Які відмінності між послідовними та паралельними реакторами?

Які відмінності між послідовними та паралельними реакторами?

Реактор у електричній системі — це, по суті, індуктивність: котушка провідника, намотана навколо магнітного або повітряного сердечника, яка протидіє змінам струму. Але розташування реактора в колі визначає його функцію, розміри та вимоги до захисту. Послідовні та паралельні реактори ґрунтуються на одному й тому самому фундаментальному електромагнітному принципі, але виконують протилежні завдання щодо стабільності мережі.

Топологія підключення: фундаментальна відмінність

Послідовний реактор підключено послідовно до захищеного обладнання — зазвичай до вимикача, ділянки шини, батареї конденсаторів або лінії електропередачі. Навантажувальний струм постійно проходить через реактор. Імпеданс реактора обмежує швидкість зростання струму під час аварії, зменшуючи піковий аварійний струм, який має вимкнути нижчорозташований вимикач. Це дозволяє використовувати вимикачі з нижчими характеристиками вимкнення, що зменшує капітальні витрати на підстанції. Послідовний реактор з номінальним імпедансом 6 % для фідеру потужністю 10 МВА та напругою 11 кВ обмежує розрахунковий аварійний струм із теоретичних 40 кА приблизно до 25 кА.

Шунтовий реактор підключено паралельно — від лінії або шини до землі або між фазами. За нормальних умов через реактор не проходить струм холостого ходу. Натомість шунтовий реактор споживає реактивну потужність із системи, компенсуючи ємнісну реактивну потужність, яку генерують довгі лінії електропередачі та підземні кабелі за умов малої навантаженості. Без шунтової компенсації напруга на приймальному кінці мало навантаженої лінії 500 кВ може зрости до 1,15 відносних одиниць або більше — понад межі координації ізоляції підключених трансформаторів та комутаційного обладнання.

Конструкція осердя та поведінка насичення

Реактори серії не повинні насичуватися за умов аварійного струму, оскільки насичений реактор втрачає свою функцію обмеження струму саме тоді, коли ця функція потрібна найбільше. Реактори серії з повітряним осердям повністю усувають ризик насичення, оскільки повітря має ідеально лінійну криву B-H незалежно від величини струму. Компромісом є фізичні розміри — реактор з повітряним осердям із імпедансом 6 % при 11 кВ займає приблизно втричі більший об’єм, ніж еквівалентний реактор з залізним осердям.

Реактори серії з залізним осердям із зазорами забезпечують вищу індуктивність на одиницю об’єму, але вимагають ретельного проектування повітряного зазору для збереження лінійності до номінального аварійного струму. Зазор виготовляють із немагнітного матеріалу — зазвичай скловолокна, пропитаного епоксидною смолою, — а його товщину розраховують так, щоб пікова густина магнітного потоку не перевищувала 1,6 Тл при максимальному асиметричному аварійному струмі, який може досягати 2,5-кратного значення симетричного діючого аварійного струму.

Шунтові реактори зазвичай використовують конструкцію зі сталевим сердечником із зазором, оскільки вони працюють під номінальною напругою безперервно, а вимоги до лінійності є менш суворими. Зазор стабілізує індуктивність щодо коливань напруги й запобігає насиченню під час перехідних перевантажень, які шунтові реактори призначені зменшувати.

Вимоги щодо захисту

Послідовні реактори потребують диференційного захисту для виявлення внутрішніх міжвиткових пошкоджень — короткого замикання в обмотці, що обминає кілька витків, змінює опір реактора лише на частку відсотка, що не може бути виявлено реле максимального струму. Схема диференційного захисту порівнює струм на обох затискачах реактора; будь-яка різниця, що перевищує заданий поріг, спрацьовує на відключення відповідного вимикача.

Шунтові реактори в системах передачі потребують захисту від перевищення напруги й часто включають нейтральний реактор для однофазного автоматичного повторного вмикання на лініях із шунтовою компенсацією. Реле Бухгольца виявляють накопичення газу всередині апарату через руйнування ізоляції — це стандартна перша лінія захисту для масляних шунтових реакторів. Сухі шунтові реактори на рівні розподільних напруг спираються на захист від теплового перевантаження, що ґрунтується на моделюванні температури обмоток за виміряним струмом.

Критерії вибору застосування

Підбір послідовного реактора означає визначення номінального струму (струму тривалого навантаження), відсоткового імпедансу (цільового значення обмеження аварійного струму) та номінального струму короткочасного термічного навантаження (зазвичай на 1 секунду або 3 секунди при обмеженому аварійному струмі). Реактор має витримувати як термічні, так і механічні зусилля при аварії поблизу, не деформуючись.

Вибір шунтового реактора означає визначення номінальної напруги, номінальної реактивної потужності у МВАр та типу підключення — з’єднання «зіркою» з жорстко заземленою нейтраллю для систем передачі електроенергії або з’єднання «трикутником» для компенсації на третинних обмотках потужних силових трансформаторів. Номінальну реактивну потужність у МВАр розраховують із ємнісного зарядного струму лінії при заданому рівні компенсації, зазвичай 60–80 % для постійно підключених реакторів та 100 % для комутованих одиниць.

Приклад: Інтеграція вітрової електростанції потребує застосування обох типів реакторів

Вітрова електростанція потужністю 150 МВт у віддаленому регіоні, підключена до мережі за допомогою повітряної лінії електропередачі напругою 220 кВ довжиною 45 кілометрів, стикнулася з двома одночасними проблемами: надмірно високим струмом короткого замикання у точці підключення, що перевищував номінальні параметри струму короткого замикання підвищувальних трансформаторів вітрових турбін, і підвищенням напруги понад 1,10 відносних одиниць у режимі слабкого вітру та низького навантаження через ємнісний заряджувальний струм лінії. Інженерна команда визначила необхідність встановлення послідовного реактора на шинному з’єднувачі колекторної підстанції для обмеження струму короткого замикання та шунтового реактора потужністю 20 МВАр у точці спільного підключення для компенсації ємнісної реактивної потужності. Комплексне встановлення реакторів, поставлене виробником комплексного електрообладнання, вирішило обидві проблеми в межах одного проектного циклу.

Поширені запитання

Чи може реактор виконувати як послідовну, так і шунтову функції?

Ні. Фізична конструкція, координація ізоляції та вимоги щодо захисту принципово відрізняються. Один реактор, підключений будь-яким чином, виконує лише одну функцію. Установки, які потребують обох функцій, потребують двох окремих одиниць реакторів.

Що відбувається, якщо серійний реактор насичується під час аварії?

Реактор втрачає своє обмежувальне імпедансне навантаження, що дозволяє аварійному струму зростати до розрахункового рівня. Автоматичний вимикач у нижчому ступені, розрахований за припущенням, що реактор обмежує струм, може не змогти відключити аварію. Саме тому запобігання насиченню є основним проектним обмеженням для серійних реакторів.

Як вмикають і вимикають шунтовий реактор?

Реактори шунтового типу на рівні передачі вмикаються/вимикаються за допомогою спеціальних вимикачів або комутаторів. Перехідна напруга відновлення під час комутації є надзвичайно високою, оскільки індуктивний струм реактора відстає від напруги майже на 90 градусів, що ускладнює переривання струму в природних нульових точках. Синхронні контролери комутації мінімізують це навантаження.

Яке технічне обслуговування потрібне реакторам?

Сухі повітряні реактори потребують мінімального технічного обслуговування — щорічний візуальний огляд поверхні на наявність слідів пробою чи забруднення та термографічне сканування точок з’єднання. Маслонаповнені реактори потребують аналізу розчинених у маслі газів щорічно та випробувань діелектричної міцності масла раз на 2–3 роки, аналогічно до силових трансформаторів.

Як вказується імпеданс реактора?

У відсотках від базового імпедансу системи при номінальній напрузі та МВА. Реактор на 6 % у базі 10 МВА, 11 кВ забезпечує приблизно 0,73 Ом реактивного опору. Більші значення у відсотках забезпечують більше обмеження струму короткого замикання, але також збільшують постійну напругу спаду.

Де можна придбати обидва типи реакторів у одного постачальника?

Інтегровані виробники електрообладнання, такі як Liaoning Sinotech Group, які постачають повні комплекти підстанцій — від трансформаторів через комутаційне обладнання до компенсаційного обладнання — пропонують як послідовні, так і шунтові реактори від єдиної інженерної команди, що спрощує координацію специфікацій та післяпродажне обслуговування.