Warum verbessert man den Leistungsfaktor?

Aus Planungskompendium Energieverteilung

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Allgemeine Planungsgrundlagen – Bestimmungen – Installierte Leistung
Anschluss an das Hochspannungs-Versorgungsnetz des Netzbetreibers
Anschluss an das NS-Verteilnetz des Netzbetreibers
Auswahlhilfe HS- und NS-Verteilnetzarchitektur
Verteilsysteme in NS-Verteilnetzen
Schutz gegen elektrischen Schlag
Schutz von Stromkreisen
Schaltgeräte
Schutz bei Überspannungen und Stoßüberspannungen
Energieeffizienz in elektrischen Verteilnetzen
Blindleistungskompensation und Filterung von Oberschwingungen
Oberschwingungserfassung und - filterung
Stromversorgungen und Verbraucher besonderer Art
Solaranlagen
Wohngebäude und ähnliche Einsatzbereiche sowie besondere Orte und Bereiche
EMV-Richtlinien
Messung

Inhaltsverzeichnis


Eine Verbesserung des Leistungsfaktors einer Anlage bietet zahlreiche technische und wirtschaftliche Vorteile, insbesondere geringere Kosten für elektrische Energie.

Allgemein setzt sich eine Rechnung für elektrische Energie eines Energieversorgungsunternehmens an einen gewerblichen Sondervertragskunden aus folgenden Bestandteilen zusammen:

  • Leistung [kW]
Eine über 15 Minuten gemittelte Spitzenlast mit einem Maximumzähler, meist als Monatsmaximum gemessen.
  • Wirkarbeit [kWh]
Ein mit Wirkenergiezähler gemessener Verbrauch, getrennt nach Tag- (HT) und Nachttarif (NT).
  • Blindarbeit [kvarh]
Ein mit Blindenergiezähler gemessener Verbrauch, getrennt nach Tag- (HT) und Nachttarif (NT).

In der Regel berechnen die Energieversorger gewerblichen Sondervertragskunden Blindenergie, wenn die Blindenergie 50 % der Wirkenergie überschreitet.

In Bezug auf den Leistungsfaktor heißt das, dass ein mittlerer Leistungsfaktor von cos φ = 0,9 eingehalten werden muss, damit keine Blindenergie berechnet wird. Abhängig von der Sondervertragsgestaltung können auch niedrigere oder höhere mittlere Leistungsfaktoren gefordert sein. Zahlt ein Sondervertragskunde Blindenergie, so amortisiert sich eine Blindleistungskompensationsanlage spätestens in dem Zeitraum, in dem die Blindenergiekosten die Anschaffungs-, Installations- und Instandhaltungskosten erreichen. Bei Sondervertragskunden, die einen höheren Energiebedarf haben und daher eigene Transformatorstationen mit mittelspannungsseitiger Energiemessung haben, verringert sich die Amortisierungszeit zusätzlich, da die nicht unwesentlichen stromabhängigen Verluste der Transformatoren deutlich reduziert werden.

Technische / wirtschaftliche Optimierung

Durch die Verbesserung des Leistungsfaktors wird unter Umständen die Verwendung von Transformatoren und Schaltgeräten mit geringeren Leistungen möglich. Weiterhin führt es zu einer Reduzierung der Leitungsverluste und des Spannungsfalls innerhalb einer Anlage.

Ein hoher Leistungsfaktor möglichst nahe an 1 ermöglicht die optimale Bemessung der Anlagenkomponenten. Eine Überbemessung bestimmter Geräte kann vermieden werden, jedoch sollte die Kompensation so nah wie möglich zu den einzelnen induktiven Geräten vorgenommen werden, um optimale Resultate zu erlangen.

Reduzierung des Leitungsquerschnitts

Abbildung L7a zeigt die bei einer Reduzierung des Leistungsfaktors von 1 auf 0,4 erforderliche Erhöhung der Leitungsquerschnitte zur Übertragung der gleichen Wirkleistung.

 
Multiplikationsfaktor
für den Querschnitt
der Leitung(en)
1 1,25 1,67 2,5
cos φ 1 0,8 0,6 0,4

Abb. L7aMultiplikationsfaktor für Leitungsquerschnitte in Abhängigkeit vom cos φ

Reduzierung der Netzverluste

Der Blindleistungsanteil im Netz wird über den Leistungsfaktor angegeben. Die Blindleistung belastet unsere elektrischen Netze zusätzlich zur nutzbaren Wirkleistung. Das heißt, die Strombelastung der elektrischen Netze nimmt proportional mit sinkender Scheinleistung ab. Die Verluste im Netz nehmen jedoch im Quadrat der sinkenden Strombelastung ab. So bewirkt zum Beispiel eine durch Blindleistungskompensation erreichte Stromreduzierung von ca. 10 % eine Reduzierung der Verluste im Netz um ca. 20 %. Die Abbildung L7b zeigt die Strombelastung und die Netzverluste als Funktion des Leistungsfaktors.

Datei:DB422607.svg

Abb. L7bStrombelastung und Netzverluste als Funktion des Leistungsfaktors

Reduzierung des Spannungsfalls

Kondensatoren zur Blindleistungskompensation führen zu einer Reduzierung oder sogar zur vollständigen Aufhebung des (induktiven) Blindstroms in vorgeschalteten Leitern. Somit reduzieren sie den Spannungsfall.

Erhöhung der verfügbaren Leistung

Durch die Verbesserung des Leistungsfaktors einer durch einen Transformator versorgten Last wird der durch den Transformator fließende Strom reduziert. Somit kann die Last erhöht werden. In der Praxis kann es wirtschaftlicher sein, den Leistungsfaktor zu verbessern, als den Transformator gegen eine größere Ausführung auszutauschen. Dies wird in Abschnitt Kompensation an Transformatoren näher ausgeführt.