Električni kapacitet kabela

Pri uključivanju i isključivanju istosmjernog napona u kabelskoj mreži ili pod utjecajem izmjeničnog napona uvijek se javlja kapacitivna struja. Dugotrajna kapacitivna struja postoji samo u izolaciji kabela pod utjecajem izmjeničnog napona. Provođenje konstantne struje postoji cijelo vrijeme i konstantna struja se primjenjuje na izolaciju kabela. Detaljnije o kapacitetu kabela, o fizičkom značenju ove karakteristike i bit će riječi u ovom članku.

S točke gledišta fizike, čvrsti kružni kabel je u biti cilindrični kondenzator. A ako uzmemo vrijednost naboja unutarnje cilindrične ploče kao Q, tada će po jedinici njezine površine postojati količina elektriciteta koja se može izračunati formulom:

Ovdje je e dielektrična konstanta izolacije kabela.

Prema osnovnoj elektrostatici, jakost električnog polja E na radijusu r bit će jednaka:

A ako uzmemo u obzir unutarnju cilindričnu površinu kabela na nekoj udaljenosti od središta, a to će biti ekvipotencijalna površina, tada će jakost električnog polja po jedinici površine ove površine biti jednaka:

Dielektrična konstanta kabelske izolacije uvelike varira ovisno o radnim uvjetima i vrsti korištene izolacije. Tako vulkanizirana guma ima dielektričnu konstantu od 4 do 7,5, a impregnirani kabelski papir ima dielektričnu konstantu od 3 do 4,5. U nastavku će biti prikazano kako su dielektrična konstanta, a time i kapacitivnost, povezani s temperaturom.

Okrenimo se Kelvinovoj zrcalnoj metodi. Eksperimentalni podaci daju samo formule za približan izračun vrijednosti kapacitivnosti kabela, a te formule dobivene su metodom zrcalne refleksije. Metoda se temelji na stavu da cilindrična metalna ljuska koja okružuje beskonačno dugu tanku žicu L nabijenu do vrijednosti Q utječe na ovu žicu na isti način kao i žica L1 suprotno nabijena, ali pod uvjetom da:

Izravna mjerenja kapacitivnosti daju različite rezultate različitim metodama mjerenja. Iz tog razloga, kapacitet kabela može se grubo podijeliti na:

• Cst — statički kapacitet, koji se dobiva kontinuiranim mjerenjem struje s naknadnom usporedbom;

• Seff je efektivni kapacitet koji se izračunava iz podataka voltmetra i ampermetra pri ispitivanju izmjeničnom strujom po formuli: Seff = Ieff /(ωUeff)

• C je stvarni kapacitet, koji se dobiva analizom oscilograma u smislu omjera maksimalnog naboja i maksimalnog napona tijekom ispitivanja.

Zapravo, pokazalo se da je vrijednost C stvarnog kapaciteta kabela praktički konstantna, osim u slučajevima proboja izolacije, stoga promjena napona ne utječe na dielektričnu konstantu izolacije kabela.

Međutim, utjecaj temperature na dielektričnu konstantu se ostvaruje i s povećanjem temperature ona se smanjuje na 5% i sukladno tome se smanjuje stvarni kapacitet C kabela. U ovom slučaju ne postoji ovisnost stvarnog kapaciteta o frekvenciji i obliku struje.

Statički kapacitet Cst kabela na temperaturama ispod 40 °C u skladu je s vrijednošću njegovog stvarnog kapaciteta C i to je zbog razrjeđivanja impregnacije; pri višim temperaturama raste statički kapacitet Cst. Priroda rasta prikazana je na grafikonu, krivulja 3 na njemu prikazuje promjenu statičkog kapaciteta kabela s promjenom temperature.

Efektivni kapacitet Ceff jako ovisi o obliku struje. Čista sinusna struja rezultira podudarnošću efektivnog i stvarnog kapaciteta. Oštar oblik struje dovodi do povećanja efektivnog kapaciteta za jedan i pol puta, tupi oblik struje smanjuje efektivni kapacitet.

Efektivni kapacitet Ceff je od praktične važnosti jer određuje važne karakteristike električne mreže. S ionizacijom u kabelu, efektivni kapacitet se povećava.

Na grafikonu ispod:

1 — ovisnost otpora izolacije kabela o temperaturi;

2 — logaritam otpora izolacije kabela prema temperaturi;

3 — ovisnost vrijednosti statičkog kapaciteta Cst kabela o temperaturi.

Prilikom kontrole kvalitete izrade kabelske izolacije kapacitet praktički nije presudan, osim u procesu vakuumske impregnacije u kotlu za sušenje. Za niskonaponske mreže, kapacitet također nije jako bitan, ali utječe na faktor snage kod induktivnih opterećenja.

A kod rada u visokonaponskim mrežama kapacitet kabela je iznimno važan i može uzrokovati probleme tijekom rada cijele instalacije. Na primjer, možete usporediti instalacije s radnim naponom od 20.000 volti i 50.000 volti.

Recimo da trebate odašiljati 10 MVA s kosinusom phi jednakim 0,9 za udaljenost od 15,5 km i 35,6 km. Za prvi slučaj, poprečni presjek žice, uzimajući u obzir dopušteno zagrijavanje, odabiremo 185 sq. Mm, za drugi - 70 sq. Mm. Prva industrijska instalacija od 132 kV u SAD-u s kabelom napunjenim uljem imala je sljedeće parametre: struja punjenja od 11,3 A / km daje snagu punjenja od 1490 kVA / km, što je 25 puta više od analognih parametara nadzemnog dalekovodi sličnog napona.

Što se tiče kapaciteta, čikaška podzemna instalacija u prvom stupnju pokazala se sličnom paralelno spojenom električnom kondenzatoru od 14 MVA, au New Yorku je kapacitivni strujni kapacitet dosegao 28 MVA i to uz prijenosnu snagu od 98 MVA. Radni kapacitet kabela je približno 0,27 Farada po kilometru.

Gubici u praznom hodu kod malog opterećenja uzrokovani su upravo kapacitivnom strujom, koja stvara Jouleovu toplinu, a puno opterećenje doprinosi učinkovitijem radu elektrana. U neopterećenoj mreži takva jalova struja snižava napon generatora, zbog čega se postavljaju posebni zahtjevi na njihovu konstrukciju.Kako bi se smanjila kapacitivna struja, povećava se frekvencija struje visokog napona, na primjer, tijekom ispitivanja kabela, ali to je teško provesti, a ponekad se pribjegava naboju kabela induktivnim reaktorima.

Dakle, kabel uvijek ima kapacitet i otpor uzemljenja koji određuju kapacitivnu struju. Otpor izolacije kabela R pri naponu napajanja od 380 V mora biti najmanje 0,4 MΩ. Kapacitet kabela C ovisi o duljini kabela, načinu polaganja itd.

Za trofazni kabel s vinilnom izolacijom, napona do 600 V i mrežne frekvencije 50 Hz, ovisnost kapacitivne struje o površini poprečnog presjeka strujnih žica i njezinoj duljini prikazana je na slici. Za izračun kapacitivne struje treba koristiti podatke iz specifikacije proizvođača kabela.

Ako je kapacitivna struja 1 mA ili manja, to ne utječe na rad pogona.

Kapacitet kabela u uzemljenim mrežama igra važnu ulogu. Struje uzemljenja gotovo su izravno proporcionalne kapacitivnim strujama i, sukladno tome, kapacitetu samog kabela. Stoga u velikim gradskim područjima prizemne struje velikih urbanih mreža dosežu enormne vrijednosti.

Nadamo se da vam je ovaj kratki materijal pomogao da steknete opću predodžbu o kapacitetu kabela, kako on utječe na rad električnih mreža i instalacija te zašto je ovom parametru kabela potrebno posvetiti dužnu pozornost.