Kabelns elektriska kapacitet

Vid på- eller avkoppling av DC-spänning i ett kabelnät eller under påverkan av AC-spänning uppstår alltid en kapacitiv ström. Långsiktig kapacitiv ström finns endast i isoleringen av kablar under påverkan av växelspänning. Konstant strömledning finns hela tiden och en konstant ström appliceras på kabelisoleringen. Mer detaljerat om kabelns kapacitet, om den fysiska innebörden av denna egenskap och kommer att diskuteras i den här artikeln.

Ur fysikens synvinkel är en solid cirkulär kabel i huvudsak en cylindrisk kondensator. Och om vi tar värdet på laddningen av den inre cylindriska plattan som Q, så kommer det per enhet av dess yta att finnas en mängd elektricitet som kan beräknas med formeln:

Här är e den dielektriska konstanten för kabelisoleringen.

Enligt grundläggande elektrostatik kommer den elektriska fältstyrkan E vid radien r att vara lika med:

Och om vi betraktar kabelns inre cylindriska yta på ett visst avstånd från dess centrum, och detta kommer att vara ekvipotentialytan, kommer den elektriska fältstyrkan per ytenhet av denna yta att vara lika med:

Kabelisoleringens dielektriska konstant varierar kraftigt beroende på driftsförhållanden och vilken typ av isolering som används. Vulkaniserat gummi har således en dielektricitetskonstant på 4 till 7,5 och impregnerat kabelpapper har en dielektricitetskonstant på 3 till 4,5. Nedan kommer det att visas hur dielektricitetskonstanten, och därmed kapacitansen, är relaterad till temperaturen.

Låt oss vända oss till Kelvins spegelmetod. Experimentella data ger endast formler för ungefärlig beräkning av kabelkapacitansvärden, och dessa formler erhålls baserat på spegelreflektionsmetoden. Metoden är baserad på positionen att ett cylindriskt metallskal som omger en oändligt lång tunn tråd L laddad till ett värde Q påverkar denna tråd på samma sätt som en tråd L1 motsatt laddad, men förutsatt att:

Direkta kapacitansmätningar ger olika resultat med olika mätmetoder. Av denna anledning kan kabelkapacitet grovt delas in i:

• Cst — statisk kapacitans, som erhålls genom kontinuerlig strömmätning med efterföljande jämförelse;

• Seff är den effektiva kapacitansen, som beräknas från voltmeter och amperemeterdata vid testning med växelström med formeln: Сeff = Ieff /(ωUeff)

• C är den faktiska kapacitansen, som erhålls från analysen av oscillogrammet i termer av förhållandet mellan den maximala laddningen och den maximala spänningen under testet.

I själva verket visade det sig att värdet på C för kabelns faktiska kapacitans är praktiskt taget konstant, utom i fall av isolationsbrott, därför påverkar spänningsförändringen inte den dielektriska konstanten för kabelns isolering.

Emellertid realiseras temperaturens inverkan på dielektricitetskonstanten och med ökande temperatur minskar den till 5 % och följaktligen minskar kabelns faktiska kapacitans C. I detta fall är det inget beroende av den faktiska kapaciteten på strömmens frekvens och form.

Kabelns statiska kapacitet Cst vid temperaturer under 40 ° C överensstämmer med värdet på dess faktiska kapacitet C och detta beror på utspädningen av impregneringen; vid högre temperaturer ökar den statiska kapaciteten Cst. Tillväxtens karaktär visas i grafen, kurva 3 på den visar förändringen i kabelns statiska kapacitet med en temperaturförändring.

Den effektiva kapacitansen Ceff är starkt beroende av den aktuella formen. En ren sinusformad ström resulterar i en sammanträffande av effektiv och verklig kapacitans. En skarp strömform leder till en ökning av den effektiva kapaciteten med en och en halv gånger, en trubbig strömform minskar den effektiva kapaciteten.

Den effektiva kapaciteten Ceff är av praktisk betydelse, eftersom den bestämmer de viktiga egenskaperna hos det elektriska nätverket. Med jonisering i kabeln ökar den effektiva kapacitansen.

I grafen nedan:

1 — Beroende av kabelisoleringsresistans på temperatur;

2 — logaritm för kabelisoleringsresistans kontra temperatur;

3 — beroende av värdet på kabelns statiska kapacitet Cst på temperaturen.

Under produktionskvalitetskontrollen av kabelisoleringen är kapaciteten praktiskt taget inte avgörande, förutom i processen med vakuumimpregnering i en torkpanna. För lågspänningsnät är kapacitansen inte heller särskilt viktig, men den påverkar effektfaktorn med induktiva belastningar.

Och när man arbetar i högspänningsnät är kabelns kapacitet extremt viktig och kan orsaka problem under driften av installationen som helhet. Till exempel kan man jämföra installationer med en driftspänning på 20 000 volt och 50 000 volt.

Låt oss säga att du behöver sända 10 MVA med en cosinus på phi lika med 0,9 för ett avstånd på 15,5 km och 35,6 km. För det första fallet, trådens tvärsnitt, med hänsyn till den tillåtna uppvärmningen, väljer vi 185 kvm Mm, för den andra - 70 kvm Mm. Den första 132 kV industrianläggningen i USA med en oljefylld kabel hade följande parametrar: laddningsströmmen på 11,3 A/km ger en laddningseffekt på 1490 kVA/km, vilket är 25 gånger högre än de analoga parametrarna för overhead transmissionsledningar med liknande spänning.

Kapacitetsmässigt visade sig Chicagos underjordiska installation i första etappen likna en parallellkopplad elektrisk kondensator på 14 MVA och i New York City nådde den kapacitiva strömkapaciteten 28 MVA och detta med en överförd effekt på 98 MVA. Kabelns arbetskapacitet är cirka 0,27 Farad per kilometer.

Tomlastförluster när belastningen är lätt orsakas just av den kapacitiva strömmen, som genererar Joule-värme, och full belastning bidrar till en effektivare drift av kraftverk. I ett obelastat nätverk sänker en sådan reaktiv ström generatorernas spänning, varför särskilda krav ställs på deras konstruktioner.För att minska den kapacitiva strömmen ökas frekvensen av högspänningsströmmen, till exempel under kabeltestning, men detta är svårt att implementera, och ibland tillgriper man att ladda kablarna med induktiva reaktorer.

Så kabeln har alltid kapacitans och jordresistans som bestämmer den kapacitiva strömmen. Isolationsresistansen för kabeln R vid en matningsspänning på 380 V måste vara minst 0,4 MΩ. Kapaciteten hos kabel C beror på kabelns längd, sättet att lägga, etc.

För en trefaskabel med vinylisolering, spänning upp till 600 V och nätverksfrekvens 50 Hz, visas beroendet av den kapacitiva strömmen på tvärsnittsarean för de strömförande ledningarna och dess längd i figuren. Data från kabeltillverkarens specifikationer ska användas för att beräkna den kapacitiva strömmen.

Om den kapacitiva strömmen är 1 mA eller mindre, påverkar det inte driften av frekvensomriktarna.

Kapaciteten hos kablar i jordade nätverk spelar en viktig roll. Jordströmmar är nästan direkt proportionella mot kapacitiva strömmar och följaktligen mot själva kabelns kapacitans. Därför når markströmmarna i enorma stadsnät enorma värden i stora storstadsområden.

Vi hoppas att detta korta material har hjälpt dig att få en allmän uppfattning om kabelkapacitet, hur det påverkar driften av elektriska nätverk och installationer, och varför det är nödvändigt att vara uppmärksam på denna kabelparameter.