Boogdemper of Petersen-coil

Definitie van boogonderdrukkingsspoel

Een boogonderdrukkingsspoel, ook bekend als Petersen-spoel, is een inductieve spoel die wordt gebruikt om de capacitaire laadstroom in ondergrondse elektriciteitsnetwerken tijdens een aardfout te neutraliseren.

Doel en functie

De spoel vermindert de grote capacitaire laadstroom tijdens een aardfout door een tegengestelde inductieve stroom te creëren.

Werkingsprincipe

De inductieve stroom die door de spoel wordt gegenereerd, compenseert de capacitaire stroom, waardoor het ontstaan van een boog op het foutpunt wordt voorkomen.

Capacitaire stroom in ondergrondse systemen

Ondergrondse kabels hebben een continue capacitaire stroom vanwege de dielectrische isolatie tussen de geleider en de aarde.

Inductantieberekening

De spanningen van een driefase gelijkmatig systeem worden weergegeven in figuur – 1.

In ondergrondse hoogspannings- en middenspanningskabelnetwerken heeft elke fase een capaciteit tussen de geleider en de aarde, wat leidt tot een continue capacitaire stroom. Deze stroom loopt 90 graden voor op de fase-spanning, zoals getoond in figuur – 2.

Als er een aardfout optreedt in de gele fase, wordt de spanning van de gele fase ten opzichte van de aarde nul. Het neutrale punt van het systeem verschuift naar de top van de vector van de gele fase. Daarom neemt de spanning in de gezonde fasen (rood en blauw) toe tot &sqrt;3 keer de oorspronkelijke waarde.

Natuurlijk wordt de overeenkomstige capacitaire stroom in elke gezonde fase (rood en blauw) &sqrt;3 keer de oorspronkelijke, zoals getoond in figuur-4 hieronder.

De vectosom van deze twee capacitaire stromen is nu 3I, waarbij I de genormeerde capacitaire stroom per fase in het evenwichtige systeem is. Dat betekent dat bij een gezond evenwichtig systeem, I R = IY = IB = I.

Dit wordt geïllustreerd in figuur- 5 hieronder,

Deze resulterende stroom stroomt dan via het foutpad naar de aarde, zoals hieronder getoond.

Als we nu een inductieve spoel met een geschikte inductiewaarde (meestal een ijzerkerninductor) verbinden tussen het ster-punt of neutrale punt van het systeem en de grond, verandert het scenario volledig. Bij een fouttoestand is de stroom door de inductor precies gelijk en tegengesteld in grootte en fase aan de capacitaire stroom door het foutpad. De inductieve stroom volgt ook het foutpad van het systeem. De capacitaire en inductieve stroom compenseren elkaar op het foutpad, zodat er geen resulterende stroom door het foutpad ontstaat door de capacitaire werking van de ondergrondse kabel. De ideale situatie is weergegeven in de figuur hieronder.

Dit concept werd voor het eerst toegepast door W. Petersen in 1917, vandaar dat de inductieve spoel die hiervoor wordt gebruikt, de naam Petersen Coil draagt.

Het capacitaire component van de foutstroom is hoog in het ondergrondse kabelsysteem. Wanneer een aardfout optreedt, wordt de grootte van deze capacitaire stroom door het foutpad 3 keer groter dan de genormeerde fasetoaarde capacitaire stroom van de gezonde fase. Dit veroorzaakt een significant verschuiven van het nulpunt van de stroom weg van het nulpunt van de spanning in het systeem. Door de aanwezigheid van deze hoge capacitaire stroom in het aardfoutpad zal er een reeks hersteken plaatsvinden op de foutlocatie. Dit kan ongewenste overspanningen in het systeem veroorzaken.

De inductantie van de Petersen Coil wordt geselecteerd of aangepast op een waarde die de inductieve stroom veroorzaakt die exact de capacitaire stroom kan neutraliseren.

Laten we de inductantie van de Petersen Coil berekenen voor een driefase ondergronds systeem. Voor dit doel laten we de capaciteit tussen de geleider en de aarde in elke fase van het systeem, C farad, zijn. Dan is de capacitaire lekstroom of laadstroom in elke fase

Dus, de capacitaire stroom door het foutpad tijdens een enkele fase naar aarde fout is

Na de fout heeft het ster-punt een fase-spanning, omdat het nulpunt is verschoven naar het foutpunt. Dus de spanning die over de inductor verschijnt, is Vph. Daarom is de inductieve stroom door de spoel

Nu, voor de annulering van de capacitaire stroom met waarde 3I, moet IL dezelfde grootte hebben maar 180o elektrisch gescheiden. Dus,

Wanneer de ontwerp- of configuratie van het systeem verandert, zoals lengte, doorsnede, dikte of isolatiekwaliteit, moet de inductantie van de spoel worden aangepast. Daarom hebben Petersen spoelen vaak een tap-changing arrangement.