Jaké jsou rozdíly mezi sériovými a paralelními reaktory?

Jaké jsou rozdíly mezi sériovými a paralelními reaktory?

Reaktor v elektrické soustavě je v podstatě induktor – cívka vodiče navinutá kolem magnetického nebo vzduchového jádra – který brání změnám proudu. Poloha reaktoru v obvodu však určuje všechny jeho funkce, rozměry a požadavky na ochranu. Sériové a paralelní reaktory vycházejí ze stejného základního elektromagnetického principu, avšak plní v síti opačné účely pro zajištění stability.

Topologie připojení: Zásadní rozdíl

Sériový reaktor je zapojen sériově s chráněným zařízením – obvykle s odpínačem, úsekem sběrnice, kondenzátorovou baterií nebo přenosovým vedením. Zátěžový proud prochází reaktorem nepřetržitě. Impedance reaktoru omezuje rychlost nárůstu proudu při poruše a snižuje maximální zkratový proud, který musí odpojit následující odpínač. To umožňuje použít odpínače s nižšími vypínacími schopnostmi, čímž se snižují kapitálové náklady na rozvodnu. Sériový reaktor s jmenovitou impedancí 6 % na přívodu 10 MVA, 11 kV omezuje teoretický zkratový proud z 40 kA na přibližně 25 kA.

Paralelní tlumivka je připojena paralelně – mezi vedení nebo sběrnici a zemí nebo mezi fázemi. Za normálních podmínek jí neprotéká žádný zátěžový proud. Místo toho paralelní tlumivka odebírá ze systému jalový výkon, čímž kompenzuje kapacitní jalový výkon vyvolaný dlouhými přenosovými vedeními a podzemními kabely za lehké zátěže. Bez paralelní kompenzace může napětí na konci slabě zatíženého 500 kV vedení stoupat až na 1,15 jednotky nebo více – tedy nad meze koordinace izolace připojených transformátorů a rozvaděčů.

Návrh jádra a chování při saturaci

Sériové reaktory nesmějí během poruchových proudů dosáhnout nasycení, protože nasycený reaktor ztrácí svou funkci omezení proudu právě v okamžiku, kdy je tato funkce nejvíce potřebná. Sériové reaktory s vzduchovým jádrem eliminují riziko nasycení úplně, neboť vzduch má dokonale lineární magnetizační křivku (B-H) bez ohledu na velikost proudu. Kompenzací je fyzická velikost – reaktor se vzduchovým jádrem poskytující impedanci 6 % při napětí 11 kV zabírá přibližně trojnásobný objem ve srovnání s ekvivalentním reaktorem s železným jádrem.

Sériové reaktory s železným jádrem a vzduchovou mezerou poskytují vyšší indukčnost na jednotku objemu, avšak vyžadují pečlivý návrh vzduchové mezery, aby byla zachována linearita až do jmenovitého poruchového proudu. Mezera je vyrobena z nemagnetického materiálu – obvykle ze skelného vlákna impregnovaného epoxidovou pryskyřicí – a její tloušťka je vypočtena tak, aby maximální hustota magnetického toku nepřekročila 1,6 tesly při maximálním asymetrickém poruchovém proudu, který může dosáhnout 2,5násobku symetrického efektivního (RMS) poruchového proudu.

Šuntové reaktory obvykle využívají konstrukci s železným jádrem a vzduchovou mezerou, protože pracují nepřetržitě napětím jmenovitého napětí a požadavky na lineární chování jsou méně přísné. Mezera stabilizuje indukčnost vůči změnám napětí a brání nasycení během přechodných přepětí, která mají šuntové reaktory potlačit.

Požadavky na ochranu

Sériové reaktory vyžadují diferenciální ochranu pro detekci vnitřních zkratů mezi závity – zkrat v navinutí, který obejde několik závitů, změní impedanci reaktoru pouze o zlomek procenta, což nelze detekovat pomocí relé nadproudu. Diferenciální schéma porovnává proudy na obou svorkách reaktoru; jakýkoli rozdíl přesahující nastavený prahový hodnotu spustí odpovídající jistič.

Jističe pro přepětí jsou vyžadovány u kompenzačních tlumivek na přenosových soustavách a často zahrnují neutrální tlumivku pro jednofázové opětovné zapínání na linkách s kompenzací pomocí tlumivek. Relé Buchholz detekují akumulaci plynu uvnitř zařízení způsobenou poškozením izolace – to je standardní první obranná linie pro olejem chlazené kompenzační tlumivky. Suché kompenzační tlumivky používané v distribučních napětích spoléhají na ochranu proti tepelnému přetížení založenou na simulaci teploty vinutí na základě naměřeného proudu.

Kritéria výběru aplikací

Výběr sériové tlumivky znamená specifikaci jmenovitého proudu (trvalého zatěžovacího proudu), procentní impedance (cíle omezení zkratového proudu) a krátkodobé tepelné proudové zátěže (obvykle 1 sekunda nebo 3 sekundy při omezeném zkratovém proudu). Tlumivka musí odolat jak tepelným, tak mechanickým účinkům blízkého zkratu bez deformace.

Výběr odpojovacího reaktoru znamená určení jmenovitého napětí, jmenovitého jalového výkonu v MVAr a typu připojení – hvězdové připojení se silně uzemněným středním vodičem pro přenosové aplikace nebo trojúhelníkové připojení pro kompenzaci na terciárním vinutí velkých silových transformátorů. Jalový výkon v MVAr se vypočítá z kapacitní nabíjecí proudu vedení při požadované úrovni kompenzace, obvykle 60–80 % pro trvale připojené reaktory a 100 % pro spínatelné jednotky.

Případ: Integrace větrné elektrárny vyžaduje oba typy reaktorů

Vzdálená větrná elektrárna o výkonu 150 MW, připojená ke sítí prostřednictvím 45kilometrového nadzemního vedení 220 kV, čelila dvěma současným výzvám: vysokým zkratovým proudem v bodu připojení, který překračoval mezní hodnoty krátkodobého zatížení transformátoru pro zvyšování napětí u větrných turbín, a nárůstu napětí nad 1,10 p. j. za podmínek nízkého větru a nízké zátěže způsobenému kapacitním nabíjecím proudem vedení. Inženýrský tým stanovil sériovou tlumivku na spojovací sběrnici kolektorské podstanice pro omezení zkratového proudu a paralelní tlumivku o výkonu 20 MVAr v bodu společného připojení pro spotřebu kapacitní jalové energie. Kombinovaná instalace tlumivek, dodaná integrovaným výrobcem elektrického zařízení, vyřešila obě omezení v rámci jediného projektového cyklu.

Nejčastější dotazy

Může tlumivka plnit zároveň funkci sériovou i paralelní?

Ne. Fyzický návrh, koordinace izolace a požadavky na ochranu jsou zásadně odlišné. Jeden fyzický tlumivka připojená jedním nebo druhým způsobem plní pouze jednu funkci. Pro instalace vyžadující obě funkce jsou nutné dvě samostatné tlumivkové jednotky.

Co se stane, když se během poruchy nasycuje sériová tlumivka?

Tlumivka ztrácí svou impedanci omezující proud, čímž umožňuje, aby proud poruchy vzrostl na předpokládanou úroveň. Proudový jistič v podřízeném obvodu, který je dimenzován za předpokladu, že tlumivka proud omezuje, nemusí být schopen poruchu odpojit. Proto je prevence nasycení hlavním návrhovým omezením pro sériové tlumivky.

Jak se zapíná a vypíná paralelní tlumivka?

Reaktory na úrovni přenosové sítě se zapínají a vypínají pomocí specializovaných jističů nebo vypínačů. Přechodové obnovovací napětí při vypínání je extrémní, protože induktivní proud reaktoru zaostává za napětím téměř o 90 stupňů, což ztěžuje přerušení proudu v přirozených nulových průchodech. Synchronní spínací řídicí jednotky tento mechanický i elektrický stres minimalizují.

Jakou údržbu reaktory vyžadují?

Suché reaktory s vzduchovým jádrem vyžadují minimální údržbu – roční vizuální kontrolu povrchu na příznaky povrchového výboje nebo kontaminace a termografické skenování připojovacích míst. Olejem chlazené reaktory vyžadují roční analýzu rozpuštěných plynů v oleji a každé 2–3 roky diagnostické měření dielektrické pevnosti oleje, obdobně jako síťové transformátory.

Jak je specifikována impedance reaktoru?

Jako procento základní impedance systému při jmenovitém napětí a MVA. Reaktor s hodnotou 6 % na základně 10 MVA a 11 kV vytváří přibližně 0,73 ohmu reaktance. Vyšší procentní hodnoty poskytují větší omezení zkratového proudu, ale zároveň zvyšují úbytek napětí v ustáleném stavu.

Kde lze oba typy reaktorů zakoupit u jediného dodavatele?

Integrovaní výrobci elektrického zařízení, jako je například společnost Liaoning Sinotech Group, která dodává kompletní balíčky pro rozvodny – od transformátorů přes rozváděče až po kompenzační zařízení – nabízejí jak sériové, tak paralelní reaktory z jednoho inženýrského týmu, čímž se zjednodušuje koordinace specifikací i podpora po prodeji.