Bobine d'extinction d'arc ou bobine de Petersen

Il y a toujours un courant de charge significatif qui circule du conducteur à la terre dans les réseaux de puissance souterrains à haute et moyenne tension. Cela est dû à l'isolation diélectrique entre la terre et le conducteur dans les câbles souterrains. Lors d'une faute à la terre sur n'importe quelle phase, dans un tel système triphasé, le courant de charge du système devient idéalement trois fois plus important que le courant de charge nominal par phase. Ce courant de charge plus important se reconstitue et passe à la terre par le point de faute, causant ainsi un arc électrique. Pour minimiser ce grand courant de charge capacitif pendant une faute à la terre, on connecte une bobine inductive entre le point neutre et la terre. Le courant généré dans cette bobine lors de la faute est opposé au courant de charge du câble au même instant, neutralisant ainsi le courant de charge du système. Cette bobine d'inductance appropriée est connue sous le nom de bobine de suppression d'arc ou bobine Petersen.

Les tensions d'un système triphasé équilibré sont montrées dans la figure – 1.

Dans les réseaux de câbles souterrains à haute et moyenne tension, il y a toujours une capacité entre le conducteur et la terre dans chaque phase. En raison de cela, il y a toujours un courant capacitif de phase à la terre. Dans chaque phase, le courant capacitif précède la tension de phase correspondante de 900 comme indiqué dans la figure – 2.

Supposons maintenant qu'il y ait une faute à la terre sur la phase jaune du système. Idéalement, la tension de la phase jaune, c'est-à-dire la tension de la phase jaune par rapport à la terre, devient nulle. Ainsi, le point neutre du système se déplace au sommet du vecteur de la phase jaune, comme indiqué dans la figure-3 ci-dessous. En conséquence, la tension dans les phases saines (rouge et bleue) devient &sqrt;3 fois celle d'origine.

Naturellement, le courant capacitif correspondant dans chaque phase saine (rouge et bleue) devient &sqrt;3 fois celui d'origine, comme indiqué dans la figure-4 ci-dessous.

La somme vectorielle, c'est-à-dire le résultat de ces deux courants capacitifs, sera maintenant de 3I, où I est pris comme le courant capacitif nominal par phase dans le système équilibré. Cela signifie qu'en condition équilibrée normale du système, IR = IY =
IB = I.

Ceci est illustré dans la figure- 5 ci-dessous,

Ce courant résultant circule ensuite par le chemin de faute vers la terre, comme indiqué ci-dessous.

Maintenant, si nous connectons une bobine inductive de valeur d'inductance appropriée (généralement un inducteur à noyau de fer est utilisé) entre le point neutre ou le point étoile du système et la terre, le scénario sera entièrement modifié. En cas de faute, le courant à travers l'inducteur est juste égal et opposé en magnitude et en phase à celui du courant capacitif à travers le chemin de faute. Le courant inductif suit également le chemin de faute du système. Les courants capacitif et inductif s'annulent mutuellement sur le chemin de faute, de sorte qu'il n'y aura pas de courant résultant à travers le chemin de faute créé par l'action capacitive des câbles souterrains. La situation idéale est illustrée dans la figure ci-dessous.

Ce concept a été mis en œuvre pour la première fois par W. Petersen en 1917, c'est pourquoi l'inducteur est appelé bobine Petersen.
La composante capacitive du courant de faute est élevée dans les systèmes de câblage souterrain. Lorsqu'une faute à la terre se produit, l'amplitude de ce courant capacitif à travers le chemin de faute devient 3 fois plus grande que le courant capacitif nominal de phase à la terre d'une phase saine. Cela provoque un décalage significatif du passage par zéro du courant par rapport au passage par zéro de la tension dans le système. En raison de la présence de ce courant capacitif élevé dans le chemin de faute, il y aura une série de reprises d'arc au point de faute. Cela peut entraîner des surtensions indésirables dans le système.
L'inductance de la bobine Petersen est sélectionnée ou ajustée à une valeur telle qu'elle crée un courant inductif qui peut exactement neutraliser le courant capacitif.
Prenons un exemple pour calculer l'inductance de la bobine Petersen pour un système triphasé souterrain.

Pour cela, considérons la capacité entre le conducteur et la terre dans chaque phase d'un système, soit C farad. Alors, le courant de fuite capacitif ou de charge dans chaque phase sera

Ainsi, le courant capacitif à travers le chemin de faute pendant une faute monophasée à la terre est

Après la faute, le point neutre aura une tension de phase car le point neutre est déplacé vers le point de faute. Donc, la tension apparaît à travers l'inducteur est Vph. Par conséquent, le courant inductif à travers la bobine est

Maintenant, pour annuler le courant capacitif de valeur 3I, IL doit avoir la même amplitude mais être 180o électriquement séparé. Par conséquent,

Lorsque la conception ou la configuration (en longueur et/ou section transversale et/ou épaisseur et qualité d'isolation) du système change, l'inductance de la bobine doit être ajustée en conséquence. C'est pourquoi la bobine Petersen est souvent fournie avec un dispositif de changement de prises.

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