Dławik Petersena (cewka gaszenia łuku) — sieci uziemione rezonansowo i dlaczego zwarcie doziemne nie jest natychmiast wyłączane

Poradnik o transformatorze uziemiającym zygzak wspomina krótko, że do sztucznego punktu zerowego takiego transformatora można podłączyć rezystor uziemiający lub dławik Petersena. Ten artykuł zagłębia się w to, co dławik Petersena faktycznie robi i dlaczego sieć uziemiona rezonansowo zachowuje się pod pewnymi względami jak układ IT opisany w poradniku o układzie IT i nadzorze izolacji.

Problem: pojemnościowy prąd zwarcia doziemnego w bogatej w kable sieci

Każdy przewód fazowy sieci ma, względem ziemi, pewną pojemność — ograniczoną w liniach napowietrznych, ale znaczną w rozbudowanej sieci kablowej podziemnej. Przy zwarciu jednej fazy do ziemi ta rozłożona pojemność pozostałych, sprawnych faz ładuje się i rozładowuje przez miejsce zwarcia: powstaje pojemnościowy prąd zwarcia doziemnego, w pełni określony przez całkowitą pojemność sieci względem ziemi, niezależnie od sposobu uziemienia punktu neutralnego. Przy wystarczająco dużym prądzie pojemnościowym prąd ten może podtrzymywać łuk elektryczny w miejscu zwarcia zamiast pozwolić mu zgasnąć, z ryzykiem rozprzestrzenienia się łuku w zwarcie podwójne lub trójfazowe.

Jak dławik Petersena kompensuje prąd pojemnościowy

Dławik Petersena (nazywany również cewką gaszenia łuku lub "neutralizatorem zwarć doziemnych", od niemieckiego inżyniera Waldemara Petersena, który wprowadził tę zasadę w 1916 roku) to regulowany dławik połączony między punktem neutralnym sieci (bezpośrednio przy odpowiednim transformatorze mocy lub przez transformator zygzak lub uziemiający, jak opisano w powiązanym poradniku) a ziemią. Przy zwarciu doziemnym ten dławik dostarcza prąd indukcyjny w przeciwfazie względem pojemnościowego prądu zwarciowego sieci. Jeśli dławik jest prawidłowo dostrojony do całkowitej pojemności sieci, prąd indukcyjny i pojemnościowy w miejscu zwarcia niemal całkowicie się znoszą: pozostały prąd resztkowy w miejscu zwarcia jest wówczas znacznie mniejszy niż pierwotny prąd pojemnościowy i jest określony wyłącznie przez straty czynne (rezystancyjne) w sieci. Przy wystarczająco małym prądzie resztkowym łuk w miejscu zwarcia gaśnie samoistnie, bez konieczności wyłączenia zwarcia.

Dostrajanie do pojemności sieci

Indukcyjność dławika Petersena jest zwykle regulowana, za pomocą przełącznika zaczepów lub płynnie regulowanego (tłokowego) rdzenia, do aktualnej pojemności sieci względem ziemi. Ponieważ ta pojemność sieci zmienia się wraz z włączaniem lub wyłączaniem obwodów kablowych, dostrojenie musi być okresowo sprawdzane i w razie potrzeby korygowane — sieć, która nie jest już dokładnie dostrojona, pozostawia większy prąd resztkowy w miejscu zwarcia i tym samym (częściowo) traci efekt samogaszenia.

Dlaczego to przypomina, ale nie jest tym samym co układ IT

Podobnie jak układ IT, sieć uziemiona rezonansowo (kompensowana dławikiem Petersena) może dalej pracować mimo pierwszego zwarcia doziemnego bez natychmiastowego wyłączenia, ponieważ prąd zwarciowy pozostaje na tyle mały, że nie stanowi zagrożenia. Mechanizm leżący u podstaw różni się jednak: układ IT nie ma uziemienia punktu neutralnego (lub ma je o bardzo wysokiej impedancji), co utrzymuje prąd zwarciowy na niskim poziomie przy pierwszym zwarciu z powodu wysokiej impedancji ścieżki; sieć uziemiona rezonansowo ma natomiast niskoimpedancyjne, dostrojone połączenie indukcyjne z ziemią, które aktywnie kompensuje pojemnościowy prąd zwarciowy. Oba rozwiązania, podobnie jak układ IT, wymagają jakiejś formy nadzoru izolacji lub wykrywania zwarcia doziemnego, aby sygnalizować obecność pierwszego zwarcia, tak by można je było zlokalizować i usunąć, zanim wystąpi drugie, niezależne zwarcie.

Uwaga: sieci uziemione rezonansowo (Petersena) są w Holandii stosowane przez regionalnych operatorów sieci dystrybucyjnej w częściach bogatej w kable sieci średniego napięcia; dokładne parametry projektowe (dokładność dostrojenia, próg prądu resztkowego, metoda wykrywania) są specyficzne dla danego systemu i wynikają ze studium systemowego operatora sieci, a nie z jednej stałej wartości normowej. IEC 60076-6 opisuje podstawowe wymagania dotyczące cewki gaszenia łuku jako dławika.

Znaczenie praktyczne

Przy ocenie przyłącza średniego napięcia zasilanego przez sieć kompensowaną dławikiem Petersena istotne jest uznanie, że zgłoszone "pierwsze zwarcie doziemne" nie oznacza z definicji natychmiastowej przerwy w zasilaniu — podobnie jak w przypadku układu IT, szybkie zlokalizowanie i usunięcie zwarcia pozostaje jednak niezbędne, aby zapobiec przekształceniu się drugiego zwarcia w podwójne zwarcie doziemne o znacznie wyższym prądzie zwarciowym.

Częste błędy

1. Mylenie sieci uziemionej rezonansowo z siecią uziemioną solidnie lub niskorezystancyjnie — obecność dławika Petersena oznacza właśnie, że prąd zwarciowy przy pierwszym zwarciu jest utrzymywany na niskim poziomie, zamiast być szybko wyłączanym.
2. Zakładanie, że dławik Petersena nigdy nie wymaga ponownego dostrojenia po instalacji — zmieniająca się pojemność sieci (przez włączanie lub wyłączanie obwodów kablowych) wymaga okresowego ponownego dostrojenia.
3. Myślenie, że sieć uziemiona rezonansowo może obyć się bez nadzoru izolacji lub wykrywania zwarcia doziemnego — podobnie jak w przypadku układu IT, pierwsze zwarcie musi zostać zasygnalizowane i usunięte, mimo że sieć nie wyłącza się natychmiast.
4. Mylenie dławika Petersena z samym transformatorem uziemiającym zygzak — transformator zygzak tworzy sztuczny punkt zerowy tam, gdzie jest to potrzebne; dławik Petersena to osobny, regulowany dławik podłączony do tego punktu zerowego w celu kompensacji pojemnościowego prądu zwarcia doziemnego.

Powiązane

• Transformator uziemiający zygzak — sztuczny punkt zerowy dla sieci bez naturalnego punktu neutralnego
• Układ IT i nadzór izolacji (IMD) — wykrywanie pierwszego zwarcia
• Układ IT — drugie zwarcie i obowiązkowe wyłączenie przy drugim zwarciu (§411.6)
• Układ TT — elektroda uziemiająca i obowiązkowy wyłącznik różnicowoprądowy