Wie Kompensationsdrosseln kapazitive Blindleistung in Kabelnetzen reduzieren

Ausgedehnte Kabelnetze können erhebliche kapazitive Blindleistung erzeugen, selbst wenn nur wenig Wirkleistung übertragen wird. Mögliche Folgen sind Ladestrom, ein Spannungsanstieg bei geringer Belastung und eine ungünstige Blindleistungsbilanz aus Sicht der Einspeisung. Eine parallel zum Netz geschaltete Drossel nimmt induktive Blindleistung auf und wirkt damit der kapazitiven Blindleistung der Kabel entgegen. Die Auslegung beschränkt sich jedoch nicht darauf, zwei kvar- oder MVAr-Werte gleichzusetzen. Auch Betriebsspannung, wechselnde Netzkonfigurationen und mögliche Resonanzbedingungen müssen berücksichtigt werden.

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Wie entsteht kapazitive Blindleistung in einem Kabelnetz?

Die kapazitive Blindleistung eines Kabelnetzes entsteht durch die elektrische Kapazität zwischen den Leitern sowie zwischen Leiter und Schirm beziehungsweise Erde. Mit steigender Spannung, Frequenz und Gesamtkapazität nehmen sowohl der Ladestrom des Kabels als auch die erzeugte Blindleistung zu.

Für ein vereinfachtes kapazitives Modell lässt sich der Strom mit der Beziehung I_C = ωCU beschreiben. Die Blindleistung ist bei korrekter Zuordnung von Spannung und Kapazität zum jeweiligen Phasensystem proportional zu ωCU². Der Einfluss der Spannung ist damit quadratisch: Steigt die Spannung bei unveränderten übrigen Parametern um 10 %, erhöht sich die kapazitive Blindleistung um etwa 21 %.

Besonders relevant wird dieser Effekt bei langen Mittel- und Hochspannungskabeln, da sich die Kapazitäten der einzelnen Kabelabschnitte addieren. Ein langes Kabel kann daher auch bei geringer Wirkleistungsübertragung eine erhebliche Quelle kapazitiver Blindleistung darstellen. Zur Aufnahme dieser Blindleistung werden in Kabelsystemen häufig parallel geschaltete Drosseln eingesetzt.

Die kapazitive Blindleistungsbilanz wird insbesondere durch folgende Faktoren beeinflusst:

• Kabellänge – eine größere Länge bedeutet eine höhere Gesamtkapazität und einen höheren Ladestrom;

• Betriebsspannung – die kapazitive Blindleistung steigt näherungsweise mit dem Quadrat der Spannung;

• Kapazität pro Längeneinheit – sie hängt unter anderem von der Leitergeometrie und vom Aufbau des Isolationssystems ab;

• Frequenz – mit steigender Frequenz sinkt die kapazitive Reaktanz und der Ladestrom nimmt zu;

• Netzkonfiguration – die Anzahl der zugeschalteten Kabelabschnitte verändert die gesamte kapazitive Suszeptanz;

• Belastungszustand – bei geringer Wirkleistungsaufnahme wird der Anteil des kapazitiven Stroms am Gesamtstrom besonders deutlich.

Übermäßige kapazitive Blindleistung bedeutet deshalb nicht nur einen ungünstigen Leistungsfaktor am Messpunkt. Sie kann auch das Spannungsprofil beeinflussen und Netzkomponenten mit Strom belasten, der nicht der Übertragung nutzbarer Wirkleistung dient.

Wie nehmen Kompensationsdrosseln überschüssige Blindleistung auf?

Kompensationsdrosseln, die parallel zum Netz geschaltet werden, nehmen induktive Blindleistung auf und gleichen damit die von Kabeln erzeugte kapazitive Blindleistung teilweise oder nahezu vollständig aus.

Die Drossel „beseitigt“ die Kapazität der Leitung nicht, sondern verändert die resultierende Suszeptanz beziehungsweise Blindleistungsbilanz am Anschlusspunkt. Für eine parallel geschaltete Drossel kann die Blindleistung vereinfacht mit Q_L = U²/X_L beschrieben werden, wobei X_L = ωL gilt. Auch die aufgenommene induktive Blindleistung hängt somit vom Quadrat der Spannung ab. Dieses Verhalten passt gut zur kapazitiven Netzcharakteristik, deren Blindleistung eine ähnliche Spannungsabhängigkeit aufweist.

Der Kompensationsgrad lässt sich als Verhältnis der induktiven Blindleistung der Drossel zur kapazitiven Blindleistung des Netzes in einem bestimmten Betriebszustand betrachten. Eine vollständige Gleichsetzung von Q_L und Q_C ist jedoch nicht in jedem Fall der optimale Auslegungspunkt. Die aktive Länge des Kabelnetzes kann sich ändern und auch die Betriebsspannung bleibt nicht dauerhaft exakt auf ihrem Nennwert.

Eine fest ausgelegte Kompensationsdrossel eignet sich daher insbesondere für Netze mit relativ vorhersehbaren Betriebsbedingungen. Bei stark wechselnden Netzkonfigurationen können dagegen stufig schaltbare oder regelbare Lösungen sinnvoll sein, mit denen sich die aufgenommene induktive Blindleistung an den jeweiligen Betriebszustand anpassen lässt.

Welche Daten werden für die Auslegung einer Kompensationsdrossel benötigt?

Für die Auswahl einer Kompensationsdrossel muss die tatsächlich erzeugte Blindleistung des Netzes in unterschiedlichen Betriebszuständen ermittelt werden. Die Nennwerte eines einzelnen Kabels reichen dafür nicht aus.

Grundlage der Berechnung sind die längenbezogene Kapazität und die Länge der aktiven Kabelabschnitte. Zusätzlich müssen jedoch Spannungsschwankungen und unterschiedliche Schaltzustände des Netzes berücksichtigt werden.

In einer umfangreichen Industrieanlage kann die Differenz zwischen der minimalen und maximalen Anzahl zugeschalteter Kabelabschnitte so groß sein, dass eine feste Kompensation zeitweise zu Unter- oder Überkompensation führen würde. Die Analyse sollte daher repräsentative Netzkonfigurationen und nicht ausschließlich den Nennbetrieb erfassen.

Zu den wichtigsten Eingangsdaten gehören:

• Nennspannung und zulässiger Spannungsbereich;

• Netzfrequenz;

• längenbezogene Kabelkapazität;

• Länge der einzelnen Kabelabschnitte;

• mögliche Schalt- und Netzkonfigurationen;

• Höhe der erzeugten kapazitiven Blindleistung;

• Oberschwingungsspektrum am Anschlusspunkt.

Der berechnete kvar- oder MVAr-Wert ist lediglich der erste Schritt der Auslegung. Anschließend sollten unter anderem die Klemmenspannungen, der Strom der Drossel und das Verhalten bei transienten Vorgängen überprüft werden, insbesondere beim Zu- und Abschalten einzelner Netzabschnitte.

Warum müssen Resonanzen und Oberschwingungen bei der Kompensation berücksichtigt werden?

Die Induktivität der Drossel und die Kapazität des Netzes bilden zusammen ein LC-System. Eine Blindleistungskompensation verändert daher die Eigenfrequenzen der gesamten Installation.

Eine ungünstig gewählte Induktivität kann eine Resonanzfrequenz in die Nähe einer im Netz vorhandenen Oberschwingung verschieben. In Anlagen mit Frequenzumrichtern, Gleichrichtern oder anderen nichtlinearen Verbrauchern reicht es deshalb nicht aus, ausschließlich die Grundfrequenz von 50 oder 60 Hz zu betrachten.

Unter bestimmten Bedingungen kann eine Parallelresonanz die für eine bestimmte Harmonische wirksame Netzimpedanz erhöhen. Dadurch können die Spannungsverzerrungen zunehmen, obwohl die Blindleistungsbilanz bei der Grundfrequenz korrekt erscheint.

Die Auslegung sollte deshalb auch eine frequenzabhängige Betrachtung der Netzimpedanz und der möglichen Schaltzustände umfassen, insbesondere wenn die Kompensationsleistung einen erheblichen Anteil an der Kurzschlussleistung des Anschlusspunktes ausmacht.

Die Kompensation muss dem tatsächlichen Betriebszustand der Anlage entsprechen

Die Art der Regelung sollte sich danach richten, wie stark sich die kapazitive Blindleistung im Betrieb verändert. Eine feste Reaktanz ist sinnvoll, wenn sich die Länge der angeschlossenen Kabel und das Spannungsniveau nur in einem begrenzten Bereich ändern. Rekonfigurierbare Netze können dagegen eine gestufte oder regelbare induktive Kompensation erfordern.

Inducto entwickelt induktive Komponenten für anwendungsspezifisch definierte technische Parameter. Bei der Auswahl einer Lösung sollte jedoch insbesondere die Bilanz Q_C – Q_L für die relevanten Grenzzustände des Netzes betrachtet werden. Eine überdimensionierte Drossel kann dazu führen, dass sich ein ursprünglich kapazitives System insgesamt zu stark induktiv verhält.

Eine parallel geschaltete Kompensationsdrossel reduziert die Auswirkungen kapazitiver Blindleistung, indem sie induktive Blindleistung mit entgegengesetztem Vorzeichen aufnimmt. Die Kompensationsleistung sollte dabei an die tatsächlich angeschlossene Netzkapazität und nicht ausschließlich an die maximal mögliche Konfiguration angepasst werden.

Eine Überkompensation kann das Spannungsprofil ebenso ungünstig beeinflussen wie eine unzureichende Kompensation. Die Auslegung sollte daher die Berechnung in kvar beziehungsweise MVAr mit einer Spannungs- und Frequenzanalyse des Netzes verbinden.

Das Wichtigste zur Kompensation kapazitiver Blindleistung mit Drosseln

• Lange Kabelabschnitte verhalten sich bei Netzfrequenz wie verteilte Kapazitäten und führen auch bei geringer Wirkleistungsbelastung Ladestrom.

• Die kapazitive Blindleistung steigt proportional zur Frequenz und näherungsweise mit dem Quadrat der Betriebsspannung.

• Eine parallel geschaltete Drossel bringt induktive Suszeptanz in die Netzbilanz ein und reduziert dadurch die resultierende kapazitive Blindleistung des Kabelsystems.

• Die erforderliche Kompensationsleistung sollte für unterschiedliche Netztopologien bestimmt werden, da das Zu- und Abschalten von Kabelabschnitten die Gesamtkapazität verändert.

• Die Kombination aus Drosselinduktivität und Kabelkapazität bildet ein schwingungsfähiges System. Deshalb gehört die Analyse von Resonanzen und Oberschwingungen zu einer korrekten Auslegung.

• Eine regelbare oder stufig schaltbare Blindleistungsaufnahme kann sinnvoll sein, wenn sich Netzkonfiguration oder Spannungsniveau so stark ändern, dass ein fester Kompensationspunkt nicht ausreicht.

FAQ

Reduziert eine Kompensationsdrossel den Ladestrom des Kabels selbst?

Eine parallel geschaltete Drossel verändert weder die physikalische Kapazität des Kabels noch den lokalen Vorgang seiner Aufladung. Sie reduziert jedoch die kapazitive Blindleistung und die entsprechende Stromkomponente, die aus Sicht der Einspeisung wirksam wird, weil ein Teil der Blindleistung lokal durch die Drossel ausgeglichen wird.

Sollte die Leistung der Drossel der gesamten kapazitiven Blindleistung des Netzes entsprechen?

Nicht in jedem Fall. Der erforderliche Kompensationsgrad sollte aus der Spannungsanalyse und den verschiedenen Schaltzuständen des Netzes abgeleitet werden. Eine vollständige Kompensation in einem bestimmten Betriebspunkt kann nach dem Abschalten einzelner Kabelabschnitte zu einer Überkompensation führen.

Wo wird eine Kompensationsdrossel in einem Kabelnetz installiert?

Parallel geschaltete Drosseln können direkt an eine Leitung oder an einen geeigneten Netzknoten angeschlossen werden. In langen Kabelsystemen kann eine Kompensation auch an einem oder an beiden Kabelenden vorgesehen werden.

Die Position sollte sich aus dem Blindleistungsfluss, dem Spannungsprofil und der Analyse der relevanten Schaltzustände ergeben und nicht ausschließlich danach gewählt werden, wo in der Schaltanlage ausreichend Platz vorhanden ist.