Smart Metering Robuste Filmkondensatoren für kapazitive Stromversorgungen

X2-Folien-Kondensatoren helfen den intelligenten Zählern
X2-Folien-Kondensatoren helfen den intelligenten Zählern

Energieversorger nutzen immer öfter »intelligente« Zähler, um Zählerstände automatisch abzulesen und das Energiemanagement zu optimieren. X2-Folienkondensatoren wie die von TDK eignen sich für die kapazitive Stromversorgung solcher Zähler besonders gut, weil sie zuverlässig und langlebig sind.

Die automatische Zählerfernablesung (Automated Meter Reading, AMR) bietet Energieversorgungsunternehmen viele Vorteile: Unter anderem können die Kosten für Fahrten von Außendienstmitarbeitern eingespart werden, die sonst das manuelle Vor-Ort-Ablesen erledigen müssen. Darüber hinaus helfen automatisch erfasste und damit stets verfügbare Daten Versorgungsunternehmen und Kunden, den Netzbetrieb bzw. den Strombedarf besser zu steuern.

Rund 40 Prozent aller Stromzähler weltweit sind außerhalb von Gebäuden installiert, wo sie einer hohen Luftfeuchte sowie extremen und schnell schwankenden Temperaturen ausgesetzt sind. Doch eine Installation im Freien bereitet bei konventionellen Stromzählern wegen ihres einfachen elektromechanischen Aufbaus kaum Probleme, bei intelligenten Stromzählern schon. Letztere bedienen sich einer kapazitiven Stromversorgung, bei der das wichtigste Bauelement, der AC-Kondensator, in Reihe zur Phase geschaltet ist. Die Kapazität dieser Kondensatoren neigt erfahrungsgemäß dazu, aufgrund der vorherrschenden hohe Luftfeuchte und hohen Temperaturen abzusinken und hinsichtlich ihrer Lebensdauer deutlich früher auszufallen.

In der Vergangenheit wurden für Stromzählerschaltungen Entstörkondensatoren mit Sicherheitszulassung (UL, ENEC) genutzt. Diese Bauelemente sind allerdings nicht auf die speziellen Anforderungen des zuverlässigen Langzeitbetriebs eines Stromzählers zugeschnitten.

Neue Heavy-Duty-Baureihe

Es mussten also Kondensatoren entwickelt werden, die unabhängig von klimatischen Bedingungen über mehrere Jahrzehnte hinweg extrem stabile Kapazitätswerte aufweisen. Und diese Vorgaben erfüllt die Epcos-Heavy-Duty-Baureihe B3293* mit AC-Folienkondensatoren. Sie erreichen hohe Kapazitätsstabilität unter AC-Last und extremen Umgebungsbedingungen, begnügen sich mit relativ kleinen Abmessungen und erfüllen zudem auch die Anforderungen der Sicherheitsklasse X2.

Obwohl für kapazitive Stromversorgungen (Bild 1) sicherheitszertifizierte Kondensatoren an sich nicht gefordert sind, gibt es viele Kunden, die für diese Applikationen X2-Entstörkondensatoren mit Zulassung nach IEC 60384-14 und UL 60384-14 bevorzugen. Eben diese Zulassung erfüllt die Baureihe B3293*, bei der, um beispielsweise die Degradation der Elektroden durch hohe Wechselspannungen zu vermeiden, ein alternierendes Metallisierungsmuster zum Einsatz kommt. Hierbei entstehen im Prinzip zwei in Reihe geschaltete Kondensatoren, so dass die Wechselspannungsbelastung für den einzelnen Kondensator faktisch halbiert wird (Bild 2).

Durch diesen wesentlich geringeren Stressfaktor verlangsamt sich der Auflösungsprozess der Elektroden erheblich. Darüber hinaus bietet dieses Design einen zusätzlichen Sicherheitsvorteil: Sollte in einem der beiden Kondensatoren ein Kurzschluss auftreten, so bleibt der andere Kondensator davon unbeeinträchtigt und die Funktion der Stromversorgung ist weiterhin gewährleistet.

Metallisierte Folienkondensatoren sind zudem eine sehr sichere Technologie, da sie selbstheilend sind – eventuelle Fehlerstellen werden beim Auftreten von Überspannungen weggebrannt. Des Weiteren erfüllt diese Kondensatortechnologie die Anforderungen an hohe Kapazitätswerte, hohe Spitzenspannungen, hohe Temperaturen (105 °C) und die Sicherheitsklasse X2, die eine Überspannungsfestigkeit bis 1000 V verlangt. Dank ihrer hohen Durchschlagfestigkeit kann bei der Heavy-Duty-Baureihe B3293* auf eine Überdimensionierung des Kondensators verzichtet werden.

Während für die Mehrzahl der heute verwendeten Entstörkondensatoren der Sicherheitsklasse X2 Polypropylen-Folie (PP) zum Einsatz kommt, basiert die Baureihe B3293* auf Polyesterfolie (PET). Die Dielektrizitätskonstante dieses Materials beträgt 3,3 und liegt damit um 50 Prozent über dem von PP. Zudem zeichnet sich PET durch eine größere Beständigkeit gegenüber hohen Temperaturen aus, da sie für Betriebstemperaturen bis 125 °C geeignet sind.

Beständig gegenüber hoher Luftfeuchte

Eine andere wesentliche Anforderung während der Produktentwicklung bestand darin, die Beständigkeit des Kondensators gegenüber hoher Luftfeuchte zu erhöhen. So werden, um das Eindringen von Feuchtigkeit zu verhindern, für die Baureihe B3293* spezielle Materialien verwendet. Das gilt für das Gehäuse, die Harzfüllung sowie das aufgesprühte Metall zur Verbindung mit den Anschlüssen. Die wichtigste Verbesserung besteht darin, dass die Kunststofffolie nicht mehr mit Zink metallisiert wird. Dieses allgemein in X2- und AC-Kondensatoren eingesetzte Metall reagiert äußerst empfindlich auf Luftfeuchte und korrodiert sehr leicht. Ergänzend dazu wurde das ­Folien-Metallisierungsprofil dahingehend optimiert, deren Beständigkeit gegenüber Luftfeuchte weiter zu verbessern.