Cewka tłumienia łuku lub cewka Petersena

Definicja cewki tłumionej

Cewka tłumiona, znana również jako cewka Petersena, to cewka indukcyjna wykorzystywana do neutralizacji prądu ładunkowego pojemnościowego w podziemnych sieciach energetycznych podczas zwarcia z ziemią.

Cel i funkcja

Cewka zmniejsza duży prąd ładunkowy pojemnościowy podczas zwarcia z ziemią poprzez tworzenie przeciwnego prądu indukcyjnego.

Zasada działania

Prąd indukcyjny generowany przez cewkę anuluje prąd pojemnościowy, zapobiegając łukom na miejscu zwarcia.

Prąd pojemnościowy w systemach podziemnych

Podziemne kable mają ciągły prąd pojemnościowy ze względu na izolację dielektryczną między przewodnikiem a ziemią.

Obliczenie indukcyjności

Napięcia trójfazowego zrównoważonego systemu są przedstawione na rysunku – 1.

W podziemnych sieciach wysokiego i średniego napięcia każda faza ma pojemność między przewodnikiem a ziemią, co prowadzi do ciągłego prądu pojemnościowego. Ten prąd wyprzedza napięcie fazowe o 90 stopni, jak pokazano na rysunku – 2.

Jeśli wystąpi zwarcie z ziemią w żółtej fazie, napięcie żółtej fazy względem ziemi staje się zerowe. Punkt neutralny systemu przesuwa się do wierzchołka wektora żółtej fazy. W konsekwencji, napięcie w zdrowych fazach (czerwonej i niebieskiej) wzrasta do √3 razy wartości początkowej.

Naturalnie, odpowiadający im prąd pojemnościowy w każdej zdrowej fazie (czerwonej i niebieskiej) staje się √3 razy większy niż początkowo, jak pokazano na rysunku-4 poniżej.

Suma wektorowa tych dwóch prądów pojemnościowych wyniesie teraz 3I, gdzie I jest uznawane za nominalny prąd pojemnościowy na fazę w zrównoważonym systemie. To oznacza, że w zdrowym, zrównoważonym stanie systemu, IR = IY = IB = I.

To jest ilustrowane na rysunku-5 poniżej,

Ten rezultat prądu płynie następnie przez uszkodzoną ścieżkę do ziemi, jak pokazano poniżej.

Teraz, jeśli połączymy jedno cewko indukcyjne o odpowiedniej wartości indukcyjności (ogólnie używa się cewek z rdzeniem żelaznym) między punktem gwiazdowym lub punktem neutralnym systemu a ziemią, sytuacja będzie całkowicie inna. W przypadku uszkodzenia, prąd przez cewkę jest dokładnie równy i przeciwny w wartości i fazie prądowi pojemnościowemu przez uszkodzoną ścieżkę. Prąd indukcyjny również płynie przez uszkodzoną ścieżkę systemu. Prądy pojemnościowe i indukcyjne anulują się na uszkodzonej ścieżce, dlatego nie będzie żadnego rezultatu prądu przez uszkodzoną ścieżkę spowodowanego działaniem pojemnościowym podziemnego kabla. Idealna sytuacja jest ilustrowana na rysunku poniżej.

Ta koncepcja została po raz pierwszy zaimplementowana przez W. Petersena w 1917 roku, dlatego cewka indukcyjna używana do tego celu nazywana jest cewką Petersena.

Składnik pojemnościowy prądu zwarcia jest wysoki w systemie podziemnych kabli. Gdy wystąpi zwarcie z ziemią, wartość tego prądu pojemnościowego przez uszkodzoną ścieżkę staje się 3 razy większa niż nominalny prąd pojemnościowy fazy do ziemi zdrowej fazy. To powoduje istotne przesunięcie przejścia przez zero prądu od przejścia przez zero napięcia w systemie. Ze względu na obecność tego dużego prądu pojemnościowego w ścieżce zwarcia z ziemią, może wystąpić seria ponownych zapalania się łuku na miejscu uszkodzenia. Może to prowadzić do niepożądanych przepięć w systemie.

Indukcyjność cewki Petersena jest wybierana lub dostosowywana do takiej wartości, która powoduje prąd indukcyjny, który dokładnie neutralizuje prąd pojemnościowy.

Obliczmy indukcyjność cewki Petersena dla trójfazowego systemu podziemnego. Załóżmy, że pojemność między przewodnikiem a ziemią w każdej fazie systemu wynosi C farad. Wtedy prąd pojemnościowy lub ładunkowy w każdej fazie będzie wynosić

Zatem prąd pojemnościowy przez uszkodzoną ścieżkę podczas zwarcia jednej fazy z ziemią wyniesie

Po zdarzeniu, punkt gwiazdowy będzie miał napięcie fazowe, ponieważ punkt neutralny przesunął się do miejsca uszkodzenia. Napięcie pojawiające się na cewce indukcyjnej wyniesie Vph. Zatem prąd indukcyjny przez cewkę wyniesie

Aby anulować prąd pojemnościowy o wartości 3I, IL musi mieć tę samą wartość, ale być elektrycznie przesunięty o 180o. Zatem,

Gdy projekt lub konfiguracja systemu ulegnie zmianie, takich jak długość, przekrój, grubość lub jakość izolacji, indukcyjność cewki musi zostać dostosowana. Dlatego cewki Petersena często mają układ do zmiany tapów.