Hohe Einschaltströme beim Kondensatorschalten verhindern: Bewährte Strategien

Wie verhindert man hohen Einschaltstrom beim Kondensatorschalten?

Einführung in hohen Einschaltstrom beim Kondensatorschalten

Anwendungen des Kapazitätsschaltens beschränken sich nicht nur auf kapazitive Ströme – sie umfassen auch das Einschalten von Kondensatorbänken, Freileitungen und Kabeln. Das Schalten von Kondensatorbänken verursacht sehr hohe transiente Spannungen an den Kontakten des Leistungsschalters.

Kapazitives Schalten ist gekennzeichnet durch: Schalten von niedrigen bis mäßigen Strömen in Industrie- oder öffentlichen Netzen, und einem niedrigen Anstiegswert der Erholungsspannung. Neue Leistungsschalter (CBs), die eine lange mechanische und elektrische Lebensdauer ohne Wartung versprechen, scheinen für diese Schaltaufgabe am besten geeignet. Kürzlich entwickelte SF6-Puffer-Schalter wurden für bessere Leistung mit weniger Unterbrechern pro Pol entwickelt – aber ein ideales Szenario ist nicht erreichbar.

In Energiesystemen, wo Leistungsschalter breit angewendet werden, um Schäden zu verhindern, kann ein Spannungsungleichgewicht an den Klemmen des Schalters zu hohem Einschaltstrom führen – weshalb jede Unterbrechung kapazitiver Ströme Probleme in der für Schaltgeräte verwendeten Dielektrizität verursachen kann. Kondensatoren in Kondensatorbänken können durch schweren Einschaltstrom beschädigt werden.

In Energiesystemen sind viele gebündelte Kondensatorbänken vorhanden zur Spannungsregelung, Blindleistungsverbesserung (Power Factor) und Filterung hoher Harmonischer im Gesamtsystem.

Bei der Energieverteilung gibt es Kabelnetze, die kapazitive Lasten erzeugen. Bei Stromunterbrechung laden sich kapazitive Lasten auf – diese Ladung setzt die Schaltung der Gefahr einer Dielektrischen Wiederzündung und der Erzeugung hoher Überspannungen aus.

Wenn große Einschaltströme durch Umspannwerke fließen, muss das System die Folgen im Schutzsystem tragen. Auch beim Schalten, wenn die Leiterspannung bei leicht niedrigerer Frequenz zu oszillieren beginnt, kann deren Betrag dem Doppelten der Spitzenspannung im Stromkreis entsprechen – was schwere Gefahren verursacht. Dieser Artikel erläutert, wie man hohen Einschaltstrom minimiert und gibt grundlegende Empfehlungen.

Methoden zur Kondensatorplatzierung zur Minimierung des Einschaltstroms

Es gibt zwei Möglichkeiten, Kondensatoren so zu platzieren, dass der Einschaltstrom vernachlässigbar minimiert wird. Beide werden einzeln beschrieben.

Einzelne Kondensatorbank-Schaltung

Erstes Szenario

Betrachten wir die obige Schaltung: einphasig mit gebündelten Elementen für einen kapazitiven Stromkreis. Sie enthält einen Leistungsschalter, der bei Unterbrechung seine Kontakte schließt, einen Kondensator und zwei Spulen – unter der Annahme, dass der Widerstand annähernd null beträgt und der Wert von L₁ größer als L₂ ist.

Der Leistungsschalter definiert die Unterbrechung im Stromkreis. Diese Schaltungsform nennt man isolierte Kondensatorbank.

In diesem Fall hängt der Strom von den Schaltungsparametern und dem Anfangszustand ab. Angenommen, der Kondensator ist zum Zeitpunkt t₀ auf Spannung v₀ geladen. Der Strom lässt sich berechnen aus:

Wobei:

In diesem Szenario nimmt der Strom durch Dämpfung ab und der Gesamtstrom im Stromkreis stellt sich ein.

Gegenüberliegende Kondensatorbank-Schaltung (Back-to-Back)

Zweites Szenario: Bekannt als Bank-zu-Bank-Kapazitätsschalten – betrachten wir das Diagramm.

Hier sind zwei Kondensatoren und zwei Spulen vorhanden. Wenn der Leistungsschalter bei Unterbrechung schließt und ein dielektrischer Durchbruch an Stelle b-b' auftritt (Spannungsdifferenz an den beiden Schalterkontakten), lässt sich der Stromausdruck berechnen als:

Wobei:

Der Strom kann etwa das Zehnfache des Spitzenstroms im Stromkreis betragen, wirkt aber nur auf einen Kondensator (lokal) – der Rest des Systems bleibt sicher.

Schritte zur Verhinderung hohen Einschaltstroms

Hier einige Empfehlungen zur Beseitigung hohen Einschaltstroms:

1. Ein Widerstand muss in der Schaltung vorhanden sein – Widerstand erhöht die Stromnutzung auf ein gewisses Maß.
2. Zusätzliche Reaktanz kann im System platziert werden – durch zusätzliche Reaktanz entstehen zusätzliche Energieverluste im System bei gleichzeitiger Reduzierung der Kondensatoreffekte.

Synchrones Schalten (Synchronous Switching)

Da hohe Überspannung durch dielektrischen Durchbruch zwischen den Schalterkontakten entsteht, muss dieses Problem dauerhaft beseitigt werden. Dazu muss sichergestellt werden, dass bei jeder Unterbrechungssituation, wenn ein Leistungsschalter schließt, keine Spannungsdifferenz zwischen den Kontakten des CB besteht.

Ein ideales Szenario ist nicht erreichbar (Toleranzen bleiben). Synchrones Schalten ist eine Lösung. Ein Gerät namens SmartClose Kondensatorschalter wurde entwickelt, der jede Bank über Sensoren in eine synchrone Bank umwandelt.

Eigenschaften und Funktionsweise des SmartClose Schalters

Er verfügt über 6 Spannungssensoren, die die Spannungsform sowohl auf der Kondensator- als auch auf der Quellenseite jedes Unterbrechers erfassen. Ein Schließbefehl eines separaten Kondensatorbank-Controllers veranlasst den SmartClose-Schalter, jeden Unterbrecher unabhängig dann zu schließen, wenn die Spannungsdifferenz über jedem Unterbrecher null ist – der Schließbefehl an den SC (SmartClose) löst das Nullspannungs-Schließen in allen Stromkreisen aus.

Der separate Controller jeder Kondensatorbank entscheidet, wann die Bank benötigt wird; der SmartClose-Schalter erfasst dies und führt den synchronen Schließvorgang automatisch durch.