Дугогасительная катушка или Петерсен-катушка

Определение дугогасительной катушки

Дугогасительная катушка, также известная как катушка Петерсена, представляет собой индуктивную катушку, используемую для нейтрализации емкостного зарядного тока в подземных электрических сетях при однофазном замыкании на землю.

Назначение и функции

Катушка уменьшает большой емкостный зарядный ток при однофазном замыкании на землю, создавая противоположный индуктивный ток.

Принцип работы

Индуктивный ток, генерируемый катушкой, компенсирует емкостный ток, предотвращая образование дуги в месте повреждения.

Емкостный ток в подземных системах

Подземные кабели имеют постоянный емкостный ток из-за диэлектрической изоляции между проводником и землей.

Расчет индуктивности

Напряжения трехфазной сбалансированной системы показаны на рисунке – 1.

В подземных высоковольтных и средневольтных кабельных сетях каждая фаза имеет емкость между проводником и землей, что приводит к постоянному емкостному току. Этот ток опережает фазное напряжение на 90 градусов, как показано на рисунке – 2.

Если происходит однофазное замыкание на землю в желтой фазе, напряжение желтой фазы относительно земли становится равным нулю. Нейтральная точка системы смещается к концу вектора желтой фазы. В результате, напряжение в здоровых фазах (красной и синей) увеличивается до &sqrt;3 раз исходного значения.

Соответственно, емкостный ток в каждой здоровой фазе (красной и синей) становится &sqrt;3 раз исходного, как показано на рисунке-4 ниже.

Векторная сумма этих двух емкостных токов теперь будет равна 3I, где I — это номинальный емкостный ток на фазу в сбалансированной системе. Это означает, что в нормальном сбалансированном состоянии системы, I R = IY = IB = I.

Это показано на рисунке-5 ниже,

Этот результирующий ток затем проходит через поврежденный путь к земле, как показано ниже.

Теперь, если мы подключим одну индуктивную катушку с подходящим значением индуктивности (обычно используется железо-сердечниковый индуктор) между звездообразной точкой или нейтральной точкой системы и землей, ситуация полностью изменится. При повреждении, ток через индуктор будет равен по величине и противоположен по фазе емкостному току через поврежденный путь. Индуктивный ток также следует по поврежденному пути системы. Емкостный и индуктивный токи компенсируют друг друга в поврежденном пути, поэтому не будет никакого результирующего тока через поврежденный путь, вызванного емкостным действием подземного кабеля. Идеальная ситуация показана на рисунке ниже.

Эта концепция была впервые реализована W. Petersen в 1917 году, поэтому индукторная катушка, используемая для этой цели, называется катушкой Петерсена.

Емкостная составляющая тока короткого замыкания высока в подземных кабельных системах. При однофазном замыкании на землю, величина этого емкостного тока через поврежденный путь становится в 3 раза больше номинального фазного емкостного тока здоровой фазы. Это вызывает значительное смещение нулевого перехода тока от нулевого перехода напряжения в системе. Из-за наличия этого высокого емкостного тока в пути заземления может возникнуть серия повторных пробоев в месте повреждения. Это может привести к нежелательным перенапряжениям в системе.

Индуктивность катушки Петерсена выбирается или регулируется таким образом, чтобы индуктивный ток мог точно нейтрализовать емкостный ток.

Рассчитаем индуктивность катушки Петерсена для трехфазной подземной системы. Предположим, что емкость между проводником и землей в каждой фазе системы составляет C фарад. Тогда емкостный утечный ток или зарядный ток в каждой фазе будет

Таким образом, емкостный ток через поврежденный путь при однофазном замыкании на землю будет

После повреждения, звездообразная точка будет иметь фазное напряжение, так как нулевая точка смещается к месту повреждения. Поэтому, напряжение, появляющееся на индукторе, равно Vph. Следовательно, индуктивный ток через катушку будет

Теперь, для компенсации емкостного тока величиной 3I, IL должен иметь ту же величину, но быть электрически смещенным на 180 градусов. Следовательно,

Когда дизайн или конфигурация системы изменяются, например, длина, сечение, толщина или качество изоляции, индуктивность катушки должна быть скорректирована. Поэтому катушки Петерсена часто имеют устройство для изменения числа витков.