Катушка Петерсена (дугогасящая катушка) — резонансно-заземлённые сети и почему замыкание на землю не отключается сразу

Руководство о заземляющем трансформаторе зигзаг кратко упоминает, что к искусственной нейтрали такого трансформатора можно подключить заземляющий резистор или катушку Петерсена. Эта статья подробнее рассматривает, что именно делает катушка Петерсена и почему резонансно-заземлённая сеть в определённых отношениях ведёт себя как система IT, рассматриваемая в руководстве о системе IT и контроле изоляции.

Проблема: ёмкостный ток замыкания на землю в сети с большой долей кабелей

Каждый фазный проводник сети имеет, относительно земли, определённую ёмкость — ограниченную для воздушных линий, но значительную для протяжённой подземной кабельной сети. При замыкании одной фазы на землю эта распределённая ёмкость оставшихся, исправных фаз заряжается и разряжается через место повреждения: возникает ёмкостный ток замыкания на землю, полностью определяемый общей ёмкостью сети относительно земли, независимо от способа заземления нейтрали. При достаточно большом ёмкостном токе этот ток может поддерживать дугу в месте повреждения вместо того, чтобы дать ей погаснуть, с риском перерастания дуги в двойное или трёхфазное замыкание.

Как катушка Петерсена компенсирует ёмкостный ток

Катушка Петерсена (также называемая дугогасящей катушкой или "нейтрализатором замыканий на землю", по имени немецкого инженера Вальдемара Петерсена, предложившего этот принцип в 1916 году) — это регулируемый реактор, включённый между нейтралью сети (непосредственно у подходящего силового трансформатора либо через трансформатор зигзаг или заземляющий трансформатор, как рассматривается в связанном руководстве) и землёй. При замыкании на землю эта катушка создаёт индуктивный ток, находящийся в противофазе с ёмкостным током замыкания сети. Если катушка правильно настроена (в резонанс) на полную ёмкость сети, индуктивный и ёмкостный токи в месте повреждения почти полностью компенсируют друг друга: оставшийся остаточный ток в месте повреждения тогда значительно меньше первоначального ёмкостного тока замыкания и определяется исключительно активными (резистивными) потерями в сети. При достаточно малом остаточном токе дуга в месте повреждения самопроизвольно гаснет, без необходимости отключения повреждения.

Настройка на ёмкость сети

Индуктивность катушки Петерсена обычно регулируется, с помощью переключателя ответвлений или плавно регулируемого (плунжерного) сердечника, под фактическую ёмкость сети относительно земли. Поскольку эта ёмкость сети изменяется по мере включения или отключения кабельных линий, настройку необходимо периодически проверять и при необходимости корректировать — сеть, настройка которой больше не точна, оставляет в месте повреждения больший остаточный ток и тем самым (частично) теряет эффект самогашения.

Почему это похоже, но не то же самое, что система IT

Как и система IT, резонансно-заземлённая (компенсированная катушкой Петерсена) сеть может продолжать работу при первом замыкании на землю без немедленного отключения, поскольку ток замыкания остаётся достаточно малым, чтобы не представлять опасности. Однако лежащий в основе механизм отличается: система IT не имеет заземления нейтрали (или имеет его через очень высокое сопротивление), что при первом замыкании удерживает ток замыкания низким из-за высокого сопротивления пути; резонансно-заземлённая сеть, напротив, имеет низкоомное, настроенное индуктивное соединение с землёй, которое активно компенсирует ёмкостный ток замыкания. Оба варианта, как и система IT, требуют той или иной формы контроля изоляции или обнаружения замыкания на землю, чтобы сигнализировать о наличии первого повреждения, так чтобы его можно было локализовать и устранить до возникновения второго, независимого повреждения.

Внимание: резонансно-заземлённые (петерсеновские) сети применяются в Нидерландах региональными операторами распределительных сетей в частях кабельной сети среднего напряжения; точные параметры проекта (точность настройки, порог остаточного тока, метод обнаружения) специфичны для конкретной системы и определяются системным исследованием сетевого оператора, а не единым фиксированным нормативным значением. IEC 60076-6 рассматривает базовые требования к дугогасящей катушке как к реактору.

Практическая значимость

При оценке присоединения среднего напряжения, питаемого через сеть с компенсацией катушкой Петерсена, важно понимать, что сообщённое "первое замыкание на землю" по определению не приводит к немедленному прерыванию питания — как и в системе IT, быстрая локализация и устранение повреждения тем не менее остаются существенными, чтобы предотвратить перерастание второго повреждения в двойное замыкание на землю со значительно более высоким током замыкания.

Частые ошибки

1. Путаница резонансно-заземлённой сети с сетью с глухим или низкоомным резистивным заземлением — наличие катушки Петерсена означает как раз то, что ток замыкания при первом повреждении удерживается малым, а не быстро отключается.
2. Предположение, что катушка Петерсена никогда не требует повторной настройки после установки — изменяющаяся ёмкость сети (из-за включения или отключения кабельных линий) требует периодической повторной настройки.
3. Мнение, что резонансно-заземлённая сеть может обойтись без контроля изоляции или обнаружения замыкания на землю — как и в системе IT, первое повреждение всё равно должно быть просигнализировано и устранено, даже если сеть не отключается немедленно.
4. Путаница катушки Петерсена с самим заземляющим трансформатором зигзаг — трансформатор зигзаг создаёт искусственную нейтраль там, где это необходимо; катушка Петерсена — это отдельный, регулируемый реактор, подключаемый к этой нейтрали для компенсации ёмкостного тока замыкания на землю.

Связанные материалы

• Заземляющий трансформатор зигзаг — искусственная нейтраль для сетей без естественной нейтрали
• Система IT и контроль изоляции (IMD) — обнаружение первого повреждения
• Система IT — второе повреждение и обязательное отключение при втором повреждении (§411.6)
• Система TT — заземляющий электрод и обязательное УЗО