Bobina de Supressão de Arco ou Bobina Petersen

Definição de Bobina de Supressão de Arco

Uma bobina de supressão de arco, também conhecida como bobina de Petersen, é uma bobina indutiva usada para neutralizar a corrente de carga capacitiva em redes elétricas subterrâneas durante um defeito à terra.

Propósito e Função

A bobina reduz a grande corrente de carga capacitiva durante um defeito à terra, criando uma corrente indutiva oposta.

Princípio de Funcionamento

A corrente indutiva gerada pela bobina cancela a corrente capacitiva, impedindo o arco no ponto do defeito.

Corrente Capacitiva em Sistemas Subterrâneos

Os cabos subterrâneos têm uma corrente capacitiva contínua devido ao isolamento dielétrico entre o condutor e a terra.

Cálculo da Indutância

As tensões de um sistema trifásico equilibrado são mostradas na figura – 1.

Em redes de cabos subterrâneos de alta e média tensão, cada fase tem capacitância entre o condutor e a terra, resultando em uma corrente capacitiva contínua. Esta corrente antecede a tensão da fase por 90 graus, conforme mostrado na figura – 2.

Se ocorrer um defeito à terra na fase amarela, a tensão da fase amarela em relação à terra se torna zero. O ponto neutro do sistema desloca-se para a ponta do vetor da fase amarela. Consequentemente, a tensão nas fases saudáveis (vermelha e azul) aumenta para &sqrt;3 vezes o valor original.

Naturalmente, a corrente capacitiva correspondente em cada fase saudável (vermelha e azul) se torna &sqrt;3 do valor original, conforme mostrado na figura-4 abaixo.

A soma vetorial que resulta dessas duas correntes capacitivas agora será 3I, onde I é considerada a corrente capacitiva nominal por fase no sistema equilibrado. Isso significa que, em condições equilibradas e saudáveis do sistema, I R = IY = IB = I.

Isso é ilustrado na figura-5 abaixo,

Esta corrente resultante então flui pelo caminho defeituoso até a terra, conforme mostrado abaixo.

Agora, se conectarmos uma bobina indutiva de valor de indutância adequado (geralmente é usado um indutor de núcleo de ferro) entre o ponto estrela ou ponto neutro do sistema e a terra, o cenário mudará completamente. Em condições de defeito, a corrente através do indutor será exatamente igual e oposta em magnitude e fase à corrente capacitiva através do caminho defeituoso. A corrente indutiva também segue o caminho defeituoso do sistema. As correntes capacitiva e indutiva se cancelam no caminho defeituoso, portanto, não haverá nenhuma corrente resultante através do caminho defeituoso criada devido à ação capacitiva do cabo subterrâneo. A situação ideal é ilustrada na figura abaixo.

Este conceito foi implementado pela primeira vez por W. Petersen em 1917, daí o uso da bobina indutora para este propósito, chamada de Bobina de Petersen.

O componente capacitivo da corrente de defeito é alto nos sistemas de cabos subterrâneos. Quando ocorre um defeito à terra, a magnitude desta corrente capacitiva através do caminho defeituoso se torna 3 vezes maior que a corrente capacitiva nominal fase-terra de uma fase saudável. Isso causa um deslocamento significativo do cruzamento zero da corrente em relação ao cruzamento zero da tensão no sistema. Devido à presença desta alta corrente capacitiva no caminho de defeito à terra, haverá uma série de re-disparos no local do defeito. Isso pode levar a sobretensões indesejadas no sistema.

A indutância da Bobina de Petersen é selecionada ou ajustada para um valor que cause a corrente indutiva que possa exatamente neutralizar a corrente capacitiva.

Vamos calcular a indutância da Bobina de Petersen para um sistema subterrâneo trifásico. Para isso, consideremos a capacitância entre o condutor e a terra em cada fase do sistema, C farad. Então, a corrente de fuga capacitiva ou corrente de carga em cada fase será

Portanto, a corrente capacitiva através do caminho defeituoso durante um defeito monofásico à terra é

Após o defeito, o ponto estrela terá tensão de fase, pois o ponto nulo é deslocado para o ponto de defeito. Portanto, a tensão aparece através do indutor é Vph. Assim, a corrente indutiva através da bobina é

Agora, para o cancelamento da corrente capacitiva de valor 3I, IL deve ter a mesma magnitude, mas 180° eletricamente separada. Portanto,

Quando o design ou configuração do sistema muda, como comprimento, seção transversal, espessura ou qualidade do isolamento, a indutância da bobina deve ser ajustada. Portanto, as bobinas de Petersen geralmente têm um arranjo de troca de enrolamentos.