Bogenunterdrückungsspule oder Petersen-Spule
Definition des Bogenunterdrückungsspulens
Eine Bogenunterdrückungsspule, auch bekannt als Petersen-Spule, ist eine induktive Spule, die zum Neutralisieren des kapazitiven Ladungsstroms in unterirdischen Stromnetzen bei einer Erdfehlersituation eingesetzt wird.
Zweck und Funktion
Die Spule reduziert den hohen kapazitiven Ladungsstrom während eines Erdfehlers, indem sie einen entgegengesetzten induktiven Strom erzeugt.
Funktionsprinzip
Der durch die Spule erzeugte induktive Strom hebt den kapazitiven Strom auf und verhindert so das Entstehen von Bögen an der Fehlerschaltung.
Kapazitiver Strom in unterirdischen Systemen
Unterirdische Kabel haben aufgrund der dielektrischen Isolierung zwischen dem Leiter und der Erde einen kontinuierlichen kapazitiven Strom.
Berechnung der Induktivität
Die Spannungen eines dreiphasigen symmetrischen Systems sind in Abbildung – 1 dargestellt.
In unterirdischen Hoch- und Mittelspannungskabelliniennetzen hat jede Phase eine Kapazität zwischen dem Leiter und der Erde, was zu einem kontinuierlichen kapazitiven Strom führt. Dieser Strom führt die Phasenspannung um 90 Grad vor, wie in Abbildung – 2 gezeigt.
Wenn ein Erdfehler in der gelben Phase auftritt, wird die Spannung der gelben Phase gegenüber der Erde null. Der neutrale Punkt des Systems verschiebt sich auf die Spitze des Vektors der gelben Phase. Folglich erhöht sich die Spannung in den gesunden Phasen (rot und blau) auf &sqrt;3-mal den ursprünglichen Wert.
Natürlich wird der entsprechende kapazitive Strom in jeder gesunden Phase (rot und blau) &sqrt;3-mal größer, wie in Abbildung-4 unten gezeigt.
Die Vektorsumme dieser beiden kapazitiven Ströme ergibt nun 3I, wobei I als nomineller kapazitiver Strom pro Phase im symmetrischen System angenommen wird. Das bedeutet, dass im gesunden symmetrischen Zustand des Systems IR = IY = IB = I.
Dies ist in Abbildung-5 unten dargestellt,
Dieser resultierende Strom fließt dann über den fehlerhaften Pfad zur Erde, wie unten gezeigt.
Wenn wir jetzt eine induktive Spule mit geeigneter Induktivität (in der Regel wird eine Eisenkerninduktion verwendet) zwischen dem Sternpunkt oder dem neutralen Punkt des Systems und der Erde verbinden, ändert sich das Szenario vollständig. Bei einem Fehlerzustand ist der Strom durch die Induktion genau gleich und entgegengesetzt in Betrag und Phase zum kapazitiven Strom durch den fehlerhaften Pfad. Der induktive Strom folgt ebenfalls dem fehlerhaften Pfad des Systems. Die kapazitiven und induktiven Ströme heben sich an dem fehlerhaften Pfad gegenseitig auf, sodass es keinen resultierenden Strom durch den fehlerhaften Pfad gibt, der durch die kapazitive Wirkung des unterirdischen Kabels entsteht. Die ideale Situation ist in der unten stehenden Abbildung dargestellt.
Dieses Konzept wurde 1917 von W. Petersen erstmals implementiert, daher wird die Induktionsspule für diesen Zweck, die Petersen-Spule, genannt.
Der kapazitive Anteil des Fehlerstroms ist in unterirdischen Kabelsystemen hoch. Wenn ein Erdfehler auftritt, wird die Größe dieses kapazitiven Stroms durch den fehlerhaften Pfad 3-mal größer als der nominelle kapazitive Strom von gesunden Phasen gegenüber der Erde. Dies führt zu einer signifikanten Verschiebung des Nullübergangs des Stroms weg vom Nullübergang der Spannung im System. Aufgrund der Anwesenheit dieses hohen kapazitiven Stroms im Erdfehlerrpfad kann es zu einer Reihe von Neuanzapfungen an der Fehlerschaltung kommen. Dies kann zu unerwünschten Überspannungen im System führen.
Die Induktivität der Petersen-Spule wird so ausgewählt oder eingestellt, dass der induktive Strom den kapazitiven Strom exakt neutralisiert.
Lassen Sie uns die Induktivität der Petersen-Spule für ein dreiphasiges unterirdisches System berechnen. Nehmen wir an, die Kapazität zwischen Leiter und Erde in jeder Phase des Systems beträgt C Farad. Dann beträgt der kapazitive Leckstrom oder Ladestrom in jeder Phase
Daher beträgt der kapazitive Strom durch den fehlerhaften Pfad während eines Einphasen-Erdschlusses
Nach dem Fehler hat der Sternpunkt eine Phasenspannung, da der Nullpunkt zum Fehlerpunkt verschoben wird. Daher erscheint die Spannung über der Induktion Vph. Der induktive Strom durch die Spule beträgt also
Für die Kompensation des kapazitiven Stroms von 3I muss IL denselben Betrag, aber elektrisch 180o entfernt haben. Daher gilt:
Wenn sich die Auslegung oder Konfiguration des Systems, wie Länge, Querschnitt, Dicke oder Isolierqualität, ändert, muss die Induktivität der Spule angepasst werden. Daher haben Petersen-Spulen oft eine Stufenwechsleranordnung.
