Bobina de Supresión de Arco o Bobina de Petersen

Definición de Bobina Supresora de Arco

Una bobina supresora de arco, también conocida como bobina de Petersen, es una bobina inductiva utilizada para neutralizar la corriente de carga capacitiva en redes eléctricas subterráneas durante una falla a tierra.

Propósito y Función

La bobina reduce la gran corriente de carga capacitiva durante una falla a tierra al generar una corriente inductiva opuesta.

Principio de Funcionamiento

La corriente inductiva generada por la bobina anula la corriente capacitiva, evitando el arco en el punto de falla.

Corriente Capacitiva en Sistemas Subterráneos

Los cables subterráneos tienen una corriente capacitiva continua debido a la aislación dieléctrica entre el conductor y la tierra.

Cálculo de Inductancia

Las tensiones de un sistema trifásico equilibrado se muestran en la figura – 1.

En redes de cables de alta tensión y media tensión subterráneos, cada fase tiene capacitancia entre el conductor y la tierra, lo que lleva a una corriente capacitiva continua. Esta corriente conduce a la tensión de fase por 90 grados, como se muestra en la figura – 2.

Si ocurre una falla a tierra en la fase amarilla, la tensión de la fase amarilla a tierra se vuelve cero. El punto neutro del sistema se desplaza a la punta del vector de la fase amarilla. En consecuencia, la tensión en las fases sanas (roja y azul) aumenta a &sqrt;3 veces el valor original.

Naturalmente, la corriente capacitiva correspondiente en cada fase sana (roja y azul) se convierte en &sqrt;3 de la original, como se muestra en la figura-4, a continuación.

La suma vectorial que resulta de estas dos corrientes capacitivas ahora será 3I, donde I se toma como la corriente capacitiva nominal por fase en el sistema equilibrado. Esto significa que, en condiciones de equilibrio saludable del sistema, IR = IY = IB = I.

Esto se ilustra en la figura- 5 a continuación,

Esta corriente resultante luego fluye a través del camino defectuoso a la tierra, como se muestra a continuación.

Ahora, si conectamos una bobina inductiva de inductancia adecuada (generalmente se usa un inductor de núcleo de hierro) entre el punto estrella o neutro del sistema y la tierra, el escenario cambiará completamente. En condiciones de falla, la corriente a través del inductor es exactamente igual y opuesta en magnitud y fase a la corriente capacitiva a través del camino defectuoso. La corriente inductiva también sigue el camino defectuoso del sistema. La corriente capacitiva e inductiva se anulan en el camino defectuoso, por lo que no habrá ninguna corriente resultante a través del camino defectuoso creada por la acción capacitiva del cable subterráneo. La situación ideal se ilustra en la figura a continuación.

Este concepto fue implementado por primera vez por W. Petersen en 1917, por eso la bobina inductiva usada para este propósito se llama Bobina de Petersen.

El componente capacitivo de la corriente de falla es alto en el sistema de cableado subterráneo. Cuando ocurre una falla a tierra, la magnitud de esta corriente capacitiva a través del camino defectuoso se vuelve 3 veces mayor que la corriente capacitiva nominal de fase a tierra de la fase sana. Esto causa un desplazamiento significativo del cruce cero de la corriente lejos del cruce cero de la tensión en el sistema. Debido a la presencia de esta alta corriente capacitiva en el camino de falla a tierra, habrá una serie de rechispas en el lugar de la falla. Esto puede llevar a sobretensiones indeseadas en el sistema.

La inductancia de la Bobina de Petersen se selecciona o ajusta a un valor que cause una corriente inductiva que pueda neutralizar exactamente la corriente capacitiva.

Calculemos la inductancia de la Bobina de Petersen para un sistema trifásico subterráneo. Para ello, consideremos que la capacitancia entre el conductor y la tierra en cada fase del sistema es C faradios. Entonces, la corriente de fuga capacitiva o corriente de carga en cada fase será

Por lo tanto, la corriente capacitiva a través del camino defectuoso durante una falla monofásica a tierra es

Después de la falla, el punto estrella tendrá tensión de fase ya que el punto nulo se desplaza al punto de falla. Por lo tanto, la tensión que aparece a través del inductor es Vph. Así, la corriente inductiva a través de la bobina es

Ahora, para cancelar la corriente capacitiva de valor 3I, IL debe tener la misma magnitud pero 180° eléctricamente aparte. Por lo tanto,

Cuando el diseño o configuración del sistema cambia, como la longitud, la sección transversal, el grosor o la calidad del aislamiento, la inductancia de la bobina debe ser ajustada. Por lo tanto, las bobinas de Petersen a menudo tienen un arreglo de cambio de tomas.