Bobina de Supresión de Arco o Bobina de Petersen

Siempre hay una corriente de carga significativa fluyendo desde el conductor a tierra en las redes de energía subterráneas de alta y media tensión. Esto se debe a la aislación dieléctrica entre la tierra y el conductor en los cables subterráneos. Durante una falla a tierra en cualquier fase, en un sistema trifásico, la corriente de carga del sistema idealmente se vuelve tres veces mayor que la corriente de carga nominal por fase. Esta corriente de carga más grande restablece y pasa a tierra a través del punto defectuoso, causando arcos allí. Para minimizar la gran corriente de carga capacitiva durante la falla a tierra, se conecta un bobinado inductivo desde el punto estrella a tierra. La corriente creada en este bobinado durante la falla es opuesta a la corriente de carga del cable en el mismo instante, neutralizando así la corriente de carga del sistema. Este bobinado de inductancia adecuada se conoce como bobinado de supresión de arco o bobinado Petersen.

Las tensiones de un sistema trifásico equilibrado se muestran en la figura – 1.

En la red de cables subterráneos de alta y media tensión, siempre hay una capacitancia entre el conductor y la tierra en cada fase. Debido a esto, siempre hay una corriente capacitiva de fase a tierra. En cada fase, la corriente capacitiva adelanta la tensión de la fase correspondiente en 900 como se muestra en la figura – 2.

Ahora, supongamos que hay una falla a tierra en la fase amarilla del sistema. Idealmente, la tensión de la fase amarilla, es decir, la tensión de la fase amarilla a tierra, se convierte en cero. Por lo tanto, el punto nulo del sistema se desplaza al extremo del vector de la fase amarilla, como se muestra en la figura-3, a continuación. Como resultado, la tensión en las fases sanas (roja y azul) se vuelve &sqrt;3 veces la original.

Naturalmente, la corriente capacitiva correspondiente en cada fase sana (roja y azul) se vuelve &sqrt;3 de la original, como se muestra en la figura-4, a continuación.

La suma vectorial, es decir, el resultado de estas dos corrientes capacitivas ahora será 3I, donde I se toma como la corriente capacitiva nominal por fase en el sistema equilibrado. Eso significa que, en condiciones de equilibrio saludables del sistema, IR = IY =
IB = I.

Esto se ilustra en la figura- 5 a continuación,

Esta corriente resultante luego fluye a través del camino defectuoso a la tierra, como se muestra a continuación.

Ahora, si conectamos un bobinado inductivo de valor de inductancia adecuado (generalmente se usa un inductor de núcleo de hierro) entre el punto estrella o neutro del sistema y la tierra, el escenario cambiará por completo. En condiciones de falla, la corriente a través del inductor es igual y opuesta en magnitud y fase a la corriente capacitiva a través del camino defectuoso. La corriente inductiva también sigue el camino defectuoso del sistema. Las corrientes capacitiva e inductiva se anulan entre sí en el camino defectuoso, por lo que no habrá ninguna corriente resultante a través del camino defectuoso creada debido a la acción capacitiva del cable subterráneo. La situación ideal se ilustra en la figura a continuación.

Este concepto fue implementado por primera vez por W. Petersen en 1917, por eso el bobinado inductivo utilizado para este propósito se llama bobinado Petersen.
El componente capacitivo de la corriente de falla es alto en el sistema de cableado subterráneo. Cuando ocurre una falla a tierra, la magnitud de esta corriente capacitiva a través del camino defectuoso se vuelve 3 veces mayor que la corriente capacitiva nominal de fase a tierra de la fase sana. Esto causa un desplazamiento significativo del cruce cero de la corriente lejos del cruce cero de la tensión en el sistema. Debido a la presencia de esta corriente capacitiva alta en el camino de falla a tierra, habrá una serie de reencendidos en el lugar de la falla. Esto puede llevar a sobretensiones indeseadas en el sistema.
La inductancia del bobinado Petersen se selecciona o ajusta a un valor que cause la corriente inductiva que pueda neutralizar exactamente la corriente capacitiva.
Vamos a calcular la inductancia del bobinado Petersen para un sistema trifásico subterráneo.

Para ello, consideremos que la capacitancia entre el conductor y la tierra en cada fase de un sistema es C faradios. Entonces, la corriente de fuga capacitiva o de carga en cada fase será

Por lo tanto, la corriente capacitiva a través del camino defectuoso durante una falla de una fase a tierra es

Después de la falla, el punto estrella tendrá tensión de fase ya que el punto nulo se desplaza al punto de falla. Por lo tanto, la tensión aparece a través del inductor es Vph. Por lo tanto, la corriente inductiva a través del bobinado es

Ahora, para cancelar la corriente capacitiva de valor 3I, IL debe tener la misma magnitud pero estar 180o eléctricamente aparte. Por lo tanto,

Cuando el diseño o la configuración (en longitud y/o sección transversal y/o espesor y calidad del aislamiento) del sistema cambia, la inductancia del bobinado debe ajustarse en consecuencia. Por eso, a menudo, el bobinado Petersen se proporciona con un dispositivo de cambio de tomas.

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