Energietechnik/-Anwendungen
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Elektrotechnik
Blindleistungskompensation - Teil 1: Grundlagen und Hintergründe
ep2/2010, 3 Seiten
Begriffsdefinitionen Der Begriff Blindleistung wurde erstmalig 1913 im Ausschuss für Normung und Leistung genannt. Die Blindleistung gehört wohl zu den wichtigsten aber auch zu umstrittensten Grundbegriffen der Elektrotechnik. Zum Beispiel versagen die üblichen Definitionen und physikalischen Vorstellungen bei elektrischen Stromkreisen mit Stromrichterventilen, deren Ströme nicht mehr sinusförmig sind. So gibt es bezüglich der Begriffsdefinition auf dem Gebiet der Blindleistungskompensation oftmals Verständnisfragen, wie beispielsweise bei den Begriffen Leistungsfaktor und Verschiebungsfaktor. Nachfolgend sollen diese Begriffe, die u. a. auch in den „Technischen Bedingungen“ der Netzbetreiber beschrieben sind, vereinfacht erläutert werden. Die Netzbetreiber schreiben für ihre Geschäftskunden in der Regel einen Leistungsfaktor von mindestens 0,9 induktiv vor. Sollte dieser Wert unterschritten werden, wird die bezogene Blindenergie berechnet. Gerade im Zusammenhang mit dem Thema Netzrückwirkungen in elektronischen Schaltungen spielt der Leistungsfaktor eine besondere Rolle. Leistungen bei nichtlinearen elektrischen Größen. Der Leistungsfaktor wird in der Elektrotechnik allgemein als das Verhältnis der Wirkleistung P zu der Scheinleistung S bezeichnet. Des Weiteren entspricht die Wirkleistung P dem arithmetischen Mittelwert der Leistungsfunktion. Somit gilt bei exakt sinusförmigen Strömen und Spannungen, dass der Leistungsfaktor gleich dem Cosinus des Phasenwinkels 1 ist und demnach auch P = U · I · cos, d. h. Leistungsfaktor = cos. Die Wirkleistung P ist die Leistung, die an einem „Verbraucher“ eine entsprechende Leistung erbringt, wie z. B. die Drehbewegung eines Drehstrommotors. Bei der Oberschwingungsbelastung kommt eine weitere Komponente hinzu, nämlich die Verzerrungsblindleistung. Leistungen bei oberschwingungshaltigen Größen. Wirkleistung kann nur zwischen Strom und Spannung gleicher Frequenz umgesetzt werden. Die Oberschwingungsströme können mit Spannungen anderer Frequenzen und damit auch mit der Grundschwingungsspannung nur Wechselleistungen umsetzen [1] [2]. Bei sinusförmiger Spannung U und nicht sinusförmigem Strom (Wirkanteil der Grundschwingung Iw1; Blindanteil der Grundschwingung Ib1; Oberschwingungen I) gelten zwischen den Leistungen die Beziehungen nach Gl. (1): S2 = P1 2 + Q1 2 + Qd 2 (1) mit der Wirkleistung P1 aus der Stromgrundschwingung, der Blindleistung Q1 aus der Stromgrundschwingung und der Verzerrungsblindleistung Qd aus den Stromoberschwingungen nach den Gln.(2): P1 = U · I1 · cos (2a) Q1 = U · I1 · sin (2b) (2c) Die Verzerrungsblindleistung (auch Oberschwingungsblindleistung genannt) beschreibt eine spezielle Form der Blindenergie, die durch nichtlineare „Verbraucher“, wie z. B. Gleichrichter mit kapazitiver Glättung oder Wechselrichter, verursacht wird. Anders ausgedrückt: Sind beide Größen - Spannung und Strom - nicht sinusförmig, so muss beachtet werden, dass durch Oberschwingungen gleicher Frequenz in Strom und Spannung ebenfalls Wirkleistung umgesetzt wird. Der Leistungsfaktor als Quotient aus der Wirkleistung und der Scheinleistung gilt allgemein für nichtsinusförmige Ströme und Spannungen nach Gl. (3): (3) Der Verschiebungsfaktor cos1 wird als der Quotient aus dem Verhältnis der Wirkleistung zu der Grundschwingungsscheinleistung bei dem Vorhandensein sinusförmiger Spannung und nichtsinusförmiger Ströme als der sogenannte Grundschwingungs-Leistungsfaktor nach der Gl. (4) definiert: (4) Damit ergibt sich nun der Zusammenhang zwischen Leistungsfaktor , Verschiebungsfaktor cos1 und dem Grundschwingungsgehalt gi des Stroms nach Gl. (5) 1 = gi · cos1 (5) Merke: Als Leistungsfaktor wird das Verhältnis der Wirkleistung zu der gesamten Scheinleistung bezeichnet, also unter Berücksichtigung der Oberschwingungsverzerrungsleistung. Die Größe cos1 wird Grundschwingungs-Leistungsfaktor oder auch Verschiebungsfaktor genannt und beschreibt das Verhältnis der Wirkleistung zu der Grundschwingungsscheinleistung. Gründe für Kompensation von Blindleistung Induktive „Verbraucher“, wie beispielsweise Motoren, induktive Vorschaltgeräte von Gasentladungslampen, Drosselspulen, Transformatoren oder Leitungen mit hoher Strombelastung, benötigen zum Aufbau des magnetischen Feldes induktive Blindleistung. Andere Betriebsmittel und Verbraucher, wie z. B. Gleichrichter mit kapazitiver Glättung, Kompaktleuchtstofflampen, Kondensatoren und leerlaufende oder niedrig belastete Freileitungen und Kabel, stellen kapazitive Blindleistung bereit, die aus dem Aufbau des elektrischen Feldes herrührt. Im Gegensatz zur Wirkleistung wird die Blindleistung beim Endverbraucher nicht in Wärme, Licht oder Drehmoment umgesetzt. Blindströme müssen aber ebenso wie Wirkströme über die Anschlussleitungen der Verbraucher und Betriebsmittel anhand vorgelagerter Leitungen und Transformatoren vom Erzeuger zu den Blindleistungsverbrauchern übertragen werden. Dadurch erhöht sich also der zu übertragende Strom, da sich der Wirkstrom und der Blindstrom nach Betrag und Phasenlage addieren. Die Scheinleistung ist nun entscheidend für die Belastung der Elektroenergienetze. Das heißt, die Auswirkung der Blindleistung ist die Scheinleistung. Sie entspricht der geometrischen Addition von Wirkleistung und Blindleistung. Die Netzbetreiber müssen diese Scheinleistung vorhalten, d. h. sie müssen die elektrischen Anlagen dementsprechend cos1 = +Q1 +Q1 +Qd ( ) Qd = U I Elektropraktiker, Berlin 64 (2010) 2 131 Energietechnik FÜR DIE PRAXIS Blindleistungskompensation Teil 1: Grundlagen und Hintergründe Wolfgang Just, Dorsten Verbrauchsnahe Blindleistungskompensation zur Energiekosteneinsparung und Netzqualitätssicherung gewinnt in den Bereichen Gewerbe, Handel und Industrie immer mehr an Stellenwert. Gründe dafür sind unter anderem die Anreizregulierung für Netzbetreiber sowie die Energieeffizienzsteigerung. Zudem steigt aufgrund des vermehrten Einsatzes nichtlinearer Verbraucher auch bei Geschäftskunden das Interesse an einer gesicherten Qualität der Stromversorgung an der Übergabestelle. Stromversorgungssicherheit und Energiekostenreduzierung zählen momentan zu den wichtigsten Themen bei Geschäftskunden. Das Dienstleistungspaket Blindleistungskompensation gibt Marktimpulse für das Elektrohandwerk und auch für Energieversorger. Autor Dipl.-Ing. Wolfgang Just, Dorsten, ist als Fachautor tätig. dimensionieren. Aufgrund dieser zusätzlich zu übertragenden Blindleistung müssen Betriebsmittel wie Leitungen, Transformatoren und Schalter, Verteileranlagen der Netzbetreiber sowie letztlich eben auch die elektrischen Netze der Kunden (z. B. bei Geschäftskunden) hinsichtlich ihrer Strombelastbarkeit eventuell größer dimensioniert werden. Aus Sicht des Netzbetreibers steigen bei einem niedrigen cos1 möglicherweise auch die Investitions- und Wartungskosten für das Netz. Dadurch erhöhen sich auch die CO2-Emissionen, bedingt durch den erhöhten Einsatz an Primärenergie in den Kraftwerken. Diese Mehrkosten des Netzbetreibers werden dann in der Regel dem Verursacher - also dem EVU-Sondervertragskunden (Geschäftskunden) - in Rechnung gestellt. Deshalb wird hier neben dem Wirkarbeitszähler auch ein Blindenergiezähler installiert. Eine geeignete Möglichkeit für die Energiekostenreduzierung bei dem Geschäftskunden ist die Installation einer Blindleistungskompensation. Fazit: Ein niedriger Grundschwingungs-Leistungsfaktor cos1 führt zu: · Erhöhung der Verluste auf Leitungen, · Erhöhung des Spannungsfalls an den Leitungen, · Verringerung der verfügbaren Leistung am Transformator, · Erhöhung des Spannungsfalls an dem Transformator, · Erhöhung der Transformatorverluste. Lösung: Den zuvor genannten Auswirkungen kann man anhand der Installation einer verbrauchsnahen Blindleistungskompensation bei dem Geschäftskunden entgegenwirken. Unter tatsächlichen betrieblichen Gegebenheiten muss dann untersucht werden, ob dafür eine Einzel-, Gruppen- oder Zentralkompensation die technisch und wirtschaftlich günstigste Lösung ist. Ebenso kann eine gemischte Kompensation vorteilhaft sein. Die Kondensatoren für Entladungslampen (z. B. bei Leuchtstofflampen-Anlagen mit Kondensator bei Nennleistungen bis 1,5 kvar) werden heute bereits als Mittel für eine Parallelkompensation (d. h. Einzelkompensation) in Leuchten mit induktiven Vorschaltgeräten eingebaut. Verluste und Spannungsfall Um die Wirtschaftlichkeit einer Blindleistungskompensation zu verdeutlichen, soll zunächst kurz auf die Bedeutung der Verluste und auf den Spannungsfall bei der Übertragung der Blindenergie eingegangen werden. Die Übertragung der Blindenergie bedeutet u. a. eine Erhöhung des zu übertragenden Stromes. Die Erhöhung des Grundschwingungs-Leistungsfaktors cos1 führt bei gleichem Wirkstrom zu einer Verringerung des zu übertragenden Stromes, d. h., die übertragbare Wirkleistung wird also durch Verbesserung des Grundschwingungs-Leistungsfaktors mittels Blindleistungskompensation erhöht. Blindleistung sollte somit möglichst verbraucher- und verbrauchsnah bereitgestellt werden. Für Wechselstromsysteme gelten die Gln. (6): S = U · I (6a) (6b) Bei niedrigem Grundschwingungs-Leistungsfaktor cos1 werden z. B. Leitungen höher belastet, die Stromwärmeverluste PV nach Gl. (7) nehmen zu und die Spannungsfälle erhöhen sich. Pv = I2 · R (7) Anhand der nachstehenden Gleichungen (8) kann der Leitungsverlust (hier Drehstromleitung) errechnet werden. Man sieht, dass die Verlustleistung PV mit fallendem cos1 quadratisch ansteigt. (8a) (8b) Es bedeuten hierbei: A Leitungsquerschnitt in mm2 l maximale einfache Leitungslänge in m P zu übertragende Wirkleistung in W elektrische Leitfähigkeit des Leiters in m/·mm2 cos1 Grundschwingungs-Leistungsfaktor Noch deutlicher wird die Auswirkung der Verlustleistung durch einen schlechten cos1 anhand einer Betrachtung der prozentualen Verlustminderung. Durch Erhöhung des Grundschwingungs-Leistungsfaktors von cos1ist auf cos1soll werden die ursprünglichen Verluste um den Verlustreduzierungsfaktor kPV nach Gl. (9) herabgesetzt. (9) Aus Bild ist abzulesen, dass die Verbesserung des cos1 von z. B. 0,6 auf 0,8 zu einer Verringerung der Verluste um 44 % führt. Und eine Verbesserung von cos1 = 0,6 auf cos1 1,0 führt sogar zu einer Reduzierung der Verluste um 64 %. Für die Berechnung der Transformatorverluste gilt bei einer Vernachlässigung der Eisen- und Wirbelstromverluste die Gl. (10): (10) Es bedeuten hierbei: PVT Transformator-Gesamtverluste PVr Transformatorverluste im Nennbetrieb (Kurzschlussverluste) P Wirkleistungsbelastung im Betrieb cos1ist Grundschwingungs-Leistungsfaktor (Istwert) Sr Bemessungsscheinleistung des Transformators Beispiel mit den folgenden Ausgangsbedingungen: · Transformator-Bemessungsscheinleistung von Sr = 200 kVA, · Transformatorverluste im Nennbetrieb von PVr = 2,70 kW. Für eine Wirkleistung von P = 150 kW und cos1ist = 0,7 ergeben sich die Gesamtverluste zu PVT = 3,02 kW. Bei Verbesserung des PVT = PVr Sr cos1ist kPv = cos1ist cos1soll PV~ cos1 ( )2 l P2 A U2 cos1 ( )2 cos1 = +Q2 Elektropraktiker, Berlin 64 (2010) 2 132 FÜR DIE PRAXIS Energietechnik 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 kPv cos 1ist cos 1soll = 1,00 0,95 0,90 0,85 0,80 Prozentuale Verlustminderung kPv in Abhängigkeit vom Ausgangswert cos 1ist und dem Endwert cos1soll [1][2] Grundschwingungs-Leistungsfaktors, z. B. auf cos1soll 1, sinken die Verluste bereits auf PVT = 1,74 kW. Das ergibt eine Einsparung von rund 1,28 kW. Wenn man nun also beispielsweise 8 Betriebsstunden an 220 Arbeitstagen pro Jahr ansetzt, bedeutet dies insgesamt eine Reduzierung der Verlustenergie um rund 2253 kWh/a. In Freileitungsnetzen und bei Transformatoren wirkt sich die Abhängigkeit des Spannungsfalls U vom Grundschwingungs-Leistungsfaktor cos1 des angeschlossenen Netzes besonders stark aus. Als Faustformel gilt hier die Gl. (11). U I · (R · cos + L · sin) (11) Es bedeuten hierbei: R, L ohmscher und induktiver Anteil der Leitungsimpedanz bzw. der Transformatorimpedanz vorliegender Phasenverschiebungswinkel zwischen Spannung und Strom am Ende der Leitung bzw. auf der Lastseite des Transformators Fazit: Nachteile eines schlechten cos1: · erhöhter Spannungsfall; · zusätzliche Verluste (Leitungen, Transformatoren); · erhöhte Energie- und Anschlusskosten beim Netzbetreiber; · Herabsetzung der übertragbaren und der verfügbaren Leistung; · Aus der Sicht des Netzbetreibers steigen bei einem schlechten cos1 sowohl die Investitions- als auch die Wartungskosten, insbesondere in einem Elektroenergie-Versorgungsnetz mit Freileitungen. Forderungen der Netzbetreiber Aus den zuvor dargelegten Erläuterungen wird ersichtlich, dass die Einhaltung eines vorgegebenen Grundschwingungs-Leistungsfaktors cos1, wie er beispielsweise in der Niederspannungs-Anschlussverordnung (NAV) [3], den technischen Anschlussbedingungen (TAB für Nieder- und Mittelspannung) sowie in den meisten Stromsonderverträgen für Geschäftskunden (in der Regel bei den Sondervertragskunden mit Leistungen P 30 kW) gefordert wird, notwendig ist. Von den Netzbetreibern wird zumeist ein cos1 gefordert, der zwischen cos1 = 0,9 und cos1 = 0,92 induktiv liegen muss. Berücksicht man dies nicht und kompensiert höher, z. B. mit cos1 1, so besteht bei geringen Laständerungen die Gefahr einer Überkompensation. Diese Überkompensation ist bei den meisten Netzbetreibern nicht erwünscht. Hinzu kommt auch noch, dass die Investitionskosten einer Kompensation, die z. B. für cos1 = 0,95 ausgelegt ist, erheblich höher als bei Kompensation auf cos1 = 0,92 sind, wenn man vom gleichen Istwert des Grundschwingungs-Leistungsfaktors ausgeht. In Netzen mit hohem Kabelanteil gibt es bei einigen Netzbetreibern die Regelung, den Blindenergiemehrverbrauch in Rechnung zu stellen, um besonders in Schwachlastzeiten die Überkompensation im Netz zu verhindern. Vor der Installation einer Kompensationsanlage wird deswegen empfohlen, sich mit dem Netzbetreiber in Verbindung zu setzen, um die technischen Regeln zu besprechen. Grundsätzlich sind die technischen Richtlinien des Netzbetreibers (z. B. Technische Anschlussbedingungen) zu beachten. Differenzierung der Kompensationsarten Beim Betrachten der Arten von Blindleistungskompensation ist zu unterscheiden zwischen der Blindleistungskompensation zur Energiekosteneinsparung (klassische, schützgeschaltete Kompensation) und der thyristorgeschalteten Kompensation zur Vermeidung von hohen Einschaltstrombelastungen, z. B. von stoßartig auftretenden Spannungsseinbrüchen (bei Einsatz von Kränen, Aufzügen, Pressen, Punktschweißmaschinen) im Netz des Kunden. Des Weiteren wird auch eine verdrosselte Kompensation eingesetzt, um so die Netzqualität bei Geschäftskunden zu verbessern. Schließlich hat verschlechterte Netzqualität bei Geschäftskunden oft eine der folgenden Ursachen: · Einsatz elektronischer Bauteile an den Geräten (z. B. Stromrichter, Lichtbogenöfen, Batterieladegeräte, elektronische Lichtregler) und · massenhafter Einsatz von „Energiesparlampen“. Netzqualität bei Geschäftskunden Die Qualität der elektrischen Energieversorgung beim Geschäftskunden wird insbesondere für die Stromanbieter (EVU-Vertrieb) zur herausragenden Aufgabenstellung in den neuen, durch Wettbewerb bestimmten Energiemärkten. Anders als in der Vergangenheit sind heute immer mehr Elektrogeräte empfindlich bei Abweichungen von der idealen sinusförmigen Spannungsversorgung und gleichzeitig nimmt durch den Einsatz vorgenannter Betriebmittel, die Verschmutzung der Netze weiter zu. Hier bieten sich die im Kasten auf dieser Seite angegebenen Möglichkeiten für Handwerk und EVU (z. B. in der Elektrogemeinschaft) an, um den Geschäftskunden wirtschaftliche Anreize für Investitionen, u. a. in energieeffiziente Techniken, zu geben. EVU und Elektrohandwerksbetrieb gehen mit dem Kunden eine bleibende Langfristpartnerschaft ein und können seine Entwicklungen somit verfolgen und ihn entsprechend beraten. Literatur [1] Just, W.; Hoffmann, W.: Blindstromkompensation in der Betriebspraxis. 4. Auflage, VDE-Verlag, Berlin und Offenbach; 2003. [2] Große-Gehling, M.; Just, W.; Reese, J.; Schlabbach, J.: Blindleistungskompensation-Netzqualität; EW Medien und Kongresse; 2009. [3] NAV - Verordnung über Allgemeine Bedingungen für den Netzanschluss und dessen Nutzung für die Elektrizitätsversorgung in Niederspannung. Elektropraktiker, Berlin 64 (2010) 2 133 Energietechnik FÜR DIE PRAXIS Der Beitrag wird in der nächsten Ausgabe fortgesetzt. Fortsetzung Übersicht zu möglichen Beeinträchtigungen der Netzqualität und entsprechenden Verbesserungsansätzen Ursache Verbesserung der Netzqualität durch: induktive „Verbraucher“ Leistungselektronik Umrichter Schaltvorgänge Lastwechsel zweiphasige Lasten Rundsteuersignale Problem Blindleistungen Oberschwingungen Kommutierungen Spannungsspitzen Spannungsschwankungen Netzunsymmetrien Sendefrequenzen · Blindleistungskompensation · Filterkreisanlagen · Tonfrequenz-Entstörfilter · Motor- Anfahrhilfen · spezielle Netzfilter · „Flicker“-Kompensation
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- W. Just
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