Jakie są rodzaje reaktorów? Kluczowe role w systemach energetycznych

Reaktor (Induktor): Definicja i typy

Reaktor, znany również jako induktor, generuje pole magnetyczne w otaczającej przestrzeni, gdy prąd płynie przez przewodnik. Dlatego każdy przewodnik niosący prąd ma naturalną indukcyjność. Jednak indukcyjność prostego przewodnika jest mała i powoduje słabe pole magnetyczne. Praktyczne reaktory są konstruowane poprzez nawinięcie przewodnika w kształt solenoidu, znanego jako reaktor z rdzeniem powietrznym. Aby dalej zwiększyć indukcyjność, do solenoidu wstawia się ferromagnetyczny rdzeń, tworząc reaktor z rdzeniem żelaznym.

1. Reaktor szeregowy
Prototyp reaktora szeregowego był używany do testów pełnego obciążenia generatorów. Żelaznobrdzowe reaktory szeregowo połączone generują naprzemienne siły magnetyczne między segmentami rdzenia, co prowadzi do poziomu hałasu o około 10 dB wyższego niż u transformatorów o równoważnej mocy. Reaktory szeregowo połączone przesyłają prąd przemienny (AC) i są używane do kompensacji kapacytnej reaktywności systemu. Często są one podłączone szeregowo z tajristorami, aby umożliwić ciągłą regulację reaktywnego prądu.

2. Reaktor szeregowy
Reaktory szeregowo połączone przesyłają prąd przemienny (AC) i są podłączone szeregowo z kondensatorami mocy, tworząc obwód rezonansowy szeregowy dla harmonicznych stanu ustalonego (np. 5., 7., 11., 13. harmoniczna). Typowe reaktory szeregowo połączone mają wartości impedancji na poziomie 5–6% i są uważane za typy o wysokiej indukcyjności.

3. Reaktor strojny
Reaktory strojne przesyłają prąd przemienny (AC) i są podłączone szeregowo z kondensatorami, tworząc rezonans szeregowy przy określonej częstotliwości harmonicznej (n), co pozwala na absorpcję tej składowej harmonicznej. Powszechnie stosowane rzędy strojenia to n = 5, 7, 11, 13, 19.

4. Reaktor wyjściowy
Reaktor wyjściowy ogranicza prąd ładowania kondensacyjnego w kablach silników i ogranicza tempo wzrostu napięcia na cewkach silnika do 540 V/μs. Jest zwykle wymagany, gdy długość kabla między zmiennoprzecinkowym sterownikiem prędkości (VFD) (4–90 kW) a silnikiem przekracza 50 metrów. Wygładza również napięcie wyjściowe VFD (zmniejszając stromość krawędzi przełączania), minimalizując zakłócenia i obciążenia elementów odwracacza, takich jak IGBT.

Uwagi dotyczące zastosowania reaktorów wyjściowych:
Aby wydłużyć odległość między VFD a silnikiem, należy używać grubych kabli z wzmocnioną izolacją, najlepiej typów nieschronionych.

Cechy reaktorów wyjściowych:

• Odpowiednie do kompensacji reaktywnej mocy i zmniejszania harmonicznych;

• Kompensuje rozproszone pojemności w długich kablach i tłumione harmoniczne prądy wyjściowe;

• Skutecznie chroni VFD, poprawia współczynnik mocy, blokuje zakłócenia ze strony sieci i redukuje zanieczyszczenie harmoniczne z jednostek prostowników do sieci.

5. Reaktor wejściowy
Reaktor wejściowy ogranicza spadek napięcia po stronie sieci podczas komutacji konwertera, tłumi harmoniczne i dekupluje grupy równoległych konwerterów. Ogranicza także skoki prądu spowodowane tymczasowymi spadkami napięcia sieci lub operacjami przełączania. Gdy stosunek pojemności krótkiego zwarcia sieci do pojemności VFD przekracza 33:1, względny spadek napięcia reaktora wejściowego powinien wynosić 2% dla pracy w jednym kwadrancie i 4% dla pracy w czterech kwadrantach. Reaktor może działać, gdy napięcie krótkiego zwarcia sieci przekracza 6%. Dla jednostki prostownika 12-pulsowego wymagany jest reaktor wejściowy po stronie linii z przynajmniej 2% spadkiem napięcia. Reaktory wejściowe są szeroko stosowane w systemach automatyzacji przemysłowej i fabrycznej. Zainstalowane między siecią elektryczną a VFD lub regulatorami prędkości, tłumią one skoki napięcia i prądu generowane przez te urządzenia, znacznie osłabiając wyższe harmoniczne i zniekształcenia fali napięcia w systemie.

Cechy reaktorów wejściowych:

• Odpowiednie do kompensacji reaktywnej mocy i filtracji harmonicznych;

• Ogranicza skoki prądu spowodowane tymczasowymi spadkami napięcia sieci i nadmiernymi napięciami przełączania; filtra harmoniczne, zmniejszając zniekształcenia fali napięcia;

• Wygładza skoki napięcia i notki komutacji w obwodach mostkowych.

6. Reaktor ograniczający prąd
Reaktory ograniczające prąd są zwykle stosowane w obwodach dystrybucyjnych. Są one podłączone szeregowo z liniami pasażerskimi odchodzących od tego samego paska, aby ograniczyć prąd krótkiego zwarcia i utrzymać stabilność napięcia paska podczas awarii, zapobiegając nadmiernemu spadkowi napięcia.

7. Cewka tłumiąca łuki (Cewka Petersena)
Szeroko stosowane w systemach z uziemieniem rezonansowym w zakresie 10kV–63kV, cewki tłumiące łuki coraz częściej są projektowane jako suche, zlewańcowe, ze względu na trend eliminacji oleju w podstacjach, szczególnie dla systemów poniżej 35kV.

8. Reaktor tłumienia (często synonim reaktora szeregowego)
Podłączone szeregowo z bankami kondensatorów lub kompaktowymi kondensatorami, reaktory tłumienia ograniczają prąd początkowy podczas przełączania kondensatorów — podobnie jak reaktory ograniczające prąd. Reaktor filtrujący: Gdy podłączony szeregowo z kondensatorami filtrującymi, tworzy obwód rezonansowy filtrujący, zwykle stosowany do filtrowania 3. do 17. harmonicznej lub wyższych harmonicznych filtrów górnoprzepustowych. Stacje konwerterów HVDC, statyczne kompensatory bierne z fazowym sterowaniem, duże prostownice, elektryfikowane koleje oraz wysokomocne obwody elektroniczne oparte na tyristorach są wszystkie źródłami prądu harmonicznych, które muszą być filtrowane, aby zapobiec wprowadzaniu harmonicznych do sieci. Spółki energetyczne mają specyficzne regulacje dotyczące poziomów harmonicznych w systemach elektroenergetycznych.

9. Reaktor wygładzający (reaktor wiązki DC)
Reaktory wygładzające są stosowane w obwodach stałoprądowych po prostowaniu. Ponieważ obwody prostujące produkują skończoną liczbę impulsów, napięcie stałe wyjściowe zawiera drgania, które często są szkodliwe i muszą być tłumione przez reaktor wygładzający. Stacje konwerterów HVDC są wyposażone w reaktory wygładzające, aby uczynić wyjściowe napięcie stałe jak najbardziej zbliżone do idealnego. Reaktory wygładzające są również niezbędne w sterownikach stało-prądowych sterowanych tyristorami. W obwodach prostujących, zwłaszcza w zasilaczach średnio-częstotliwościowych, ich główne funkcje obejmują:

• Ograniczanie prądu krótkiego zwarcia (podczas komutacji tyristorów inwertera, jednoczesna przewodność jest równoważna bezpośredniemu krótkiemu zwarcia na wyjściu mostka prostownika); bez reaktora to spowodowałoby bezpośrednie krótkie zwarcie;

• Tłumienie wpływu składowych średnio-częstotliwościowych na sieć energetyczną;

• Efekt filtrowania — prostowany prąd zawiera składowe przemiennoprądowe; wysokoczęstotliwościowe składowe AC są hamowane przez dużą indukcyjność — zapewniając ciągłą formę falową prądu wyjściowego. Nierównomierny prąd (z przedziałami zerowego prądu) spowodowałby zatrzymanie mostka inwertera, prowadząc do warunku otwartego obwodu na wyjściu mostka prostownika;

• W obwodach inwerterów równoległych, reaktywna moc jest wymieniana na wejściu; dlatego elementy magazynujące energię — reaktory — są niezbędne w obwodzie wejściowym.

Ważne uwagi

Reaktory w sieciach elektroenergetycznych są używane do absorpcji reaktywnej mocy kapacytnej generowanej przez linie kablowe. Poprzez dostosowanie liczby reaktorów szeregowych można regulować napięcie systemu. Reaktory szeregowo połączone o napięciu ultra-wysokim (UHV) pełnią wiele funkcji związanych z zarządzaniem reaktywną mocą w systemach elektroenergetycznych, w tym:

• Zmniejszanie efektu kapacytowego na lekko obciążonych lub nieobciążonych liniach przesyłowych, redukując chwilowe przemieszczenia napięcia częstotliwości sieciowej;

• Poprawa rozkładu napięcia wzdłuż długich linii przesyłowych;

• Bilansowanie reaktywnej mocy lokalnie w warunkach lekkiego obciążenia, zapobiegając nielogicznemu przepływowi reaktywnej mocy i redukując straty mocy w liniach;

• Redukcja stałego napięcia częstotliwości sieciowej na wysokonapięciowych paskach, gdy duże generatory są synchronizowane z siecią, ułatwiając synchronizację generatorów;

• Zapobieganie samowzbudzaniu rezonansowemu, które może wystąpić, gdy generatory są podłączone do długich linii przesyłowych;

• Gdy neutralna część reaktora jest uziemiona przez mały reaktor, mały reaktor może kompensować pojemności międzyfazowe i fazowo-ziemne, przyspieszając samoczynne zanikanie resztowych prądów i umożliwiając automatyczne ponowne zamknięcie jednopolowe.

Reaktory są podłączone albo szeregowo, albo równolegle. Reaktory szeregowo połączone są zwykle używane do ograniczania prądu, podczas gdy reaktory szeregowo połączone są powszechnie stosowane do kompensacji reaktywnej mocy.

• Reaktor szeregowy: W systemach przesyłowych o napięciu ultra-wysokim są one podłączone do trzeciego owinięcia transformatorów, aby kompensować prąd ładowania kapacytowego linii przesyłowych, ograniczać wzrost napięcia i nadmierny spadek napięcia, zapewniając niezawodne działanie systemu.

• Reaktor szeregowy: Zainstalowany w obwodach kondensatorów, jest używany, gdy bank kondensatorów jest włączany.