Електрични капацитет кабла

Приликом укључивања или искључивања једносмерног напона у кабловској мрежи или под утицајем наизменичног напона увек се јавља капацитивна струја. Дуготрајна капацитивна струја постоји само у изолацији каблова под утицајем наизменичног напона. Провођење константне струје постоји у сваком тренутку и константна струја се примењује на изолацију кабла. Детаљније о капацитету кабла, о физичком значењу ове карактеристике и биће речи у овом чланку.

Са становишта физике, чврст кружни кабл је у суштини цилиндрични кондензатор. А ако узмемо вредност наелектрисања унутрашње цилиндричне плоче као К, онда ће по јединици њене површине постојати количина електричне енергије која се може израчунати по формули:

Овде је е диелектрична константа изолације кабла.

Према основној електростатици, јачина електричног поља Е на полупречнику р биће једнака:

А ако узмемо у обзир унутрашњу цилиндричну површину кабла на некој удаљености од његовог центра, а ово ће бити еквипотенцијална површина, тада ће јачина електричног поља по јединици површине ове површине бити једнака:

Диелектрична константа изолације каблова увелико варира у зависности од услова рада и врсте изолације која се користи. Тако вулканизована гума има диелектричну константу од 4 до 7,5, а импрегнирани кабловски папир има диелектричну константу од 3 до 4,5. У наставку ће бити приказано како су диелектрична константа, а самим тим и капацитет, повезани са температуром.

Хајде да се окренемо Келвиновом методу огледала. Експериментални подаци дају само формуле за приближно израчунавање вредности капацитивности кабла, а ове формуле се добијају на основу методе зрцалне рефлексије. Метода се заснива на позицији да цилиндрична метална шкољка која окружује бесконачно дугу танку жицу Л напуњену до вредности К утиче на ову жицу на исти начин као и жица Л1 супротно наелектрисана, али под условом да:

Директна мерења капацитивности дају различите резултате са различитим методама мерења. Из тог разлога, капацитет каблова се може грубо поделити на:

• Цст — статички капацитет, који се добија континуираним мерењем струје уз накнадно поређење;

• Сефф је ефективна капацитивност, која се израчунава из података волтметра и амперметра при тестирању наизменичном струјом по формули: Сефф = Иефф /(ωУефф)

• Ц је стварни капацитет, који се добија анализом осцилограма у смислу односа максималног наелектрисања и максималног напона током испитивања.

У ствари, показало се да је вредност Ц стварне капацитивности кабла практично константна, осим у случајевима квара изолације, па промена напона не утиче на диелектричну константу изолације кабла.

Међутим, остварује се утицај температуре на диелектричну константу и са повећањем температуре она опада на 5% и сходно томе опада стварна капацитивност Ц кабла. У овом случају нема зависности стварног капацитета од фреквенције и облика струје.

Статички капацитет Цст кабла на температурама испод 40 °Ц је у складу са вредношћу његовог стварног капацитета Ц и то је због разблажења импрегнације; на вишим температурама расте статички капацитет Цст.Природа раста је приказана на графикону, крива 3 на њему показује промену статичког капацитета кабла са променом температуре.

Ефективна капацитивност Цефф у великој мери зависи од облика струје. Чиста синусоидна струја резултира подударношћу ефективне и реалне капацитивности. Оштар облик струје доводи до повећања ефективног капацитета за један и по пута, тупи облик струје смањује ефективни капацитет.

Ефективни капацитет Цеф је од практичног значаја, јер одређује битне карактеристике електричне мреже. Са јонизацијом у каблу, ефективна капацитивност се повећава.

На графикону испод:

1 — зависност отпора изолације кабла од температуре;

2 — логаритам отпора изолације кабла према температури;

3 — зависност вредности статичког капацитета Цст кабла од температуре.

Приликом контроле квалитета производње изолације каблова, капацитет практично није одлучујући, осим у процесу вакуумске импрегнације у котлу за сушење. За нисконапонске мреже, капацитивност такође није од велике важности, али утиче на фактор снаге код индуктивних оптерећења.

А када се ради у високонапонским мрежама, капацитет кабла је изузетно важан и може изазвати проблеме током рада инсталације у целини. На пример, можете да упоредите инсталације са радним напоном од 20.000 волти и 50.000 волти.

Рецимо да треба да пренесете 10 МВА са косинусом пхи једнаким 0,9 на удаљености од 15,5 км и 35,6 км. За први случај, попречни пресек жице, узимајући у обзир дозвољено загревање, бирамо 185 квадратних мм, за други - 70 квадратних мм. Прва индустријска инсталација од 132 кВ у САД са каблом пуњеним уљем имала је следеће параметре: струја пуњења од 11,3 А/км даје снагу пуњења од 1490 кВА/км, што је 25 пута веће од аналогних параметара надземних далеководи сличног напона.

По капацитету, подземна инсталација у Чикагу у првој фази показала се сличном паралелно спојеном електричном кондензатору од 14 МВА, ау Њујорку је капацитет капацитивне струје достигао 28 МВА и то са преношеном снагом од 98 МВА. Радни капацитет кабла је приближно 0,27 Фарада по километру.

Губици у празном ходу када је оптерећење мало узроковано је управо капацитивном струјом, која генерише џулову топлоту, а пуно оптерећење доприноси ефикаснијем раду електрана. У неоптерећеној мрежи, таква реактивна струја снижава напон генератора, због чега се постављају посебни захтеви за њихове дизајне.Да би се смањила капацитивна струја, фреквенција струје високог напона се повећава, на пример, током испитивања каблова, али је то тешко спровести, а понекад се прибегава пуњењу каблова индуктивним реакторима.

Дакле, кабл увек има капацитивност и отпор уземљења који одређују капацитивну струју. Отпор изолације кабла Р при напону напајања од 380 В мора бити најмање 0,4 МΩ. Капацитет кабла Ц зависи од дужине кабла, начина полагања итд.

За трофазни кабл са винилном изолацијом, напоном до 600 В и фреквенцијом мреже 50 Хз, зависност капацитивне струје од површине попречног пресека струјних жица и његове дужине приказана је на слици. За израчунавање капацитивне струје треба користити податке из спецификација произвођача каблова.

Ако је капацитивна струја 1 мА или мања, то не утиче на рад драјвова.

Капацитет каблова у уземљеним мрежама игра важну улогу. Струје уземљења су скоро директно пропорционалне капацитивним струјама и, сходно томе, капацитету самог кабла. Стога, у великим метрополитанским подручјима, земаљски токови огромних урбаних мрежа достижу огромне вредности.

Надамо се да вам је овај кратак материјал помогао да стекнете општу представу о капацитету кабла, како он утиче на рад електричних мрежа и инсталација и зашто је потребно посветити дужну пажњу овом параметру кабла.