Bobina di soppressione dell'arco o Bobina di Petersen

In una rete elettrica sotterranea ad alta e media tensione c'è sempre una corrente di carica significativa che scorre dal conduttore alla terra. Questo è dovuto all'isolamento dielettrico tra terra e conduttore nei cavi sotterranei. Durante un guasto a terra in qualsiasi fase, in un sistema trifase, la corrente di carica del sistema diventa idealmente tre volte superiore alla corrente di carica nominale per fase. Questa maggiore corrente di carica si ristabilisce e passa a terra attraverso il punto difettoso, causando l'arco. Per minimizzare la grande corrente di carica capacitiva durante il guasto a terra, viene connesso un coil induttivo dal punto stella alla terra. La corrente creata in questo coil durante il guasto è opposta alla corrente di carica del cavo nello stesso istante, neutralizzando così la corrente di carica del sistema. Questo coil di inductanza adeguata è noto come Coil di Suppressione dell'Arco o Coil di Petersen.

Le tensioni di un sistema trifase bilanciato sono mostrate nella figura – 1.

Nelle reti di cavi sotterranei ad alta e media tensione, c'è sempre una capacità tra conduttore e terra in ogni fase. A causa di ciò, c'è sempre una corrente capacitiva dalla fase alla terra. In ogni fase, la corrente capacitiva precede la tensione di fase corrispondente di 900 come mostrato nella figura – 2.

Ora, supponiamo che ci sia un guasto a terra nella fase gialla del sistema. Idealmente, la tensione della fase gialla, cioè la tensione tra la fase gialla e la terra, diventa zero. Pertanto, il punto neutro del sistema si sposta sulla punta del vettore della fase gialla, come mostrato nella figura-3, sotto. Di conseguenza, la tensione nelle fasi sane (rossa e blu) diventa &sqrt;3 volte quella originale.

Naturalmente, la corrente capacitiva corrispondente in ogni fase sana (rossa e blu) diventa &sqrt;3 della corrente originale, come mostrato nella figura-4, sotto.

La somma vettoriale, cioè il risultante di queste due correnti capacitive, sarà ora 3I, dove I è la corrente capacitiva nominale per fase nel sistema bilanciato. Ciò significa che, in condizioni di equilibrio del sistema, IR = IY =
IB = I.

Questo è illustrato nella figura- 5 sotto,

Questa corrente risultante poi scorre attraverso il percorso difettoso verso la terra, come mostrato sotto.

Ora, se connettiamo un coil induttivo di valore di inductanza adeguato (generalmente viene utilizzato un inductore a nucleo di ferro) tra il punto stella o neutrale del sistema e la terra, lo scenario cambierà completamente. In condizioni di guasto, la corrente attraverso l'induttore sarà esattamente uguale e opposta in magnitudine e fase rispetto alla corrente capacitiva attraverso il percorso difettoso. La corrente induttiva seguirà anche il percorso difettoso del sistema. La corrente capacitiva e induttiva si annullano a vicenda nel percorso difettoso, quindi non ci sarà alcuna corrente risultante attraverso il percorso difettoso causata dall'azione capacitiva dei cavi sotterranei. La situazione ideale è illustrata nella figura sotto.

Questo concetto fu implementato per la prima volta da W. Petersen nel 1917, per cui l'induttore coil utilizzato per tale scopo è chiamato Coil di Petersen.
Il componente capacitivo della corrente di guasto è elevato nel sistema di cablaggio sotterraneo. Quando si verifica un guasto a terra, la magnitudine di questa corrente capacitiva attraverso il percorso difettoso diventa 3 volte superiore alla corrente capacitiva nominale da fase a terra delle fasi sane. Ciò causa uno spostamento significativo dello zero crossing della corrente rispetto allo zero crossing della tensione nel sistema. A causa della presenza di questa elevata corrente capacitiva nel percorso di guasto a terra, ci saranno una serie di riaccensioni nel punto di guasto. Ciò può portare a sovratensioni indesiderate nel sistema.
L'induttanza del Coil di Petersen è selezionata o regolata a un valore tale da causare una corrente induttiva che possa esattamente neutralizzare la corrente capacitiva.
Calcoliamo l'induttanza del Coil di Petersen per un sistema sotterraneo trifase.

Per farlo, consideriamo la capacità tra conduttore e terra in ogni fase di un sistema, pari a C farad. Allora, la corrente di perdita capacitiva o di carica in ogni fase sarà

Quindi, la corrente capacitiva attraverso il percorso difettoso durante un guasto monofase a terra è

Dopo il guasto, il punto stella avrà la tensione di fase poiché il punto neutro si sposta al punto di guasto. Quindi, la tensione che appare attraverso l'induttore è Vph. Pertanto, la corrente induttiva attraverso il coil è

Ora, per la cancellazione della corrente capacitiva di valore 3I, IL deve avere la stessa magnitudine ma essere 180o elettricamente separati. Quindi,

Quando, la progettazione o la configurazione (in lunghezza e/o sezione trasversale e/o spessore e qualità dell'isolamento) del sistema cambia, l'induttanza del coil deve essere regolata di conseguenza. Per questo motivo, spesso il Coil di Petersen è fornito con un dispositivo di cambio di prese.

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