Котушка Петерсена (дугогасна котушка) — резонансно-заземлені мережі і чому замикання на землю не відключається одразу

Посібник про заземлювальний трансформатор зигзаг коротко згадує, що до штучної нейтралі такого трансформатора можна підключити заземлювальний резистор або котушку Петерсена. Ця стаття докладніше розглядає, що саме робить котушка Петерсена і чому резонансно-заземлена мережа в певних аспектах поводиться як система IT, розглянута в посібнику про систему IT та контроль ізоляції.

Проблема: ємнісний струм замикання на землю в мережі з великою часткою кабелів

Кожен фазний провідник мережі має, відносно землі, певну ємність — обмежену для повітряних ліній, але значну для протяжної підземної кабельної мережі. При замиканні однієї фази на землю ця розподілена ємність решти, справних фаз заряджається і розряджається через місце пошкодження: виникає ємнісний струм замикання на землю, повністю визначений загальною ємністю мережі відносно землі, незалежно від способу заземлення нейтралі. При достатньо великому ємнісному струмі цей струм може підтримувати дугу в місці пошкодження замість того, щоб дати їй згаснути, з ризиком переростання дуги в подвійне або трифазне замикання.

Як котушка Петерсена компенсує ємнісний струм

Котушка Петерсена (також звана дугогасною котушкою або "нейтралізатором замикань на землю", за ім'ям німецького інженера Вальдемара Петерсена, який запропонував цей принцип у 1916 році) — це регульований реактор, увімкнений між нейтраллю мережі (безпосередньо біля відповідного силового трансформатора або через трансформатор зигзаг чи заземлювальний трансформатор, як розглянуто в пов'язаному посібнику) та землею. При замиканні на землю ця котушка створює індуктивний струм, що перебуває у протифазі з ємнісним струмом замикання мережі. Якщо котушка правильно налаштована (у резонанс) на повну ємність мережі, індуктивний і ємнісний струми в місці пошкодження майже повністю компенсують один одного: залишковий струм у місці пошкодження тоді значно менший за початковий ємнісний струм замикання і визначається виключно активними (резистивними) втратами в мережі. При достатньо малому залишковому струмі дуга в місці пошкодження самочинно гасне, без потреби у відключенні пошкодження.

Налаштування на ємність мережі

Індуктивність котушки Петерсена зазвичай регулюється, за допомогою перемикача відгалужень або плавно регульованого (плунжерного) осердя, під фактичну ємність мережі відносно землі. Оскільки ця ємність мережі змінюється в міру вмикання або вимикання кабельних ліній, налаштування потрібно періодично перевіряти і за потреби коригувати — мережа, налаштування якої вже неточне, залишає в місці пошкодження більший залишковий струм і тим самим (частково) втрачає ефект самогасіння.

Чому це схоже, але не те саме, що система IT

Як і система IT, резонансно-заземлена (компенсована котушкою Петерсена) мережа може продовжувати роботу при першому замиканні на землю без негайного відключення, оскільки струм замикання залишається достатньо малим, щоб не становити небезпеки. Однак механізм, що лежить в основі, відрізняється: система IT не має заземлення нейтралі (або має його через дуже великий опір), що при першому замиканні утримує струм замикання низьким через великий опір шляху; резонансно-заземлена мережа натомість має низькоомне, налаштоване індуктивне з'єднання із землею, яке активно компенсує ємнісний струм замикання. Обидва варіанти, як і система IT, потребують тієї чи іншої форми контролю ізоляції або виявлення замикання на землю, щоб сигналізувати про наявність першого пошкодження, аби його можна було локалізувати та усунути до виникнення другого, незалежного пошкодження.

Увага: резонансно-заземлені (петерсенівські) мережі застосовуються в Нідерландах регіональними операторами розподільних мереж у частинах кабельної мережі середньої напруги; точні параметри проєкту (точність налаштування, поріг залишкового струму, метод виявлення) специфічні для конкретної системи і випливають із системного дослідження мережевого оператора, а не з єдиного фіксованого нормативного значення. IEC 60076-6 розглядає базові вимоги до дугогасної котушки як до реактора.

Практична значущість

При оцінці приєднання середньої напруги, що живиться через мережу з компенсацією котушкою Петерсена, важливо розуміти, що повідомлене "перше замикання на землю" за визначенням не призводить до негайного переривання живлення — як і в системі IT, швидка локалізація та усунення пошкодження тим не менш залишаються суттєвими, щоб запобігти переростанню другого пошкодження в подвійне замикання на землю зі значно вищим струмом замикання.

Часті помилки

1. Плутанина резонансно-заземленої мережі з мережею з глухим або низькоомним резистивним заземленням — наявність котушки Петерсена означає якраз те, що струм замикання при першому пошкодженні утримується малим, а не швидко відключається.
2. Припущення, що котушка Петерсена ніколи не потребує повторного налаштування після встановлення — мінлива ємність мережі (через вмикання чи вимикання кабельних ліній) потребує періодичного повторного налаштування.
3. Думка, що резонансно-заземлена мережа може обійтися без контролю ізоляції або виявлення замикання на землю — як і в системі IT, перше пошкодження все одно має бути просигналізоване і усунуте, навіть якщо мережа не відключається негайно.
4. Плутанина котушки Петерсена із самим заземлювальним трансформатором зигзаг — трансформатор зигзаг створює штучну нейтраль там, де це потрібно; котушка Петерсена — це окремий, регульований реактор, підключений до цієї нейтралі для компенсації ємнісного струму замикання на землю.

Пов'язані матеріали

• Заземлювальний трансформатор зигзаг — штучна нейтраль для мереж без природної нейтралі
• Система IT та контроль ізоляції (IMD) — виявлення першого пошкодження
• Система IT — друге пошкодження та обов'язкове відключення при другому пошкодженні (§411.6)
• Система TT — заземлювальний електрод та обов'язковий ПЗВ