ケーブルの電気容量

ケーブルネットワーク内で DC 電圧をオンまたはオフに切り替えるとき、または AC 電圧の影響下で、容量性電流が常に発生します。長期的な容量性電流は、交流電圧の影響下でケーブルの絶縁中にのみ存在します。定電流の導通が常に存在し、ケーブルの絶縁体に定電流が適用されます。ケーブルの容量とこの特性の物理的意味については、この記事で詳しく説明します。

物理学の観点から見ると、中実の円形ケーブルは本質的に円筒形のコンデンサです。そして、内側の円筒形プレートの電荷の値を Q とすると、その表面の単位当たりの電気量は次の式で計算できます。

ここで、e はケーブル絶縁体の誘電率です。

基本的な静電気学によれば、半径 r での電界強度 E は次のようになります。

そして、ケーブルの中心からある程度の距離にある円筒形の内面を考慮すると、これが等電位面となり、この面の単位面積あたりの電界強度は次のようになります。

ケーブル絶縁体の誘電率は、動作条件や使用する絶縁体の種類によって大きく異なります。したがって、加硫ゴムの誘電率は 4 ～ 7.5 であり、含浸されたケーブル紙の誘電率は 3 ～ 4.5 です。以下に、誘電率、つまり静電容量が温度とどのように関係するかを示します。

ケルビンのミラー法に移りましょう。実験データは、ケーブル静電容量値の近似計算式を示しているだけであり、これらの式は鏡面反射法に基づいて得られます。この方法は、値 Q に帯電した無限に長い細いワイヤ L を取り囲む円筒形の金属シェルが、逆に帯電したワイヤ L1 と同じようにこのワイヤに影響を与えるという立場に基づいていますが、次の条件が適用されます。

直接静電容量の測定では、測定方法が異なると異なる結果が得られます。このため、ケーブル容量は次のように大別できます。

• Cst — 静電容量。連続電流測定とその後の比較によって得られます。

• Seff は実効静電容量で、交流でテストするときに電圧計と電流計のデータから次の式で計算されます: Сeff = Ieff /(ωUeff)

• C は実際の静電容量で、テスト中の最大電圧に対する最大電荷の比率に関するオシログラムの分析から得られます。

実際、ケーブルの実際の静電容量の C の値は、絶縁破壊の場合を除いて実質的に一定であることが判明しました。したがって、電圧の変化はケーブルの絶縁体の誘電率に影響を与えません。

ただし、誘電率に対する温度の影響は認識されており、温度が上昇すると誘電率は 5% に減少し、それに応じてケーブルの実際の静電容量 C も減少します。この場合、実際の容量は電流の周波数や形状には依存しません。

40 °C 以下の温度でのケーブルの静容量 Cst は、実際の容量 C の値と一致します。これは含浸の希釈によるものです。温度が高くなると、静容量 Cst が増加します。増加の性質はグラフに示されており、曲線 3 は温度変化に伴うケーブルの静容量の変化を示しています。

実効静電容量 Ceff は、電流の形状に大きく依存します。純粋な正弦波電流により、実効静電容量と実際の静電容量が一致します。急峻な電流形式では実効容量が 1.5 倍増加しますが、鈍い電流形式では実効容量が減少します。

実効容量 Ceff は、電気ネットワークの重要な特性を決定するため、実際的に重要です。ケーブル内のイオン化により、実効静電容量が増加します。

以下のグラフでは次のようになります。

1 — ケーブルの絶縁抵抗の温度依存性。

2 — ケーブル絶縁抵抗対温度の対数。

3 — ケーブルの静電容量 Cst の値の温度依存性。

ケーブル絶縁体の製造品質管理では、乾燥ボイラーでの真空含浸のプロセスを除いて、容量は実際には決定的なものではありません。低電圧ネットワークの場合、静電容量もそれほど重要ではありませんが、誘導負荷では力率に影響します。

また、高電圧ネットワークで作業する場合、ケーブルの容量は非常に重要であり、設備全体の動作中に問題が発生する可能性があります。たとえば、動作電圧が 20,000 ボルトと 50,000 ボルトの設備を比較できます。

15.5 km と 35.6 km の距離に、ファイのコサインが 0.9 に等しい 10 MVA を送信する必要があるとします。最初のケースでは、許容加熱を考慮してワイヤの断面積を 185 平方ミリメートル、2 番目のケースでは 70 平方ミリメートルを選択します。オイル充填ケーブルを使用した米国初の 132 kV 産業設備には、次のパラメータがありました。 11.3 A/km の充電電流により、1490 kVA/km の充電電力が得られます。これは、架空の類似パラメータよりも 25 倍高いです。同様の電圧の送電線。

容量の点では、第 1 段階のシカゴの地下施設は 14 MVA の並列接続された電気コンデンサーに類似していることが判明し、ニューヨーク市では、容量性電流容量は 28 MVA に達し、これに送電電力は 98 MVA でした。ケーブルの動作容量は 1 キロメートルあたり約 0.27 ファラドです。

負荷が軽いときの無負荷損失は、ジュール熱を発生する容量性電流によって正確に引き起こされ、全負荷は発電所のより効率的な動作に貢献します。無負荷のネットワークでは、このような無効電流により発電機の電圧が低下するため、設計に特別な要件が課されます。容量性電流を減らすために、たとえばケーブルのテスト中に高電圧電流の周波数が増加しますが、これは実装が難しく、場合によっては誘導リアクトルでケーブルを充電する必要があります。

したがって、ケーブルには常に容量性電流を決定する静電容量と接地抵抗が存在します。電源電圧 380 V におけるケーブル R の絶縁抵抗は 0.4 MΩ 以上である必要があります。ケーブルCの容量はケーブルの長さ、敷設方法などによって異なります。

ビニル絶縁の三相ケーブル、最大600 Vの電圧、50 Hzのネットワーク周波数の場合、通電ワイヤの断面積とその長さに対する容量電流の依存性が図に示されています。容量電流を計算するには、ケーブル製造元の仕様のデータを使用する必要があります。

容量性電流が 1 mA 以下であれば、ドライブの動作には影響しません。

接地されたネットワークのケーブルの容量は重要な役割を果たします。接地電流は容量性電流にほぼ直接比例し、したがってケーブル自体の静電容量にも比例します。したがって、大都市圏では、巨大な都市ネットワークの地電流が膨大な値に達します。

この短い資料が、ケーブル容量、それが電気ネットワークや設備の運用にどのような影響を与えるか、およびこのケーブル パラメータに十分な注意を払う必要がある理由についての一般的な概念を理解するのに役立つことを願っています。