Capacidad eléctrica del cable

Al conectar o desconectar la tensión de CC en una red de cable o bajo la influencia de la tensión de CA, siempre se produce una corriente capacitiva. La corriente capacitiva a largo plazo existe solo en el aislamiento de cables bajo la influencia de voltaje alterno. La conducción de corriente constante existe en todo momento y se aplica una corriente constante al aislamiento del cable. En más detalle sobre la capacidad del cable, sobre el significado físico de esta característica y se discutirá en este artículo.

Desde el punto de vista de la física, un cable circular sólido es esencialmente un capacitor cilíndrico. Y si tomamos el valor de la carga de la placa cilíndrica interna como Q, entonces por unidad de su superficie habrá una cantidad de electricidad que se puede calcular mediante la fórmula:

Aquí e es la constante dieléctrica del aislamiento del cable.

Según la electrostática fundamental, la intensidad del campo eléctrico E en el radio r será igual a:

Y si consideramos la superficie cilíndrica interna del cable a cierta distancia de su centro, y esta será la superficie equipotencial, entonces la intensidad del campo eléctrico por unidad de área de esta superficie será igual a:

La constante dieléctrica del aislamiento del cable varía mucho según las condiciones de funcionamiento y el tipo de aislamiento utilizado. Así, el caucho vulcanizado tiene una constante dieléctrica de 4 a 7,5 y el papel de cable impregnado tiene una constante dieléctrica de 3 a 4,5. A continuación se mostrará cómo la constante dieléctrica y, por tanto, la capacitancia, están relacionadas con la temperatura.

Pasemos al método del espejo de Kelvin. Los datos experimentales solo dan fórmulas para el cálculo aproximado de los valores de capacitancia del cable, y estas fórmulas se obtienen en base al método de reflexión especular. El método se basa en la posición de que una coraza cilíndrica de metal que rodea un alambre L delgado infinitamente largo cargado con un valor Q afecta a este alambre de la misma manera que un alambre L1 con carga opuesta, pero siempre que:

Las mediciones de capacitancia directa dan resultados diferentes con diferentes métodos de medición. Por esta razón, la capacidad del cable se puede dividir aproximadamente en:

• Cst — capacitancia estática, que se obtiene mediante la medición de corriente continua con comparación posterior;

• Seff es la capacitancia efectiva, que se calcula a partir de los datos del voltímetro y el amperímetro cuando se prueba con corriente alterna mediante la fórmula: Сeff = Ieff /(ωUeff)

• C es la capacitancia real, que se obtiene del análisis del oscilograma en términos de la relación entre la carga máxima y el voltaje máximo durante la prueba.

De hecho, resultó que el valor de C de la capacitancia real del cable es prácticamente constante, excepto en los casos de ruptura del aislamiento, por lo que el cambio de voltaje no afecta la constante dieléctrica del aislamiento del cable.

Sin embargo, la influencia de la temperatura en la constante dieléctrica se nota y, al aumentar la temperatura, disminuye al 5% y, en consecuencia, disminuye la capacitancia real C del cable. En este caso, la capacidad real no depende de la frecuencia y la forma de la corriente.

La capacidad estática Cst del cable a temperaturas inferiores a 40 °C es consistente con el valor de su capacidad real C y esto se debe a la dilución de la impregnación; a temperaturas más altas, aumenta la capacidad estática Cst La naturaleza del crecimiento se muestra en el gráfico, la curva 3 muestra el cambio en la capacidad estática del cable con un cambio de temperatura.

La capacitancia efectiva Ceff depende en gran medida de la forma actual. Una corriente sinusoidal pura da como resultado una coincidencia de capacitancia efectiva y real. Una forma de corriente aguda conduce a un aumento de la capacidad efectiva en una vez y media, una forma de corriente roma reduce la capacidad efectiva.

La capacidad efectiva Ceff es de importancia práctica, ya que determina las características importantes de la red eléctrica. Con la ionización en el cable, la capacitancia efectiva aumenta.

En el siguiente gráfico:

1 — dependencia de la resistencia de aislamiento del cable de la temperatura;

2 — logaritmo de la resistencia de aislamiento del cable en función de la temperatura;

3 — dependencia del valor de la capacidad estática Cst del cable de la temperatura.

Durante el control de calidad de la producción del aislamiento del cable, la capacidad prácticamente no es decisiva, excepto en el proceso de impregnación al vacío en una caldera de secado. Para redes de baja tensión, la capacitancia tampoco es muy importante, pero afecta el factor de potencia con cargas inductivas.

Y cuando se trabaja en redes de alta tensión, la capacidad del cable es sumamente importante y puede causar problemas durante el funcionamiento de la instalación en su conjunto. Por ejemplo, puede comparar instalaciones con una tensión de funcionamiento de 20.000 voltios y 50.000 voltios.

Digamos que necesitas transmitir 10 MVA con un coseno de phi igual a 0,9 para una distancia de 15,5 km y 35,6 km. Para el primer caso, la sección transversal del cable, teniendo en cuenta el calentamiento permitido, elegimos 185 mm2, para el segundo, 70 mm2. La primera instalación industrial de 132 kV en los EE. UU. con un cable lleno de aceite tenía los siguientes parámetros: la corriente de carga de 11,3 A / km da una potencia de carga de 1490 kVA / km, que es 25 veces superior a los parámetros análogos de la sobrecarga líneas de transmisión de voltaje similar.

En términos de capacidad, la instalación subterránea de Chicago en la primera etapa demostró ser similar a un capacitor eléctrico conectado en paralelo de 14 MVA, y en la ciudad de Nueva York la capacidad de corriente capacitiva alcanzó los 28 MVA y esto con una potencia transmitida de 98 MVA. La capacidad de trabajo del cable es de aproximadamente 0,27 Faradios por kilómetro.

Las pérdidas sin carga cuando la carga es liviana son causadas precisamente por la corriente capacitiva, que genera calor Joule, y la carga completa contribuye a la operación más eficiente de las centrales eléctricas. En una red descargada, tal corriente reactiva reduce el voltaje de los generadores, por lo que se imponen requisitos especiales en sus diseños.Para reducir la corriente capacitiva, se aumenta la frecuencia de la corriente de alto voltaje, por ejemplo, durante la prueba de cables, pero esto es difícil de implementar y, a veces, se recurre a cargar los cables con reactores inductivos.

Entonces, el cable siempre tiene capacitancia y resistencia a tierra que determinan la corriente capacitiva. La resistencia de aislamiento del cable R con una tensión de alimentación de 380 V debe ser de al menos 0,4 MΩ. La capacidad del cable C depende de la longitud del cable, la forma de tendido, etc.

Para un cable trifásico con aislamiento de vinilo, voltaje de hasta 600 V y frecuencia de red de 50 Hz, la dependencia de la corriente capacitiva del área de la sección transversal de los cables que transportan corriente y su longitud se muestra en la figura. Se deben utilizar los datos de las especificaciones del fabricante del cable para calcular la corriente capacitiva.

Si la corriente capacitiva es de 1 mA o menos, no afecta el funcionamiento de los variadores.

La capacidad de los cables en las redes puestas a tierra juega un papel importante. Las corrientes de puesta a tierra son casi directamente proporcionales a las corrientes capacitivas y, en consecuencia, a la capacitancia del propio cable. Por lo tanto, en las grandes áreas metropolitanas, las corrientes de tierra de las grandes redes urbanas alcanzan valores enormes.

Esperamos que este breve material le haya ayudado a tener una idea general sobre la capacidad del cable, cómo afecta el funcionamiento de las redes e instalaciones eléctricas y por qué es necesario prestar la debida atención a este parámetro del cable.