קיבולת החשמל של הכבל

בעת הפעלה או כיבוי של מתח DC ברשת כבלים או תחת השפעת מתח AC, תמיד מתרחש זרם קיבולי. זרם קיבולי לטווח ארוך קיים רק בבידוד של כבלים בהשפעת מתח חילופין. הולכת זרם קבוע קיימת בכל עת וזרם קבוע מופעל על בידוד הכבל. בפירוט רב יותר על הקיבולת של הכבל, על המשמעות הפיזית של מאפיין זה ויידונו במאמר זה.

מנקודת המבט של הפיזיקה, כבל עגול מוצק הוא בעצם קבל גלילי. ואם ניקח את ערך המטען של הלוח הגלילי הפנימי כ-Q, אז ליחידה של פני השטח שלה תהיה כמות חשמל שניתן לחשב בנוסחה:

כאן e הוא הקבוע הדיאלקטרי של בידוד הכבל.

לפי אלקטרוסטטיקה בסיסית, עוצמת השדה החשמלי E ברדיוס r יהיה שווה ל:

ואם ניקח בחשבון את המשטח הגלילי הפנימי של הכבל במרחק מסוים מהמרכז שלו, וזה יהיה משטח שווי הפוטנציאל, אז עוצמת השדה החשמלי ליחידת שטח של משטח זה יהיה שווה ל:

הקבוע הדיאלקטרי של בידוד הכבלים משתנה מאוד בהתאם לתנאי ההפעלה ולסוג הבידוד שבו נעשה שימוש. לפיכך, לגומי מגופר יש קבוע דיאלקטרי של 4 עד 7.5, ולנייר כבלים ספוג יש קבוע דיאלקטרי של 3 עד 4.5. להלן יוצג כיצד הקבוע הדיאלקטרי, ומכאן הקיבול, קשורים לטמפרטורה.

בואו נפנה לשיטת המראה של קלווין. נתוני ניסויים נותנים רק נוסחאות לחישוב משוער של ערכי קיבול הכבלים, ונוסחאות אלו מתקבלות על סמך שיטת ההשתקפות הספקולרית. השיטה מבוססת על העמדה לפיה מעטפת מתכת גלילית המקיפה חוט דק L ארוך לאין שיעור הטעון לערך Q משפיעה על חוט זה באותו אופן כמו חוט L1 בעל מטען הפוך, אך בתנאי ש:

מדידות קיבול ישירות נותנות תוצאות שונות עם שיטות מדידה שונות. מסיבה זו, ניתן לחלק את קיבולת הכבלים באופן גס ל:

• Cst - קיבול סטטי, המתקבל על ידי מדידת זרם רציפה עם השוואה לאחר מכן;

• Seff הוא הקיבול האפקטיבי, אשר מחושב מנתוני מד המתח ומד הזרם בעת בדיקה עם זרם חילופין לפי הנוסחה: Сeff = Ieff /(ωUeff)

• C הוא הקיבול בפועל, המתקבל מניתוח האוסילוגרמה במונחים של היחס בין המטען המקסימלי למתח המרבי במהלך הבדיקה.

למעשה, התברר כי הערך של C של הקיבול בפועל של הכבל הוא כמעט קבוע, למעט מקרים של התמוטטות בידוד, ולכן השינוי במתח אינו משפיע על הקבוע הדיאלקטרי של בידוד הכבל.

עם זאת, השפעת הטמפרטורה על הקבוע הדיאלקטרי מתממשת ועם עליית הטמפרטורה היא יורדת ל-5% ובהתאם לכך הקיבול C בפועל של הכבל יורד. במקרה זה, אין תלות של הקיבולת בפועל בתדירות ובצורת הזרם.

הקיבולת הסטטית Cst של הכבל בטמפרטורות מתחת ל-40 מעלות צלזיוס תואמת את ערך הקיבולת האמיתית שלו C וזה נובע מדילול ההספגה; בטמפרטורות גבוהות יותר, הקיבולת הסטטית Cst עולה אופי הגידול מוצג בגרף, עקומה 3 עליה מציגה את השינוי בקיבולת הסטטית של הכבל עם שינוי בטמפרטורה.

הקיבול האפקטיבי Ceff תלוי מאוד בצורה הנוכחית. זרם סינוסואידי טהור מביא לצירוף מקרים של קיבול יעיל ואמיתי. צורת זרם חד מביאה להגדלת הקיבולת האפקטיבית פי אחד וחצי, צורת זרם קהה מפחיתה את הקיבולת האפקטיבית.

לקיבולת האפקטיבית Ceff יש חשיבות מעשית, שכן היא קובעת את המאפיינים החשובים של רשת החשמל. עם יינון בכבל, הקיבול האפקטיבי גדל.

בגרף למטה:

1 - תלות של התנגדות בידוד כבל בטמפרטורה;

2 - לוגריתם של התנגדות בידוד כבל מול טמפרטורה;

3 - תלות של ערך הקיבולת הסטטית Cst של הכבל בטמפרטורה.

במהלך בקרת איכות הייצור של בידוד הכבל, הקיבולת למעשה אינה מכרעת, למעט בתהליך של הספגה בוואקום בדוד ייבוש. עבור רשתות מתח נמוך, הקיבול הוא גם לא מאוד חשוב, אבל זה משפיע על גורם ההספק עם עומסים אינדוקטיביים.

וכאשר עובדים ברשתות מתח גבוה, קיבולת הכבל חשובה ביותר ועלולה לגרום לבעיות במהלך פעולת המתקן כולה. כך למשל, ניתן להשוות בין מתקנים במתח הפעלה של 20,000 וולט ו-50,000 וולט.

נניח שאתה צריך לשדר 10 MVA עם קוסינוס של phi שווה ל-0.9 למרחק של 15.5 ק"מ ו-35.6 ק"מ. במקרה הראשון, חתך החוט, תוך התחשבות בחימום המותר, אנו בוחרים 185 מ"ר מ"ר, עבור השני - 70 מ"ר מ"ר. למתקן התעשייתי הראשון של 132 קילו וולט בארה"ב עם כבל מלא בשמן היו הפרמטרים הבאים: זרם הטעינה של 11.3 A/ק"מ נותן הספק טעינה של 1490 קילוואט ק"מ, שהוא פי 25 גבוה מהפרמטרים המקבילים של התקורה קווי תמסורת במתח דומה.

מבחינת קיבולת, המתקן התת קרקעי בשיקגו בשלב הראשון הוכיח את עצמו כדומה לקבל חשמלי מחובר מקביל של 14 MVA, ובעיר ניו יורק קיבולת הזרם הקיבולי הגיעה ל-28 MVA וזאת בהספק מועבר של 98 MVA. כושר העבודה של הכבל הוא כ-0.27 פאראד לקילומטר.

הפסדים ללא עומס כאשר העומס קל נגרמים בדיוק מהזרם הקיבולי, שיוצר חום ג'ול, ועומס מלא תורם לפעולה יעילה יותר של תחנות כוח. ברשת לא עמוסה, זרם תגובתי כזה מוריד את המתח של הגנרטורים, וזו הסיבה שדרישות מיוחדות מוטלות על העיצובים שלהם.על מנת להפחית את הזרם הקיבולי, תדירות זרם המתח הגבוה מוגברת, למשל, במהלך בדיקת כבלים, אך קשה ליישם זאת, ולעיתים פונים לטעינת הכבלים בכורים אינדוקטיביים.

אז לכבל תמיד יש קיבול והתנגדות הארקה שקובעים את הזרם הקיבולי. התנגדות הבידוד של הכבל R במתח אספקה ​​של 380 V חייבת להיות לפחות 0.4 MΩ. הקיבולת של כבל C תלויה באורך הכבל, אופן הנחתו וכו'.

עבור כבל תלת פאזי עם בידוד ויניל, מתח עד 600 וולט ותדר רשת 50 הרץ, התלות של הזרם הקיבולי בשטח החתך של החוטים נושאי הזרם ואורכו מוצגת באיור. יש להשתמש בנתונים ממפרט יצרן הכבלים כדי לחשב את הזרם הקיבולי.

אם הזרם הקיבולי הוא 1 mA או פחות, זה לא משפיע על פעולת הכוננים.

קיבולת הכבלים ברשתות מוארקות משחקת תפקיד חשוב. זרמי הארקה הם כמעט פרופורציונליים לזרמים קיבוליים, ובהתאם, לקיבול של הכבל עצמו. לכן, במטרופולינים גדולים זרמי הקרקע של רשתות עירוניות ענקיות מגיעים לערכים עצומים.

אנו מקווים שחומר קצר זה עזר לך לקבל מושג כללי על קיבולת הכבלים, כיצד היא משפיעה על פעולת רשתות החשמל והמתקנים, ומדוע יש צורך לשים לב לפרמטר כבלים זה.