Elektrická kapacita kábla

Pri zapínaní alebo vypínaní jednosmerného napätia v káblovej sieti alebo pod vplyvom striedavého napätia vždy vzniká kapacitný prúd. Dlhodobý kapacitný prúd existuje iba v izolácii káblov pod vplyvom striedavého napätia. Konštantné vedenie prúdu existuje vždy a na izoláciu kábla sa aplikuje konštantný prúd. Podrobnejšie o kapacite kábla, o fyzickom význame tejto charakteristiky a bude diskutované v tomto článku.

Z hľadiska fyziky je pevný kruhový kábel v podstate valcový kondenzátor. A ak vezmeme hodnotu náboja vnútornej valcovej dosky ako Q, potom na jednotku jej povrchu bude množstvo elektriny, ktoré možno vypočítať podľa vzorca:

Tu je e dielektrická konštanta izolácie kábla.

Podľa základnej elektrostatiky sa intenzita elektrického poľa E na polomere r bude rovnať:

A ak vezmeme do úvahy vnútorný valcový povrch kábla v určitej vzdialenosti od jeho stredu, a to bude ekvipotenciálny povrch, potom sa intenzita elektrického poľa na jednotku plochy tohto povrchu bude rovnať:

Dielektrická konštanta izolácie kábla sa značne líši v závislosti od prevádzkových podmienok a typu použitej izolácie. Vulkanizovaná guma má teda dielektrickú konštantu 4 až 7,5 a impregnovaný káblový papier má dielektrickú konštantu 3 až 4,5. Nižšie bude ukázané, ako dielektrická konštanta, a teda aj kapacita, súvisí s teplotou.

Obráťme sa na Kelvinovu zrkadlovú metódu. Experimentálne údaje poskytujú iba vzorce na približný výpočet hodnôt kapacity káblov a tieto vzorce sú získané na základe metódy zrkadlového odrazu. Metóda je založená na pozícii, že valcový kovový plášť obklopujúci nekonečne dlhý tenký drôt L nabitý na hodnotu Q ovplyvňuje tento drôt rovnakým spôsobom ako drôt L1 opačne nabitý, ale za predpokladu, že:

Priame merania kapacity poskytujú rôzne výsledky s rôznymi metódami merania. Z tohto dôvodu možno kapacitu kábla rozdeliť na:

• Cst — statická kapacita, ktorá sa získa kontinuálnym meraním prúdu s následným porovnaním;

• Seff je efektívna kapacita, ktorá sa vypočítava z údajov voltmetra a ampérmetra pri testovaní so striedavým prúdom podľa vzorca: Сeff = Ieff / (ωUeff)

• C je skutočná kapacita, ktorá sa získa z analýzy oscilogramu z hľadiska pomeru maximálneho náboja k maximálnemu napätiu počas testu.

V skutočnosti sa ukázalo, že hodnota C skutočnej kapacity kábla je prakticky konštantná, s výnimkou prípadov porušenia izolácie, preto zmena napätia neovplyvňuje dielektrickú konštantu izolácie kábla.

Vplyv teploty na dielektrickú konštantu sa však realizuje a so zvyšujúcou sa teplotou klesá na 5% a podľa toho klesá aj skutočná kapacita C kábla. V tomto prípade neexistuje žiadna závislosť skutočnej kapacity od frekvencie a tvaru prúdu.

Statická kapacita Cst kábla pri teplotách pod 40 °C je v súlade s hodnotou jeho skutočnej kapacity C a je to spôsobené zriedením impregnácie; pri vyšších teplotách sa zvyšuje statická kapacita Cst Charakter rastu je znázornený v grafe, krivka 3 na ňom znázorňuje zmenu statickej kapacity kábla so zmenou teploty.

Efektívna kapacita Ceff je silne závislá od tvaru prúdu. Čistý sínusový prúd má za následok zhodu efektívnej a skutočnej kapacity. Ostrý prúd vedie k jedenapolnásobnému zvýšeniu efektívnej kapacity, tupý prúd znižuje efektívnu kapacitu.

Efektívna kapacita Ceff má praktický význam, pretože určuje dôležité charakteristiky elektrickej siete. S ionizáciou v kábli sa efektívna kapacita zvyšuje.

V nižšie uvedenom grafe:

1 — závislosť izolačného odporu kábla od teploty;

2 — logaritmus izolačného odporu kábla v závislosti od teploty;

3 — závislosť hodnoty statickej kapacity Cst kábla od teploty.

Pri kontrole kvality výroby izolácie káblov nie je kapacita prakticky rozhodujúca, okrem procesu vákuovej impregnácie v sušiarni. Pre nízkonapäťové siete nie je kapacita tiež veľmi dôležitá, ale ovplyvňuje účinník pri indukčnej záťaži.

A pri práci vo vysokonapäťových sieťach je kapacita kábla mimoriadne dôležitá a môže spôsobiť problémy počas prevádzky inštalácie ako celku. Môžete napríklad porovnať inštalácie s prevádzkovým napätím 20 000 voltov a 50 000 voltov.

Povedzme, že potrebujete preniesť 10 MVA s kosínusom phi rovným 0,9 na vzdialenosť 15,5 km a 35,6 km. Pre prvý prípad, prierez drôtu, berúc do úvahy prípustné vykurovanie, vyberieme 185 štvorcových Mm, pre druhý - 70 štvorcových Mm. Prvá 132 kV priemyselná inštalácia v USA s olejom naplneným káblom mala tieto parametre: nabíjací prúd 11,3 A/km dáva nabíjací výkon 1490 kVA/km, čo je 25-krát viac ako analogické parametre réžie prenosové vedenia podobného napätia.

Z hľadiska kapacity sa podzemná inštalácia v Chicagu v prvej etape ukázala ako podobná paralelne zapojenému elektrickému kondenzátoru 14 MVA a v New Yorku kapacitná prúdová kapacita dosiahla 28 MVA a to pri prenášanom výkone 98 MVA. Pracovná kapacita kábla je približne 0,27 Faradov na kilometer.

Straty naprázdno pri nízkej záťaži sú spôsobené práve kapacitným prúdom, ktorý generuje teplo Joule a plné zaťaženie prispieva k efektívnejšej prevádzke elektrární. V nezaťaženej sieti takýto jalový prúd znižuje napätie generátorov, a preto sú na ich konštrukcie kladené špeciálne požiadavky.Aby sa znížil kapacitný prúd, frekvencia vysokonapäťového prúdu sa zvyšuje, napríklad počas testovania káblov, ale je to ťažké implementovať a niekedy sa uchyľuje k nabíjaniu káblov indukčnými tlmivkami.

Takže kábel má vždy kapacitu a zemný odpor, ktoré určujú kapacitný prúd. Izolačný odpor kábla R pri napájacom napätí 380 V musí byť minimálne 0,4 MΩ. Kapacita kábla C závisí od dĺžky kábla, spôsobu uloženia atď.

Pre trojfázový kábel s vinylovou izoláciou, napätím do 600 V a sieťovou frekvenciou 50 Hz je závislosť kapacitného prúdu od plochy prierezu vodičov s prúdom a jeho dĺžky znázornená na obrázku. Na výpočet kapacitného prúdu by sa mali použiť údaje zo špecifikácií výrobcu kábla.

Ak je kapacitný prúd 1 mA alebo menej, nemá to vplyv na prevádzku pohonov.

Dôležitú úlohu zohráva kapacita káblov v uzemnených sieťach. Uzemňovacie prúdy sú takmer priamo úmerné kapacitným prúdom a teda kapacite samotného kábla. Preto vo veľkých metropolách dosahujú zemné prúdy obrovských mestských sietí obrovské hodnoty.

Dúfame, že tento krátky materiál vám pomohol získať všeobecnú predstavu o kapacite káblov, ako ovplyvňuje prevádzku elektrických sietí a inštalácií a prečo je potrebné venovať týmto parametrom káblov náležitú pozornosť.