Bobina de Supressão de Arco ou Bobina Petersen

Há sempre uma corrente de carga significativa fluindo do condutor para o solo em redes de energia subterrâneas de alta e média tensão. Isso se deve à isolamento dielétrico entre o solo e o condutor nos cabos subterrâneos. Durante um defeito de terra em qualquer fase, em um sistema trifásico, a corrente de carga do sistema idealmente se torna três vezes maior que a corrente de carga nominal por fase. Essa corrente de carga maior reestabelece e passa para o solo através do ponto defeituoso, causando arcos elétricos. Para minimizar a grande corrente capacitiva de carga durante o defeito de terra, uma bobina indutiva é conectada do ponto estrela ao solo. A corrente criada nesta bobina durante o defeito é oposta à corrente de carga do cabo no mesmo instante, neutralizando assim a corrente de carga do sistema. Esta bobina de indutância adequada é conhecida como Bobina de Supressão de Arco ou Bobina Petersen.

As tensões de um sistema trifásico equilibrado são mostradas na figura – 1.

Em redes de cabos subterrâneos de alta e média tensão, há sempre uma capacitância entre condutor e solo em cada fase. Devido a isso, há sempre uma corrente capacitiva da fase para o solo. Em cada fase, a corrente capacitiva antecede a tensão da fase correspondente por 900, conforme mostrado na figura – 2.

Agora, suponha que haja um defeito de terra na fase amarela do sistema. Idealmente, a tensão da fase amarela, que é a tensão da fase amarela em relação ao solo, se torna zero. Assim, o ponto nulo do sistema é deslocado para a ponta do vetor da fase amarela, conforme mostrado na figura-3 abaixo. Como resultado, a tensão nas fases saudáveis (vermelha e azul) se torna &sqrt;3 vezes da original.

Naturalmente, a corrente capacitiva correspondente em cada fase saudável (vermelha e azul) se torna &sqrt;3 da original, conforme mostrado na figura-4 abaixo.

A soma vetorial, que é o resultado dessas duas correntes capacitivas, agora será 3I, onde I é considerada a corrente capacitiva nominal por fase no sistema equilibrado. Isso significa que, em condições equilibradas e saudáveis do sistema, IR = IY =
IB = I.

Isso é ilustrado na figura-5 abaixo,

Esta corrente resultante então flui através do caminho defeituoso para o solo, conforme mostrado abaixo.

Agora, se conectarmos uma bobina indutiva de valor de indutância adequado (geralmente um indutor de núcleo de ferro é usado) entre o ponto estrela ou neutro do sistema e o solo, o cenário mudará completamente. Em condições de defeito, a corrente através do indutor será exatamente igual e oposta em magnitude e fase à corrente capacitiva através do caminho defeituoso. A corrente indutiva também segue o caminho defeituoso do sistema. As correntes capacitiva e indutiva se anulam no caminho defeituoso, portanto, não haverá nenhuma corrente resultante através do caminho defeituoso devido à ação capacitiva do cabo subterrâneo. A situação ideal é ilustrada na figura abaixo.

Este conceito foi implementado pela primeira vez por W. Petersen em 1917, por isso a bobina indutiva usada para esse propósito é chamada de Bobina Petersen.
O componente capacitivo da corrente de defeito é alto no sistema de cabos subterrâneos. Quando ocorre um defeito de terra, a magnitude dessa corrente capacitiva através do caminho defeituoso se torna 3 vezes maior que a corrente capacitiva nominal de fase para terra das fases saudáveis. Isso causa um deslocamento significativo do cruzamento zero da corrente longe do cruzamento zero da tensão no sistema. Devido à presença dessa corrente capacitiva alta no caminho de defeito de terra, haverá uma série de reacendimentos no local do defeito. Isso pode levar a sobretensões indesejadas no sistema.
A indutância da Bobina Petersen é selecionada ou ajustada em um valor que cause a corrente indutiva que possa exatamente neutralizar a corrente capacitiva.
Vamos calcular a indutância da Bobina Petersen para um sistema trifásico subterrâneo.

Para isso, vamos considerar a capacitância entre condutor e solo em cada fase do sistema, C farad. Então, a corrente de vazamento capacitivo ou corrente de carga em cada fase será

Portanto, a corrente capacitiva através do caminho defeituoso durante um defeito de fase única para terra é

Após o defeito, o ponto estrela terá tensão de fase, pois o ponto nulo é deslocado para o ponto de defeito. Portanto, a tensão aparece através do indutor é Vph. Portanto, a corrente indutiva através da bobina é

Agora, para cancelar a corrente capacitiva de valor 3I, IL deve ter a mesma magnitude, mas 180o eletricamente separados. Portanto,

Quando o design ou a configuração (em comprimento e/ou seção transversal e/ou espessura e qualidade do isolamento) do sistema muda, a indutância da bobina deve ser ajustada conforme necessário. Por isso, a bobina Petersen é frequentemente fornecida com um arranjo de mudança de derivação.

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