Capacidade elétrica do cabo

Ao ligar ou desligar a tensão CC em uma rede de cabo ou sob a influência da tensão CA, sempre ocorre uma corrente capacitiva. A corrente capacitiva de longo prazo existe apenas no isolamento de cabos sob a influência de tensão alternada. A condução de corrente constante existe em todos os momentos e uma corrente constante é aplicada ao isolamento do cabo. Mais detalhes sobre a capacidade do cabo, sobre o significado físico dessa característica e serão discutidos neste artigo.

Do ponto de vista da física, um cabo circular sólido é essencialmente um capacitor cilíndrico. E se tomarmos o valor da carga da placa cilíndrica interna como Q, então por unidade de sua superfície haverá uma quantidade de eletricidade que pode ser calculada pela fórmula:

Aqui e é a constante dielétrica do isolamento do cabo.

De acordo com a eletrostática fundamental, a intensidade do campo elétrico E no raio r será igual a:

E se considerarmos a superfície cilíndrica interna do cabo a alguma distância de seu centro, e esta será a superfície equipotencial, então a intensidade do campo elétrico por unidade de área desta superfície será igual a:

A constante dielétrica do isolamento do cabo varia muito, dependendo das condições de operação e do tipo de isolamento utilizado. Assim, a borracha vulcanizada tem uma constante dielétrica de 4 a 7,5, e o papel de cabo impregnado tem uma constante dielétrica de 3 a 4,5. A seguir, será mostrado como a constante dielétrica e, portanto, a capacitância, estão relacionadas à temperatura.

Vamos nos voltar para o método do espelho de Kelvin. Os dados experimentais fornecem apenas fórmulas para o cálculo aproximado dos valores de capacitância do cabo, e essas fórmulas são obtidas com base no método de reflexão especular. O método baseia-se na posição de que uma casca cilíndrica de metal envolvendo um fio fino infinitamente longo L carregado com um valor Q afeta esse fio da mesma forma que um fio L1 carregado com cargas opostas, mas desde que:

Medições diretas de capacitância fornecem resultados diferentes com diferentes métodos de medição. Por esta razão, a capacidade do cabo pode ser dividida em:

• Cst — capacitância estática, obtida por medição contínua de corrente com posterior comparação;

• Seff é a capacitância efetiva, calculada a partir dos dados do voltímetro e amperímetro ao testar com corrente alternada pela fórmula: Сeff = Ieff /(ωUeff)

• C é a capacitância real, obtida a partir da análise do oscilograma em termos da relação entre a carga máxima e a tensão máxima durante o teste.

De fato, verificou-se que o valor de C da capacitância real do cabo é praticamente constante, exceto em casos de quebra do isolamento, portanto, a mudança na tensão não afeta a constante dielétrica do isolamento do cabo.

No entanto, a influência da temperatura na constante dielétrica é percebida e com o aumento da temperatura diminui para 5% e, consequentemente, a capacitância real C do cabo diminui. Nesse caso, não há dependência da capacidade real da frequência e forma da corrente.

A capacidade estática Cst do cabo em temperaturas abaixo de 40°C é compatível com o valor de sua capacidade real C e isso se deve à diluição da impregnação; em temperaturas mais elevadas, aumenta a capacidade estática Cst. A natureza do crescimento é mostrada no gráfico, a curva 3 mostra a mudança na capacidade estática do cabo com a mudança de temperatura.

A capacitância efetiva Ceff é fortemente dependente da forma da corrente. Uma corrente senoidal pura resulta em uma coincidência de capacitância efetiva e real. Uma forma de corrente aguda leva a um aumento na capacidade efetiva em uma vez e meia, uma forma de corrente contundente reduz a capacidade efetiva.

A capacidade efetiva Ceff é de importância prática, pois determina as características importantes da rede elétrica. Com a ionização no cabo, a capacitância efetiva aumenta.

No gráfico abaixo:

1 — dependência da resistência do isolamento do cabo com a temperatura;

2 — logaritmo da resistência de isolamento do cabo versus temperatura;

3 — dependência do valor da capacidade estática Cst do cabo com a temperatura.

Durante o controle de qualidade da produção do isolamento do cabo, a capacidade praticamente não é decisiva, exceto no processo de impregnação a vácuo em uma caldeira de secagem. Para redes de baixa tensão, a capacitância também não é muito importante, mas afeta o fator de potência com cargas indutivas.

E ao trabalhar em redes de alta tensão, a capacidade do cabo é extremamente importante e pode causar problemas durante o funcionamento da instalação como um todo. Por exemplo, você pode comparar instalações com tensão operacional de 20.000 volts e 50.000 volts.

Digamos que você precise transmitir 10 MVA com um cosseno de phi igual a 0,9 para uma distância de 15,5 km e 35,6 km. Para o primeiro caso, a seção transversal do fio, levando em consideração o aquecimento admissível, escolhemos 185 m² Mm, para o segundo - 70 m² Mm. A primeira instalação industrial de 132 kV nos EUA com um cabo cheio de óleo tinha os seguintes parâmetros: a corrente de carga de 11,3 A / km dá uma potência de carga de 1490 kVA / km, que é 25 vezes maior que os parâmetros análogos da sobrecarga linhas de transmissão de tensão similar.

Em termos de capacidade, a instalação subterrânea de Chicago no primeiro estágio provou ser semelhante a um capacitor elétrico conectado em paralelo de 14 MVA, e em Nova York a capacidade de corrente capacitiva atingiu 28 MVA e isso com uma potência transmitida de 98 MVA. A capacidade de trabalho do cabo é de aproximadamente 0,27 Farads por quilômetro.

As perdas sem carga quando a carga é leve são causadas justamente pela corrente capacitiva, que gera calor Joule, e a plena carga contribui para a operação mais eficiente das usinas. Em uma rede descarregada, essa corrente reativa reduz a tensão dos geradores, razão pela qual são impostos requisitos especiais em seus projetos.Para reduzir a corrente capacitiva, aumenta-se a frequência da corrente de alta tensão, por exemplo, durante o teste de cabos, mas isso é difícil de implementar e, às vezes, recorrendo ao carregamento dos cabos com reatores indutivos.

Portanto, o cabo sempre possui capacitância e resistência de aterramento que determinam a corrente capacitiva. A resistência de isolamento do cabo R com uma tensão de alimentação de 380 V deve ser de pelo menos 0,4 MΩ. A capacidade do cabo C depende do comprimento do cabo, da forma de colocação, etc.

Para um cabo trifásico com isolamento de vinil, tensão de até 600 V e frequência de rede de 50 Hz, a dependência da corrente capacitiva na área da seção transversal dos fios que transportam corrente e seu comprimento é mostrada na figura. Os dados das especificações do fabricante do cabo devem ser usados ​​para calcular a corrente capacitiva.

Se a corrente capacitiva for de 1 mA ou menos, ela não afetará a operação dos inversores.

A capacidade dos cabos em redes aterradas desempenha um papel importante. As correntes de aterramento são quase diretamente proporcionais às correntes capacitivas e, consequentemente, à capacitância do próprio cabo. Portanto, em grandes áreas metropolitanas, as correntes de terra de grandes redes urbanas atingem valores enormes.

Esperamos que este pequeno material tenha ajudado você a ter uma ideia geral sobre a capacidade do cabo, como isso afeta o funcionamento das redes e instalações elétricas e porque é necessário dar a devida atenção a esse parâmetro do cabo.