Pojemność elektryczna kabla

Podczas włączania lub wyłączania napięcia stałego w sieci kablowej lub pod wpływem napięcia przemiennego zawsze występuje prąd pojemnościowy. Długotrwały prąd pojemnościowy występuje tylko w izolacji kabli pod wpływem napięcia przemiennego. Przewodnictwo prądu stałego istnieje przez cały czas, a do izolacji kabla przykładany jest stały prąd. Bardziej szczegółowo o pojemności kabla, o fizycznym znaczeniu tej cechy i zostaną omówione w tym artykule.

Z punktu widzenia fizyki solidny okrągły kabel jest zasadniczo cylindrycznym kondensatorem. A jeśli przyjmiemy wartość ładunku wewnętrznej cylindrycznej płytki jako Q, to na jednostkę jej powierzchni przypada ilość energii elektrycznej, którą można obliczyć ze wzoru:

Tutaj e jest stałą dielektryczną izolacji kabla.

Zgodnie z podstawami elektrostatyki, natężenie pola elektrycznego E na promieniu r będzie równe:

A jeśli weźmiemy pod uwagę wewnętrzną cylindryczną powierzchnię kabla w pewnej odległości od jego środka, a będzie to powierzchnia ekwipotencjalna, wówczas natężenie pola elektrycznego na jednostkę powierzchni tej powierzchni będzie równe:

Stała dielektryczna izolacji kabla różni się znacznie w zależności od warunków pracy i rodzaju zastosowanej izolacji. Tak więc wulkanizowana guma ma stałą dielektryczną od 4 do 7,5, a impregnowany papier kablowy ma stałą dielektryczną od 3 do 4,5. Poniżej zostanie pokazane, w jaki sposób stała dielektryczna, a tym samym pojemność, są związane z temperaturą.

Przejdźmy do metody lustra Kelvina. Dane doświadczalne podają jedynie wzory do przybliżonego obliczania wartości pojemności kabla, a wzory te uzyskuje się na podstawie metody odbicia lustrzanego. Metoda opiera się na założeniu, że cylindryczna metalowa powłoka otaczająca nieskończenie długi cienki drut L naładowany do wartości Q oddziałuje na ten drut w taki sam sposób jak drut L1 naładowany przeciwnie, ale pod warunkiem, że:

Bezpośrednie pomiary pojemności dają różne wyniki przy użyciu różnych metod pomiarowych. Z tego powodu pojemność kabla można z grubsza podzielić na:

• Cst — pojemność statyczna, którą uzyskuje się przez ciągły pomiar prądu z późniejszym porównaniem;

• Seff to efektywna pojemność, która jest obliczana na podstawie danych woltomierza i amperomierza podczas testowania prądem przemiennym według wzoru: Сeff = Ieff /(ωUeff)

• C to rzeczywista pojemność, którą uzyskuje się z analizy oscylogramu pod względem stosunku maksymalnego ładunku do maksymalnego napięcia podczas testu.

W rzeczywistości okazało się, że wartość C rzeczywistej pojemności kabla jest praktycznie stała, z wyjątkiem przypadków przebicia izolacji, dlatego zmiana napięcia nie wpływa na stałą dielektryczną izolacji kabla.

Jednak wpływ temperatury na stałą dielektryczną jest realizowany i wraz ze wzrostem temperatury spada ona do 5% i odpowiednio zmniejsza się rzeczywista pojemność C kabla. W tym przypadku nie ma zależności rzeczywistej pojemności od częstotliwości i kształtu prądu.

Pojemność statyczna Cst kabla w temperaturach poniżej 40°C jest zgodna z wartością jego rzeczywistej pojemności C i wynika to z rozcieńczenia impregnatu; w wyższych temperaturach pojemność statyczna Cst wzrasta Charakter wzrostu przedstawia wykres, krzywa 3 na nim pokazuje zmianę pojemności statycznej kabla wraz ze zmianą temperatury.

Efektywna pojemność Ceff jest silnie zależna od aktualnego kształtu. Czysty prąd sinusoidalny powoduje zbieżność pojemności skutecznej i rzeczywistej. Ostra forma prądu prowadzi do półtorakrotnego wzrostu pojemności efektywnej, postać prądu tępego zmniejsza pojemność efektywną.

Efektywna pojemność Ceff ma znaczenie praktyczne, ponieważ określa ważne cechy sieci elektrycznej. Wraz z jonizacją w kablu zwiększa się efektywna pojemność.

Na poniższym wykresie:

1 — zależność rezystancji izolacji kabla od temperatury;

2 — logarytm rezystancji izolacji kabla w funkcji temperatury;

3 — zależność wartości pojemności statycznej Cst kabla od temperatury.

Podczas kontroli jakości produkcji izolacji kabli wydajność praktycznie nie jest decydująca, z wyjątkiem procesu impregnacji próżniowej w kotle suszarniczym. W przypadku sieci niskiego napięcia pojemność również nie jest bardzo ważna, ale wpływa na współczynnik mocy przy obciążeniach indukcyjnych.

A przy pracy w sieciach wysokiego napięcia przepustowość kabla jest niezwykle ważna i może powodować problemy podczas pracy instalacji jako całości. Na przykład można porównać instalacje o napięciu roboczym 20 000 woltów i 50 000 woltów.

Powiedzmy, że musisz przesłać 10 MVA z cosinusem phi równym 0,9 na odległość 15,5 km i 35,6 km. W pierwszym przypadku przekrój drutu, biorąc pod uwagę dopuszczalne ogrzewanie, wybieramy 185 m2, w drugim - 70 m2. Pierwsza instalacja przemysłowa 132 kV w USA z kablem wypełnionym olejem miała następujące parametry: prąd ładowania 11,3 A/km daje moc ładowania 1490 kVA/km, czyli 25 razy więcej niż analogiczne parametry sieci napowietrznej linie przesyłowe o podobnym napięciu.

Pod względem pojemności podziemna instalacja w Chicago w pierwszym etapie okazała się zbliżona do połączonego równolegle kondensatora elektrycznego o mocy 14 MVA, aw Nowym Jorku pojemność prądowa osiągnęła 28 MVA i to przy mocy przesyłanej 98 MVA. Wydajność robocza kabla wynosi około 0,27 Farada na kilometr.

Straty jałowe przy małym obciążeniu spowodowane są właśnie przez prąd pojemnościowy, który generuje ciepło Joule'a, a pełne obciążenie przyczynia się do wydajniejszej pracy elektrowni. W sieci nieobciążonej taki prąd bierny obniża napięcie generatorów, dlatego ich konstrukcje stawia się specjalne wymagania.W celu zmniejszenia prądu pojemnościowego zwiększa się częstotliwość prądu wysokiego napięcia np. podczas testowania kabli, ale jest to trudne do zrealizowania i czasem ucieka się do ładowania kabli dławikami indukcyjnymi.

Tak więc kabel zawsze ma pojemność i rezystancję uziemienia, które określają prąd pojemnościowy. Rezystancja izolacji przewodu R przy napięciu zasilania 380 V musi wynosić co najmniej 0,4 MΩ. Pojemność kabla C zależy od długości kabla, sposobu ułożenia itp.

W przypadku kabla trójfazowego z izolacją winylową, napięcie do 600 V i częstotliwość sieci 50 Hz, zależność prądu pojemnościowego od pola przekroju przewodów przewodzących prąd i jego długości pokazano na rysunku. Do obliczenia prądu pojemnościowego należy wykorzystać dane z specyfikacji producenta kabla.

Jeśli prąd pojemnościowy wynosi 1 mA lub mniej, nie wpływa to na działanie napędów.

Ważną rolę odgrywa pojemność kabli w sieciach uziemionych. Prądy uziemienia są prawie wprost proporcjonalne do prądów pojemnościowych i odpowiednio do pojemności samego kabla. Dlatego w dużych aglomeracjach prądy gruntowe ogromnych sieci miejskich osiągają ogromne wartości.

Mamy nadzieję, że ten krótki materiał pomógł Państwu uzyskać ogólne pojęcie o pojemności kabla, jego wpływie na działanie sieci i instalacji elektrycznych oraz dlaczego należy zwracać należytą uwagę na ten parametr kabla.