Емкость кабеля 5х2 что это

При включении или выключении постоянного напряжения в кабельной сети, или под действием переменного напряжения, всегда возникает емкостный ток. Длительно емкостный ток существует только в изоляции кабелей, находящихся под воздействием переменного напряжения. Ток проводимости при постоянном токе существует все время, а к изоляции кабеля оказывается приложено напряжение постоянного тока. Более подробно о емкости кабеля, о физическом смысле этой характеристики и будет рассказано в данной статье.

С точки зрения физики, одножильный кабель круглого сечения является по сути цилиндрическим конденсатором. И если принять за Q величину заряда внутренней цилиндрической обкладки, то на единицу ее поверхности придется количество электричества, которое можно вычислить по формуле:

Здесь е — диэлектрическая проницаемость кабельной изоляции.

В соответствии с фундаментальной электростатикой, напряженность электрического поля Е при радиусе r окажется равной:

И если рассмотреть внутреннюю цилиндрическую поверхность кабеля на некотором удалении от его центра, а это будет эквипотенциальная поверхность, то напряженность электрического поля для единицы площади данной поверхности окажется равной:

Диэлектрическая проницаемость изоляции кабеля колеблется в широких пределах, в зависимости от условий эксплуатации и типа примененной изоляции. Так, вулканизированная резина имеет диэлектрическую проницаемость от 4 до 7,5, а пропитанная кабельная бумага — от 3 до 4,5. Дальше будет показано, как диэлектрическая проницаемость, а значит и емкость, связаны с температурой.

Обратимся к Кельвинову методу зеркального отражения. Опытные данные дают лишь формулы для приблизительного вычисления значений емкостей кабелей, и выводятся эти формулы на базе метода зеркального отражения. В основе метода положение о том, что цилиндрическая оболочка из металла, окружающая бесконечно длинный тонкий проводник L, заряженный до величины Q, влияет на этот проводник так же, как провод L1, заряженный противоположно, но с условием, что:

Прямые измерения емкостей дают различные результаты при разных методах измерения. По этой причине емкость кабеля можно условно разделить на:

Cст – емкость статическую, которая получается посредством измерения непрерывным током с последующим сравнением;

Сэфф – эффективную емкость, которую вычисляют на основе данных вольтметра и амперметра при тестировании переменным током по формуле: Сeff = Ieff/ (ωUeff)

С – действительную емкость, которая получается из анализа осциллограммы по отношению максимального заряда к максимальному напряжению во время теста.

В действительности выяснилось, что величина С действительной емкости кабеля практически постоянна за исключением случаев пробоя изоляции, следовательно на диэлектрической проницаемости изоляции кабеля изменение напряжения не сказывается.

Однако влияние температуры на диэлектрическую проницаемость имеет место, и с ростом температуры она снижается до 5%, и соответственно снижается действительная емкость С кабеля. При этом отсутствует зависимость действительной емкости от частоты и формы тока.

Статическая емкость Сст кабеля при температурах ниже 40 °C согласуется со значением его действительной емкости С, и связано это с разжижением пропитки, при более высоких температурах статическая емкость Сст увеличивается. Характер роста отражен на графике, на нем кривая 3 показывает изменение статической емкости кабеля с изменением температуры.

Эффективная емкость Сэфф сильно зависима от формы тока. Чистый синусоидальный ток приводит к согласованию эффективной и действительной емкостей. Острая форма тока приводит к росту эффективной емкости в полтора раза, тупая форма тока — эффективную емкость уменьшает.

Практическое значение имеет эффективная емкость Сэфф, поскольку именно она определяет важные характеристики электрической сети. При ионизации в кабеле эффективная емкость увеличивается.

На приведенном графике:

1 — зависимость сопротивления кабельной изоляции от температуры;

2 — логарифм сопротивления кабельной изоляции от температуры;

3 — зависимость величины статической емкости Сст кабеля от температуры.

Во время производственного контроля качества изоляции кабеля, емкость практически не имеет решающего значения, разве что в процессе режима вакуумной пропитки в сушильном котле. Для низковольтных сетей емкость также не особо важна, но она влияет на коэффициент мощности при нагрузках индуктивного характера.

А при работе в высоковольтных сетях, емкость кабеля крайне важна, и может вызвать проблемы в процессе функционирования установки в целом. Например, можно сравнить установки с рабочим напряжением в 20000 вольт и 50000 вольт.

Допустим, необходимо передать 10 МВА при косинусе фи равном 0,9 на расстояние 15,5 км и 35,6 км. Для первого случая сечение жил с учетом допустимого нагрева выбираем 185 кв.мм, для второго — 70 кв.мм. Первая промышленная установка на 132 кВ в США с маслонаполненным кабелем имела следующие параметры: зарядный ток в 11,3 А/км дал зарядную мощность в 1490 кВа/км, что 25-кратно превысило аналогичные параметры воздушных ЛЭП аналогичного напряжения.

По емкости подземная установка в Чикаго первой очереди оказалась сродни параллельно включенному электрическому конденсатору на 14 МВА, а в городе Нью-Йорке мощность емкостного тока достигла 28 МВА, и это при передаваемой мощности в 98 МВА. Рабочая емкость кабеля оказалась приблизительно равной 0,27 Фарад на километр.

Потери холостого хода, когда нагрузка слаба, вызываются именно емкостном током, порождающим джоулево тепло, а полная нагрузка способствует более эффективной работе электростанций. В разгруженной сети такой реактивный ток понижает напряжение генераторов, по этой причине к их конструкциям предъявляют особые требования. С целью снижения емкостного тока повышают частоту тока высокого напряжения, например во время испытаний кабелей, но это реализовать трудно, и иногда прибегают к нагружению кабелей индуктивными реакторами.

Так, кабель всегда имеет емкость и активное сопротивление по отношению к земле, которые обуславливают емкостной ток. Сопротивление изоляции кабеля R при питающем напряжении 380 В должно быть не менее 0,4 МОм. Емкость кабеля С зависит от длины кабеля, способа его прокладки и т. д.

Для трехфазного кабеля с виниловой изоляцией, напряжением до 600 В и частотой сети 50 Гц зависимость емкостного тока от площади сечения токоведущих жил и его длины показана на рисунке. Для расчета емкостного тока необходимо использовать данные из технических условий изготовителя кабеля.

Если величина емкостного тока составляет 1 мА или меньше, это не влияет на работу электроприводов.

Важную роль играет емкость кабелей в заземляемых сетях. Токи заземления почти прямо пропорциональны емкостным токам и соответственно самой емкости кабеля. Поэтому в крупных мегаполисах токи заземления обширных городских сетей достигают огромных величин.

Надеемся, что этот краткий материал помог вам получить общее представление о емкости кабеля, о том, как она влияет на работу электрических сетей и установок, и почему необходимо уделять этому параметру кабеля должное внимание.

Емкость одножильного и отдельных экранированных жил много­жильного кабеля, включая радиочастотные кабели (рис. 2-6),

Емкость кабелей измеряют и нормируют в микрофарадах

(10–6 ф), нанофарадах (10–9 ф) и пикофарадах (10–12 ф) на 1 км или 1 м.

Емкость радиочастотных коаксиальных кабелей с многопрово­лочным внутренним проводником

где k3=0,98/0,99—коэффициент, учитывающий форму внешнего про­водника и представляющий собой отношение емкости кабеля с внеш­ним (Проводником в форме оплетки к емкости кабеля с.внешним про­водником в форме сплошной трубы; dэ — эквивалентный диаметр, мм. Емкость одной жилы двухжильного кабеля в общей металличе­ской оболочке и одной жилы симметричного экранированного радиочастотного кабеля (обе жилы имеют равные по величине, но противоположные по знаку потенциалы)

Если же оба провода находятся под одним и тем же потенциалом

Емкость двухжильного кабеля в общих металлической оболочке или экране может быть определена из частичных емкостей (рис. 1-14) по формуле:

где С1 — емкость между жилами А и В, соединенными с оболочкой или экраном; С12 — емкость жил А и В, соединенных вместе против оболочки и экрана; l — длина кабеля, м.

Емкость неэкранированного двухжильного (симметричного) ка­беля

Рабочая емкость жилы трехжильного кабеля (рис. 2-6):

Емкость трехжильных кабелей с секторными жилами может быть приближенно определена по этим же формулам с заменой сек­торных жил круглыми, но с сечением, увеличенным на 50% при той же толщине изоляции.

Емкость трехжильного кабеля с поясной изоляцией в общей ме­таллической оболочке или в экране выражается через частичные емкости между жилами и каждой жилы относительно оболочки кабеля (рис. 2-6). Вследствие симметрии жил С10=С20=С30 и С12 = C23 = C13. Емкость каждой жилы относительно двух других жил, соединенных с оболочкой (или экраном):

Емкость двух жил, соединенных вместе, относительно третьей жилы, соединенной с оболочкой (или экраном):

Емкость всех трех соединенных вместе жил относительно обо­лочки (или экрана):

Рабочая емкость трехжильного кабеля при трехфазном токе

Частичные емкости: между двумя жилами

между жилой и оболочкой (или экраном)

Емкостное реактивное сопротивление кабеля

где С — емкость кабеля, ф/км.

Емкость групп кабелей связи в общем виде с учетом системы скрутки и величины укрутки жил:

ψ — поправочный коэффициент, характеризующий удаление жил от заземленной оболочки или экрана (табл. 2-4), при большом удалении, ψ =1. Численные значения поправочного коэффициента ψ в зависимости от отношения диаметров жилы по изоляции (d1) к диаметру жилы (d) приведены в табл. 2–5.

Значения α и ψ для расчета рабочей емкости кабелей связи

Численные значения коэффициента ψ для парной, четверочной и двойной парной скруток

Эквивалентное значение диэлектрической проницаемости слож­ной (комбинированной) изоляции определяют по соотношениям объемов составных ее частей. При непрерывной и одинаковой по длине изоляции соотношение объемов можно заменить соотноше­нием площадей поперечного сечения. Для комбинированной двух­слойной изоляции

Для изоляции комбинированной в радиальном направлении

Для изоляции комбинированной в тангенциальном направлении

Значения диэлектрической проницаемости основных электроизо­ляционных кабельных материалов и комбинированной изоляции при­ведены в табл. 2–6. Величина емкости кабеля мало изменяется в за­висимости от частоты (рис. 2-1).

После несложной процедуры регистрации Вы сможете пользоваться всеми сервисами и создать свой веб-сайт.

Системы оперативного тока

Во второй части статьи (первая часть см. [1]) завершается рассказ об исследовании влияния аккумуляторных батарей (АБ) на снижение величины дифференциальной помехи на входах микропроцессорных устройств.
Авторы подробно анализируют, при каких параметрах системы оперативного постоянного тока (СОПТ) достигается максимальный шунтирующий эффект АБ.

АККУМУЛЯТОРНЫЕ БАТАРЕИ
Влияние на распространение электромагнитных помех в сети оперативного постоянного тока

Леонид Антонов, ООО «ВЭС», г. Москва
Алексей Ворошилов, ООО «Лиотех»,
Павел Смирнов, НГТУ, г. Новосибирск

ПАРАМЕТРЫ СХЕМЫ ЗАМЕЩЕНИЯ

Параметры кабелей

Параметры кабелей рассчитываются на стадии проектирования подстанции. Длины кабелей определяются местом расположения оборудования, их сечения – величинами номинальных токов и токов КЗ, величиной падения напряжения в нормальном режиме, а также требуемым временем отключения КЗ. В табл. 1 представлены характерные параметры кабелей с изоляцией из ПВХ.

Таблица 1. Характерные параметры кабелей для СОПТ на подстанции

Расположение Тип кабеля Сечение жилы, мм 2 Длина, м К1 От АБ до ЩПТ ВВГнг 2х70 70 20 К2 От ШРОТ2 до ЩПТ ВВГнг 2х16 16 40 К3 От ЩПТ до ШРОТ1 ВВГнг 2х16 16 40 К4 От источника помехи до ШРОТ2 ВВГнг 2х4 4 200

Рассмотрим двухпроводную линию, по которой протекает электрический ток (рис. 9). Как было показано в [2, п. 2.3], справедливо следующее выражение для определения величины погонной емкости кабеля Ck:

Рис. 9. Схема, поясняющая расчет параметров емкости двухпроводной линии

В [3, п. 4.3] показано, что погонная индуктивность двужильного кабеля Lk определяется следующим выражением:

где y = 0,25 – для случая, когда ток равномерно распределен по сечению проводника; y = 0 – для случая, когда ток равномерно распределен по поверхности проводника.

Для расчета рассмотрим кабель ВВГнг-Ls 2х6 (рис. 10). Вычисленное значение погонной емкости для него составило 100,5 пФ/м (при ε = 3,5), а погонной индуктивности – 0,54 мкГн/м. Для проверки расчетов были измерены значения погонных индуктивности и емкости реального кабеля, которые оказались равны 100,0 пФ/м и 0,51 мкГн/м соответственно, что с хорошей точностью совпало с вычисленными значениями.

Рис. 10. Геометрические размеры кабеля ВВГнг

В табл. 2 представлены вычисленные значения погонных индуктивностей и емкостей для кабелей различного сечения.

Таблица 2. Погонные индуктивности и емкости кабелей

Индуктивные ( X _Lk) и емкостные ( X _Ck) реактансы, а также активное сопротивление R _k определяются следующими выражениями:

где lk – длина кабеля;
Sk – сечение кабеля;
ρ = 0,0172 [Ом·мм 2 /м ] – удельное сопротивление меди.

Множитель 2 учитывает вклад в активное сопротивление обеих жил кабеля.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПЕРЕДАТОЧНОЙ ФУНКЦИИ И КОЭФФИЦИЕНТА ЗАТУХАНИЯ ПОМЕХИ

Расчет коэффициента подавления помехи

Для определения передаточной функции и коэффициента затухания дифференциальной помехи в схеме, изображенной на рис. 4 в [1], использовались математические пакеты программ Mathcad 14 и Mathlab. Вычисления делались для параметров кабелей, представленных в табл. 1. Использовались значения погонных индуктивностей и емкостей, представленные в табл. 2.

Теоретически рассчитанная зависимость передаточной функции K и коэффициента затухания помехи Kd от частоты для различных R ДВ и АБ, размещенной по периметру аккумуляторной и подключенной к ЩПТ через кабель с большой индуктивностью, представлена на рис. 11.

Рис. 11. Теоретически рассчитанная зависимость от частоты:
а) передаточной функции помехи с входа к нагрузке K = |U3| / |E0| (в линейном масштабе);
б) коэффициента затухания Kd = 20 · lg |E0| / |U3| (в логарифмическом масштабе). Для Kd значение 20 Дб соответствует ослаблению помехи в 10 раз

Аналогичные расчеты делались для других параметров кабелей. Результаты качественно не изменились. Видно, что при отключенной батарее схема ведет себя как линия, генерирующая реактивную мощность, т.е. LC-фильтр, резонансная частота которого расположена выше рассматриваемой частоты (справедливости ради, нужно отметить, что она выше границы применимости модели с сосредоточенными параметрами). Данная резонансная частота определяется максимальной длиной подходящего фидера:

и с увеличением длины кабеля резонансная частота пропорционально падает.

При подключении АБ происходит подавление помехи, но коэффициент подавления невелик (помеха ослабляется в 3–4 раза при нагрузке 50–500 Ом). Это объясняется ослабляющим шунтирующий эффект влиянием индуктивностей кабеля от ЩПТ до батареи и ошиновки АБ, которые включены последовательно с низким внутренним сопротивлением батареи. При нагрузке порядка 500 Ом присутствует выраженный резонанс в районе 160 кГц (имеет место усиление помехи).

Таким образом, можно утверждать, что даже при подключенной АБ в сети возможны опасные перенапряжения, могущие привести к выходу из строя чувствительного оборудования.

Экспериментальная проверка расчета

Для проверки корректности расчетов и определения границ применимости схемы с сосредоточенными параметрами была создана модель сети постоянного тока. В качестве источника помехи использовался генератор сигналов специальной формы GFG-8216A. АБ моделировалась резистивной нагрузкой величиной 0,02 Ом, ее индуктивность – ферритовым дросселем нужного номинала. Для моделирования сети использовались кабели с изоляцией из ПВХ с параметрами, представленными в табл. 3.

Таблица 3. Параметры кабелей, использованных для моделирования сети

Генератор низкочастотных сигналов нагружался на кабель К4 (рис. 1 в [1]). Для измерения коэффициента передаточной функции K и коэффициента подавления помехи Kd измерялась амплитуда напряжения на нагрузке и в точке подключения генератора к кабелю. Напряжение в контрольных точках измерялось двумя калиброванными мультиметрами Fluke 287. Форма напряжения контролировалась при помощи цифровых осциллографов. Результаты измерения представлены на рис. 12.

Рис. 12. Экспериментально определенная зависимость от частоты: передаточной функции K (а), коэффициента затухания помехи Kd (б)

Видно, что и теоретические, и экспериментальные результаты качественно совпадают между собой. Снижение добротности резонанса можно объяснить увеличением потерь в кабеле (из-за скин-эффекта) и в дросселе (из-за увеличения тангенса угла магнитных потерь) на высокой частоте. Имеет место сдвиг измеренных резонансных пиков в сторону высших частот. По-видимому, это объясняется ограничениями, связанными с невыполнением условия (3) в [1] для кабеля длиной больше 160 м на частоте 100 кГц.

Таким образом, на основании анализа схемы сети СОПТ и экспериментальной проверки можно утверждать, что шунтирующий эффект АБ, размещенной по периметру помещения аккумуляторной и подключенной к ЩПТ кабелем с большой индуктивностью, недостаточен для того, чтобы эффективно подавлялась генерируемая в сети дифференциальная помеха.

ПУТИ УВЕЛИЧЕНИЯ ШУНТИРУЮЩЕГО ЭФФЕКТА БАТАРЕИ

Так как из всех параметров схемы СОПТ основное влияние на снижение уровня помех на нагрузке оказывают индуктивности АБ и кабеля, через который она подключается к ЩПТ, то и основными мероприятиями по усилению шунтирующего эффекта могут быть решения по уменьшению этих индуктивностей, а именно:

• замена голой ошиновки АБ на ошиновку, выполненной кабелем с кислотостойкой изоляцией, чтобы можно было максимально приблизить проводники друг к другу и тем самым уменьшить площадь ее витка;
• размещение АБ непосредственно рядом с ЩПТ, что позволит использовать минимально короткий кабель;
• использование блока выносных предохранителей, что позволит выполнить подключение батареи к ЩПТ не одножильным кабелем, как это было принято ранее на существующих ПС, а кабелем, в котором «+» и «–» батареи находятся под общей оболочкой;
• использование АБ, размещенной в шкафу.

Для оценки эффективности вышеприведенных мероприятий были проведены расчеты зависимости коэффициента подавления помехи от частоты для представленной выше модели с параметрами индуктивности кабеля и аккумуляторной батареи, размещенной в шкафу. Из графиков, приведенных на рис. 13, видно, что при уменьшении индуктивности коэффициент подавления помехи существенно увеличивается в диапазоне частот до 200 кГц и составляет в среднем 20 Дб для нагрузки 50 и 500 Ом. Резонансный пик при высоком сопротивлении нагрузки сдвинут в сторону высоких частот (выше 200 кГц), что снижает его опасность.

Рис. 13. Теоретически рассчитанная зависимость передаточной функции K (а) и коэффициента затухания помехи Kd (б) от частоты для АБ, размещенной в шкафу

Таким образом, можно утверждать, что для усиления подавления помехи целесообразно выполнение вышеприведенных мероприятий, в том числе использование герметичных аккумуляторных батарей.

Анализ схем для различных типов подстанций

Как следует из графиков, представленных на рис. 11–13, коэффициент подавления помехи существенно зависит от сопротивления нагрузки. Ниже анализируется зависимость Kd для трех величин нагрузки, условно соответствующих трем типам подстанций:

• 500 Ом ( I Н = 0,44 А) – распределенная система питания отдельных групп потребителей;
• 50 Ом ( I Н = 4,4 А) – подстанция 110 кВ;
• 5 Ом ( I Н = 44 А) – крупная подстанция 220 кВ и выше.

Расчет делался для трех случаев подключения аккумуляторной батареи. Результаты представлены на рис. 14 а–в. Дадим пояснения к графикам.

Рис. 14. Зависимость Kd от частоты при различных R_дв:
а) R_дв = 500 Ом (распределенный СОПТ);
б) R_дв = 50 Ом (ПС 110 кВ);
в) R_дв = 5 Ом (ПС 220 кВ и выше)

Рис. 14 а: R_дв = 500 Ом. Резонансные пики есть всегда. Подключение АБ приводит к сдвигу резонансной частоты вверх. При подключении классической батареи без использования мероприятий по увеличению ее шунтирующего эффекта в диапазоне частот до 100 кГц, Kd в среднем уменьшается на 10 Дб. При подключении герметичной батареи Kd уменьшается еще на 10 Дб дополнительно.

Рис. 14 б: R_дв = 50 Ом. При отключенной АБ происходит линейное увеличение Kd. При подключении классической батареи в диапазоне частот до 100 кГц, Kd в среднем уменьшается на 10 Дб. При подключении герметичной батареи Kd уменьшается еще на 10–12 Дб дополнительно.

Рис. 14 в: R _дв = 5 Ом. При отключенной батарее Kd в среднем равен 20 Дб в диапазоне частот до 100 кГц. При подключенной батарее в диапазоне частот до 100 кГц, Kd в среднем увеличивается только на 4–5 Дб. При подключении герметичной батареи Kd увеличивается еще на 10–12 Дб дополнительно.

ВЫВОДЫ

1. Для распределенной системы питания не допускается работа без батареи. Требуется использование мер, усиливающих ее шунтирующий эффект. Не рекомендуется использовать длинные кабели. Требуется дополнительная проверка на наличие резонанса на установленном оборудовании.
2. Для небольших подстанций эффективным средством подавления помехи является снижение индуктивности батареи для максимального использования ее шунтирующего эффекта. Такой результат могут дать следующие мероприятия: уменьшение длины кабеля до батареи, расстановка аккумуляторов с охватом наименьшей площади витка (запрет на трассировку шины вкруговую, по периметру аккумуляторной), использование аккумуляторов, установленных в аккумуляторных шкафах, запрет работы СОПТ только от ЗПУ.
3. Для крупных подстанций шунтирующий эффект батареи не имеет существенного значения. Допускается отключение батареи и питание нагрузки только от ЗПУ. Тем не менее по возможности не стоит отказываться от использования шунтирующего эффекта и применения мер, усиливающих его.

В настоящем материале сделана попытка проанализировать влияние различных конфигураций СОПТ на снижение уровня дифференциальной помехи на входах микропроцессорных устройств без применения каких-либо специальных устройств (разрядников, варисторов и т. п.).

Достигнута ли цель, поставленная в работе, зависит во многом от того, насколько корректно были выбраны параметры схемы замещения АБ. Именно по этому вопросу авторам хотелось бы получить ответ от компетентных специалистов по АБ, чтобы в дальнейшем выполнить более детальную экспериментальную проверку параметров аккумуляторных батарей различных типов и схем их подключения к ЩПТ. От этого во многом зависит направление дальнейшего совершен-ствования СОПТ.

ЛИТЕРАТУРА

1. Антонов Л.Е., Ворошилов А.Н., Смирнов П.Н. Аккумуляторные батареи. Влияние на распространение электромагнитных помех в сети оперативного постоянного тока // Новости ЭлектроТехники. 2015. № 2(92). С. 26–29.
2. Шмелев В.Е., Сбитнев С.А. Теоретические основы электротехники: Курс лекций. М.: Энергоатомиздат, 1987.
3. Калантаров П.Л., Цейтлин Л.А. Расчет индуктивностей: Справочная книга. 3-е изд. Л.: Энергоатомиздат, 1986.

© ЗАО "Новости Электротехники"
Использование материалов сайта возможно только с письменного разрешения редакции
При цитировании материалов гиперссылка на сайт с указанием автора обязательна