Leistungskondensatoren sind elektrische Kondensatoren, die sowohl in der elektrischen Energietechnik und der Leistungselektronik als auch in der Hochspannungstechnik Verwendung finden. Diese Kondensatoren, umgangssprachlich auch Starkstromkondensatoren genannt, stammen aus den Kondensatorfamilien der Metallpapier- und Polypropylenfolien-Kondensatoren. Zu den Leistungskondensatoren werden aber auch Keramik-Leistungskondensatoren, Vakuumkondensatoren und SF6-Schutzgaskondensatoren gerechnet, die vor allem in der Hochfrequenztechnik zu finden sind.
mini|hochkant=0.8|Leistungskondensator im Rundbecher
Allgemeines mini|Leistungskondensator in einem quaderförmigen Gehäuse mini|Im Aufbau befindliche Kondensatorbank für 400 kV (Mitte links) und 110 kV (Mitte rechts) in einem Umspannwerk. Leistungskondensatoren sind so aufgebaut, dass sie eine höhere elektrische Leistung und meist auch eine höhere elektrische Spannung verkraften können. Diese höhere elektrische Leistung und auch die höhere Spannungsfestigkeit sind nicht eindeutig definierbar. Im deutschen Sprachraum ist die Zuordnung aus historischer Sicht durch die Anwendung der Kondensatoren in der Elektrik, der elektrischen Energietechnik, der Hochspannungs- und der Hochfrequenztechnik zu erklären. Aus diesen Anwendungsbereichen ergibt sich eine nicht exakt definierbare untere Leistungsgrenze für Leistungskondensatoren bei einer Blindleistung von etwa 200 var, zum Beispiel bei den Blindstrom-Kompensationskondensatoren für Leuchtstofflampen-Anwendungen oder für keramische Hochfrequenzkondensatoren für Sender kleinerer Leistung. Die obere Leistungsgrenze von Leistungskondensatoren wird durch die Applikation bestimmt. Für Oberwellenfilterung in Hochspannungsnetzen liegt hier beispielsweise die maximal benötigte Spannungsfestigkeit bei etwa 200 kV. Im Betrieb von Hochleistungssendern können hochfrequente Wechselströme bis zu 1000 A auftreten. Die Beherrschung solcher Obergrenzen ist entweder durch Zusammenschaltung mehrerer Einzelkondensatoren in größeren, quaderförmigen Gehäusen oder durch Wahl einer anderen Kondensatortechnologie möglich.
Die Applikation bestimmt weitgehend den konstruktiven Aufbau der Leistungskondensatoren. Für den niederfrequenten Wechselspannungs- oder Gleichspannungsbetrieb und den Impuls-Gleichspannungsbetrieb in Niederspannungsanlagen werden Leistungskondensatoren eingesetzt. Das sind Metallpapier- oder Polypropylen-Kunststoff-Folienkondensatoren mit gewickelten Elektroden, eingebaut in großen, runden Bechern. Mehrere Rundbecher können in quaderförmigen Gehäusen zusammengefasst werden. Hier gibt es allerdings Überschneidungen, die aus dem sich ausweitenden Bereich der industriellen Leistungselektronik ergeben. Bei kleineren und mittleren Leistungen werden die Leistungskondensatoren ergänzt durch kleinere, runde oder quaderförmige Kunststoff-Folienkondensatoren, wie sie aus der Elektronik bekannt sind. Für Gleichspannungsanwendungen kommen allerdings neben Folienkondensatoren auch große Aluminium-Elektrolytkondensatoren zum Einsatz, wenn sie beispielsweise als Stütz- oder Zwischenspeicherkondensatoren (DC-Link-Kondensatoren) größere elektrische Leistungen für unterbrechungsfreie Stromversorgungen oder Frequenzumformer speichern.
Für den Betrieb in der Hochfrequenztechnik werden dahingegen Keramikkondensatoren, meist in sehr speziellen Bauformen, sowie Vakuumkondensatoren und SF6-Schutzgaskondensatoren eingesetzt. Sie werden in LC-Schwingkreisen zur Erzeugung von hohen Frequenzen für große Sendeleistungen in der Sendetechnik, der Radartechnik, in der Schweißtechnik zum Verschweißen von Kunststoffen und in HF-Erwärmungsanlagen eingesetzt. SF6-Schutzgaskondensatoren dienen auch als Hochspannungskondensatoren in Spannungsteilern zur präzisen Messung von Hochspannungen oder als Brückenkondensator zur Messung von Kapazitäten und Verlustfaktoren in Hochspannungsanlagen.
Folien-Leistungskondensatoren für Gleich- oder Wechselspannung Die ersten industriell hergestellten Folien-Leistungskondensatoren bestanden aus zwei mit Metallfolien belegten Papierstreifen entsprechender Breite, die mit einer weiteren Papierfolie zu einem Wickel aufgerollt, mit einem Isolieröl imprägniert und in einem Becher mit Löt- oder Schraubanschlüssen eingebaut wurden. Diese Papierkondensatoren waren recht groß und nicht besonders zuverlässig.
Später wurden die Metallfolien durch Metallschichten ersetzt, die auf das Papier aufgedampft wurden. Diese Metallpapier-Kondensatoren (MP-Kondensatoren) haben selbstheilende Eigenschaften, weil bei einem Durchschlag das Material rund um die Durchschlagsstelle verdampft, der Grund des Durchschlages damit beseitigt wird und die Fehlstelle sozusagen „geheilt“ wird.
MP-Leistungskondensatoren wurden für hohe Leistungen niederfrequenter Wechselspannungs- oder Gleichspannungsanwendungen sowie für Impuls-Anwendungen verwendet. Daneben wurden MP-Kondensatoren in elektrischen Geräten und Anlagen zur Blindstromkompensation bei Gasentladungslampen und in Werkhallen mit vielen Elektroantrieben eingesetzt. Das imprägnierte Papier hat eine Durchschlagsfestigkeit von etwa 100 V/µm, bei 50 Hz einen Verlustfaktor von etwa 70·10−4 und eine Isolations-Zeitkonstante von etwa 1000 s. Papier ist polar und stark hygroskopisch. Vor dem Einbau in den Becher muss deshalb dem Wickel in einer Vakuumtrocknungsanlage die Feuchtigkeit entzogen werden. Zur Verminderung der Feuchteempfindlichkeit und zur Erhöhung der Spannungsfestigkeit wird der Kondensatorwickel außerdem mit einem Isolieröl imprägniert. Bis 1984 wurden hierzu auch polychlorierte Biphenyle (PCB) zum Tränken des Papiers eingesetzt. Nach 1984 sind alle Isolieröle für MP-Kondensatoren frei von PCB-haltigen ChemikalienPCB-Merkblatt des Zentralverband Elektro- und Elektronikindustrie e. V. (ZVEI).
Mit der Entwicklung von Kunststoffen in der organischen Chemie begann die Kondensatorindustrie nach dem Zweiten Weltkrieg, das Papier in den Papierkondensatoren durch dünnere und spannungsfestere Kunststofffolien zu ersetzen. Die Kunststoffe Polyester (Polyethylenterephthalat, kurz PET) und Polypropylen (PP) beispielsweise wurden zu Beginn der 1950er Jahre erstmals in großen Mengen hergestellt. Polypropylen hat eine Durchschlagsfestigkeit von etwa 650 V/µm, bei 50 Hz einen Verlustfaktor von etwa 1 bis 5·10−4, eine Isolations-Zeitkonstante von etwa 100.000 s und ist so gut wie nicht hygroskopisch. Vor allem wegen des sehr viel kleineren Verlustfaktors, der bei den hohen Betriebsströmen, die über die Leistungskondensatoren fließen, zur Erwärmung des Kondensators führt, haben sich deshalb Polypropylenfolien im Bereich der Leistungskondensatoren durchgesetzt. Reine MP-Kondensatoren sind deshalb heute nur noch in Funkentstörkondensatoren und in preiswerten Ausführungen mit hinreichendem Platzangebot zu finden. Es finden sich aber sowohl aus Kostengründen (Papier ist preiswerter als Polypropylen) als auch aus Gründen der besseren Haftung der Metallisierung auf Papier gegenüber einer Polypropylenfolie vor allem bei den Leistungskondensatoren viele Varianten mit gemischtem Aufbau aus Kunststoff- und Papierfolie. Bekannt sind hier die MKV-Kondensatoren. In diesen Kondensatoren besteht der Wickel aus zwei beidseitig beschichteten Papierfolien die durch eine Polypropylenfolie als Dielektrikum voneinander getrennt sind. Die Papierfolie ist feldfrei und dient nur als Träger der metallischen Elektroden.
Besonderheiten Gegenwärtig werden wegen der wesentlich besseren elektrischen und thermischen Eigenschaften sowie wegen der geringeren Feuchteempfindlichkeit Folien-Leistungskondensatoren überwiegend mit Polypropylenfolien als Dielektrikum gebaut. Gefertigt werden solche Kondensatoren meist in Form gewickelter, stirnflächig kontaktierter Folien, die in Rundbecher eingebaut werden. Eine Besonderheit ist die Kontaktierung des Wickels zu den Anschlussbolzen, die oft ein gespannter Draht ist, der bei eventuell im Becher auftretendem Überdruck durch Ausbeulen des Deckels reißt und damit den Kondensator vom Netz trennt.
mini|hochkant=1.5|Aufbau eines Leistungskondensators mit Sollbruchstelle in dem internen Anschluss, die bei Fehlverhalten des Kondensators durch den entstehenden Gasdruck die Verbindung trennt Mehrere große Rundbecherkondensatoren werden für sehr hohe Leistungen oder für sehr hohe Spannungen oft gemeinsam in ein quaderförmiges Gehäuse eingebaut, zusammengeschaltet und im Gehäuse z. B. durch Verguss mechanisch fixiert.
Die Anschlüsse von Kondensatoren für hohe Spannungen müssen wegen der erforderlichen Kriechstromfestigkeit hinreichend lange Wege auf der Oberfläche aufweisen. Deshalb haben Hochspannungs-Leistungskondensatoren oft Anschlüsse mit einer gewellten Keramikoberfläche.
Sicherheitsregeln Leistungskondensatoren arbeiten meist an gefährlicher elektrischer Spannung. Sie haben eine geringe Selbstentladung und können nach dem Abschalten über sehr lange Zeit (Monate) hohe Spannungen führen. Aufgrund der geringen Innenwiderstände können bei Berührung der Kontakte gefährliche Ströme mit der Folge eines Stromunfalls auftreten. Sogenannte Ableitwiderstände (Bleederwiderstände), die aus Sicherheitsgründen zu den Kondensatoren parallel geschaltet sind, begrenzen die Entladezeit auf einige Minuten.
Kondensatoren können jedoch auch nach dem vollständigen Entladen nach Aufheben des Kurzschlusses wieder gefährliche Spannungen annehmen. Ursache sind in den Dielektrika stattfindende Änderungen der Ladungsverteilung (Dielektrische Absorption). Leistungskondensatoren werden daher kurzgeschlossen gelagert und transportiert. Sollen die Kondensatoren geladen bleiben, so muss, wie in anderen Fällen auch, ein Berührungsschutz vorhanden sein, welcher aus einer isolierenden Umhüllung oder Abdeckung besteht. Außerdem dürfen solche Kondensatoren nicht niederohmig entladen werden, da sonst Lichtbögen entstehen können.
Elektrische Anlagen, in denen Hochspannungskondensatoren enthalten sind, unterliegen besonderen sicherheitstechnischen Regeln und Bedingungen. Der Grund liegt darin, dass in der elektrischen Anlage auch nach erfolgter Freischaltung durch die in den Kondensatoren gespeicherte Ladung gefährliche Spannungen auftreten können. Solche Anlagen müssen den gültigen Vorschriften der VDE entsprechen, die in mehreren Teilen der DIN-VDE-Normen 0560, siehe DIN-VDE-Normen Teil 5, festgelegt sind.
Umweltaspekte Leistungskondensatoren wurden früher und werden teilweise heute unter Verwendung von Isolieröl hergestellt. Ihre Entsorgung ist daher potentiell wassergefährdend. Bis ca. 1970 wurde auch das hochgiftige Chlordiphenyl bzw. polychlorierte Biphenyle (PCB) als Isolieröl verwendet. Derartige Kondensatoren waren auch in Haushaltgeräten (Waschmaschinen, Wäscheschleudern oder Spannungsgleichhalter) im Einsatz und erfordern einen besonders sorgsamen Umgang und eine fachgerechte Entsorgung.
Anwendung Blindstromkompensation mini|Innenansicht eines Schaltschrankes zur Blindleistungskompensation (PFC), 75 kvar, die Kondensatoren befinden sich im unteren Teil des Schaltschrankes
Blindstrom-Kompensationskondensatoren sind Wechselspannungskondensatoren, die fest parallel zum Verbraucher oder in Blindstrom-Kompensationseinrichtungen variabel zugeschaltet werden. Es sind Phasenschieberkondensatoren, die eine Verbesserung des Leistungsfaktors (cos φ) (Blindleistungskompensation) bewirken. Sie werden in Niederspannungsanlagen zur Kompensation des induktiven Blindstromes, hervorgerufen durch konventionelle Vorschaltgeräte von Leuchtstofflampen, Halogen-Metalldampf-, Natriumdampflampen und Quecksilberdampf-Hochdrucklampen sowie von Elektromotoren eingesetzt. Außerdem werden Blindstrom-Kompensationskondensatoren in Bahnantrieben und in induktiven Schmelzöfen der Metallindustrie benötigt.