofflampen, Leistungselektronik) kann es zu einer Überlastung des Neutralleiters aufgrund der Oberschwingungskomponenten (3. Harmonische und deren Vielfache) kommen und zu einem hohen Schadensrisiko führen. Eine geeignete und wirtschaftliche Lösung, um der Brandgefahr durch Neutralleiterüberlastung bzw. -unterbrechung zu begegnen, ist der Einbau eines Neutralleiterfilters, das die Erzeugung der 3. Harmonischen weitgehend unterdrückt. 8 Kundenbindungsinstrumente und Marktpartnerschaft Kundenumfragen der Elektrizitätswirtschaft haben ergeben, dass die Versorgungsqualität bei Gewerbe- und Industriekunden einen hohen Stellenwert hat. Ein Erfolgsfaktor im Wettbewerb wird aus der EVU-Sicht zukünftig sein, sich von anderen Stromwettbewerbern abzuheben. Generelles Ziel des strategischen Marketings vom EVU-Vertrieb bzw. Stromanbieters ist es, Kunden zu halten und neue Kunden zu gewinnen. Besonders Erfolg versprechend ist es, wenn dem Kunden ein zusätzlicher Wert geboten wird, den die Konkurrenten nicht haben. Kundenbindung und -gewinnung hängen auch hier insbesondere von Faktoren wie individuelle Betreuung, Fachkompetenz und hoher Erreichbarkeit ab. Die Blindleistungskompensation und Filterkreisanlagen beim Kunden inklusiv Contracting können beim EVU-Vertrieb bzw. Stromanbieter ein zusätzliches Gewinn orientiertes Dienstleistungsprodukt sein. Die Einbettung von Contracting-Maßnahmen in ein Energieoptimierungskonzept hat für den EVU-Geschäftskunden den Vorteil, dass die für den Kunden effektivsten Einsparpotentiale mit Priorität zur Umsetzung gelangen, ohne dass andere Maßnahmen unberücksichtigt bleiben. Die Instrumente einer hier geplanten direkten Kundenansprache durch den EVU-Vertrieb sind vielfältig. Zu ihnen gehören etwa Kundenclubs oder Kundenzeitung (Newsletter für Geschäftskunden) und Informationsveranstaltungen. Dabei ist nicht nur das Kundenbindungsprogramm bekannt zu machen, sondern den Kunden auch ihre Vorteile zu vermitteln. Eine erfolgreiche Einführung solcher EVU-Dienstleistungsprodukte ist aber nur dann möglich, wenn es zu einer Partnerschaft zwischen EVU, Hersteller und Elektrohandwerk kommt, indem etwa das EVU als „Generalunternehmen“ dem Kunden ein Komplettangebot (Strom plus Dienstleistung) macht und das Elektrohandwerk z. B. für die Planung, Ausführung und Betrieb zuständig ist. Empfehlenswert ist auf jeden Fall diese Dienstleistungsprodukte wie Blindleistungskompensation/Filterkreisanlage, USV-Anlagen in den Elektro- bzw. Vertriebsgemeinschaften zu entwickeln. Dabei kann das Aufzeigen von Entsorgungsmöglichkeiten bei noch vorhandenen PCB-befüllten Kondensatoren in Leuchtstofflampen inklusiv Beratung einer neuen Beleuchtungsanlage eine weiteres lohnendes Betätigungsfeld des Elektrohandwerks sein. Sachkundige Auskünfte über die Entsorgung und Neubeschaffung von Kompensationskondensatoren geben z. B. die Mitgliedsfirmen des Fachverbandes Starkstromkondensatoren im ZVEI [3]. Überlegungen bei vielen EVU zielen darauf ab, das Unternehmen in der Wahrnehmung des eigenen Kundenstamms als Qualitätsanbieter mit den kompetenten Partnern des Elektrohandwerks mit einem umfangreichen Servicepaket zu verankern. Grundlage für die Erreichung der gemeinsamen Ziele ist zunächst, die in Frage kommenden Kundengruppen (Geschäftskunden) exakt zu bestimmen und Antworten für die spezifischen Erwartungen der Kernzielgruppen zu finden, d. h., Aufzeigen von Vertriebswegen (z. B. Marktforschung, Zielgruppendefinition), Akquisition (z. B. EVU-Erstkontakt, Preiskalkulation, Beratung, Angebot und Vertrag des EVU-Vertriebs), Abwicklung (z. B. Abrechnung, Netzzugang) und Service (Beratung). Erfolgreiche Zusammenarbeit auf dem Gebiet der Blindleistungskompensation/Filterkreisanlagen mit Kooperationspartnern heißt auch, dass der Hersteller (bzw. mehrere Hersteller) mit einbezogen werden sollte(n). Dabei können auf der Grundlage systematischer Analyse potentielle Partnerunternehmen definiert werden. Die Voraussetzungen für die Zusammenarbeit mit Marktpartnern liegen zweifelsfrei in der Organisationsstruktur des EVU selbst sowie in der Festlegung der einzelnen Geschäftsprozesse bzw. Schnittstellen zwischen den Marktpartnern. Auf der EVU-Seite bildet der Vertrieb die Sperrspitze im Markt, vertreibt seine Dienstleistungsprodukte neben dem Verkauf von Strom und ist somit der Vertriebspartner des Elektrohandwerks. 9 Fazit Das Motto lautet „Agieren statt Reagieren“, um die Wettbewerbsfähigkeit von EVU, Elektrohandwerk und Hersteller zu verbessern. Die Blindleistungskompensation/Filterkreisanlagen sind Beispiele für energienahe Dienstleistungsprodukte, die in der jüngsten Vergangenheit bei vielen EVU an Beliebtheit zugenommen haben. Literatur [1] Just, W.: Blindstromkompensation in der Betriebspraxis, VDE Verlag [2] Hrsg. ZVEI, Frankfurt am Main: Klimaschutz durch Blindleistungskompensation (Sept. 2001) [3] Merkblatt des ZVEI: Entsorgung von PCB-haltigen Starkstromkondensatoren (Sept. 2000) Tafel Einsatz von Tonfrequenzsperren als Orientierungshilfe. Die technischen Bedingungen hierzu sind beim Netzbetreiber zu erfragen. Energietechnik Elektropraktiker, Berlin 56 (2002) 7 924 Tonfrequenz Anlage unverdrosselt Verdrosselung Kombifilter 5,5 % 7 % 8 % 12,5 % 14 % 166...190 Hz nicht erforderlich auf 14 %ige Verdrosselung ausweichen nicht erforderlich nicht erforderlich 191...215 Hz nicht erforderlich auf 14 % ige Verdrosselung ausweichen nicht erforderlich erforderlich 216...250 Hz nicht erforderlich 14 % erforderlich nicht erforderlich nicht erforderlich erforderlich 251...300 Hz nicht erforderlich erforderlich nicht erforderlich nicht erforferlich nicht erforderlich erforderlich 301...350 Hz erforderlich nicht erforderlich nicht erforderlich nicht erforderlich > 350 Hz erforderlich nicht erforderlich nicht erforderlich nicht erforderlich
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- W. Just
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