Электрическая емкость кабеля

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:

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.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Подписывайтесь на наш канал в Telegram!

Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Источник

Влияние длины и сечения кабеля на потери по напряжению

Потери электроэнергии – неизбежная плата за ее транспортировку по проводам, вне зависимости от длины передающей линии. Существуют они и на воздушных линиях электропередач длиною в сотни километров и на отрезках электропроводки в несколько десятков метров домашней электрической сети. Происходят они, прежде всего потому, что любые провода имеют конечное сопротивление электрическому току. Закон Ома, с которым каждый из нас имел возможность познакомиться на школьных уроках физики, гласит, что напряжение (U) связано с током (I) и сопротивлением (R) следующим выражением:

из него следует что чем выше сопротивление проводника, тем больше на нем падение (потери) напряжения при постоянных значениях тока. Это напряжение приводит к нагреву проводников, который может грозить плавлением изоляции, коротким замыканием и возгоранием электропроводки.

При передаче электроэнергии на большие расстояния потерь удается избегать за счет снижения силы передаваемого тока, достигается это многократным повышением напряжения до сотен киловольт. В случае низковольтных сетей, напряжением 220 (380) В, потери можно минимизировать только выбором правильного сечения кабеля.

Почему падает напряжение и как это зависит от длины и сечения проводников

Для начала остановимся на простом житейском примере частного сектора в черте города или большого поселка, в центре которого находится трансформаторная подстанция. Жильцы домов, расположенных в непосредственной близости к ней жалуются на постоянную замену быстро перегорающих лампочек, что вполне закономерно, ведь напряжение в их сети достигает 250 В и выше. В то время как на окраине села при максимальных нагрузках на сеть оно может опускаться до 150 вольт. Вывод в таком случае напрашивается один, падение напряжение зависит от длины проводников, представленных линейными проводами.

Конкретизируем, от чего зависит величина сопротивления проводника на примере медных проводов, которым сегодня отдается предпочтение. Для этого опять вернемся к школьному курсу физики, из которого известно, что сопротивление проводника зависит от трех величин:

Все четыре параметра связывает следующее соотношение:

очевидно, что сопротивление растет по мере увеличения длины проводника и падает по мере увеличения сечения жилы.

Для медных проводников удельное сопротивление составляет 0.0175 Ом·мм²/м, это значит, что километр медного провода сечением 1 мм² будет иметь сопротивление 17.5 Ом, в реальной ситуации оно может отличаться, например, из-за чистоты металла (наличия в сплаве примесей).

Для алюминиевых проводников величина сопротивления еще выше, поскольку удельное сопротивление алюминиевых проводов составляет 0.028 Ом·мм²/м.

Теперь вернемся к нашему примеру. Пусть от подстанции до самого крайнего дома расстояние составляет 1 км и электропитание напряжения 220 вольт до него проложено алюминиевым проводом марки А, с минимальным сечением 10 мм². Расстояние, которое необходимо пройти электрическому току складывается из длины нулевых и фазных проводов, то есть в нашем примере необходимо применить коэффициент 2, таким образом максимальная длина составит 2000 м. Подставляя наши значения в последнюю формулу, получим величину сопротивления равную 5.6 Ом.

Много это или мало, понятно из упомянутого выше закона Ома, так для потребителя с номинальным током всего 10 ампер, в приведенном примере падение напряжения составит 56 В, которые уйдут на обогрев улицы.

Конечно же, если нельзя уменьшить расстояние, следует выбрать сечение проводов большей площади, это касается и внутренних проводок, однако это ведет к увеличению затрат на кабельно-проводниковую продукцию. Оптимальным решением будет правильно рассчитать сечения проводов, учитывая максимальную допустимую нагрузку.

Смотрите также другие статьи :

К помещениям первой категории относятся сухие помещения с нормальными климатическими условиями, в которых отсутствуют любые из приведенных выше факторов. Такая характеристика может соответствовать, например складскому помещению.

На практике синусоидальные напряжения электрических сетей подвержены искажениям и вместо идеальной синусоиды на экране осциллографа мы видим искаженный, испещренный провалами, зазубринами и всплесками сигнал. Эти искажения следствие влияния гармоник – паразитных колебаний кратных основной частоте сигнала, вызванных включением в сеть нелинейных нагрузок.

Источник

Кабели, статья. Портал «www.rus.625-net.ru».

Медь так и осталась, а в качестве изоляционного материала в кабельной промышленности сейчас используются другие материалы.

Можно обнаружить в кабелях полиуретан, полипропилен, полистирол, капрон, нейлон, шелк, резину, фторопласт. Такие материалы используются для изготовления кабелей со специальными свойствами: особо тонких или эластичных, или способных работать в условиях повышенной влажности или скачках температур.

Акустический кабель. Конструкция кабеля обеспечивает его прочность и надежность. Здесь: 1 – внешний защитный слой изоляции, 2 – внутренний защитный слой, 3 – индивидуальная изоляция проводников, 4 – проводники

Кабели по назначению в аудиотехнике можно разделить на три группы:

В свою очередь, по особенностям использования кабели можно разделить тоже на три группы: студийные, сценические и туровые.

В студии условия эксплуатации оказываются довольно комфортными: практически постоянная температура и влажность, кабель уложен в каналы или закреплен, и практически не подвергается механическим воздействиям.

С точки зрения количества сигналов, которые можно предавать по кабелю, существуют также три группы: моно, стерео и многоканальные (или мультикоры). Эти названия используют и для обозначения собственно кабеля, и готовой, с разъемами, конструкции.

Без мультикора не обойтись в зале, по нему сигналы со сцены подаются в пульт и возвращаются к системе звукоусиления. Удобен мультикор и в студии: прокладывать жгут из десятка раздельных кабелей гораздо труднее, и стоимость инсталляции оказывается выше. Теоретически, за счет близкого расположения проводников в мультикоре, большим оказывается взаимное проникание сигналов из канала в канал, но на практике разделение сигналов оказывается вполне достаточным.

В любом случае по кабелю передается информация в виде электрического сигнала. Если сигнал проходит без потерь, то и информация передается полностью. Потери информации или изменение звучания всегда является следствием искажения сигнала, так что качество кабеля всегда можно оценить объективно и точно, но иногда это нелегко сделать.

Полную информацию об эксплуатационных свойствах кабеля должен предоставить его поставщик.

Простейшая линейная модель

Рис.1. Взаимодействие кабеля, источника и приемника сигнала

Погонная индуктивность зависит от геометрии кабеля и тоже невелика, речь идет о микроскопических величинах: 0,1…1 мкГн/м.

Омическое сопротивление проводника определятся его сечением и материалом, из которого он изготовлен. Например, метр медной проволоки сечением 1 мм2 имеет сопротивление 0,017 Ом.

Рис.1. Взаимодействие кабеля, источника и приемника сигнала

Чтобы оценить влияние кабеля на проходящий через него аналоговый сигнал, обратимся к схеме, показанной на рисунке 1. Условия, при которых влиянием кабеля можно пренебречь, оказываются такими:

Источник

Как уменьшить емкость кабеля

В связи измерение ёмкости относится к измерениям постоянным током. У меня всегда это обстоятельство вызывало улыбку. Всё-таки радиотехническое образование мешает понять, как связисты заставили течь постоянный ток через конденсатор, который такой ток пропускать не должен вовсе. В некоторых книгах описан баллистический метод. По сути это тот же метод, что используется для проверки конденсаторов обычным тестером. По скачку стрелки в момент переключения конденсатора судят о его ёмкости.

На практике все приборы, специально предназначенные для измерения ёмкости, используют генераторы переменного тока. В старых ПКП использовалось специальное реле, которое при включении издавало характерный писк. Сейчас приборы уже не «писчат», вместо реле используются полупроводниковые схемы. Но ток на выходе прибора всё-таки переменный.

Чтобы лучше понять суть измерений полезно вспомнить о физике и конденсаторе.

Чем больше площадь пластин S тем больше ёмкость. И наоборот, чем больше расстояние между пластинами, тем ёмкость меньше. Имеет значение так же то, что находится между пластинами и температура этого диэлектрика, но сползать дальше в физику не буду (читайте классиков).

В кабеле такими пластинами являются жилы кабеля. Чем они длиннее, тем больше площадь S и, соответственно ёмкость. И наоборот, чем больше расстояние между пластинами d, тем ёмкость меньше.

Если мерить этот параметр между жилами многопарного кабеля максимальные значения будут между жилами правильно скрученных пар, ведь они всю длину идут вместе. Эту особенность можно использовать для поиска «разнопарки» или разбитости пар. (Измерения переменным током)

Официально учитывается рабочая ёмкость и ёмкость к земле. Причём нормируется только рабочая ёмкость (измеряется между жилами пары). Для протокола заносится ещё и ёмкость к земле т.е. ёмкость между жилой и экраном. Норм на второй параметр не встречал, но как правило она на 40-50% больше рабочей. (Экран кабеля при этом измерении должен быть заземлён)

Поиск обрывов жил кабеля

Поиск повреждений. С помощью измерения ёмкости довольно неплохо ищутся обрывы. Действительно, если целая пара 78 нФ, а обрывная 16 нФ можно просто разделить второе на первое получим 0,205 или 20,5% от длины целой пары.

В новых приборах есть функции расчёта длины по типу кабеля и мостовая схема сравнения. Так что ответ они выдают сразу в метрах. Казалось бы, только отмеряй, но. Погрешность измерения по ёмкости намного больше измерений по шлейфу и всё это работает при хорошей изоляции измеряемого кабеля.

Меня жизнь научила подходить к этому методу очень осторожно. В поисках обрывов лучше использовать импульсный метод т.е. рефлектометр.

Тем, у кого только ПКП могут посетить эту страницу с методикой работы с ПКП-5

Поиск разбитости пар (разнопарки)

Разбитость, разнопарка, место перепутывания жил. Поиск места разбитости пар измерением ёмкости.

Разбивка пар, разнопарка, битость пар, прослушка. Пониженное переходное затухание. Это ещё один тип повреждений, который можно искать измерением ёмкости. Для поиска места, где спайщики «начудили» с муфтой, а именно оттуда берётся это повреждение, придётся ввести ещё один параметр: ёмкость искусственно разбитой пары. Мерится она так же, как и рабочая ёмкость только жилы берутся от разных пар.

Рабочая ёмкость правильно скрученной пары всегда больше ёмкости искусственно разбитой. Неудивительно, ведь жилы в паре идут всю длину вплотную друг к другу, величина d из рисунка минимальна, значит, ёмкость максимальна.

1. Мерим рабочую ёмкость хорошей пары этого кабеля. Предположим 81 нФ. Обозначу С_норм.

2. Мерим ёмкость искусственно битой, пары. Причём лучше не одной, а нескольких с усреднением. Предположим получилось 62 нФ. Обозначим С_бит.

3. Мерим рабочую ёмкость повреждённой пары. Пускай она будет 70 нФ (у разбитой пары она всегда меньше). И назовётся С_повр.

Этот же метод заложен в некоторых ИРК-ПРО. Довольно большая погрешность и хорош если точно известны все муфты. Часть инструкции к ИРК-ПРО Альфа от «Связьприбор»

РАЗБИТОСТЬ ПАР

Лично я всё же предпочитаю рефлектометр, получается точнее.

Источник

Электрическая ёмкость и ее расчет

Содержание:

Электротехника и ее теоретические основы:

Одной из основных задач техники является преобразование при родных энергетических запасов в используемые виды энергии — в механическую, тепловую, световую и т. п., что требует транспортировки энергетического сырья к месту его использования.

Электрическая энергия легко передается на большие: расстояния и с высоким коэффициентом полезного действия преобразуется в другие виды энергии. Общепринятым является преобразование природных энергетических запасов в электрическую энергию с помощью так называемых генераторов и ее передача посредством проводов к месту потребления, где в преобразователях и приемниках она преобразуется в нужный вид энергии. Беспроводная передача энергии осуществляется с помощью радиосвязи.

Преимущества генерирования, передачи, распределения и преобразования электрической энергии обеспечили широкое применение электротехники.
Новые производственные отношения в нашей стране, отсутствие частной собственности на запасы энергетического сырья, средства и орудия производства, государственное планирование являются мощным фактором развития электротехники и всеобъемлющего охвата ею всех отраслей нашего народного хозяйства, быта и культуры.

Составленный под руководством В. И. Ленина план ГОЭЛРО построения 30 электростанций общей мощностью 1,75 млн. кет был выполнен в решающих позициях за 10 лет.

В послевоенные годы электрификация СССР развивается невиданными темпами: в 1960 г. мощность электростанций составила 66,7 млн. кет, а за пятилетку 1966— 1970 гг. введены 54 млн. кет, в том числе самая мощная в мире Красноярская гидроэлектростанция (6 млн. кет) и Белоярская атомная электростанция (600 тыс. кет). В Директивах XXIV съезда КПСС по пятилетнему плану развития народного хозяйства СССР на 1971— 1975 гг. предусмотрено ввести в действие электростанции мощностью 65—67 млн. кет, в том числе 6—8 млн. кет на атомных электростанциях. Соответственно увеличилась и увеличится мощность потребителей — устройств, преобразующих электрическую энергию в другие виды.

Электрическая энергия — это энергия электромагнитного поля, являющегося видом материи. Поле имеет две составляющие — электрическое и магнитное поля, что можно показать на примере линии передачи постоянного тока (рис. В. 1).

При передаче энергии провода линии, изолированные друг от друга, находятся под напряжением U. Следовательно, между проводами возникает электрическое поле, изображенное пунктиром на рис. В.1 в виде силовых линий, В проводах протекает ток 7, следовательно, в проводах и вне их создается магнитное поле, показанное сплошными линиями. На рис. В.1 видно характерное различие между электрическим и магнитным полями: силовые линии электрического поля незамкнуты, они начинаются и оканчиваются на заряженных проводах; магнитные силовые линии всегда замкнуты; они не имеют ни начала, ни конца.

Как известно из курса физики, электрическое поле в каждой точке
характеризуется вектором напряженности Е, равным силе, воздействующей на единичный положительный заряд, помещенный в эту точку, и вектором электрического смещения

Электрическое поле в проводящей среде создает ток, характеризуемый в
каждой точке поля вектором плотности тока где — удельная
проводимость среды. Ток сопровождается появлением магнитного поля и переходом части энергии электромагнитного поля в тепло, причем мощность этого процесса в единице объема

Магнитное поле в каждой точке характеризуется вектором магнитной индукции В, величина которого равна силе, действующей на движущийся единичный положительный заряд, скорость которого равна единице, а направление В — перпендикулярно этой силе и скорости, а также вектором напряженности

где , — магнитная проницаемость среды.

Передача, генерирование, преобразование и потребление электрической энергии, равной (где t — время), возможны лишь при наличии электрического и магнитного полей, т. е. при существовании электромагнитного поля. Примером могут служить рассмотренные поля линии электропередачи. При беспроводной передаче движение энергии также связано с существованием электромагнитного поля в пространстве между передающей и приемной антеннами.

В науке об электричестве связь электрических и магнитных явлений была установлена в двадцатых годах прошлого века, когда Ампер и Эрстед доказали, что электрический ток сопровождается возникновением магнитного поля; окончательно связь электрического и магнитного полей была подтверждена Фарадеем, открывшим явление электромагнитной индукции (1831 г.).

Электротехника, зародившаяся в тридцатых годах прошлого века, вначале развивалась как техника постоянного тока. Только после создания М. О. Доливо-Добровольским системы трехфазного тока и трехфазного двигателя (1891 г.) переменный ток стал вытеснять постоянный. Передача электрической энергии стала осуществляться также трехфазным током.
Теория электромагнитного поля в законченной математической форме была создана Максвеллом в 1873 г. Подтвержденная многочисленными опытами ряда ученых, она была окончательно принята в начале нашего века.

Введенное Максвеллом представление об электромагнитных волнах, экспериментально подтвержденное работами Герца, позволило А. С. Попову в 1895 г. осуществить передачу сигнала без проводов, что послужило началом новой области электротехники — радиотехники.

Электротехника и ее теоретические основы непрерывно развиваются. Например, совершенствуются электронные, ионные и полупроводниковые приборы и аппараты, с помощью которых осуществляют прямые и обратные преобразования переменного тока в постоянный, усиление напряжения и мощности и создают электронные вычислительные машины. Увеличивается дальность и возможности проводной связи, радиотехники и телевидения, развивается электроавтоматика, в энергетике осуществляется переход к большим напряжениям (1500 кв) и мощностям генераторов (1 200 ООО кет и выше), разрабатываются и испытываются магнитогидродинамические прямые преобразователи тепловой энергии в электрическую и т. д.

Так как все электротехнические устройства основаны на использовании электромагнитного поля их систем, состоящих из заряженных тел и контуров с токами, для решения многих задач необходимо привлечение теории этого поля со сложными математическими зависимостями. Однако в большинстве устройств используются ограниченные пути электрического тока и магнитного потока — изолированные проводники малого сопротивления и магнитопроводы из материала с высокой магнитной проницаемостью, называемые электрическими и магнитными цепями. Их расчеты могут быть значительно упрощены, так как не требуют знания составляющих поля в каждой точке устройств. Теория этих цепей основана на использовании интегральных величин: напряжения , заряда Q = , тока магнитного потока Ф = , намагничивающей силы (н. с.) F = (I — длина, S — площадь) взамен Е, D, Н и В, характеризующих поле. Взамен характеристик среды е, используются интегральные характеристики носителей полей: электрического — емкость C = , магнитного — индуктивность L = ( потокосцепление), а также преобразователя энергии поля в тепловую энергию — сопротивление .

Эти величины можно называть параметрами цепей.

Если эти параметры не зависят от токов и напряжений, уравнения теории цепей, связывающие интегральные величины, будут линейными; такие цепи называют линейными.

В ряде случаев, весьма важных для современной электротехники, эти параметры являются функциями напряжений и токов; тогда уравнения и цепи становятся н нелинейными.

Осуществление грандиозных планов дальнейшей электрификации нашей страны, эксплуатация существующих и создание новых электротехнических устройств требуют от инженера-электрика глубокого понимания физических процессов и умения производить их технический расчет. Фундаментом электротехнического образования является курс теоретических основ электротехники (ТОЭ), базирующийся на сведениях, сообщенных в курсах физики, математики и механики.

Настоящее учебное пособие ТОЭ построено в соответствии с изложенным. Вначале даны параметры цепей, потом основы теории источников и приемников электрической энергии. Затем следует анализ электрических и магнитных цепей при постоянном и переменном токе — линейных и на их основе нелинейных. Курс завершается теорией постоянного и переменного электромагнитного поля.

В книге принята Международная система единиц СИ и рационализованная форма написания уравнений, предложенная Хевисайдом, в которой основные соотношения для электрического и магнитного полей имеют симметричный вид, а множители 4 π и 2 π входят лишь в те соотношения, где они соответствуют характеру симметрии — сферической (4 π) и осевой (2 π).

Параметры электрических и магнитных цепей

Электрической цепью называется совокупность устройств, состоящая из источников, преобразователей и приемников электрической энергии и соединяющих их проводов, образующих замкнутые пути для электрического тока.

Часть цепи, не содержащая источников электрической энергии, называется пассивной, а часть цепи, содержащая источники, называется активной.

Как было показано во введении на примере линии передачи, электрическая цепь характеризуется тремя параметрами: сопротивлением R, емкостью С и индуктивностью L. Этими параметрами обладают все элементы цепей, например резисторы, в которых основную роль играет их сопротивление, конденсаторы с основным параметром — емкостью, и катушки индуктивности, в которых основной является их индуктивность.

Из изложенного вo введении очевидно, что параметры линии передачи равномерно распределены по всей длине линии. Параметры распределены также в отдельных элементах цепи. Например, в катушке индуктивности сопротивление, индуктивность и емкость распределены по ее длине, так как каждый виток с током имеет сопротивление и создает магнитное поле, а отдельные витки изолированного проводника обладают друг по отношению к другу некоторой емкостью.

Этим свойством обладают все реальные электрические цепи—они являются цепями с распределенными параметрами. Так как в ряде технически важных задач не требуется знания электромагнитных процессов в каждой точке всей цепи и ее элементов, необходимо учесть только их интегральные свойства; такие цепи могут быть представлены в виде цепей с сосредоточенными параметрами, состоящих из сопротивлений, индуктивностей и емкостей. Например, катушка индуктивности может быть представлена в виде схемы с последовательным соединением сопротивления R, индуктивности L и с параллельно приключенной к ним емкостью С.

При включении цепи на постоянное напряжение в течение короткого времени от источника потребляется энергия на создание электромагнитного поля. После этого запасенная в С и L энергия сохраняет свою величину неизменной и не отражается на работе цепи, а источники доставляют энергию только на покрытие тепловых потерь в сопротивлениях. Поэтому при расчете цепей постоянного тока следует учитывать только сопротивление R.

В цепях переменного тока энергия, запасаемая в С и L, и мощность потерь в R непрерывно изменяются. Поэтому при расчете этих цепей необходимо учитывать все три параметра.

Многие электрические цепи нелинейны. Так, например, температура, а следовательно, и сопротивление проводника при прохождении по нему тока изменяются; индуктивность катушки со стальным сердечником зависит от тока, так как с величиной тока будет меняться магнитная проницаемость р, сердечника, а следовательно, и индуктивность L. Однако в большинстве случаев цепи можно рассматривать как линейные, считая параметры R, L и С постоянными.

В устройствах современной электротехники главным образом используется энергия магнитного поля, поэтому их основным параметром является индуктивность L. Для этих устройств вводится понятие магнитной цепи как совокупности тел, большей частью ферромагнитных, в которых создается магнитный поток.

При постоянном токе методы анализа магнитных цепей аналогичны методам расчета электрических цепей, содержащих лишь один параметр — сопротивление R. Его аналогом в магнитных цепях является магнитное сопротивление .

Эта глава посвящена элементарным методам расчета параметров устройств, поля которых имеют простые виды симметрии. Более сложные случаи рассматриваются в теории электромагнитного поля.

Электрическая ёмкость и ее расчет

Для электрических цепей наибольший интерес представляет система двух проводящих тел в диэлектрической среде, заряды + Q и —Q которых отличаются только знаком, являющаяся по существу конденсатором. Емкость конденсатора равна отношению его заряда Q, под которым понимается абсолютное значение разноименных зарядов, к напряжению U между обкладками:

Емкость конденсатора, определяемая размерами и формой тел и их взаимным расположением, пропорциональна диэлектрической проницаемости е среды между обкладками. Емкость измеряется Б фарадах (ф), заряд в кулонах (к), напряжение в вольтах (в).

Для расчета емкости конденсатора по заряду и напряжению необходимо предварительно рассчитать его электрическое поле, исходя из общих соотношений для электрического поля.

Связь между зарядом и вектором смещения определяется обобщенной теоремой Гаусса:

справедливой для линейных и нелинейных сред и являющейся основным соотношением для электрического поля. В правой части этого равенства стоит суммарный заряд, заключенный внутри замкнутой поверхности, в левой — поток вектора смещения. Смещение измеряется в к/м2, напряженность электрического поля — в в/м, диэлектрическая проницаемость в ф/м.

Поле в каждой точке характеризуется потенциалом ; его производная по любому направлению со знаком минус равна составляющей напряженности поля по этому направлению.

Напряжение между точками А и В, имеющими потенциалы , равно:

Потенциал также измеряется в вольтах.

Так как сумма напряжений по замкнутому пути равна нулю, то что является вторым основным соотношением для электрического поля.

Емкость коаксиального кабеля

Коаксиальный кабель представляет собой два проводящих соосных
цилиндра с радиусом внутреннего цилиндра r1 внутренним радиусом
внешнего цилиндра г2, длиной цилиндров I (рис. 1.1).

Пусть внутренний цилиндр — жила кабеля — заряжен положительно и изолирован диэлектриком с проницаемостью е от оболочки — обратного провода, являющегося внешним цилиндром и несущим заряд обратного знака, а напряжение между жилой и оболочкой равно U.

При выполнении условия , можно пренебречь искажением поля у концов кабеля и считать, что заряды распределены равномерно с линейной плотностью , а векторы напряженности поля и смещения направлены в каждой точке по радиусу и зависят от его величины; τ измеряется в к/м.
Для цилиндрической поверхности радиуса г, охватывающей заряженную жилу (на рис. 1.1 указана пунктиром), можно применить теорему Гаусса. Из- за радиального направления вектора смещения потоки через основания цилиндра равны нулю; остается лишь поток через боковую поверхность S.
Так как при неизменном радиусе смещение D остается постоянным, то

В последние выражения не входит радиус жилы, благодаря чему поле вне ее может рассчитываться как поле электрической оси с тем же зарядом т, совпадающей с геометрической осью жилы.

Напряжение на кабеле

откуда емкость кабеля

После подстановки из предпоследнего равенства

в выражение для напряженности поля получим

Исследование на минимум показывает, что наименьшее значение
максимальной напряженности при заданных напряжении и радиусе
внешней оболочки будет при

т. е. при так как вторая производная больше нуля.
При таком соотношении радиусов кабель, очевидно, обладает наибольшей электрической прочностью.

Емкость двухпроводной линии

Широко используемые в электротехнике двухпроводные линии передачи представляют собой систему двух прямых параллельных проводов кругового сечения (рис. 1.2). Провода оказываются заряженными разноименно, когда линия включена на напряжение.

Так как длина проводов I велика по сравнению с расстоянием d между их осями, искажением электрического поля у концов заряженных проводов можно пренебречь. Поэтому распределение поля в пространстве остается неизменным в любой плоскости, перпендикулярной осям проводов.

Пусть двухпроводная линия подвешена настолько высоко, что влиянием земли можно пренебречь. Напряжение на линии равно U, величина заряда на единицу длины — τ, радиус проводов — .

В отличие от коаксиального кабеля, где вследствие равномерного распределения заряда по поверхности жилы ее электрическая ось совпадает с геометрической, плотность зарядов на проводах линии больше на частях их поверхностей, обращенных друг к другу из-за притяжения разноименных зарядов. Поэтому расстояние между электрическими осями проводов становится тем меньше расстояния между их геометрическими осями, чем меньше отношение
Для воздушных линий и электрические и геометрические оси можно считать совпадающими. В точке М, лежащей на линии центров сечений проводов на расстоянии г от оси левого провода, напряженности поля, создаваемые каждым из проводов, совпадают по направлению, поэтому суммарная напряженность в этой точке

где — диэлектрическая проницаемость воздуха, а напряжение между ближайшими точками на поверхностях проводов

Отсюда емкость двухпроводной воздушной линии

Взаимоёмкость и ее расчёт

Для многих технических задач представляет интерес рассмотрение электрического поля, созданного системой нескольких пар разноименно заряженных тел. Заряды этих тел и напряжения связаны между собой линейными уравнениями.

В системе из двух конденсаторов (1-1′ и 2-2′ на рис. 1.3) все четыре тела связаны электрическим полем, поэтому заряд каждого из конденсаторов зависит от их напряжений и ; поле на рис. 1.3 показано для случая, когда потенциал тела I больше потенциалов тел 2 и 2′, а последние больше потенциала тела . Если заряд одного конденсатора, обусловленный
напряжением второго, совпадает по знаку с зарядом, создаваемым собственным напряжением, суммарные заряды обоих конденсаторов будут:

где — собственные емкости конденсаторов;
— взаимоемкость между первым и вторым конденсатором; — между вторым и первым; можно показать, что
Собственные емкости конденсаторов

определяются всеми четырьмя телами системы и отличаются от емкости каждого из этих конденсаторов, определенной при отсутствии другого.

При определении ёмкости условие = 0 означает, что второй конденсатор замкнут накоротко; при этом под воздействием поля первого конденсатора обкладки второго получили разноименные заряды.

Соответственно, при определении накоротко замыкается первый конденсатор.

т. е. равна отношению заряда на обкладках накоротко замкнутого одного конденсатора, когда его заряд создается напряжением другого, к этому напряжению.

Взаимоемкость определяется конфигурацией тел, образующих конденсаторы, их взаимным расположением и пропорциональна диэлектрической проницаемости среды.

При несовпадении знаков собственных зарядов, обусловленных емкостью, и взаимных зарядов, обусловленных взаимоемкостью, знак перед вторыми членами в выражениях (1.2) будет отрицательным. Взаимоемкость также измеряется в фарадах (ф).

Для системы многих конденсаторов, соответственно, заряд Qk
конденсатора k определяется всеми напряжениями:

где — собственная емкость конденсатора к; — взаимоемкость между конденсаторами k и р.

Взаимоемкость двух параллельных двухпроводных линий

Примером системы из четырех тел, рассматриваемой как совокупность двух конденсаторов, могут служить две параллельные линии, расположенные симметрично одна над другой (рис. 1.4).

Пусть радиус проводов расстояния между проводами в каждой линии
и расстояние между плоскостями обеих линий d, длина линий
Заряды на проводах первой линии замкнутой накоротко можно найти как разность зарядов, создаваемых напряжением через емкости Са между парами проводов на одной стороне линий с расстоянием между этими проводами а = между парами противолежащих проводов с расстоянием Каждая из пар одинаковых емкостей соединена последовательно и их общая емкость вдвое меньше.

Тогда, соответственно формуле (1.1), получается

а собственная емкость первой линии при учете второй линии равна

Такая задача представляет технический интерес, позволяя определить влияние линии передачи 2 на линию связи 1 (рис. 1.4).

Это влияние состоит в наведении на проводах линии связи заряда взаимоемкости Так как отношение этого заряда к собственному заряду равно

а напряжение линии передачи во много раз превышает напряжение
линии связи, то для уменьшения наведенного заряда необходимо увеличивать расстояние d между линиями и уменьшать расстояние
между проводами линии связи.

При копировании любых материалов с сайта evkova.org обязательна активная ссылка на сайт www.evkova.org

Сайт создан коллективом преподавателей на некоммерческой основе для дополнительного образования молодежи

Сайт пишется, поддерживается и управляется коллективом преподавателей

Whatsapp и логотип whatsapp являются товарными знаками корпорации WhatsApp LLC.

Cайт носит информационный характер и ни при каких условиях не является публичной офертой, которая определяется положениями статьи 437 Гражданского кодекса РФ. Анна Евкова не оказывает никаких услуг.

Источник