Ausführliche Erklärung häufiger Probleme und Lösungen für Hochspannungskondensatoren

Spannungsbetriebsproblem des Kondensators​

Die Größe der Betriebsspannung eines Kondensators beeinflusst erheblich dessen Lebensdauer und Leistungsfähigkeit, was ihn zu einem wichtigen Überwachungsindikator im Umspannwerksbusbarsystem macht. Der Wirkleistungsverlust innerhalb eines Kondensators stammt hauptsächlich aus dielektrischen Verlusten und Leiterwiderstandsverlusten, wobei die dielektrischen Verluste über 98% ausmachen. Die dielektrischen Verluste haben einen signifikanten Einfluss auf die Betriebstemperatur des Kondensators. Dieser Einfluss kann durch die folgende Formel quantifiziert werden:

Pr = Qc * tgδ = ω * C * U² * tgδ * 10⁻³

​Wobei:​​

• Pr den Wirkleistungsverlust des Hochspannungskondensators repräsentiert
• Qc seine Blindleistung bezeichnet
• tgδ der dielektrische Verlusttangens ist
• ω die Netzwerkfrequenz ist
• C die Kapazität des Kondensators ist
• U die Betriebsspannung des Kondensators ist

Wie aus der obigen Formel ersichtlich, ist der Wirkleistungsverlust (Pr) eines Hochspannungskondensators direkt proportional zum Quadrat seiner Betriebsspannung (U²). Mit zunehmender Betriebsspannung steigt der Wirkleistungsverlust schnell an. Diese schnelle Zunahme führt zu einer Temperaturerhöhung, die die Isolierlebensdauer des Kondensators beeinflusst. Darüber hinaus kann ein langanhaltender Betrieb des Kondensators unter Überspannungszuständen zu Überströmen führen, die den Kondensator potenziell beschädigen können. Daher erfordern Hochspannungskondensatorsysteme umfassende Überspannungsschutzgeräte.

▲ Auswirkungen höherer Harmonischer

Höhere Harmonische im Stromnetz können auch negative Auswirkungen auf Kondensatoren haben. Wenn harmonische Ströme in einen Kondensator fließen, überlagern sie sich mit dem Grundstrom, erhöhen den Spitzenwert des Betriebsstroms und des Grundspannungswerts. Wenn die kapazitive Reaktanz des Kondensators mit der induktiven Reaktanz des Systems übereinstimmt, werden höhere Harmonische verstärkt. Diese Verstärkung kann zu Überströmen und Überspannungen führen, die potenziell zu partiellen Entladungen im internen isolierenden Dielektrikum des Kondensators führen. Solche partiellen Entladungen können Fehlfunktionen wie ​Ausbuchtung​ und ​Bauschutzschmelze​ auslösen.

​▲ Spannungsabfallproblem am Busbar

Der Verlust der Spannung an der Busbar, an der der Kondensator angeschlossen ist, ist ein weiteres kritisches Problem. Ein plötzlicher Spannungsverlust während des Betriebs eines Kondensators kann zu Auslösern auf der Umspannwerksversorgungsseite oder zur Trennung des Haustransformators führen. Wenn der Kondensator unter solchen Bedingungen nicht sofort getrennt wird, kann er schädliche Überspannungen erfahren. Darüber hinaus kann das Versäumnis, den Kondensator vor der Spannungswiederherstellung zu entfernen, zu ​resonanter Überspannung​ führen, die den Transformator oder den Kondensator selbst beschädigen kann. Daher ist ein ​Spannungsabfall-Schutzgerät​ unerlässlich. Dieses Gerät muss sicherstellen, dass der Kondensator nach einem Spannungsverlust zuverlässig getrennt und erst wieder angebunden wird, nachdem die Spannung vollständig normalisiert wurde.

▲ Durch Schaltwerkbedienung verursachte Überspannung

Die Bedienung von Schaltwerken kann ebenfalls Überspannungen verursachen. Da ​Vakuumschaltwerke​ hauptsächlich für das Schalten von Kondensatoren verwendet werden, kann das ​Kontaktspringen​ beim Schließen Überspannungen auslösen. Obwohl diese Überspannungen einen ​relativ geringen Spitzenwert​ haben, darf ihr Einfluss auf Kondensatoren ​nicht vernachlässigt​ werden. Andererseits können bei der Öffnung (Trennung) des Schaltwerks potenziell erzeugte Überspannungen erheblich höher sein und den Kondensator ​durchschlagen​. Daher ist es notwendig, effektive Maßnahmen zur Minderung der durch Schaltwerkoperationen erzeugten Überspannungen zu implementieren.

​▲ Management der Betriebstemperatur von Kondensatoren

Die Betriebstemperatur von Kondensatoren ist ebenfalls ein entscheidender Faktor. Zu hohe Temperaturen beeinträchtigen negativ die Lebensdauer und Leistungsfähigkeit eines Kondensators, was proaktive Kontroll- und Verwaltungsmaßnahmen erforderlich macht. ​Insbesondere verdoppelt sich die Rate des Kapazitätsverfalls bei jeder 10°C-Erhöhung der Temperatur.​​ Kondensatoren, die über lange Zeit unter hohen elektrischen Feldern und erhöhten Temperaturen betrieben werden, erfahren eine allmähliche Alterung ihres isolierenden Dielektrikums. Diese Alterung führt zu erhöhten dielektrischen Verlusten, was anschließend zu einer schnellen internen Temperaturerhöhung führt. Dies verkürzt nicht nur die Betriebsdauer des Kondensators, sondern kann in schwerwiegenden Fällen sogar zu ​thermischen Ausfällen​ führen.

Um die sichere Betriebsführung von Kondensatoren zu gewährleisten, legen relevante Vorschriften explizit fest:

• ​Wenn die Umgebungstemperatur 30°C übersteigt, sollten Lüftungseinrichtungen ​aktiviert​ werden, um Kühlung zu gewährleisten.
• ​Wenn die Umgebungstemperatur 40°C erreicht oder übersteigt, müssen Kondensatoren ​sofort deaktiviert​ werden.

Daher muss ein ​Temperaturüberwachungssystem​ implementiert werden, um die Betriebstemperatur der Kondensatoren in Echtzeit kontinuierlich zu verfolgen. Darüber hinaus sind ​gezwungene Luftzirkulationsmaßnahmen​ entscheidend, um die Wärmeableitungsbedingungen zu verbessern und sicherzustellen, dass die erzeugte Wärme durch ​effektive Konvektion und Strahlung​ effizient abgeführt wird.