Quines són les diferències entre reactors en sèrie i reactors en derivació?

Quines són les diferències entre reactors en sèrie i reactors en derivació?

Un reactor en un sistema elèctric és essencialment un inductor: una bobina de conductor embobinada al voltant d’un nucli magnètic o d’un nucli d’aire que s’oposa als canvis de corrent. Tanmateix, la ubicació del reactor en el circuit determina tot sobre la seva funció, les seves dimensions i els requisits de protecció. Els reactors en sèrie i els reactors en derivació comparteixen el mateix principi electromagnètic fonamental, però tenen finalitats oposades per a l’estabilitat de la xarxa.

Topologia de connexió: La distinció fonamental

Un reactor en sèrie es connecta en sèrie amb l’equipament protegit, normalment un interruptor automàtic, una secció de bus, un banc de condensadors o una línia de transport. El corrent de càrrega circula contínuament pel reactor. La impedància del reactor limita la velocitat d’augment del corrent durant una fallada, reduint el corrent de fallada màxim que l’interruptor automàtic a valle ha d’interrompre. Això permet utilitzar interruptors automàtics amb valors d’interrupció més baixos, cosa que redueix el cost d’inversió de la subestació. Un reactor en sèrie amb una impedància nominal del 6 % en un alimentador de 10 MVA i 11 kV limita el corrent de fallada previst, des d’un valor teòric de 40 kA fins a aproximadament 25 kA.

Un reactor en derivació es connecta en paral·lel —des de la línia o el bus fins a terra, o entre fases. Cap corrent de buit circula pel reactor en condicions normals. En lloc d’això, el reactor en derivació absorbeix potència reactiva del sistema, compensant la potència reactiva capacitiva generada per les línies de transport llargues i els cables subterranis en condicions de càrrega reduïda. Sense compensació en derivació, la tensió al final receptor d’una línia de 500 kV amb càrrega reduïda pot arribar a 1,15 per unitat o més —superant els límits de coordinació d’isolament dels transformadors i l’equipament de commutació connectats.

Disseny del nucli i comportament de saturació

Els reactors en sèrie no han de saturar-se sota condicions de corrent de fallada, perquè un reactor saturat perd la seva funció de limitació de corrent precisament quan aquesta funció és més necessària. Els reactors en sèrie amb nucli d’aire eliminen completament el risc de saturació, ja que l’aire té una corba B-H perfectament lineal independentment de la magnitud del corrent. La contrapartida és la mida física: un reactor amb nucli d’aire que ofereix una impedància del 6 % a 11 kV ocupa aproximadament tres vegades el volum d’un disseny equivalent amb nucli de ferro.

Els reactors en sèrie amb nucli de ferro i entreferro proporcionen una inductància superior per unitat de volum, però requereixen un disseny cuidadoso de l’entreferro per mantenir la linealitat fins al corrent de fallada nominal. L’entreferro està construït amb material no magnètic —normalment fibra de vidre impregnada d’epòxid— i el seu gruix es calcula per mantenir la densitat màxima de flux magnètic per sota de 1,6 tesla al corrent de fallada asimètric màxim, que pot arribar a 2,5 vegades el valor eficaç simètric del corrent de fallada.

Els reactors en derivació normalment utilitzen una construcció amb nucli de ferro entreobert perquè funcionen contínuament a tensió nominal i el requisit de linealitat és menys exigent. L’entreobertura estabilitza la inductància davant les variacions de tensió i evita la saturació durant les sobretensions transitoris que els reactors en derivació s’instal·len per mitigar.

Els requisits de protecció

Els reactors en sèrie requereixen protecció diferencial per detectar defectes interns entre voltes: un curt-circuit en l’enrotllament que esquivi unes quantes voltes canvia l’impedància del reactor només una fracció de percentatge, cosa que els relés de sobreintensitat no poden detectar. L’esquema diferencial compara el corrent als dos terminals del reactor; qualsevol diferència que superi el llindar d’ajust activa la desconnexió de l’interruptor corresponent.

Els reactors en derivació en sistemes de transmissió necessiten protecció contra sobretensions i sovint inclouen un reactor neutre per al tancament monofàsic en línies compensades en derivació. Els relés Buchholz detecten l’acumulació interna de gas provocada per la ruptura de l’aïllament: és la línia de defensa inicial habitual per als reactors en derivació immersos en oli. Els reactors en derivació de tipus sec a tensions de distribució es basen en la protecció contra sobrecàrrega tèrmica, calculada a partir de la simulació de la temperatura dels bobinats mitjançant el corrent mesurat.

Criteris de selecció d'aplicació

Triar un reactor en sèrie implica especificar el corrent nominal (el corrent de càrrega continu), la impedància percentual (l’objectiu de limitació del corrent de fallada) i la classificació del corrent tèrmic a curt termini (normalment 1 segon o 3 segons al corrent de fallada limitat). El reactor ha de suportar tant les forces tèrmiques com les mecàniques d’una fallada propera sense deformar-se.

Seleccionar un reactor en derivació implica especificar la tensió assignada, la potència reactiva assignada en MVAr i el tipus de connexió: connexió en estrella amb neutre connectat a terra de forma sòlida per a aplicacions de transport, o connexió en triangle per a la compensació d’enrollaments terciaris en transformadors de potència grans. La potència reactiva assignada en MVAr es calcula a partir del corrent de càrrega capacitiva de la línia al nivell de compensació objectiu, normalment entre el 60 % i el 80 % per a reactors connectats de forma contínua i el 100 % per a unitats commutables.

Cas: La integració d’una planta eòlica requereix tots dos tipus de reactors

Una central eòlica de 150 MW en una zona remota, connectada a la xarxa mitjançant una línia aèria de 45 km i 220 kV, es va enfrontar a dos reptes simultanis: un corrent de curtcircuit elevat al punt de connexió que superava les característiques de curtcircuit del transformador d’elevació de les turbines eòliques, i una pujada de tensió superior a 1,10 per unitat durant condicions de vent baix i càrrega baixa, deguda al corrent capacitatiu de càrrega de la línia. L’equip d’enginyeria va especificar un reactor en sèrie a la barra de connexió de la subestació col·lectora per limitar el corrent de curtcircuit, i un reactor en derivació de 20 MVAr al punt de connexió comú per absorbir la potència reactiva capacitativa. La instal·lació combinada de reactors, subministrada per un fabricant integrat d’equips elèctrics, va resoldre ambdós problemes dins d’un sol cicle de projecte.

Preguntes freqüents

Pot un reactor desempenyar funcions tant en sèrie com en derivació?

No. El disseny físic, la coordinació de l’aïllament i els requisits de protecció són fonamentalment diferents. Un sol reactor connectat d’una manera o d’una altra realitza només una funció. Les instal·lacions que requereixen totes dues funcions necessiten dues unitats de reactor separades.

Què passa si un reactor en sèrie es satura durant una fallada?

El reactor perd la seva impedància limitadora de corrent, permetent que el corrent de fallada augmenti fins al nivell previst. El commutador de circuit a valle, dimensionat suposant que el reactor limita el corrent, pot no ser capaç d’interrumpir la fallada. Per això, la prevenció de la saturació és la restricció de disseny principal per als reactors en sèrie.

Com es connecta i desconnecta un reactor en derivació?

Els reactors en derivació de nivell de transmissió es commuten mitjançant interruptors de potència especialitzats o commutadors de circuit. La tensió de recuperació transitària de commutació és severa perquè el corrent inductiu del reactor retarda la tensió en gairebé 90 graus, cosa que fa difícil la interrupció del corrent als creuaments naturals per zero. Els controladors de commutació síncrona minimitzen aquest esforç.

Quin manteniment requereixen els reactors?

Els reactors d’aire sec sense nucli necessiten un manteniment mínim: inspecció visual anual per detectar seguiments superficials o contaminació, i escaneig termogràfic dels punts de connexió. Els reactors immersos en oli requereixen anàlisi de gasos dissolts anualment i proves de rigidesa dielèctrica de l’oli cada dos o tres anys, de manera similar als transformadors de potència.

Com es especifica la impedància del reactor?

Com a percentatge de la impedància base del sistema a la tensió nominal i MVA. Un reactor del 6 % en una base de 10 MVA i 11 kV produeix aproximadament 0,73 ohms de reactància. Els valors percentuals més alts proporcionen una limitació major del corrent de curtcircuit, però també augmenten la caiguda de tensió en règim permanent.

On es poden obtenir tots dos tipus de reactors d’un sol proveïdor?

Els fabricants integrats d’equipaments elèctrics, com ara Liaoning Sinotech Group, que subministren paquets complets de subestacions —des de transformadors fins a equipaments de commutació i compensació— ofereixen reactors en sèrie i en derivació des d’un sol equip d’enginyeria, cosa que simplifica la coordinació de les especificacions i l’assistència postvenda.