Какви са разликите между серийните и успоредните реактори?

Какви са разликите между серийните и успоредните реактори?

Реакторът в електроенергийната система е по същество индуктор – намотка от проводник, навита около магнитно ядро или въздушно ядро, която противодейства на промените в тока. Но мястото, където се намира този реактор в веригата, определя всичко относно неговата функция, размери и изисквания за защита. Серийните и успоредните реактори споделят една и съща основна електромагнитна принцип, но изпълняват противоположни функции за стабилността на мрежата.

Топология на връзката: фундаменталната разлика

Последователен реактор е свързан последователно с защитеното оборудване – обикновено прекъсвач, секция на шината, кондензаторна батерия или предавателна линия. Работният ток протича непрекъснато през реактора. Импедансът на реактора ограничава скоростта на нарастване на тока по време на повреда, намалявайки пиковия ток при повреда, който трябва да бъде изключен от прекъсвача в по-ниската част на веригата. Това позволява използването на прекъсвачи с по-ниски характеристики за изключване, което намалява капитала за подстанцията. Последователен реактор с номинален импеданс 6 % за фидер с мощност 10 MVA и напрежение 11 kV ограничава прогнозирания ток при повреда от теоретичните 40 kA до приблизително 25 kA.

Шунтовият реактор е свързан успоредно – от линията или шината към земята или между фазите. При нормални условия през реактора не тече ток на празен ход. Вместо това шунтовият реактор отнема реактивна мощност от системата, компенсирайки капацитивната реактивна мощност, генерирана от дълги предавателни линии и подземни кабели при условия на слаб натоварване. Без шунтова компенсация напрежението в края на приемане на 500 kV линия със слабо натоварване може да се повиши до 1,15 на единица или повече – над границите за координация на изолацията на свързаните трансформатори и превключвателни устройства.

Конструкция на сърцевината и поведение при наситяване

Серийните реактори не бива да се насищат при условия на повреден ток, защото наситеният реактор губи функцията си за ограничаване на тока точно когато тази функция е най-необходима. Серийните реактори с въздушно ядро напълно елиминират риска от насичане, тъй като въздухът има идеално линейна B-H крива независимо от големината на тока. Компромисът е физическият размер — серийният реактор с въздушно ядро, осигуряващ 6% импеданс при 11 kV, заема приблизително три пъти по-голям обем от еквивалентен реактор с желязно ядро.

Серийните реактори с желязно ядро и промеждутък в ядрото осигуряват по-висока индуктивност на единица обем, но изискват внимателно проектиране на въздушния промеждутък, за да се запази линейността до номиналния ток при повреда. Промеждутъкът се изготвя от немагнитен материал — обикновено епоксидно пропитана стъклена тъкан — а дебелината му се изчислява така, че максималната плътност на магнитния поток да остане под 1,6 тесла при максималния асиметричен ток при повреда, който може да достигне 2,5 пъти стойността на симетричния RMS ток при повреда.

Шунтовите реактори обикновено използват конструкция с желязно ядро с промеждутък, тъй като работят непрекъснато при номинално напрежение, а изискванията за линейност са по-малко строги. Промеждутъкът стабилизира индуктивността спрямо вариациите в напрежението и предотвратява наситяването по време на преходни пренапрежения, които шунтовите реактори са предназначени да ограничават.

Изисквания за защита

Серийните реактори изискват диференциална защита за откриване на вътрешни повреди между завоите — късо съединение в намотката, което заобикаля няколко завоя, променя импеданса на реактора само с част от процента, което не може да бъде открито от релета за надток. Диференциалната схема сравнява тока в двата терминала на реактора; всяка разлика, превишаваща зададената прагова стойност, задейства съответния прекъсвач.

Шунтовите реактори в преносните системи изискват защита срещу прекомерно напрежение и често включват неутрален реактор за еднофазно повторно включване на линии с шунтова компенсация. Реле на Буххолц откриват натрупването на газ вътре поради разрушаване на изолацията — това е стандартната първа линия защита за шунтови реактори с маслено охлаждане. Шунтовите реактори със сухо охлаждане за разпределителни напрежения разчитат на термична защита от претоварване, базирана на симулация на температурата на намотките въз основа на измерения ток.

Критерии за избор на приложение

Изборът на серийно свързан реактор означава определяне на номиналния ток (непрекъснатият товарен ток), процентното импедансно съпротивление (целта за ограничаване на тока при късо съединение) и номиналния ток при кратковременно термично претоварване (обикновено 1 секунда или 3 секунди при ограничен ток при късо съединение). Реакторът трябва да издържа както термичните, така и механичните сили при близко късо съединение, без да се деформира.

Изборът на шунтов реактор означава определяне на номиналното напрежение, номиналната реактивна мощност в MVAr и типа връзка – звезда със заземен неутрал за приложения в преносни мрежи или триъгълник за компенсация чрез третична намотка на големи силови трансформатори. Номиналната реактивна мощност в MVAr се изчислява въз основа на капацитивния заряден ток на линията при целевото ниво на компенсация, обикновено 60–80 % за постоянно свързани реактори и 100 % за комутируеми единици.

Пример: Интегрирането на вятърна електроцентрала изисква и двата типа реактори

Вятърна електроцентрала с мощност 150 MW в отдалечен регион, свързана с мрежата чрез надземна линия на напрежение 220 kV с дължина 45 километра, се сблъсква с две едновременни предизвикателства: висок ток при късо съединение в точката на свързване, който надвишава номиналните стойности за късо съединение на трансформаторите за повишаване на напрежението на вятърните турбини, и повишаване на напрежението над 1,10 p.u. при условия на слаб вятър и ниско натоварване поради капацитивния заряден ток на линията. Инженерният екип определя серийно реактивно устройство (реактор) във връзката на шините на колекторната подстанция, за да ограничи тока при късо съединение, и шунтов реактор с мощност 20 MVAr в точката на обща връзка, за да поглъща капацитивната реактивна мощност. Комбинираната инсталация на реактори, доставена от интегриран производител на електрооборудване, решава и двете ограничения в рамките на един проектен цикъл.

Често задавани въпроси

Може ли един реактор да изпълнява както серийна, така и шунтова функция?

Не. Физическият дизайн, координацията на изолацията и изискванията за защита са принципно различни. Единичен реактор, свързан по един или друг начин, изпълнява само една функция. Инсталациите, които изискват и двете функции, имат нужда от две отделни реакторни единици.

Какво се случва, ако серийният реактор се насити по време на повреда?

Реакторът губи своето ограничаващо тока съпротивление, което позволява токът при повреда да се увеличи до прогнозното ниво. Автоматичният прекъсвач в по-ниско ниво, проектиран с предположението, че реакторът ограничава тока, може да не успее да прекъсне повредата. Затова предотвратяването на наситяване е основното проектно ограничение за серийните реактори.

Как се включва и изключва шунтовия реактор?

Шунтовите реактори на ниво предавателна мрежа се включват и изключват чрез специализирани прекъсвачи или превключватели. Преходното възстановително напрежение при превключване е изключително силно, тъй като индуктивният ток на реактора изостава от напрежението почти с 90 градуса, което затруднява прекъсването на тока в естествените му нулеви кръстови точки. Синхронните превключвателни контролери минимизират това напрежение.

Какво обслужване изискват реакторите?

Сухите въздушни реактори изискват минимално поддръжка – годишна визуална инспекция за повърхностно проскакване или замърсяване и термографско сканиране на точките за свързване. Реакторите с маслено потапяне изискват анализ на разтворените газове веднъж годишно и диелектрично тестване на маслото на всеки 2–3 години, аналогично на силовите трансформатори.

Как се задава импедансът на реактора?

Като процент от базовия импеданс на системата при номиналното напрежение и MVA. Реактор с 6 % при база 10 MVA и 11 kV има приблизително 0,73 ома реактивно съпротивление. По-високите процентни стойности осигуряват по-голямо ограничение на аварийния ток, но също така увеличават постоянното падане на напрежението.

От кой един доставчик могат да се набавят и двата типа реактори?

Производители на интегрирани електроуреди като Liaoning Sinotech Group, които предлагат пълни комплекти за подстанции – от трансформатори чрез комутационна апаратура до компенсационно оборудване, – доставят както серийни, така и успоредни реактори от един и същ инженерен екип, което улеснява координацията на спецификациите и поддръжката след продажбата.