Virtaannuskeila tai Petersen-keila

Maan alle asennettujen korkean ja keskitason sähköverkkojen johtimissa virtaa aina merkittävä latausvirta maasta johtimeen. Tämä johtuu johtimien välisestä dielektrisestä eristyksestä maan ja johtimen välillä. Kun tapahtuu maavirhe jossakin vaiheessa kolmivaihejärjestelmässä, järjestelmän latausvirta kasvaa ideaalitapauksessa kolminkertaiseksi verrattuna yhden vaiheen normaaliin latausvirtaan. Tämä suurempi latausvirta uudelleenkäynnistyy ja kulkee virheellisen kohdan kautta maahan aiheuttaen siellä kaaren. Vähentääkseen suurta kapasitiivista latausvirtaa maavirheen aikana, yhdistetään induktiivinen kytkin tähystä pisteestä maahan. Virheen aikana tässä kytkimessä luotu virta on päinvastainen verrattuna kabelin latausvirtaan samana hetkenä, mikä neutraalisee järjestelmän latausvirran. Tätä sopivalla induktanssilla varustettua kytkintä kutsutaan kaarileikkauskytkimeksi tai Petersen-kytkimeksi.

Kuviossa 1 näytetään tasapainoinen kolmivaihejärjestelmän jännitteet.

Maan alle asennettujen korkean ja keskitason kabeleissa on aina kapasiteetti johtimen ja maan välillä jokaisessa vaiheessa. Tämän vuoksi on aina kapasitiivinen virta vaiheesta maahan. Jokaisessa vaiheessa kapasitiivinen virta edeltää vastaavaa vaihejännitettä 900 asteella, kuten kuviossa 2 näytetään.

Oletetaan, että järjestelmän keltaisessa vaiheessa tapahtuu maavirhe. Ideaalitapauksessa keltaisen vaiheen jännite, eli keltaisen vaiheen jännite maahan nollautuu. Tämän seurauksena järjestelmän nolla-piste siirtyy keltaisen vaihevektorin huipulle, kuten alla olevassa kuviossa 3 näytetään. Tämän seurauksena terveissä vaiheissa (punainen ja sininen) jännite tulee olemaan &sqrt;3 kertaa alkuperäistä.

Luonnollisesti vastaavasti kapasitiivinen virta jokaisessa terveessä vaiheessa (punainen ja sininen) tulee olemaan &sqrt;3 kertaa alkuperäistä, kuten alla olevassa kuviossa 4 näytetään.

Nämä kaksi kapasitiivista virtaa muodostavat vektorisumman, jonka arvo on 3I, missä I on tasapaino-olosuhteissa jokaisen vaiheen normaali kapasitiivinen virta. Tämä tarkoittaa, että järjestelmän tasapainoisessa tilassa IR = IY =
IB = I.

Tämä havainnollistetaan alla olevassa kuviossa 5,

Tämä summa virta kulkee sitten virheellisen polun kautta maahan, kuten alla näytetään.

Jos yhdistämme sopivan induktanssin (yleensä rautaydinvarustetun) kytkimen järjestelmän tähystä pisteestä maahan, tilanne muuttuu täysin. Virhetilanteessa kytkimen kautta kulkeva virta on täsmälleen yhtä suuri ja vastakkaisen suuntainen kuin kapasitiivinen virta virhepolun kautta. Induktiovirta myös kulkee virhepolun kautta. Kapasitiivinen ja induktiovirta perumaan toisensa virhepolulla, joten virhepolun kautta ei kulje mitään tulosta kapasitiivisen toiminnan vuoksi. Ideaalitilanne on havainnollistettu alla olevassa kuviossa.

Tämä käsite toteutettiin ensimmäisen kerran W. Petersenin toimesta vuonna 1917, minkä vuoksi kytkintä kutsutaan Petersen-kytkimeksi.
Kapasitiivinen osa virhevirtaa on suuri maan alle asennetuissa kabeleissa. Kun maavirhe tapahtuu, kapasitiivisen virran suuruus virhepolun kautta tulee olemaan kolminkertainen verrattuna normaaliin vaihe-maan kapasitiiviseen virtaan terveessä vaiheessa. Tämä aiheuttaa merkittävän nollakulman siirtymisen järjestelmässä. Tämän suuren kapasitiivisen virran läsnäolosta johtuen virhekohdassa voi tapahtua useita uudelleenkäynnistyksiä. Tämä saattaa johtaa haluttomaan ylivirtaukseen järjestelmässä.
Petersen-kytkimen induktanssi valitaan tai säädellään sellaiseksi, että induktiovirta voi täsmälleen neutralisoida kapasitiivisen virran.
Lasketaan Petersen-kytkimen induktanssi kolmivaiheiselle maan alle asennetulle järjestelmälle.

Oletetaan, että järjestelmän jokaisen vaiheen ja maan välinen kapasiteetti on C farad. Tällöin jokaisen vaiheen kapasitiivinen leviävä virta tai latausvirta on

Joten kapasitiivinen virta virhepolun kautta yksivaiheen maavirheen aikana on

Virheen jälkeen tähystä pisteessä on vaihejännite, koska nolla-piste on siirtynyt virhepisteeseen. Siten induktorin yli ilmestyy Vph. Siksi kytkimen kautta kulkeva induktiovirta on

Nyt, jotta kapasitiivinen virta 3I voidaan peruuttaa, IL:n on oltava sama suuruinen mutta 180o elektrisesti erossa. Siksi,

Kun järjestelmän suunnittelussa tai konfiguraatiossa (pituudessa, poikkileikkauksessa, levyn paksuudessa ja/tai eristyslaadussa) tapahtuu muutoksia, kytkimen induktanssin on säädeltävä vastaavasti. Siksi Petersen-kytkimiin usein lisätään napasäätömahdollisuus.

Lausunto: Kunnioita alkuperäistä, hyvät artikkelit ovat jakamisen arvoisia, jos on oikeudellista rikkomusta, ota yhteyttä poistamaan.