消弧線圈またはピーターセンコイル

消弧線圈の定義

消弧線圈、またはペテルセンコイルは、地絡障害時に地中電力ネットワークのキャパシティブ充電電流を中和するために使用されるインダクティブコイルです。

目的と機能

このコイルは、地絡障害時に発生する大きなキャパシティブ充電電流を、逆方向のインダクティブ電流を作り出すことで減少させます。

動作原理

コイルによって生成されたインダクティブ電流がキャパシティブ電流を相殺し、障害点でのアークを防ぎます。

地中システムにおけるキャパシティブ電流

地中ケーブルは、導体と大地との間の誘電体絶縁により、連続的なキャパシティブ電流を持っています。

インダクタンスの計算

3相平衡システムの電圧は図-1に示されています。

地中の高電圧および中電圧ケーブルネットワークでは、各相には導体と大地との間にキャパシタンスがあり、これが連続的なキャパシティブ電流を引き起こします。この電流は、図-2に示すように位相電圧に対して90度先行します。

黄色相で地絡障害が発生した場合、黄色相対地の電圧はゼロになります。システムの中性点は黄色相ベクトルの先端に移動します。結果として、健全な相（赤色と青色）の電圧は元の値の√3倍に増加します。

当然のことながら、各健全な相（赤色と青色）の対応するキャパシティブ電流は、図-4に示すように元の√3倍になります。

これらの2つのキャパシティブ電流のベクトル和は、3Iとなり、ここでIはバランスシステムにおける各相の定格キャパシティブ電流です。つまり、システムが健康なバランス状態にあるとき、IR = IY = IB = Iとなります。

これは以下の図-5に示されています。

この結果の電流は、以下のように故障パスを通って大地に流れます。

ここで、適切なインダクタンス値を持つ1つのインダクティブコイル（通常は鉄心インダクタを使用）をシステムの中性点と大地の間に接続すると、状況は完全に変わります。故障状態では、インダクタを通る電流は、故障パスを通るキャパシティブ電流と同じ大きさであり、位相が反対です。インダクティブ電流もシステムの故障パスを通ります。キャパシティブ電流とインダクティブ電流が故障パスで相殺され、キャパシティブ作用による地下ケーブルの故障パスに流れる結果の電流はありません。理想的な状況は以下の図に示されています。

この概念は1917年にW. ペテルセンによって初めて実装されました。そのため、この目的のために使用されるインダクタコイルはペテルセンコイルと呼ばれています。

地中ケーブルシステムでは、障害電流のキャパシティブ成分が高いです。地絡障害が発生すると、故障パスを通るキャパシティブ電流の大きさは、健全な相の定格相対地キャパシティブ電流の3倍以上になります。これにより、システム内の電流のゼロクロスが電圧のゼロクロスから大幅にずれます。この高いキャパシティブ電流が故障パスに存在することにより、故障位置で一連の再放電が発生します。これは、システム内での不要な過電圧につながる可能性があります。

ペテルセンコイルのインダクタンスは、キャパシティブ電流を正確に中和できるインダクティブ電流を生成するような値に選択または調整されます。

3相地中システム用のペテルセンコイルのインダクタンスを計算してみましょう。システムの各相の導体と大地との間のキャパシタンスをCファラードとすると、各相のキャパシティブリーク電流または充電電流は以下のようになります。

したがって、単相対地障害時の故障パスを通るキャパシティブ電流は以下のようになります。

故障後、星形接続点には位相電圧が現れ、ニュートラル点が故障点に移動します。したがって、インダクタにかかる電圧はVphです。よって、コイルを通るインダクティブ電流は以下のようになります。

キャパシティブ電流3Iのキャンセルのために、ILは同じ大きさで180度電気的に離れたものである必要があります。したがって、以下のようになります。

システムの設計や構成が変更された場合、例えば長さ、断面積、厚さ、または絶縁品質が変わった場合、コイルのインダクタンスは調整する必要があります。そのため、ペテルセンコイルにはしばしばタップチェンジングアレンジメントがあります。