Kondensatorbank: Definition, Anwendungen und Vorteile
Eine Kondensatorbank ist eine Gruppe von mehreren Kondensatoren mit der gleichen Nenngröße, die in Serie oder Parallel geschaltet sind, um elektrische Energie in einem elektrischen Energiesystem zu speichern. Kondensatoren sind Geräte, die elektrische Ladung durch die Erzeugung eines elektrischen Feldes zwischen zwei durch ein isolierendes Material getrennten Metallplatten speichern können. Kondensatorbanken werden für verschiedene Zwecke eingesetzt, wie z.B. Leistungsfaktor-Korrektur, Spannungsregelung, Harmonische Filterung und Transientunterdrückung.
Was ist Leistungsfaktor?
Der Leistungsfaktor ist ein Maß dafür, wie effizient ein Wechselstrom- (alternierender Strom) Energiesystem die bereitgestellte Energie nutzt. Er wird definiert als das Verhältnis von Wirkleistung (P) zur Scheinleistung (S), wobei die Wirkleistung die Leistung ist, die nützliche Arbeit in der Last ausführt, und die Scheinleistung das Produkt von Spannung (V) und Strom (I) im Schaltkreis ist. Der Leistungsfaktor kann auch als der Kosinus des Winkels (θ) zwischen Spannung und Strom ausgedrückt werden.
Leistungsfaktor = P/S = VI cos θ
Der ideale Leistungsfaktor beträgt 1, was bedeutet, dass die gesamte bereitgestellte Energie in nützliche Arbeit umgewandelt wird und es keinen Blindleistung (Q) im Schaltkreis gibt. Blindleistung ist die Leistung, die aufgrund der Anwesenheit induktiver oder kapazitiver Elemente, wie Motoren, Transformatorn, Kondensatoren usw., zwischen Quelle und Last hin- und herfließt. Blindleistung führt keine Arbeit aus, verursacht jedoch zusätzliche Verluste und verringert die Effizienz des Systems.
Blindleistung = Q = VI sin θ
Der Leistungsfaktor eines Systems kann je nach Art und Menge der angeschlossenen Last zwischen 0 und 1 variieren. Ein niedriger Leistungsfaktor weist auf einen hohen Bedarf an Blindleistung und eine schlechte Nutzung der bereitgestellten Energie hin. Ein hoher Leistungsfaktor weist auf einen geringen Bedarf an Blindleistung und eine bessere Nutzung der bereitgestellten Energie hin.
Warum ist die Leistungsfaktorkorrektur wichtig?
Die Leistungsfaktorkorrektur ist der Prozess, den Leistungsfaktor eines Systems durch Hinzufügen oder Entfernen von Blindleistungquellen, wie Kondensatorbanken oder synchrone Kondensatoren, zu verbessern. Die Leistungsfaktorkorrektur bietet sowohl dem Versorgungsunternehmen als auch dem Verbraucher mehrere Vorteile, wie:
Reduzierung von Leitungverlusten und Verbesserung der Systemeffizienz: Ein niedriger Leistungsfaktor bedeutet einen hohen Stromfluss im System, was die resistiven Verluste (I2R) erhöht und die Spannung am Lastende reduziert. Durch die Erhöhung des Leistungsfaktors wird der Stromfluss reduziert und die Verluste minimiert, was zu einer höheren Spannung und besserer Systemleistung führt.
Erhöhung der Systemkapazität und -zuverlässigkeit: Ein niedriger Leistungsfaktor bedeutet einen hohen Scheinleistungbedarf von der Quelle, was die Menge an Wirkleistung, die an die Last geliefert werden kann, begrenzt. Durch die Erhöhung des Leistungsfaktors wird der Scheinleistungbedarf reduziert und mehr Wirkleistung kann an die Last geliefert werden, was zu einer höheren Systemkapazität und -zuverlässigkeit führt.
Reduzierung von Netznutzungsgebühren und Strafen: Viele Versorgungsunternehmen erheben zusätzliche Gebühren oder verhängen Strafen für Verbraucher mit einem niedrigen Leistungsfaktor, da sie eine höhere Belastung auf das Übertragungs- und Verteilungsnetz und höhere Betriebskosten verursachen. Durch die Erhöhung des Leistungsfaktors können diese Gebühren oder Strafen vermieden oder reduziert werden, was zu niedrigeren Stromrechnungen für die Verbraucher führt.
Wie funktioniert eine Kondensatorbank?
Eine Kondensatorbank funktioniert, indem sie Blindleistung dem System zuführt oder daraus absorbiert, abhängig von ihrer Verbindungsmethode und Lage. Es gibt zwei Haupttypen von Kondensatorbanken: Shunt-Kondensatorbanken und Serienkondensatorbanken.
Shunt-Kondensatorbanken
Shunt-Kondensatorbanken sind parallel mit der Last oder an bestimmten Punkten im System, wie Umspannwerken oder Speiseleitungen, verbunden. Sie liefern vorlaufende Blindleistung (positive Q), um die nachlaufende Blindleistung (negative Q), die durch induktive Lasten wie Motoren, Transformatorn usw. verursacht wird, zu kompensieren oder zu reduzieren. Dies verbessert den Leistungsfaktor des Systems und reduziert Leitungverluste.
Shunt-Kondensatorbanken haben gegenüber anderen Arten von Blindleistungskompensationseinrichtungen einige Vorteile, wie:
Sie sind relativ einfach, billig und leicht zu installieren und zu warten.
Sie können je nach Laständerung oder Systemanforderung eingeschaltet oder ausgeschaltet werden.
Sie können in kleinere Einheiten oder Stufen unterteilt werden, um mehr Flexibilität und Genauigkeit bei der Blindleistungskontrolle zu bieten.
Sie können die Spannungsstabilität und -qualität am Lastende durch die Bereitstellung lokaler Blindleistung verbessern.
Allerdings haben Shunt-Kondensatorbanken auch einige Nachteile oder Einschränkungen, wie:
Sie können Überspannungs- oder Resonanzprobleme verursachen, wenn sie nicht ordnungsgemäß entworfen oder mit anderen Geräten im System koordiniert sind.
Sie können Harmonische oder Verzerrungen ins System einführen, wenn sie nicht ordnungsgemäß gefiltert oder geschützt sind.
Sie können für lange Übertragungsleitungen oder verteilte Lasten nicht effektiv sein.
Serienkondensatorbanken
Serienkondensatorbanken sind in Reihe mit der Last oder der Übertragungsleitung verbunden, wodurch der effektive Widerstand des Schaltkreises reduziert wird. Sie liefern nachlaufende Blindleistung (negative Q), um die vorlaufende Blindleistung (positive Q), die durch kapazitive Lasten wie lange Kabel, Übertragungsleitungen usw. verursacht wird, zu kompensieren oder zu reduzieren. Dies verbessert die Spannungsregelung und -stabilität des Systems.
Serienkondensatorbanken haben einige Vorteile gegenüber Shunt-Kondensatorbanken, wie:
Sie können die Leistungstransportfähigkeit und -effizienz langer Übertragungsleitungen durch Reduzierung der Leitungverluste und Spannungsabfall erhöhen.
Sie können den Kurzschlussstrom und den Fehlerpegel des Systems durch Erhöhung des Widerstands des Fehlerpfades reduzieren.
Sie können die transiente Reaktion und Dämpfung des Systems durch Reduzierung der Eigenfrequenz und Oszillationen verbessern.
Allerdings haben Serienkondensatorbanken auch einige Nachteile oder Einschränkungen, wie:
Sie können Überspannungs- oder Resonanzprobleme verursachen, wenn sie nicht ordnungsgemäß entworfen oder geschützt sind. Zum Beispiel kann die Spannung über dem Kondensator während eines Fehlerzustands bis zu 15-mal ihren Nennwert erreichen, was den Kondensator oder andere Geräte im System beschädigen kann.
Sie können Harmonische oder Verzerrungen ins System einführen, wenn sie nicht ordnungsgemäß gefiltert oder kompensiert sind.
Sie können für Niederspannung oder verteilte Lasten nicht effektiv sein.
Wie berechnet man die Größe einer Kondensatorbank?
Die Größe einer Kondensatorbank hängt von mehreren Faktoren ab, wie:
