Qual è la differenza tra un trasformatore di messa a terra e una bobina di soppressione dell'arco?

Panoramica dei Trasformatori di Terra
Un trasformatore di terra, comunemente noto come "trasformatore di terra" o semplicemente "unità di terra," può essere classificato in a secco e a immersione in olio in base al mezzo isolante, e in trifase e monofase in base al numero di fasi. La funzione principale di un trasformatore di terra è quella di fornire un punto neutro artificiale per i sistemi elettrici i cui trasformatori o generatori non hanno un punto neutro naturale (ad esempio, sistemi a connessione triangolare). Questo punto neutro artificiale permette l'uso di una bobina di Peterson (bobina di soppressione dell'arco) o di un metodo di terra a bassa resistenza, riducendo così la corrente di difetto a terra capacitiva durante i difetti a terra su una singola linea e migliorando l'affidabilità del sistema di distribuzione.

Panoramica delle Bobine di Soppressione degli Archi (Bobine di Peterson)
Come suggerisce il nome, una bobina di soppressione dell'arco è progettata per estinguere gli archi. È una bobina induttiva con nucleo di ferro collegata tra il punto neutro di un trasformatore (o generatore) e terra, formando un sistema di terra con bobina di soppressione dell'arco. Questa configurazione rappresenta un tipo di sistema di terra a piccola corrente. In condizioni normali di operazione, nessuna corrente fluisce attraverso la bobina. Tuttavia, quando la rete viene colpita da un fulmine o si verifica un difetto a terra ad arco su una singola fase, la tensione al punto neutro aumenta alla tensione di fase. In questo momento, la corrente induttiva dalla bobina di soppressione dell'arco contrasta la corrente di difetto capacitiva, compensandola efficacemente. La corrente residua diventa molto piccola—insufficiente per sostenere l'arco—permettendogli di spegnersi naturalmente. Ciò elimina rapidamente il difetto a terra senza scatenare sovratensioni pericolose.

Il ruolo chiave della bobina di soppressione dell'arco è quello di fornire una corrente induttiva che compense la corrente capacitiva al punto di difetto durante un difetto a terra su una singola fase, riducendo la corrente totale di difetto a meno di 10 A. Questo aiuta a prevenire la riaccesione dell'arco dopo lo zero-crossing della corrente, raggiungendo l'estinzione dell'arco, riducendo la probabilità di sovratensioni di grande ampiezza e impedendo l'escalation del difetto. Quando adeguatamente tarata, la bobina di soppressione dell'arco non solo minimizza la probabilità di sovratensioni indotte dall'arco, ma anche ne sopprime l'ampiezza e riduce i danni termici al punto di difetto e l'aumento di tensione sulla griglia di terra.

Una taratura adeguata significa che la corrente induttiva (IL) corrisponde o si avvicina strettamente alla corrente capacitiva (IC). Nella pratica ingegneristica, il grado di detuning è espresso dal fattore di detuning V:

• Quando V=0, si parla di compensazione completa (condizione di risonanza).

• Quando V>0, si tratta di sottocompensazione.

• Quando V<0, si tratta di sovracompenso.

Idealmente, per una soppressione ottimale dell'arco, il valore assoluto di V dovrebbe essere il più piccolo possibile—preferibilmente zero (compensazione completa). Tuttavia, nelle condizioni normali di operazione della rete, un piccolo detuning (soprattutto la compensazione completa) può portare a sovratensioni di risonanza in serie. Ad esempio, in un sistema elettrico di una miniera di carbone a 6 kV, la tensione di spostamento del punto neutro con compensazione completa può essere 10-25 volte superiore rispetto a un sistema non terra—conosciuta come sovratensione di risonanza in serie. Inoltre, le operazioni di commutazione (ad esempio, l'alimentazione di grandi motori o la chiusura asincrona di interruttori) possono anche indurre sovratensioni pericolose. Pertanto, quando non esiste un difetto a terra, l'operazione della bobina di soppressione dell'arco vicino alla risonanza comporta un rischio piuttosto che un beneficio di sicurezza. Nella pratica, le bobine di soppressione dell'arco che operano in o vicino alla compensazione completa sono solitamente dotate di un resistore di smorzamento per sopprimere le sovratensioni di risonanza, e l'esperienza sul campo ha dimostrato che questo approccio è altamente efficace.

Differenza tra Trasformatori di Terra e Bobine di Soppressione dell'Arco
Nel sistema di distribuzione trifase a 10 kV in Cina, il punto neutro è tipicamente non terra. Per prevenire le correnti capacitive intermittenti durante i difetti a terra su una singola fase che causano archi sostenuti e oscillazioni di tensione—che potrebbero escalare in incidenti gravi—si utilizza un trasformatore di terra per creare un punto neutro artificiale. Il trasformatore di terra utilizza solitamente una connessione di avvolgimento a zigzag (tipo Z). Il suo punto neutro è collegato a una bobina di soppressione dell'arco, che viene poi terra. Durante un difetto a terra su una singola fase, la corrente induttiva dalla bobina di soppressione dell'arco annulla la corrente capacitiva del sistema, consentendo al sistema di continuare a operare per fino a 2 ore mentre il personale di manutenzione localizza ed elimina il difetto.

Pertanto, il trasformatore di terra e la bobina di soppressione dell'arco sono due dispositivi distinti: la bobina di soppressione dell'arco è essenzialmente un grande induttore, collegato tra il punto neutro fornito dal trasformatore di terra e terra. Lavorano insieme come un sistema coordinato—ma svolgono funzioni fondamentalmente diverse.