Hvad er forskellene mellem seriereaktorer og parallelreaktorer?

Hvad er forskellene mellem seriereaktorer og parallelreaktorer?

En reaktor i et elsystem er i væsentlig grad en induktor – en spole af ledende materiale viklet omkring en magnetisk kerne eller en luftkerne – der modvirker ændringer i strømmen. Men hvor reaktoren er placeret i kredsløbet afgør alt om dens funktion, dimensionering og beskyttelseskrav. Serie-reaktorer og parallel-reaktorer deler det samme grundlæggende elektromagnetiske princip, men har modsatte formål for netstabiliteten.

Tilkoblings-topologi: Den grundlæggende forskel

En seriereaktor er tilsluttet i serie med den beskyttede udstyr—typisk en afbryder, en bussektion, en kondensatorbank eller en transmissionslinje. Belastningsstrømmen løber kontinuerligt gennem reaktoren. Reaktorens impedans begrænser strømstigningshastigheden under en fejl og reducerer den maksimale fejlstrøm, som den nedstrøms placerede afbryder skal afbryde. Dette gør det muligt at bruge afbrydere med lavere afbrydelseskapacitet, hvilket reducerer kapitalomkostningerne for understationen. En seriereaktor med en impedans på 6 % ved 10 MVA og 11 kV begrænser den teoretiske fejlstrøm fra 40 kA til cirka 25 kA.

En shuntreaktor er tilsluttet parallelt – fra ledningen eller samlebussen til jord, eller mellem faser. Der løber ingen belastningsstrøm gennem reaktoren under normale forhold. I stedet optager shuntreaktoren reaktiv effekt fra systemet og kompenserer den kapacitive reaktive effekt, der genereres af lange transmissiosledninger og underjordiske kabler under letbelastede forhold. Uden shuntkompensering kan spændingen ved modtagerenden på en letbelastet 500 kV-ledning stige til 1,15 pr. enhed eller mere – ud over isolationskoordineringsgrænserne for tilsluttede transformatorer og afbrydere.

Kernedesign og mættningsadfærd

Serieraktorer må ikke mættes under fejlstrømforhold, fordi en mættet reaktor mister sin strømbegrænsende funktion netop i det øjeblik, hvor denne funktion er mest nødvendig. Luftkerne-serieraktorer eliminerer risikoen for mætning fuldstændigt, da luft har en perfekt lineær B-H-kurve uanset strømmens størrelse. Kompromiset er den fysiske størrelse – en luftkerne-serieraktor med 6 % impedans ved 11 kV fylder cirka tre gange så meget som en tilsvarende jernkerne-design.

Jernkerne-serieraktorer med spaltede kerner giver højere induktans pr. volumenenhed, men kræver omhyggelig dimensionering af luftspalten for at opretholde linearitet op til den angivne fejlstrøm. Spalten fremstilles af ikke-magnetisk materiale – typisk epoxy-impregnert glasfiber – og dens tykkelse beregnes således, at den maksimale fluxtæthed holdes under 1,6 tesla ved den maksimale asymmetriske fejlstrøm, som kan nå op på 2,5 gange den symmetriske RMS-fejlstrømværdi.

Shuntreaktorer bruger typisk en jernkernekonstruktion med luftspalter, fordi de kører ved mærkespænding kontinuerligt, og kravet til linearitet er mindre strengt. Luftspalten stabiliserer induktansen over for spændingsvariationer og forhindrer mætning under transiente overspændinger, som shuntreaktorer installeres for at mindske.

Beskyttelseskrav

Seriereaktorer kræver differentialbeskyttelse for at registrere interne vinding-til-vinding-fejl – en vindingkortslutning, der omgår et par vindinger, ændrer reaktorens impedans med en brøkdel af en procent, hvilket overstrømsrelæer ikke kan registrere. Differentialbeskyttelsessystemet sammenligner strømmen ved begge reaktorterminaler; enhver forskel, der overstiger indstillingstærsklen, udløser den tilhørende kontaktor.

Shuntreaktorer på transmissionsnet kræver overspændingsbeskyttelse og indeholder ofte en neutral reaktor til enkeltfase-genstart på shunt-kompenserede ledninger. Buchholz-relæer registrerer intern gasopbygning fra isolationsnedbrud – den almindelige første forsvarslinje for olie-dyppede shuntreaktorer. Tør-type shuntreaktorer ved distributionspenninger anvender termisk overbelastningsbeskyttelse baseret på vindingstemperatursimulation fra målt strøm.

Kriterier for valg af anvendelse

Valg af en seriereaktor indebærer angivelse af den mærkede strøm (den kontinuerlige belastningsstrøm), procentimpedansen (målet for begrænsning af fejlstrømmen) og den korte tids termiske strømvurdering (typisk 1 sekund eller 3 sekunder ved den begrænsede fejlstrøm). Reaktoren skal kunne klare både de termiske og mekaniske kræfter fra en nær fejl uden deformation.

Valg af en shuntreaktor indebærer angivelse af den nominelle spænding, den reaktive effektkapacitet i MVAr samt tilslutningstypen – stjerne-tilsluttet med solidt jordet neutralpunkt til transmissionsanvendelser eller delta-tilsluttet til tertiærviklingskompensering på store krafttransformatorer. MVAr-kapaciteten beregnes ud fra linjens kapacitive opladningsstrøm ved det ønskede kompensationsniveau, typisk 60–80 % for kontinuert tilsluttede reaktorer og 100 % for skiftbare enheder.

Eksempel: Integration af vindmøllepark kræver begge reaktortyper

En 150 MW vindmøllepark i en afsides beliggende region, der er tilsluttet elnettet via en 45 km lang 220 kV luftledning, stod over for to samtidige udfordringer: høj fejlstrøm ved tilslutningspunktet, som oversteg kortslutningsværdierne for vindturbinens transformator til højere spænding, og spændingsstigning, der oversteg 1,10 pr. enhed under lavvind- og lavbelastningsforhold på grund af ledningens kapacitive opladningsstrøm. Ingeniørteamet specificerede en seriereaktor ved busforbindelsen i samlerunderstationen for at begrænse fejlstrømmen og en 20 MVAr parallelreaktor ved fælles tilslutningspunktet for at optage den kapacitive reaktive effekt. Den kombinerede reaktorinstallation, leveret af en integreret producent af elektrisk udstyr, løste begge begrænsninger inden for én enkelt projektcyklus.

Ofte stillede spørgsmål

Kan en reaktor udføre både serie- og parallel-funktioner?

Nej. Den fysiske konstruktion, isolationskoordineringen og beskyttelseskravene er grundlæggende forskellige. En enkelt reaktor, der er tilsluttet på én eller anden måde, udfører kun én funktion. Installationer, der kræver begge funktioner, har brug for to separate reaktorenheder.

Hvad sker der, hvis en serie-reaktor bliver mættet under en fejl?

Reaktoren mister sin strømbegrænsende impedans, hvilket tillader, at fejlstrømmen stiger til det forventede niveau. Den nedstrøms beliggendeafbryder, som er dimensioneret under antagelse af, at reaktoren begrænser strømmen, kan muligvis ikke afbryde fejlen. Derfor er undgåelse af mætning den primære designbegrænsning for serie-reaktorer.

Hvordan slås en parallel-reaktor til og fra?

Shuntreaktorer på transmissionsniveau skiftes via dedikerede afbrydere eller kredsløbsafbrydere. Den transiente genoprettelsesspænding ved afbrydning er kritisk, fordi reaktorens induktive strøm ligger næsten 90 grader bagud i forhold til spændingen, hvilket gør afbrydning ved de naturlige nulpunkter udfordrende. Synkron-afbrydningsstyringer minimerer denne belastning.

Hvilken vedligeholdelse kræver reaktorer?

Tør-type luftkerne-reaktorer kræver minimal vedligeholdelse – årlig visuel inspektion for overfladetracking eller forurening samt termografisk scanning af tilslutningspunkter. Oliefyldte reaktorer kræver årlig analyse af opløste gasser og dielektrisk olieprøvning hvert 2.–3. år, ligesom krafttransformatorer.

Hvordan specificeres reaktorimpedansen?

Som en procentdel af systemets basisimpedans ved den angivne spænding og MVA. En 6 % reaktor på en 10 MVA, 11 kV base giver ca. 0,73 ohm reaktans. Højere procentværdier giver større begrænsning af fejlstrøm, men øger også den stationære spændingsfald.

Hvor kan begge reaktortyper købes hos én enkelt leverandør?

Integrerede elektriske udstyrsproducenter som Liaoning Sinotech Group, der leverer komplette transformatorstationer – fra transformatorer og skaktkredsløb til kompensationsudstyr – leverer både seriereaktorer og parallelreaktorer fra ét enkelt ingeniørteam, hvilket forenkler specifikationskoordination og eftermarkedsservice.