Was sind die Unterschiede zwischen Reihenreaktoren und Parallelreaktoren?

Was sind die Unterschiede zwischen Reihenreaktoren und Parallelreaktoren?

Ein Reaktor in einem Stromversorgungssystem ist im Wesentlichen eine Drosselspule – eine Leiterspule, die um einen magnetischen Kern oder einen Luftkern gewickelt ist – und wirkt Änderungen des Stroms entgegen. Doch die Position dieses Reaktors innerhalb der Schaltung bestimmt sämtliche Aspekte seiner Funktion, seiner Dimensionierung sowie seiner Schutzanforderungen. Serienreaktoren und Parallelreaktoren beruhen auf dem gleichen grundlegenden elektromagnetischen Prinzip, erfüllen jedoch entgegengesetzte Aufgaben für die Netzstabilität.

Anschlusstopologie: Die grundlegende Unterscheidung

Ein Serienreaktor ist in Reihe mit der zu schützenden Einrichtung – typischerweise einem Leistungsschalter, einem Sammelschienenabschnitt, einer Kondensatorbank oder einer Übertragungsleitung – geschaltet. Der Laststrom fließt kontinuierlich durch den Reaktor. Die Impedanz des Reaktors begrenzt die Anstiegsrate des Stroms bei einem Fehler und verringert so den maximalen Fehlerstrom, den der nachgeschaltete Leistungsschalter unterbrechen muss. Dadurch können Leistungsschalter mit niedrigerer Unterbrechungsleistung eingesetzt werden, was die Investitionskosten für die Umspannanlage senkt. Ein Serienreaktor mit einer Nennimpedanz von 6 % bei einer 10-MVA-, 11-kV-Speiseleitung begrenzt den möglichen Fehlerstrom von theoretisch 40 kA auf etwa 25 kA.

Ein Drosselreaktor ist parallel geschaltet – von der Leitung oder Sammelschiene zur Erde oder zwischen den Phasen. Unter normalen Betriebsbedingungen fließt kein Leerlaufstrom durch den Reaktor. Stattdessen entnimmt der Drosselreaktor Blindleistung aus dem System und kompensiert die kapazitive Blindleistung, die bei leicht belasteten langen Übertragungsleitungen und unterirdischen Kabeln entsteht. Ohne diese Parallelkompensation kann die Empfangsendspannung einer leicht belasteten 500-kV-Leitung auf 1,15 pro Einheit oder mehr ansteigen – jenseits der Isolationskoordinationsgrenzen der angeschlossenen Transformatoren und Schaltgeräte.

Kernkonstruktion und Sättigungsverhalten

Reihenreaktoren dürfen sich unter Fehlerstrombedingungen nicht sättigen, da ein gesättigter Reaktor gerade dann seine strombegrenzende Funktion verliert, wenn diese am dringendsten benötigt wird. Luftkern-Reihenreaktoren eliminieren das Sättigungsrisiko vollständig, denn Luft weist unabhängig von der Stromhöhe eine perfekt lineare B-H-Kennlinie auf. Der Nachteil ist die physische Größe – ein Luftkern-Reaktor mit 6 % Impedanz bei 11 kV nimmt etwa das Dreifache des Volumens einer vergleichbaren Eisenkern-Ausführung ein.

Eisenkern-Reihenreaktoren mit gekappten Kernen bieten eine höhere Induktivität pro Volumeneinheit, erfordern jedoch eine sorgfältige Auslegung des Luftspalts, um bis zum Nenn-Fehlerstrom eine lineare Kennlinie zu gewährleisten. Der Spalt besteht aus nichtmagnetischem Material – typischerweise epoxidharzgetränktem Glasfaser – und seine Dicke wird so berechnet, dass die maximale magnetische Flussdichte bei dem maximalen asymmetrischen Fehlerstrom unter 1,6 Tesla bleibt; dieser kann das 2,5-Fache des symmetrischen Effektivwerts des Fehlerstroms erreichen.

Schutzwiderstände verwenden üblicherweise eine Eisenkernkonstruktion mit Luftspalt, da sie kontinuierlich mit Nennspannung betrieben werden und die Linearitätsanforderung weniger streng ist. Der Luftspalt stabilisiert die Induktivität gegenüber Spannungsschwankungen und verhindert die Sättigung während transienter Überspannungen, gegen die Schutzwiderstände installiert werden.

Schutzanforderungen

Reihenwiderstände erfordern einen Differentialschutz, um interne Windungs-Kurzschlüsse zu erkennen – ein Wicklungskurzschluss, der einige Windungen umgeht, verändert die Impedanz des Widerstands nur um einen Bruchteil eines Prozents, was von Überstromrelais nicht erkannt werden kann. Das Differentialschutzkonzept vergleicht den Strom an beiden Anschlüssen des Widerstands; jede Differenz, die den eingestellten Schwellwert überschreitet, löst den zugehörigen Leistungsschalter aus.

Schaltreaktoren in Übertragungsnetzen erfordern Überspannungsschutz und enthalten häufig einen Neutralpunktreaktor für die einphasige Wiedereinschaltung an mit Schaltreaktoren kompensierten Leitungen. Buchholz-Relais erkennen interne Gasansammlungen infolge von Isolationsausfällen – dies ist die Standard-Maßnahme der ersten Verteidigungslinie für ölgefüllte Schaltreaktoren. Trockenbauart-Schaltreaktoren für Verteilungsspannungen stützen sich auf thermischen Überlastschutz, der auf einer Simulation der Wicklungstemperatur basiert, die aus dem gemessenen Strom abgeleitet wird.

Kriterien zur Auswahl von Anwendungen

Die Auswahl eines Drosselreaktors bedeutet, den Nennstrom (den kontinuierlichen Laststrom), die prozentuale Impedanz (das Ziel zur Begrenzung des Kurzschlussstroms) und die kurzzeitige thermische Strombelastbarkeit (üblicherweise 1 Sekunde oder 3 Sekunden bei begrenztem Kurzschlussstrom) anzugeben. Der Reaktor muss sowohl die thermischen als auch die mechanischen Kräfte eines nahen Kurzschlusses ohne Verformung aushalten.

Die Auswahl eines Drosselreaktors bedeutet die Festlegung der Nennspannung, der Blindleistungs-Nennleistung in MVAr sowie der Verbindungsart – Sternschaltung mit fest geerdetem Neutralpunkt für Übertragungsanwendungen oder Dreieckschaltung zur Kompensation an der tertiären Wicklung großer Leistungstransformatoren. Die MVAr-Nennleistung wird aus dem kapazitiven Ladestrom der Leitung auf der Zielkompensationsstufe berechnet, typischerweise 60–80 % für kontinuierlich betriebene Reaktoren und 100 % für schaltbare Einheiten.

Fallbeispiel: Die Integration einer Windfarm erfordert beide Reaktortypen

Ein 150-MW-Windpark in einer abgelegenen Region, der über eine 45 Kilometer lange 220-kV-Freileitung mit dem Netz verbunden ist, stand vor zwei gleichzeitigen Herausforderungen: ein hoher Kurzschlussstrom am Anschlusspunkt, der die Kurzschlussfestigkeit des aufstellenden Transformators der Windturbinen überstieg, sowie eine Spannungserhöhung von mehr als 1,10 p.u. bei schwachem Wind und geringer Last infolge des kapazitiven Ladestroms der Leitung. Das Ingenieurteam spezifizierte einen Serienreaktor an der Sammelschiene der Sammel-Umspannstation zur Begrenzung des Kurzschlussstroms sowie einen 20-MVAr-Parallelreaktor am gemeinsamen Kopplungspunkt zur Aufnahme der kapazitiven Blindleistung. Die kombinierte Reaktorinstallation, geliefert durch einen integrierten Hersteller elektrischer Ausrüstung, löste beide Einschränkungen innerhalb eines einzigen Projektdurchlaufs.

Häufig gestellte Fragen

Kann ein Reaktor sowohl Serien- als auch Parallelfunktion erfüllen?

Nein. Die physikalische Konstruktion, die Isolationskoordination und die Schutzanforderungen sind grundsätzlich unterschiedlich. Eine einzelne Drosselspule, unabhängig davon, wie sie angeschlossen ist, erfüllt nur eine Funktion. Installationen, die beide Funktionen benötigen, erfordern zwei separate Drosselspuleneinheiten.

Was geschieht, wenn eine Reihendrossel während eines Fehlers in Sättigung gerät?

Die Drosselspule verliert ihre strombegrenzende Impedanz, wodurch der Fehlerstrom auf den voraussichtlichen Wert ansteigen kann. Der nachgeschaltete Leistungsschalter, dessen Bemessung unter der Annahme erfolgte, dass die Drosselspule den Strom begrenzt, könnte versagen, den Fehler abzuschalten. Daher stellt die Vermeidung von Sättigung die primäre Auslegungsanforderung für Reihendrosseln dar.

Wie wird eine Nebenschlussdrossel ein- und ausgeschaltet?

Schaltbare Drosselspulen auf Übertragungsebene werden über spezielle Leistungsschalter oder Lastschalter geschaltet. Die transienten Wiederanlaufspannungen beim Schalten sind stark ausgeprägt, da der induktive Strom der Drosselspule der Spannung um nahezu 90 Grad nachläuft und die Unterbrechung des Stroms bei natürlichen Nullpunkten erschwert. Synchronschaltregler minimieren diese Belastung.

Welche Wartung erfordern Drosselspulen?

Trockene Luftkern-Drosselspulen benötigen nur geringe Wartung – jährliche Sichtprüfung auf Oberflächenentladungen oder Verschmutzung sowie thermografische Prüfung der Anschlussstellen. Ölgefüllte Drosselspulen erfordern jährlich eine Analyse gelöster Gase sowie alle zwei bis drei Jahre eine Prüfung der Dielektrizitätsfestigkeit des Öls, vergleichbar mit Leistungstransformatoren.

Wie wird die Impedanz einer Drosselspule angegeben?

Als Prozentsatz der System-Grundimpedanz bei Nennspannung und Nenn-MVA. Ein 6-%-Reaktor auf einer Basis von 10 MVA und 11 kV erzeugt etwa 0,73 Ohm Blindwiderstand. Höhere Prozentwerte bieten eine stärkere Kurzschlussstrombegrenzung, erhöhen jedoch auch den stationären Spannungsabfall.

Bei welchem einzigen Lieferanten sind beide Reaktortypen erhältlich?

Integrierte Elektrogerätehersteller wie Liaoning Sinotech Group, die komplette Umspannwerks-Pakete – von Transformatoren über Schaltanlagen bis hin zu Kompensationsgeräten – anbieten, stellen sowohl Serien- als auch Parallelreaktoren aus einem einzigen Ingenieurteam bereit – was die Abstimmung der Spezifikationen und die After-Sales-Unterstützung vereinfacht.