Ηλεκτρική χωρητικότητα του καλωδίου

Κατά την ενεργοποίηση ή απενεργοποίηση της τάσης DC σε ένα καλωδιακό δίκτυο ή υπό την επίδραση της τάσης AC, εμφανίζεται πάντα ένα χωρητικό ρεύμα. Μακροχρόνιο χωρητικό ρεύμα υπάρχει μόνο στη μόνωση των καλωδίων υπό την επίδραση εναλλασσόμενης τάσης. Η αγωγή σταθερού ρεύματος υπάρχει ανά πάσα στιγμή και εφαρμόζεται σταθερό ρεύμα στη μόνωση του καλωδίου. Με περισσότερες λεπτομέρειες σχετικά με τη χωρητικότητα του καλωδίου, σχετικά με τη φυσική σημασία αυτού του χαρακτηριστικού και θα συζητηθούν σε αυτό το άρθρο.

Από τη σκοπιά της φυσικής, ένα συμπαγές κυκλικό καλώδιο είναι ουσιαστικά ένας κυλινδρικός πυκνωτής. Και αν πάρουμε την τιμή του φορτίου της εσωτερικής κυλινδρικής πλάκας ως Q, τότε ανά μονάδα της επιφάνειάς της θα υπάρχει μια ποσότητα ηλεκτρικής ενέργειας που μπορεί να υπολογιστεί με τον τύπο:

Εδώ e είναι η διηλεκτρική σταθερά της μόνωσης του καλωδίου.

Σύμφωνα με τη θεμελιώδη ηλεκτροστατική, η ένταση του ηλεκτρικού πεδίου E στην ακτίνα r θα είναι ίση με:

Και αν λάβουμε υπόψη την εσωτερική κυλινδρική επιφάνεια του καλωδίου σε κάποια απόσταση από το κέντρο του και αυτή θα είναι η ισοδυναμική επιφάνεια, τότε η ένταση του ηλεκτρικού πεδίου ανά μονάδα επιφάνειας αυτής της επιφάνειας θα είναι ίση με:

Η διηλεκτρική σταθερά της μόνωσης του καλωδίου ποικίλλει ευρέως ανάλογα με τις συνθήκες λειτουργίας και τον τύπο της μόνωσης που χρησιμοποιείται. Έτσι, το βουλκανισμένο καουτσούκ έχει διηλεκτρική σταθερά από 4 έως 7,5 και το εμποτισμένο χαρτί καλωδίων έχει διηλεκτρική σταθερά 3 έως 4,5. Παρακάτω θα φανεί πώς η διηλεκτρική σταθερά, και επομένως η χωρητικότητα, σχετίζονται με τη θερμοκρασία.

Ας στραφούμε στη μέθοδο του καθρέφτη του Kelvin. Τα πειραματικά δεδομένα δίνουν μόνο τύπους για τον κατά προσέγγιση υπολογισμό των τιμών χωρητικότητας του καλωδίου και αυτοί οι τύποι λαμβάνονται με βάση τη μέθοδο κατοπτρικής ανάκλασης. Η μέθοδος βασίζεται στη θέση ότι ένα κυλινδρικό μεταλλικό κέλυφος που περιβάλλει ένα απείρως μακρύ λεπτό σύρμα L φορτισμένο σε τιμή Q επηρεάζει αυτό το καλώδιο με τον ίδιο τρόπο όπως ένα σύρμα L1 που είναι αντίθετα φορτισμένο, αλλά υπό την προϋπόθεση ότι:

Οι άμεσες μετρήσεις χωρητικότητας δίνουν διαφορετικά αποτελέσματα με διαφορετικές μεθόδους μέτρησης. Για το λόγο αυτό, η χωρητικότητα του καλωδίου μπορεί να χωριστεί χονδρικά σε:

• Cst — στατική χωρητικότητα, η οποία λαμβάνεται με συνεχή μέτρηση ρεύματος με επακόλουθη σύγκριση.

• Seff είναι η ενεργός χωρητικότητα, η οποία υπολογίζεται από τα δεδομένα του βολτόμετρου και του αμπερόμετρου κατά τη δοκιμή με εναλλασσόμενο ρεύμα με τον τύπο: Сeff = Ieff /(ωUeff)

• C είναι η πραγματική χωρητικότητα, η οποία προκύπτει από την ανάλυση του παλμογράφου ως προς τον λόγο της μέγιστης φόρτισης προς τη μέγιστη τάση κατά τη διάρκεια της δοκιμής.

Στην πραγματικότητα, αποδείχθηκε ότι η τιμή του C της πραγματικής χωρητικότητας του καλωδίου είναι πρακτικά σταθερή, εκτός από περιπτώσεις βλάβης της μόνωσης, επομένως η μεταβολή της τάσης δεν επηρεάζει τη διηλεκτρική σταθερά της μόνωσης του καλωδίου.

Ωστόσο, η επίδραση της θερμοκρασίας στη διηλεκτρική σταθερά γίνεται αντιληπτή και με την αύξηση της θερμοκρασίας μειώνεται στο 5% και κατά συνέπεια μειώνεται η πραγματική χωρητικότητα C του καλωδίου. Σε αυτή την περίπτωση, δεν υπάρχει καμία εξάρτηση της πραγματικής χωρητικότητας από τη συχνότητα και το σχήμα του ρεύματος.

Η στατική χωρητικότητα Cst του καλωδίου σε θερμοκρασίες κάτω των 40 ° C είναι σύμφωνη με την τιμή της πραγματικής χωρητικότητας C και αυτό οφείλεται στην αραίωση του εμποτισμού. σε υψηλότερες θερμοκρασίες, η στατική ικανότητα Cst αυξάνεται.Η φύση της ανάπτυξης φαίνεται στο γράφημα, η καμπύλη 3 δείχνει τη μεταβολή της στατικής χωρητικότητας του καλωδίου με μια αλλαγή στη θερμοκρασία.

Η αποτελεσματική χωρητικότητα Ceff εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από το τρέχον σχήμα. Ένα καθαρό ημιτονοειδές ρεύμα έχει ως αποτέλεσμα μια σύμπτωση πραγματικής και πραγματικής χωρητικότητας. Μια απότομη μορφή ρεύματος οδηγεί σε αύξηση της ενεργού χωρητικότητας κατά μιάμιση φορά, μια αμβλύ μορφή ρεύματος μειώνει την ενεργή χωρητικότητα.

Η αποτελεσματική χωρητικότητα Ceff έχει πρακτική σημασία, καθώς καθορίζει τα σημαντικά χαρακτηριστικά του ηλεκτρικού δικτύου. Με τον ιονισμό στο καλώδιο, η αποτελεσματική χωρητικότητα αυξάνεται.

Στο παρακάτω γράφημα:

1 — εξάρτηση της αντίστασης μόνωσης του καλωδίου από τη θερμοκρασία.

2 — λογάριθμος αντίστασης μόνωσης καλωδίου σε σχέση με τη θερμοκρασία.

3 — εξάρτηση της τιμής της στατικής χωρητικότητας Cst του καλωδίου από τη θερμοκρασία.

Κατά τον ποιοτικό έλεγχο παραγωγής της μόνωσης του καλωδίου, η χωρητικότητα πρακτικά δεν είναι καθοριστική, εκτός από τη διαδικασία εμποτισμού κενού σε λέβητα ξήρανσης. Για δίκτυα χαμηλής τάσης, η χωρητικότητα δεν είναι επίσης πολύ σημαντική, αλλά επηρεάζει τον συντελεστή ισχύος με επαγωγικά φορτία.

Και όταν εργάζεστε σε δίκτυα υψηλής τάσης, η χωρητικότητα του καλωδίου είναι εξαιρετικά σημαντική και μπορεί να προκαλέσει προβλήματα κατά τη λειτουργία της εγκατάστασης στο σύνολό της. Για παράδειγμα, μπορείτε να συγκρίνετε εγκαταστάσεις με τάση λειτουργίας 20.000 βολτ και 50.000 βολτ.

Ας υποθέσουμε ότι πρέπει να μεταδώσετε 10 MVA με συνημίτονο phi ίσο με 0,9 για απόσταση 15,5 km και 35,6 km. Για την πρώτη περίπτωση, τη διατομή του σύρματος, λαμβάνοντας υπόψη την επιτρεπόμενη θέρμανση, επιλέγουμε 185 τ.μ., για τη δεύτερη - 70 τ.μ. Η πρώτη βιομηχανική εγκατάσταση 132 kV στις ΗΠΑ με καλώδιο γεμάτο λάδι είχε τις ακόλουθες παραμέτρους: το ρεύμα φόρτισης 11,3 A / km δίνει ισχύ φόρτισης 1490 kVA / km, η οποία είναι 25 φορές υψηλότερη από τις ανάλογες παραμέτρους της γενικής επιβάρυνσης γραμμές μεταφοράς παρόμοιας τάσης.

Όσον αφορά τη χωρητικότητα, η υπόγεια εγκατάσταση του Σικάγο στο πρώτο στάδιο αποδείχθηκε παρόμοια με έναν παράλληλα συνδεδεμένο ηλεκτρικό πυκνωτή 14 MVA και στη Νέα Υόρκη η χωρητικότητα ρεύματος έφτασε τα 28 MVA και αυτό με ισχύ εκπομπής 98 MVA. Η ικανότητα εργασίας του καλωδίου είναι περίπου 0,27 Farads ανά χιλιόμετρο.

Οι απώλειες χωρίς φορτίο όταν το φορτίο είναι ελαφρύ προκαλούνται ακριβώς από το χωρητικό ρεύμα, το οποίο παράγει θερμότητα Joule και το πλήρες φορτίο συμβάλλει στην αποτελεσματικότερη λειτουργία των σταθμών παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας. Σε ένα δίκτυο χωρίς φορτίο, ένα τέτοιο άεργο ρεύμα μειώνει την τάση των γεννητριών, γι' αυτό και επιβάλλονται ειδικές απαιτήσεις στα σχέδια τους.Προκειμένου να μειωθεί το χωρητικό ρεύμα, η συχνότητα του ρεύματος υψηλής τάσης αυξάνεται, για παράδειγμα, κατά τη διάρκεια της δοκιμής καλωδίων, αλλά αυτό είναι δύσκολο να εφαρμοστεί και μερικές φορές καταφεύγουμε στη φόρτιση των καλωδίων με επαγωγικούς αντιδραστήρες.

Έτσι το καλώδιο έχει πάντα χωρητικότητα και αντίσταση γείωσης που καθορίζουν το χωρητικό ρεύμα. Η αντίσταση μόνωσης του καλωδίου R σε τάση τροφοδοσίας 380 V πρέπει να είναι τουλάχιστον 0,4 MΩ. Η χωρητικότητα του καλωδίου C εξαρτάται από το μήκος του καλωδίου, τον τρόπο τοποθέτησης κ.λπ.

Για ένα καλώδιο τριών φάσεων με μόνωση βινυλίου, τάση έως 600 V και συχνότητα δικτύου 50 Hz, η εξάρτηση του χωρητικού ρεύματος από την περιοχή διατομής των καλωδίων μεταφοράς ρεύματος και το μήκος του φαίνεται στο σχήμα. Για τον υπολογισμό του χωρητικού ρεύματος θα πρέπει να χρησιμοποιούνται δεδομένα από τις προδιαγραφές του κατασκευαστή του καλωδίου.

Εάν το χωρητικό ρεύμα είναι 1 mA ή λιγότερο, δεν επηρεάζει τη λειτουργία των ηλεκτροκινητήρων.

Η χωρητικότητα των καλωδίων σε γειωμένα δίκτυα παίζει σημαντικό ρόλο. Τα ρεύματα γείωσης είναι σχεδόν άμεσα ανάλογα με τα χωρητικά ρεύματα και, κατά συνέπεια, με την χωρητικότητα του ίδιου του καλωδίου. Επομένως, σε μεγάλες μητροπολιτικές περιοχές, τα ρεύματα εδάφους τεράστιων αστικών δικτύων φτάνουν σε τεράστιες τιμές.

Ελπίζουμε ότι αυτό το σύντομο υλικό σας βοήθησε να αποκτήσετε μια γενική ιδέα για τη χωρητικότητα του καλωδίου, πώς επηρεάζει τη λειτουργία ηλεκτρικών δικτύων και εγκαταστάσεων και γιατί είναι απαραίτητο να δώσετε τη δέουσα προσοχή σε αυτήν την παράμετρο καλωδίου.