Capacitatea electrică a cablului

La pornirea sau oprirea tensiunii DC într-o rețea de cablu sau sub influența tensiunii AC, apare întotdeauna un curent capacitiv. Curentul capacitiv pe termen lung există numai în izolarea cablurilor sub influența tensiunii alternative. Conducția curentului constant există în orice moment și un curent constant este aplicat izolației cablului. Mai detaliat despre capacitatea cablului, despre semnificația fizică a acestei caracteristici și vor fi discutate în acest articol.

Din punctul de vedere al fizicii, un cablu circular solid este în esență un condensator cilindric. Și dacă luăm valoarea încărcăturii plăcii cilindrice interioare ca Q, atunci pe unitatea de suprafață va exista o cantitate de electricitate care poate fi calculată prin formula:

Aici e este constanta dielectrică a izolației cablului.

Conform electrostaticei fundamentale, intensitatea câmpului electric E la raza r va fi egală cu:

Și dacă luăm în considerare suprafața cilindrică interioară a cablului la o anumită distanță de centrul său, iar aceasta va fi suprafața echipotențială, atunci intensitatea câmpului electric pe unitatea de suprafață a acestei suprafețe va fi egală cu:

Constanta dielectrică a izolației cablului variază foarte mult în funcție de condițiile de funcționare și de tipul de izolație utilizat. Astfel, cauciucul vulcanizat are o constantă dielectrică de 4 până la 7,5, iar hârtia de cablu impregnată are o constantă dielectrică de 3 până la 4,5. Mai jos va fi arătat cum constanta dielectrică și, prin urmare, capacitatea, sunt legate de temperatură.

Să trecem la metoda oglinzii lui Kelvin. Datele experimentale oferă doar formule pentru calculul aproximativ al valorilor capacității cablului, iar aceste formule sunt obținute pe baza metodei de reflexie speculară. Metoda se bazează pe poziția că o înveliș metalic cilindric care înconjoară un fir subțire L infinit de lung încărcat la o valoare Q afectează acest fir în același mod ca un fir L1 încărcat opus, dar cu condiția ca:

Măsurătorile directe ale capacității dau rezultate diferite cu diferite metode de măsurare. Din acest motiv, capacitatea cablului poate fi împărțită aproximativ în:

• Cst — capacitate statică, care se obține prin măsurarea continuă a curentului cu comparație ulterioară;

• Seff este capacitatea efectivă, care este calculată din datele voltmetrului și ampermetrului atunci când se testează cu curent alternativ cu formula: Сeff = Ieff /(ωUeff)

• C este capacitatea reală, care se obține din analiza oscilogramei în ceea ce privește raportul dintre sarcina maximă și tensiunea maximă în timpul testului.

De fapt, s-a dovedit că valoarea lui C a capacității reale a cablului este practic constantă, cu excepția cazurilor de defectare a izolației, prin urmare modificarea tensiunii nu afectează constanta dielectrică a izolației cablului.

Totuși, influența temperaturii asupra constantei dielectrice se realizează și odată cu creșterea temperaturii aceasta scade la 5% și în consecință scade capacitatea reală C a cablului. În acest caz, nu există nicio dependență a capacității reale de frecvența și forma curentului.

Capacitatea statică Cst a cablului la temperaturi sub 40°C este în concordanță cu valoarea capacității sale reale C și aceasta se datorează diluției impregnării; la temperaturi mai mari, capacitatea statică Cst crește. Natura creșterii este prezentată în grafic, curba 3 de pe acesta arată modificarea capacității statice a cablului cu o modificare a temperaturii.

Capacitatea efectivă Ceff este puternic dependentă de forma curentului. Un curent sinusoidal pur are ca rezultat o coincidență între capacitatea efectivă și reală. O formă de curent ascuțit duce la o creștere a capacității efective de o dată și jumătate, o formă de curent contondent reduce capacitatea efectivă.

Capacitatea efectivă Ceff este de importanță practică, deoarece determină caracteristicile importante ale rețelei electrice. Odată cu ionizarea în cablu, capacitatea efectivă crește.

În graficul de mai jos:

1 — dependența rezistenței izolației cablului de temperatură;

2 — logaritmul rezistenței izolației cablului în funcție de temperatură;

3 — dependența valorii capacității statice Cst a cablului de temperatură.

În timpul controlului calității producției al izolației cablurilor, capacitatea practic nu este decisivă, cu excepția procesului de impregnare în vid într-un cazan de uscare. Pentru rețelele de joasă tensiune, capacitatea nu este, de asemenea, foarte importantă, dar afectează factorul de putere cu sarcini inductive.

Iar atunci când lucrați în rețele de înaltă tensiune, capacitatea cablului este extrem de importantă și poate cauza probleme în timpul funcționării instalației în ansamblu. De exemplu, puteți compara instalații cu o tensiune de funcționare de 20.000 de volți și 50.000 de volți.

Să presupunem că trebuie să transmiteți 10 MVA cu un cosinus de phi egal cu 0,9 pentru o distanță de 15,5 km și 35,6 km. Pentru primul caz, secțiunea transversală a firului, ținând cont de încălzirea admisă, alegem 185 mm pătrați, pentru al doilea - 70 mm pătrați. Prima instalație industrială de 132 kV din SUA cu un cablu umplut cu ulei a avut următorii parametri: curentul de încărcare de 11,3 A/km oferă o putere de încărcare de 1490 kVA/km, care este de 25 de ori mai mare decât parametrii analogi ai aerului. linii de transmisie de tensiune similară.

Din punct de vedere al capacității, instalația subterană Chicago din prima etapă s-a dovedit a fi similară cu un condensator electric conectat în paralel de 14 MVA, iar în New York capacitatea de curent capacitiv a ajuns la 28 MVA și aceasta cu o putere transmisă de 98 MVA. Capacitatea de lucru a cablului este de aproximativ 0,27 Farad pe kilometru.

Pierderile fără sarcină atunci când sarcina este ușoară sunt cauzate tocmai de curentul capacitiv, care generează căldură Joule, iar sarcina maximă contribuie la funcționarea mai eficientă a centralelor electrice. Într-o rețea fără sarcină, un astfel de curent reactiv scade tensiunea generatoarelor, motiv pentru care se impun cerințe speciale asupra designului acestora.Pentru a reduce curentul capacitiv, frecvența curentului de înaltă tensiune este crescută, de exemplu, în timpul testării cablurilor, dar acest lucru este dificil de implementat, iar uneori recurgând la încărcarea cablurilor cu reactoare inductive.

Deci, cablul are întotdeauna capacitatea și rezistența la pământ care determină curentul capacitiv. Rezistența de izolație a cablului R la o tensiune de alimentare de 380 V trebuie să fie de cel puțin 0,4 MΩ. Capacitatea cablului C depinde de lungimea cablului, modul de pozare etc.

Pentru un cablu trifazat cu izolație de vinil, tensiune de până la 600 V și frecvența rețelei 50 Hz, dependența curentului capacitiv de aria secțiunii transversale a firelor purtătoare de curent și lungimea sa este prezentată în figură. Datele din specificațiile producătorului cablului trebuie utilizate pentru a calcula curentul capacitiv.

Dacă curentul capacitiv este de 1 mA sau mai puțin, acesta nu afectează funcționarea unităților.

Capacitatea cablurilor din rețelele împământate joacă un rol important. Curenții de împământare sunt aproape direct proporționali cu curenții capacitivi și, în consecință, cu capacitatea cablului în sine. Prin urmare, în marile zone metropolitane, curenții de sol ai rețelelor urbane uriașe ating valori enorme.

Sperăm că acest material scurt v-a ajutat să vă faceți o idee generală despre capacitatea cablului, cum afectează aceasta funcționarea rețelelor și instalațiilor electrice și de ce este necesar să acordați atenția cuvenită acestui parametru de cablu.