Welche Arten von Reaktoren gibt es Schlüsselrollen in Stromnetzen

Reaktor (Induktor): Definition und Arten

Ein Reaktor, auch bekannt als Induktor, erzeugt ein Magnetfeld im umgebenden Raum, wenn Strom durch einen Leiter fließt. Daher besitzt jeder stromführende Leiter in sich induktive Eigenschaften. Allerdings ist die Induktivität eines geraden Leiters gering und erzeugt ein schwaches Magnetfeld. Praktische Reaktoren werden durch das Wickeln des Leiters in eine Spulenform, bekannt als Luftspulenkernreaktor, hergestellt. Um die Induktivität weiter zu erhöhen, wird ein ferromagnetischer Kern in die Spule eingesetzt, was einen Eisenkernreaktor bildet.

1. Schaltungsreaktor
Die Prototypen von Schaltungsreaktoren wurden für Vollasttests von Generatoren verwendet. Eisenkern-Schaltungsreaktoren erzeugen wechselnde magnetische Kräfte zwischen den Segmenten des Kernes, was zu einem typischerweise 10 dB höheren Geräuschpegel im Vergleich zu Transformern gleicher Kapazität führt. Schaltungsreaktoren führen Wechselstrom (AC) und werden verwendet, um die kapazitive Blindleistung des Systems auszugleichen. Sie werden oft in Serie mit Thyristoren geschaltet, um eine kontinuierliche Regelung der Blindstrommenge zu ermöglichen.

2. Serienreaktor
Serienreaktoren führen Wechselstrom und werden in Serie mit Spannungskompensatoren geschaltet, um eine Serienresonanzschaltung für stationäre Harmonische (z.B. 5., 7., 11., 13. Harmonische) zu bilden. Typische Serienreaktoren haben Impedanzwerte von 5–6 % und gelten als Hochinduktionsarten.

3. Abstimmungsreaktor
Abstimmungsreaktoren führen Wechselstrom und werden in Serie mit Kondensatoren angeschlossen, um eine Serienresonanz bei einer bestimmten harmonischen Frequenz (n) zu erzeugen, wodurch diese harmonische Komponente absorbiert wird. Gebräuchliche Abstimmungsordnungen sind n = 5, 7, 11, 13 und 19.

4. Ausgangsreaktor
Ein Ausgangsreaktor begrenzt den kapazitiven Ladestrom in Motorkabeln und beschränkt die Spannungssteigerungsrate über den Motorwicklungen auf 540 V/μs. Er ist in der Regel erforderlich, wenn die Kabellänge zwischen einem Frequenzumrichter (VFD) (4–90 kW) und dem Motor 50 Meter überschreitet. Er glättet auch die Ausgangsspannung des VFD (verringert die Steilheit der Schaltflanken), minimiert Störungen und Belastungen an Inverterkomponenten wie IGBTs.

Anwendungshinweise für Ausgangsreaktoren:
Um den Abstand zwischen VFD und Motor zu vergrößern, verwenden Sie dickere Kabel mit verbessertem Isoliermaterial, am besten nicht abgeschirmte Arten.

Merkmale von Ausgangsreaktoren:

• Eignet sich für die Blindleistungskompensation und Harmonischefilterung;

• Kompensiert die verteilte Kapazität in langen Kabeln und unterdrückt die Ausgangsharmonischenströme;

• Schützt VFDs effektiv, verbessert den Leistungsfaktor, blockiert Störungen von der Netzzseite, reduziert die Harmonischenverschmutzung von Gleichrichtereinheiten zum Netz.

5. Eingangsreaktor
Der Eingangsreaktor begrenzt die Spannungsabfälle auf der Netzzseite während der Umrichtung, unterdrückt Harmonische und entkoppelt parallele Umrichtergruppen. Er begrenzt auch Stromanstiege, die durch transiente Netzspannungen oder Schaltvorgänge verursacht werden. Wenn das Verhältnis der Kurzschlusskapazität des Netzes zur VFD-Kapazität 33:1 übersteigt, sollte der relative Spannungsabfall des Eingangsreaktors 2 % für Einquadrantenbetrieb und 4 % für Vierquadrantenbetrieb betragen. Der Reaktor kann arbeiten, wenn die Kurzschlussspannung des Netzes 6 % übersteigt. Für eine 12-Puls-Gleichrichtereinheit ist ein Netzseiten-Eingangsreaktor mit mindestens 2 % Spannungsabfall erforderlich. Eingangsreaktoren werden in industriellen und fabrikautomatischen Kontrollsystemen weit verbreitet eingesetzt. Sie werden zwischen dem Stromnetz und VFDs oder Geschwindigkeitsreglern installiert, um die Überspannungen und -ströme, die von diesen Geräten erzeugt werden, zu unterdrücken und höhere Ordnungen und verzerrte Harmonische im System signifikant zu dämpfen.

Merkmale von Eingangsreaktoren:

• Eignet sich für die Blindleistungskompensation und Harmonischefilterung;

• Begrenzt Stromanstiege, die durch transiente Netzspannungen und Schaltüberspannungen verursacht werden; filtert Harmonische, um die Spannungsformverzerrung zu reduzieren;

• Glättet Spannungsspitzen und Gleichrichterkommutationsnotchen in Brückenschaltkreisen.

6. Strombegrenzungsreaktor
Strombegrenzungsreaktoren werden in der Regel in Verteilerschaltungen eingesetzt. Sie werden in Serie mit Speiseleitungen, die von derselben Busleitung abzweigen, angeschlossen, um Kurzschlussströme zu begrenzen und die Busspannung während Störungen stabil zu halten, um übermäßige Spannungsabfälle zu verhindern.

7. Bogenlöschspule (Petersen-Spule)
Bogenlöschspulen werden in resonant geerdeten Systemen bei 10kV–63kV weit verbreitet eingesetzt. Aufgrund des Trends zu ölfreien Umspannwerken, insbesondere für Systeme unter 35kV, sind Bogenlöschspulen zunehmend in trockener Gussharzdesign ausgeführt.

8. Dämpfungsreaktor (oft synonym mit Serienreaktor)
Dämpfungsreaktoren, die in Serie mit Kondensatorbänken oder kompakten Kondensatoren angeschlossen sind, begrenzen den Einschaltstrom beim Schalten von Kondensatoren – ähnlich wie Strombegrenzungsreaktoren. Filterreaktor: Wenn sie in Serie mit Filterkondensatoren angeschlossen sind, bilden sie Resonanzfilterschaltungen, die typischerweise für die 3. bis 17. Harmonische oder höherwertige Hochpassfilterung verwendet werden. Umrichterstationen für Hochspannungsgleichstrom (HVDC), phasenkontrollierte statische Blindleistungskompensatoren, große Gleichrichter, elektrifizierte Eisenbahnen und hochleistungsfähige Thyristor-basierte elektronische Schaltungen sind alle Quellen von Harmonischenströmen, die gefiltert werden müssen, um deren Einspeisung ins Netz zu verhindern. Elektrizitätsversorgungsunternehmen haben spezifische Vorschriften bezüglich der Harmonischen in Stromsystemen.

9. Glättungsreaktor (Gleichstrom-Verbindungskernreaktor)
Glättungsreaktoren werden in Gleichstromschaltungen nach der Gleichrichtung eingesetzt. Da Gleichrichterschaltungen eine endliche Anzahl von Impulsen erzeugen, enthält die Ausgangsspannung Rippel, der oft schädlich ist und durch einen Glättungsreaktor unterdrückt werden muss. Umrichterstationen für Hochspannungsgleichstrom (HVDC) sind mit Glättungsreaktoren ausgestattet, um die Ausgangsspannung so nahe wie möglich an ideal zu bringen. Glättungsreaktoren sind auch wesentlich in thyristor-gesteuerten Gleichstromantrieben. In Gleichrichterschaltungen, insbesondere in Mittelfrequenz-Stromversorgungen, umfassen ihre Hauptfunktionen:

• Begrenzung des Kurzschlussstroms (während der Thyristor-Kommunikation im Inverter, gleichzeitige Leitung ist äquivalent zu einem direkten Kurzschluss am Ausgang der Gleichrichterbrücke); ohne Reaktor würde dies zu einem direkten Kurzschluss führen;

• Unterdrückung des Einflusses von Mittelfrequenzkomponenten auf das Stromnetz;

• Filtereffekt – der geglättete Strom enthält Wechselstromkomponenten; hoher Frequenz-Wechselstrom wird durch die große Induktivität behindert – sicherstellt, dass die Ausgangsstromkurve kontinuierlich bleibt. Ein diskontinuierlicher Strom (mit Nullstromintervallen) würde dazu führen, dass die Inverterbrücke stoppt, was zu einer offenen Schaltung an der Gleichrichterbrücke führt;

• In parallelen Inverterschaltungen wird an der Eingangsstelle Blindleistung ausgetauscht; daher sind Energiespeicherelemente – Reaktoren – in der Eingangsschaltung unerlässlich.

Wichtige Hinweise

Reaktoren in Stromnetzen werden verwendet, um die kapazitive Blindleistung, die von Kabelleitungen erzeugt wird, zu absorbieren. Durch die Anpassung der Anzahl der Schaltungsreaktoren kann die Betriebsspannung des Systems reguliert werden. Ultraspannungs-Schaltungsreaktoren dienen mehreren Funktionen im Zusammenhang mit der Blindleistungsbewirtschaftung in Stromsystemen, darunter:

• Milderung des kapazitiven Effekts auf leicht belasteten oder nicht belasteten Übertragungsleitungen, Reduzierung der Frequenztransientenüberspannungen;

• Verbesserung der Spannungsverteilung entlang langer Übertragungsleitungen;

• Lokales Ausgleichen der Blindleistung unter leichten Belastungsbedingungen, Verhinderung unvernünftiger Blindleistungsflüsse und Reduzierung der Leitungsverluste;

• Reduzierung der stationären Frequenzspannung auf Hochspannungssammelschienen, wenn große Generatoren mit dem Netz synchronisiert werden, erleichtert die Synchronisation von Generatoren;

• Verhinderung der Selbstanregungsresonanz, die auftreten kann, wenn Generatoren mit langen Übertragungsleitungen verbunden sind;

• Wenn der Reaktorneutralpunkt über einen kleinen Reaktor geerdet wird, kann dieser kleine Reaktor die Phasen- und Erdkapazität kompensieren, beschleunigt die Selbstauslöschung von Restströmen und ermöglicht das automatische Einpol-Wiederschließen.

Reaktoren werden entweder in Serie oder parallel geschaltet. Serienreaktoren werden in der Regel zur Strombegrenzung verwendet, während Schaltungsreaktoren häufig zur Blindleistungskompensation eingesetzt werden.

• Schaltungsreaktor: In ultraspannungs-langen Übertragungssystemen werden sie an die Tertiärwicklung von Transformatoren angeschlossen, um die kapazitive Ladeleistung der Übertragungsleitungen auszugleichen, Spannungsanstiege und Schaltüberspannungen zu begrenzen und eine zuverlässige Systemoperation sicherzustellen.

• Serienreaktor: Sie werden in Kondensatorschaltungen installiert, wenn die Kondensatorbank gespeist wird.