| von Martina Auer

Auf einen Blick

Mit der Epcos Heavy-Duty-Baureihe B3293 stehen AC-Folien-Kondensatoren für eine Nennspannung von 305 VAC und Temperaturen bis 105 °C bei Kapazitätswerten im Bereich von 47 nF bis 2,2 µF zur Verfügung. Bis zu dieser Kapazität übererfüllen diese Kondensatoren sogar die Vorgaben der Norm IEC 60384-14 für die X2-Sicherheitszertifizierung. Zudem werden diese Kondensatoren die ersten sein, die nach der neuen Norm UL 60384-14 zugelassen sind. Mit ihrer zuverlässigen Leistung bei hoher Luftfeuchte eignen sich die robusten Bauelemente für den Einsatz in der steigenden Anzahl von intelligenten Stromzählern. Weitere typische Anwendungen sind Bewegungssensoren, Haushaltsgeräte, Rolltore und andere Produkte, die eine kostengünstige kapazitive Spannungsversorgung mit geringen Strömen erfordern.

Die AC-Folien-Kondensatoren  der Epcos Heavy-Duty-Baureihe B3293 bieten unabhängig von klimatischen Bedingungen über mehrere Jahrzehnte äußerst stabile Kapazitätswerte.

Die AC-Folien-Kondensatoren der Epcos Heavy-Duty-Baureihe B3293 bieten unabhängig von klimatischen Bedingungen über mehrere Jahrzehnte äußerst stabile Kapazitätswerte.Epcos

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 regelmäßige, manuelle Vor-Ort-Ablesen erledigen müssen. Darüber hinaus helfen automatisch erfasste und damit stets verfügbare Daten Versorgungsunternehmen und Kunden, den Netzbetrieb beziehungsweise den Stromverbrauch 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. Während bei konventionellen Stromzählern eine Installation im Freien wegen ihres einfachen elektromechanischen Aufbaus kaum Probleme bereitet, ist dies eine erheblich größere Herausforderung bei intelligenten Stromzählern. Sie nutzen eine kapazitive Stromversorgung, bei der das wichtigste Bauelement, der AC-Kondensator, in Reihe zur Phase geschaltet ist. Durch hohe Luftfeuchte und hohe Temperaturen kann sich die Kapazität dieser Kondensatoren erheblich verringern und ihre Lebensdauer beträchtlich verkürzen.

Die AC-Folien-Kondensatoren der Heavy-Duty-Baureihe B3293.

Die AC-Folien-Kondensatoren der Heavy-Duty-Baureihe B3293.Epcos

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

Unabhängig von klimatischen Bedingungen

Schaltungsbeispiel mit X2-Kondensatoren: Während X2-Kondensatoren zur Entstörung parallel zur Stromleitung geschaltet werden (links), haben intelligente Stromzähler eine kapazitive Stromversorgung mit in Reihe geschaltetem Kondensator.

Schaltungsbeispiel mit X2-Kondensatoren: Während X2-Kondensatoren zur Entstörung parallel zur Stromleitung geschaltet werden (links), haben intelligente Stromzähler eine kapazitive Stromversorgung mit in Reihe geschaltetem Kondensator.Epcos

Die Herausforderung lag darin, einen Kondensator zu entwickeln, der unabhängig von klimatischen Bedingungen über mehrere Jahrzehnte äußerst stabile Kapazitätswerte bietet. Genau diese Vorgaben erfüllt die Heavy-Duty-Baureihe B3293 von AC-Folien-Kondensatoren. Sie bieten eine hohe Kapazitätsstabilität unter AC-Last und extremen Umgebungsbedingungen bei relativ kleinen Abmessungen und erfüllen gleichzeitig die Anforderungen der X2-Sicherheitsklasse.

Obwohl für kapazitive Stromversorgungen sicherheitszertifizierte Kondensatoren nicht gefordert sind, werden dennoch X2-Entstörkondensatoren mit Zulassung nach IEC 60384-14 und UL 60384-14 von Kunden bevorzugt.

Aggressive Umgebungsbedingungen mit hoher Luftfeuchte und/oder relativ hohen Temperaturen können in Verbindung mit der Wechselspannung dazu führen, dass in den Elektroden zerstörerische Prozesse ausgelöst werden, die die metallisierten Ränder auflösen und zu einem Kapazitätsverlust führen.

Kunststofffolie mit beschädigten metallisierten Randzonen: Eine hohe Luftfeuchte und/oder hohe Temperaturen können in Verbindung mit Wechselspannung dazu führen, dass die metallisierten Folienränder beschädigt werden.

Kunststofffolie mit beschädigten metallisierten Randzonen: Eine hohe Luftfeuchte und/oder hohe Temperaturen können in Verbindung mit Wechselspannung dazu führen, dass die metallisierten Folienränder beschädigt werden.Epcos

Drei Risiken für Kondensatoren

Die drei großen Herausforderungen für Kondensatoren in intelligenten Stromzählern sind:

  •  eine dauerhaft hohe Wechselspannung,
  •  starke Temperaturschwankungen und
  •  eine hohe Luftfeuchte.

Diese Betriebsbedingungen verkürzen bei konventionellen Kondensatoren die Lebensdauer erheblich. Deshalb war ein wichtiges Ziel bei der Entwicklung der AC-Folien-Kondensatoren der Heavy-Duty-Baureihe B3293, eine lange Haltbarkeit und eine sehr geringe Kapazitätsänderung zu gewährleisten.

Lösung für hohe Wechselspannungen und Temperaturen

Um die Degradation der Elektroden durch die hohe Wechselspannung zu vermeiden, kommt bei der Baureihe B3293 ein alternierendes Metallisierungsmuster zum Einsatz. So entstehen im Prinzip zwei in Reihe geschaltete Kondensatoren. Infolgedessen wird die Wechselspannungsbelastung für den einzelnen Kondensator halbiert. Durch diesen wesentlich geringeren Stressfaktor verlangsamt sich der Auflösungsprozess der Elektroden erheblich. Darüber hinaus bietet dieses Design einen zusätzlichen Sicherheitsvorteil: Sollte in einem Kondensator ein Kurzschluss auftreten, bleibt der andere Kondensator davon unbeeinträchtigt und die Funktion der Stromversorgung ist weiterhin gewährleistet.

Metallisierungsmuster der Folie für die Heavy-Duty-Baureihe B3293: Innerer Aufbau mit zwei in Reihe geschalteten Kondensatoren. Durch diese Anordnung trägt jeder einzelne Kondensator nur die halbe Wechselspannungslast.

Metallisierungsmuster der Folie für die Heavy-Duty-Baureihe B3293: Innerer Aufbau mit zwei in Reihe geschalteten Kondensatoren. Durch diese Anordnung trägt jeder einzelne Kondensator nur die halbe Wechselspannungslast.Epcos

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

Für die Mehrzahl der heute verwendeten Entstörkondensatoren der X2-Sicherheitsklasse kommt Polypropylen-Folie (PP) zum Einsatz. Die Baureihe B3293 basiert jedoch auf Polyesterfolie (PET). Die Dielektrizitätskonstante dieses Materials beträgt 3,3 und ist damit um 50 Prozent größer als bei PP. Zudem zeichnet sich PET durch eine größere Beständigkeit gegenüber hohen Temperaturen aus. Somit können Kondensatoren gefertigt werden, die für Betriebstemperaturen von bis zu 125 °C geeignet sind.

Kapazitätsänderung der Heavy-Duty-Baureihe B3293 im Vergleich zu konventionellen X2-Kondensatoren.

Kapazitätsänderung der Heavy-Duty-Baureihe B3293 im Vergleich zu konventionellen X2-Kondensatoren.Epcos

Beständig gegenüber hoher Luftfeuchte

Eine andere wesentliche Anforderung bestand darin, die Beständigkeit des Kondensators gegenüber hoher Luftfeuchte zu erhöhen. Um das Eindringen von Feuchtigkeit zu verhindern, werden 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 Metallisierungsprofil der Folie optimiert, um deren Beständigkeit gegenüber Luftfeuchte weiter zu verbessern.

Diese Optimierungen ermöglichen die Kondensatoren der Baureihe B3293, die auch unter extremen Einsatzbedingungen eine sehr hohe Kapazitätsstabilität bieten und die äußerst strengen Anforderungen der Sicherheitsklasse X2 erfüllen.

Langzeitzuverlässigkeit in strengen Tests nachgewiesen

Dauertest-Ergebnisse der Heavy-Duty-Baureihe unter extremen Einsatzbedingungen.

Dauertest-Ergebnisse der Heavy-Duty-Baureihe unter extremen Einsatzbedingungen.Epcos

Unter Standardtestbedingungen (85 °C, 85 Prozent RH, 275 VAC) trat bei den Kondensatoren nach 1000 Stunden eine Kapazitätsänderung von weniger als zwei Prozent auf. Demgegenüber kam es bei konventionellen X2-Kondensatoren nach nur 500 Stunden bereits zu einem Kapazitätsverlust von mehr als zehn Prozent. Diese Werte belegen die erheblich höhere Stabilität dieser Kondensatorbaureihe. Weitere Tests unter gleichen Bedingungen ergaben, dass die Kapazitätsänderung selbst nach 2000 Stunden noch unter zwei Prozent bleibt.

Auch in Dauertests wurde die Zuverlässigkeit dieser Baureihe nach den strengen Vorgaben der Norm IEC 60384-14 unter Berücksichtigung der von Smart Metern gestellten Anforderungen nachgewiesen. Diese Norm spezifiziert nach 1000 Stunden eine maximale Kapazitätsänderung von zehn Prozent bei der maximalen Temperatur der Klimakategorie und dem 1,25-fachen der Nennspannung. Unter diesen extremen Bedingungen liegt ein Kondensator der Heavy-Duty-Baureihe B3293 mit einer Kapazität von 2,2 µF deutlich unter dem zulässigen Kapazitätsänderungswert von zehn Prozent.

Technische Daten der X2-Kondensatoren der Heavy-Duty-Baureihe EPCOS B3293.

Technische Daten der X2-Kondensatoren der Heavy-Duty-Baureihe EPCOS B3293.Epcos

Martina Auer

ist Director Product Marketing Film DC bei TDK.

(ah)

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