Elektrická kapacita kabelu

Při zapínání nebo vypínání stejnosměrného napětí v kabelové síti nebo pod vlivem střídavého napětí vždy vzniká kapacitní proud. Dlouhodobý kapacitní proud existuje pouze v izolaci kabelů pod vlivem střídavého napětí. Konstantní vedení proudu existuje vždy a do izolace kabelu je přiváděn konstantní proud. Podrobněji o kapacitě kabelu, o fyzickém významu této charakteristiky a bude diskutováno v tomto článku.

Z hlediska fyziky je pevný kruhový kabel v podstatě válcový kondenzátor. A pokud vezmeme hodnotu náboje vnitřní válcové desky jako Q, pak na jednotku jejího povrchu bude množství elektřiny, které lze vypočítat podle vzorce:

Zde e je dielektrická konstanta izolace kabelu.

Podle základní elektrostatiky bude intenzita elektrického pole E na poloměru r rovna:

A pokud vezmeme v úvahu vnitřní válcový povrch kabelu v určité vzdálenosti od jeho středu, a to bude ekvipotenciální povrch, bude síla elektrického pole na jednotku plochy tohoto povrchu rovna:

Dielektrická konstanta izolace kabelu se značně liší v závislosti na provozních podmínkách a typu použité izolace. Vulkanizovaný kaučuk má tedy dielektrickou konstantu 4 až 7,5 a impregnovaný kabelový papír má dielektrickou konstantu 3 až 4,5. Níže bude ukázáno, jak souvisí dielektrická konstanta, a tedy i kapacita, s teplotou.

Vraťme se ke Kelvinově zrcadlové metodě. Experimentální data poskytují pouze vzorce pro přibližný výpočet hodnot kapacity kabelu a tyto vzorce jsou získány na základě metody zrcadlového odrazu. Metoda je založena na pozici, že válcová kovová skořepina obklopující nekonečně dlouhý tenký drát L nabitý na hodnotu Q ovlivňuje tento drát stejným způsobem jako drát L1 opačně nabitý, ale za předpokladu, že:

Přímá měření kapacity poskytují různé výsledky s různými metodami měření. Z tohoto důvodu lze kapacitu kabelu zhruba rozdělit na:

• Cst — statická kapacita, která se získá kontinuálním měřením proudu s následným porovnáním;

• Seff je efektivní kapacita, která se vypočítá z údajů voltmetru a ampérmetru při testování se střídavým proudem podle vzorce: Сeff = Ieff /(ωUeff)

• C je skutečná kapacita, která se získá z analýzy oscilogramu z hlediska poměru maximálního náboje k maximálnímu napětí během testu.

Ve skutečnosti se ukázalo, že hodnota C skutečné kapacity kabelu je s výjimkou případů průrazu izolace prakticky konstantní, proto změna napětí neovlivňuje dielektrickou konstantu izolace kabelu.

Vliv teploty na dielektrickou konstantu je však realizován a s rostoucí teplotou klesá na 5 % a podle toho klesá skutečná kapacita C kabelu. V tomto případě neexistuje žádná závislost skutečné kapacity na frekvenci a tvaru proudu.

Statická kapacita Cst kabelu při teplotách pod 40 °C je v souladu s hodnotou jeho skutečné kapacity C a to je způsobeno zředěním impregnace; při vyšších teplotách roste statická kapacita Cst Charakter růstu je znázorněn v grafu, křivka 3 na něm ukazuje změnu statické kapacity kabelu se změnou teploty.

Efektivní kapacita Ceff je silně závislá na tvaru proudu. Čistý sinusový proud má za následek shodu efektivní a skutečné kapacity. Ostrá forma proudu vede ke zvýšení efektivní kapacity jedenapůlkrát, forma tupého proudu snižuje efektivní kapacitu.

Efektivní kapacita Ceff má praktický význam, protože určuje důležité vlastnosti elektrické sítě. S ionizací v kabelu se efektivní kapacita zvyšuje.

V níže uvedeném grafu:

1 — závislost izolačního odporu kabelu na teplotě;

2 — logaritmus izolačního odporu kabelu v závislosti na teplotě;

3 — závislost hodnoty statické kapacity Cst kabelu na teplotě.

Při kontrole kvality výroby izolace kabelu není kapacita prakticky rozhodující, kromě procesu vakuové impregnace v sušícím kotli. U nízkonapěťových sítí není kapacita také příliš důležitá, ale ovlivňuje účiník u indukčních zátěží.

A při práci ve vysokonapěťových sítích je kapacita kabelu nesmírně důležitá a může způsobit problémy při provozu instalace jako celku. Můžete například porovnat instalace s provozním napětím 20 000 voltů a 50 000 voltů.

Řekněme, že potřebujete přenést 10 MVA s kosinusem phi rovným 0,9 na vzdálenost 15,5 km a 35,6 km. Pro první případ, průřez drátu, s přihlédnutím k přípustnému ohřevu, zvolíme 185 čtverečních Mm, pro druhý - 70 čtverečních Mm. První průmyslová instalace 132 kV v USA s olejem plněným kabelem měla tyto parametry: nabíjecí proud 11,3 A/km dává nabíjecí výkon 1490 kVA/km, což je 25krát více než analogické parametry troleje přenosové vedení podobného napětí.

Z hlediska kapacity se podzemní instalace v Chicagu v první etapě ukázala jako podobná paralelně zapojenému elektrickému kondenzátoru o výkonu 14 MVA a v New Yorku dosáhla kapacitní proudová kapacita 28 MVA a to s přenášeným výkonem 98 MVA. Pracovní kapacita kabelu je přibližně 0,27 Farad na kilometr.

Ztráty naprázdno při nízké zátěži jsou způsobeny právě kapacitním proudem, který generuje Jouleovo teplo a plné zatížení přispívá k efektivnějšímu provozu elektráren. V nezatížené síti takový jalový proud snižuje napětí generátorů, proto jsou na jejich konstrukce kladeny zvláštní požadavky.Aby se snížil kapacitní proud, zvyšuje se frekvence vysokonapěťového proudu, například při testování kabelů, což je však obtížné realizovat a někdy se uchýlí k nabíjení kabelů pomocí indukčních tlumivek.

Takže kabel má vždy kapacitu a zemní odpor, které určují kapacitní proud. Izolační odpor kabelu R při napájecím napětí 380 V musí být minimálně 0,4 MΩ. Kapacita kabelu C závisí na délce kabelu, způsobu uložení atd.

Pro třífázový kabel s vinylovou izolací, napětím do 600 V a frekvencí sítě 50 Hz je závislost kapacitního proudu na ploše průřezu vodičů proudu a jeho délce znázorněna na obrázku. Pro výpočet kapacitního proudu by měla být použita data ze specifikací výrobce kabelu.

Pokud je kapacitní proud 1 mA nebo méně, nemá to vliv na provoz pohonů.

Důležitou roli hraje kapacita kabelů v uzemněných sítích. Zemnící proudy jsou téměř přímo úměrné kapacitním proudům a tedy kapacitě samotného kabelu. Ve velkých metropolitních oblastech proto zemní proudy obrovských městských sítí dosahují obrovských hodnot.

Doufáme, že vám tento krátký materiál pomohl získat obecnou představu o kapacitě kabelů, o tom, jaký má vliv na provoz elektrických sítí a instalací a proč je nutné tomuto parametru kabelu věnovat náležitou pozornost.