Aké sú rozdiely medzi sériovými a paralelnými reaktormi?

Aké sú rozdiely medzi sériovými a paralelnými reaktormi?

Reaktor v elektrickom systéme je v podstate induktor – cievka vodiča navinutá okolo magnetického jadra alebo vzduchového jadra – ktorý sa bráni zmenám prúdu. Poloha tohto reaktora v obvode však určuje všetko, čo sa týka jeho funkcie, veľkosti a požiadaviek na ochranu. Sériové a paralelné reaktory zdieľajú rovnaký základný elektromagnetický princíp, avšak plnia v stabilite siete opačné úlohy.

Topológia pripojenia: Základné rozlíšenie

Sériový reaktor je zapojený do série s chráneným zariadením – zvyčajne vypínačom, úsekom sběrnice, kondenzátorovou batériou alebo prenosovým vedením. Záťažový prúd prechádza reaktorom nepretržite. Impedancia reaktora obmedzuje rýchlosť nárastu prúdu počas poruchy a tým zníži maximálny poruchový prúd, ktorý musí prerušiť vypínač v nasledujúcom stupni. To umožňuje použiť vypínače s nižšou prerušovacou schopnosťou, čo zníži kapitálové náklady na rozvodňu. Sériový reaktor s impedanciou 6 % pri výkone 10 MVA a napätí 11 kV obmedzuje teoretický poruchový prúd zo 40 kA približne na 25 kA.

Rozvetvený reaktor je pripojený paralelne – od vedenia alebo zbernice k uzemneniu alebo medzi fázy. Pri normálnych podmienkach cez reaktor neprechádza žiadny prúd zaťaženia. Namiesto toho rozvetvený reaktor odoberá jalový výkon zo systému, čím kompenzuje kapacitný jalový výkon generovaný dlhými prenosovými vedeniami a podzemnými káblami pri ľahkom zaťažení. Bez rozvetvenej kompenzácie sa napätie na koncovom bode ľahko zaťaženého 500 kV vedenia môže zvýšiť až na 1,15 za jednotku alebo viac – nad limity koordinácie izolácie pripojených transformátorov a prepínačov.

Návrh jadra a správanie pri saturácii

Sériové reaktory nesmú pri poruchovom prúde dosiahnuť nasýtenie, pretože nasýtený reaktor stratí svoju funkciu obmedzovania prúdu práve vtedy, keď je táto funkcia najviac potrebná. Reaktory so vzduchovým jadrom úplne eliminujú riziko nasýtenia, pretože vzduch má dokonale lineárnu B-H krivku bez ohľadu na veľkosť prúdu. Kompenzáciou je fyzická veľkosť – reaktor so vzduchovým jadrom poskytujúci impedanciu 6 % pri 11 kV zaberá približne trojnásobný objem v porovnaní s ekvivalentným reaktorom s železným jadrom.

Sériové reaktory s železným jadrom a vzduchovou medzerou poskytujú vyššiu indukčnosť na jednotku objemu, avšak vyžadujú dôkladné navrhnutie vzduchovej medzery, aby sa zachovala linearita až po hodnotu menovitého poruchového prúdu. Medzera je vyrobená z nemagnetického materiálu – zvyčajne zo sklovýhľadu impregnovaného epoxidovou živicou – a jej hrúbka sa vypočíta tak, aby maximálna hustota magnetického toku nepresiahla 1,6 T pri maximálnom nesymetrickom poruchovom prúde, ktorý môže dosiahnuť 2,5-násobok symetrickej efektívnej hodnoty poruchového prúdu.

Šuntové reaktory zvyčajne používajú konštrukciu s železným jadrom a vzduchovou medzerou, pretože pracujú nepretržite pri menovitom napätí a požiadavky na lineárnosť sú menej prísne. Vzduchová medzera stabilizuje indukčnosť voči kolísaniu napätia a zabraňuje nasýteniu počas prechodných prepätí, ktoré šuntové reaktory majú potlačiť.

Požiadaviek na ochranu

Sériové reaktory vyžadujú diferenčnú ochranu na detekciu vnútorných chýb medzi závitmi – skrat v navinutí, ktorý obíde niekoľko závitov, zmení impedanciu reaktora iba o zlomok percenta, čo nadprúdové relé nedokážu zistiť. Diferenčné schéma porovnáva prúd na oboch koncoch reaktora; ak rozdiel presiahne nastavenú prahovú hodnotu, aktivuje sa príslušný istič.

Reaktory na prenosových systémoch vyžadujú ochranu proti prepätiu a často zahŕňajú neutrálny reaktor pre jednofázové opätovné zapnutie na linkách kompenzovaných paralelnými reaktormi. Relé typu Buchholz detekujú akumuláciu plynov vo vnútri kvôli porušeniu izolácie – ide o štandardnú prvú líniu obrany pre olejom chladené paralelné reaktory. Suché paralelné reaktory v rozvodných napätiach sa spoliehajú na ochranu proti tepelnej preťaženosti, ktorá je založená na simulácii teploty vinutí na základe meraného prúdu.

Kritériá výberu aplikácie

Výber sériového reaktora znamená určenie menovitého prúdu (trvalého zaťažovacieho prúdu), percentuálneho impedančného údaja (cieľové obmedzenie skratového prúdu) a hodnoty krátkodobej tepelnej odolnosti prúdu (zvyčajne 1 sekunda alebo 3 sekundy pri obmedzenom skratovom prúde). Reaktor musí odolať aj tepelným, aj mechanickým silám pri blízkom skrate bez deformácie.

Výber odpojovacieho reaktora znamená určenie menovitého napätia, menovitého jalového výkonu v jednotkách MVAr a typu pripojenia – hviezdicové pripojenie so zemneným neutrálnym bodom pre prenosové aplikácie alebo trojuholníkové pripojenie pre kompenzáciu na terciárnom vinutí veľkých silových transformátorov. Jalový výkon v jednotkách MVAr sa vypočíta z kapacitného nabíjacieho prúdu vedenia pri požadovanej úrovni kompenzácie, zvyčajne 60–80 % pre nepretržite pripojené reaktory a 100 % pre prepínateľné jednotky.

Prípad: Integrácia veterných elektrární vyžaduje oba typy reaktorov

Veterná elektráreň s výkonom 150 MW v odľahlej oblasti, pripojená do siete cez nadzemný vedenie 220 kV dlhé 45 km, čelila dvom súčasným výzvam: vysoký prúd skratu v bode pripojenia, ktorý prekračoval hodnoty krátkodobého prúdu transformátorov veterných turbín, a zvýšenie napätia nad 1,10 násobok nominálneho napätia za podmienok nízkeho vetra a nízkeho zaťaženia, spôsobené kapacitným nabíjacím prúdom vedenia. Inžiniersky tím špecifikoval sériový reaktor na spojovacom zberniči kolektora, aby obmedzil prúd skratu, a paralelný reaktor 20 MVAr v bode spoločného pripojenia, aby absorboval kapacitný jalový výkon. Kombinovaná inštalácia reaktorov, dodaná integrovaným výrobcom elektrických zariadení, vyriešila obe obmedzenia v rámci jedného projektového cyklu.

Často kladené otázky

Môže reaktor plniť funkcie sériového aj paralelného reaktora?

Nie. Fyzický dizajn, koordinácia izolácie a požiadavky na ochranu sú zásadne odlišné. Jeden reaktor pripojený jedným alebo druhým spôsobom vykonáva len jednu funkciu. Inštalácie, ktoré vyžadujú obe funkcie, potrebujú dve samostatné reaktorové jednotky.

Čo sa stane, ak sa sériový reaktor nasýti počas poruchy?

Reaktor stratí svoju impedanciu na obmedzenie prúdu, čo umožní poruchovému prúdu vzrásť na predpokladanú úroveň. Poistkový alebo istič na strane za reaktorom, ktorý je dimenzovaný za predpokladu, že reaktor obmedzuje prúd, nemusí byť schopný poruchu prerušiť. Preto je prevencia nasýtenia hlavným návrhovým obmedzením pre sériové reaktory.

Ako sa zapína a vypína paralelný reaktor?

Reaktory na úrovni prenosovej siete sa prepínajú prostredníctvom špeciálnych vypínačov alebo prepínačov obvodov. Prechodné napätie po prepnutí je veľmi náročné, pretože induktívny prúd reaktora zaostáva za napätím takmer o 90 stupňov, čo komplikuje prerušenie prúdu pri prirodzených nulových prienikoch. Synchronné prepínacie regulátory minimalizujú tento mechanický a elektrický tlak.

Akú údržbu vyžadujú reaktory?

Suché reaktory s vzduchovým jadrom vyžadujú minimálnu údržbu – ročná vizuálna kontrola povrchu na prítomnosť sledovania alebo kontaminácie a termografické skenovanie miest pripojenia. Reaktory ponorené v oleji vyžadujú ročnú analýzu rozpustených plynov a test dielektrickej pevnosti oleja každé 2–3 roky, podobne ako silové transformátory.

Ako sa udáva impedancia reaktora?

V percentách z impedenčnej základne systému pri menovitom napätí a MVA. Reaktor s 6 % na základni 10 MVA a 11 kV má približne 0,73 ohmov reaktancie. Vyššie percentuálne hodnoty poskytujú väčšie obmedzenie poruchového prúdu, avšak zároveň zvyšujú ustálený pokles napätia.

Kde je možné získať oba typy reaktorov od jediného dodávateľa?

Integrovaní výrobcovia elektrických zariadení, ako napríklad Liaoning Sinotech Group, ktorí dodávajú kompletné balíky pre rozvodné stanice – od transformátorov cez rozvádzače až po kompenzačné zariadenia – poskytujú sériové aj paralelné reaktory z jedného inžinierskeho tímu, čím sa zjednodušuje koordinácia špecifikácií a podpora po zakúpení.