Capacità elettrica del cavo

Quando si inserisce o disinserisce la tensione CC in una rete via cavo o sotto l'influenza della tensione CA, si verifica sempre una corrente capacitiva. La corrente capacitiva a lungo termine esiste solo nell'isolamento dei cavi sotto l'influenza della tensione alternata. La conduzione di corrente costante esiste in ogni momento e una corrente costante viene applicata all'isolamento del cavo. Più in dettaglio sulla capacità del cavo, sul significato fisico di questa caratteristica e sarà discusso in questo articolo.

Dal punto di vista della fisica, un solido cavo circolare è essenzialmente un condensatore cilindrico. E se prendiamo il valore della carica della piastra cilindrica interna come Q, allora per unità della sua superficie ci sarà una quantità di elettricità che può essere calcolata con la formula:

dove e è la costante dielettrica dell'isolamento del cavo.

Secondo l'elettrostatica fondamentale, l'intensità del campo elettrico E al raggio r sarà uguale a:

E se consideriamo la superficie cilindrica interna del cavo a una certa distanza dal suo centro, e questa sarà la superficie equipotenziale, allora l'intensità del campo elettrico per unità di area di questa superficie sarà uguale a:

La costante dielettrica dell'isolamento del cavo varia notevolmente a seconda delle condizioni operative e del tipo di isolamento utilizzato. Pertanto, la gomma vulcanizzata ha una costante dielettrica da 4 a 7,5 e la carta per cavi impregnata ha una costante dielettrica da 3 a 4,5. Di seguito verrà mostrato come la costante dielettrica, e quindi la capacità, sono correlate alla temperatura.

Passiamo al metodo dello specchio di Kelvin. I dati sperimentali forniscono solo formule per il calcolo approssimativo dei valori di capacità del cavo e queste formule sono ottenute in base al metodo della riflessione speculare. Il metodo si basa sulla posizione in cui un guscio metallico cilindrico che circonda un filo sottile L di lunghezza infinita caricato a un valore Q agisce su questo filo allo stesso modo di un filo L1 caricato in modo opposto, ma a condizione che:

Le misurazioni di capacità dirette danno risultati diversi con diversi metodi di misurazione. Per questo motivo, la capacità del cavo può essere approssimativamente suddivisa in:

• Cst — capacità statica, ottenuta mediante misurazione continua della corrente con successivo confronto;

• Seff è la capacità effettiva, che viene calcolata dai dati del voltmetro e dell'amperometro durante il test con corrente alternata con la formula: Сeff = Ieff /(ωUeff)

• C è la capacità effettiva, che si ottiene dall'analisi dell'oscillogramma in termini di rapporto tra la carica massima e la tensione massima durante il test.

Infatti è risultato che il valore di C della capacità effettiva del cavo è praticamente costante, tranne nei casi di rottura dell'isolamento, quindi la variazione di tensione non influisce sulla costante dielettrica dell'isolamento del cavo.

Tuttavia, l'influenza della temperatura sulla costante dielettrica si realizza e con l'aumentare della temperatura diminuisce al 5% e di conseguenza la capacità effettiva C del cavo diminuisce. In questo caso, non vi è alcuna dipendenza della capacità effettiva dalla frequenza e dalla forma della corrente.

La capacità statica Cst del cavo a temperature inferiori a 40°C è coerente con il valore della sua capacità effettiva C e ciò è dovuto alla diluizione dell'impregnazione; a temperature più elevate aumenta la capacità statica Cst La natura della crescita è mostrata nel grafico, la curva 3 su di esso mostra la variazione della capacità statica del cavo con una variazione di temperatura.

La capacità effettiva Ceff dipende fortemente dalla forma della corrente. Una corrente sinusoidale pura risulta in una coincidenza di capacità effettiva e reale. Una forma di corrente acuta porta ad un aumento della capacità effettiva di una volta e mezza, una forma di corrente smussata riduce la capacità effettiva.

La capacità effettiva Ceff è di importanza pratica, in quanto determina le caratteristiche importanti della rete elettrica. Con la ionizzazione nel cavo, la capacità effettiva aumenta.

Nel grafico sottostante:

1 — dipendenza della resistenza di isolamento del cavo dalla temperatura;

2 — logaritmo della resistenza di isolamento del cavo in funzione della temperatura;

3 — dipendenza del valore della capacità statica Cst del cavo dalla temperatura.

Durante il controllo della qualità della produzione dell'isolamento del cavo, la capacità non è praticamente determinante, tranne nel processo di impregnazione sotto vuoto in una caldaia di essiccazione. Per le reti a bassa tensione, anche la capacità non è molto importante, ma influisce sul fattore di potenza con carichi induttivi.

E quando si lavora in reti ad alta tensione, la capacità del cavo è estremamente importante e può causare problemi durante il funzionamento dell'impianto nel suo complesso. Ad esempio, è possibile confrontare installazioni con una tensione operativa di 20.000 volt e 50.000 volt.

Supponiamo di dover trasmettere 10 MVA con un coseno di phi pari a 0,9 per una distanza di 15,5 km e 35,6 km. Per il primo caso, la sezione trasversale del filo, tenendo conto del riscaldamento consentito, scegliamo 185 mmq, per il secondo - 70 mmq. La prima installazione industriale a 132 kV negli USA con cavo a bagno d'olio aveva i seguenti parametri: la corrente di carica di 11,3 A/km fornisce una potenza di carica di 1490 kVA/km, che è 25 volte superiore agli analoghi parametri dell'overhead linee di trasmissione di tensione simile.

In termini di capacità, l'installazione sotterranea di Chicago nella prima fase si è dimostrata simile a un condensatore elettrico collegato in parallelo di 14 MVA, e a New York City la capacità di corrente capacitiva ha raggiunto 28 MVA e questo con una potenza trasmessa di 98 MVA. La capacità operativa del cavo è di circa 0,27 Farad per chilometro.

Le perdite a vuoto quando il carico è leggero sono causate proprio dalla corrente capacitiva, che genera calore Joule, e il pieno carico contribuisce al funzionamento più efficiente delle centrali elettriche. In una rete senza carico, una tale corrente reattiva abbassa la tensione dei generatori, motivo per cui vengono imposti requisiti speciali ai loro progetti.Per ridurre la corrente capacitiva, la frequenza della corrente ad alta tensione viene aumentata, ad esempio, durante il test dei cavi, ma ciò è di difficile attuazione e talvolta si ricorre alla ricarica dei cavi con reattori induttivi.

Quindi il cavo ha sempre capacità e resistenza di terra che determinano la corrente capacitiva. La resistenza di isolamento del cavo R con una tensione di alimentazione di 380 V deve essere di almeno 0,4 MΩ. La capacità del cavo C dipende dalla lunghezza del cavo, dal modo di posa, ecc.

Per un cavo trifase con isolamento in vinile, tensione fino a 600 V e frequenza di rete 50 Hz, la figura mostra la dipendenza della corrente capacitiva dall'area della sezione trasversale dei fili che trasportano corrente e la sua lunghezza. I dati delle specifiche del produttore del cavo devono essere utilizzati per calcolare la corrente capacitiva.

Se la corrente capacitiva è pari o inferiore a 1 mA, non influisce sul funzionamento degli azionamenti.

La capacità dei cavi nelle reti con messa a terra gioca un ruolo importante. Le correnti di terra sono quasi direttamente proporzionali alle correnti capacitive e, di conseguenza, alla capacità del cavo stesso. Pertanto, nelle grandi aree metropolitane, le correnti di terra di enormi reti urbane raggiungono valori enormi.

Speriamo che questo breve materiale ti abbia aiutato a farti un'idea generale della capacità del cavo, di come influisce sul funzionamento delle reti e degli impianti elettrici e perché è necessario prestare la dovuta attenzione a questo parametro del cavo.