Выбор кабеля по падению напряжения. Расчет падения напряжения в кабеле
При передаче электрического тока возможна неравномерная работа потребителей на различных участках цепи. Причин такого явления может быть несколько, и основной из них является падение напряжения.
[ Скрыть ]
Базовые формулы определения напряжения
Для расчёта напряжения и сопротивления в цепи используются формулы или готовые онлайн калькуляторы.
Через силу тока и сопротивление
Закон Ома имеет исключения для применения:
- При прохождении токов высокой частоты происходит быстрое изменение электромагнитных полей. При расчёте высокочастотных цепей следует учитывать инерцию частиц, которые переносят заряд.
- При работе цепей в условиях низких температур (вблизи абсолютного нуля) у веществ может возникать свойство сверхпроводимости.
- Нагретый проходящими токами проводник является причиной возникновения переменного сопротивления.
- При нахождении под воздействием высокого напряжения проводников или диэлектриков.
- Во время процессов, проходящих в устройствах на основе полупроводников.
- При работе светодиодов.
Через мощность и силу тока
При известной мощности потребителей и силе тока напряжение высчитывается по формуле U=P/I, где P — мощность в Ваттах, а I — сила тока в Амперах.
При расчётах в цепях переменного тока используется формула иного вида: U=(P/I)*cosφ, где cosφ — коэффициент мощности, зависит от характера нагрузки.
При использовании приборов с активной нагрузкой (лампы накаливания, приборы с нагревательными спиралями и элементами) коэффициент приближается к единице. При расчётах учитывается возможность наличия реактивного компонента при работе устройств и значение cosφ считается равным 0,95. При использовании устройств с реактивной составляющей (электрические двигатели, трансформаторы) принято считать cosφ равным 0,8.
Через работу и заряд
Методика расчёта используется в лабораторных задачах и на практике не применяется.
Формула имеет аналогичный закону Ома вид: U=A/q, где A — выполненная работа по перемещению заряда в Джоулях, а q — прошедший заряд, измеренный в Кулонах.
Расчёт сопротивления
При работе проводник создает препятствие течению электрического тока, которое называется сопротивлением. При электротехнических расчетах применяется понятие удельного сопротивления, которое измеряется в Ом*м.
Последовательное подключение
При последовательном соединении выход элемента связан со входом следующего. Общее сопротивление находится при помощи расчётной формулы: R=R1+R2+…+Rn, где R=R1+R2+…+Rn — значения сопротивления элементов в Омах.
Параллельное подключение
Параллельным называется соединение, при котором оба вывода одного элемента цепи соединены с соответствующими контактами другого. Для параллельного подключения характерно одинаковое напряжение на элементах. Ток на каждом элементе будет пропорционален сопротивлению.
Общее сопротивление высчитывается по формуле: 1/R=1/R1+1/R2+…+1/Rn.
В реальных схемах электропроводки применяется смешанное соединение. Для расчёта сопротивления следует упростить схему, просуммировав сопротивления в каждой последовательной цепи. Затем схему уменьшают путём расчёта отдельных участков параллельного соединения.
Потери напряжения
Потеря напряжения представляет собой расход электрической энергии на преодоление сопротивления и нагревание проводов.
Падение напряжения происходит при работе различных электронных компонентов, например, диодов. Складывается оно из суммы порогового напряжения p-n перехода и проходящего через диод тока, умноженного на сопротивление.
При прохождении тока через резистор также наблюдается падение напряжения. Этот эффект используется для снижения напряжения на отдельных участках цепей. Например, для использования приборов рассчитанных на низкое напряжение в цепях с высоким значением напряжения.
Последовательное включение сопротивления
На схеме приведен пример последовательного включения резистора, который вызывает падение напряжения на лампе с 12 до 7 Вольт. На этом принципе построены регуляторы интенсивности освещения (диммеры).
При эксплуатации проводки с длиной до 10 метров потерями напряжения можно пренебречь.
Потеря напряжения на резисторе и способы замера показаны в видео от канала «Радиолюбитель TV».
К чему приводит потеря напряжения
Потери напряжения в кабельной системе являются причинами ряда негативных явлений:
- неполноценная и некорректная работа потребителей;
- повреждение и выход из строя оборудования;
- понижение мощности и крутящего момента электродвигателей (особенно заметное в момент пуска);
- неравномерное распределение тока между потребителями на начальном участке и в конце цепи;
- из-за работы ламп на неполном накале происходит неполное использование мощности тока, что ведет к потерям электроэнергии.
От чего зависит потеря
Потеря напряжения в цепях переменного и постоянного напряжения имеет зависимость от силы тока и сопротивления проводника. При увеличении указанных параметров потери напряжения возрастают. Кроме того, на потерю оказывает влияние конструкция кабелей. Плотность прижатия и степень изоляции проводников в кабеле превращают его в конденсатор, который формирует заряд с ёмкостным сопротивлением.
Потеря напряжения на диодах зависит от типа материала. При использовании германия значение лежит в пределах 0,5-0,7 вольта, на более дешевых кремниевых значение увеличивается и достигает 0,7-1,2 вольта. При этом падение не зависит от напряжения в цепи, а зависит только от силы тока.
К основным причинам потерь тока в магистралях относят:
Ещё одной причиной падения напряжения на линиях является воровство электроэнергии.
В бытовых условиях потери напряжения зависят от ряда факторов:
- затраты энергии на нагрев проводки из-за повышенного потребления;
- плохой контакт на соединениях;
- емкостный и индуктивный характер нагрузки;
- применение устаревших потребителей.
Причины снижения напряжения изложены в видео от канала ElectronicsClub.
Допустимые значения
Значение потери напряжения относится к регламентированным значениям и нормируется несколькими правилами и инструкциями ПУЭ (Правила устройства электроустановок).
Согласно правилу СП 31-110-2003 суммарное значение потери напряжения от точки ввода в здание до наиболее удалённого потребителя не должно превышать 7,5%. Правило распространяется на электрические сети с рабочим напряжением не выше 400 Вольт. Этот документ принимается в расчёт при проектировке сетей и приёмке и проверке специалистами Ростехнадзора.
Правило СП 31-110-2003 отдельно оговаривает отклонение напряжения в бытовых сетях однофазного тока, которое не должно превышать ±5% при нормальном режиме работы сети и ±10% в послеаварийном. При эксплуатации низковольтных сетей (до 50 Вольт) нормальным является отклонение в пределах ±10%.
Для учёта потерь в кабелях питающей сети применяется инструкция РД 34.20.185-94, которая допускает потери не более 6% при напряжении 10 кВ и не более 4-6% при напряжении 380 Вольт. При этом меньшее значение относится к зданиям с большими потерями во внутридомовой проводке (например, многоэтажные жилые дома с большим количеством подъездов или секций). Большее значение принимается для зданий с малыми внутренними потерями (малоэтажная застройка или многоэтажки с одним или двумя подъездами).
Для одновременного исполнения требований СП 31-110-2003 и РД 34.20.185-94 приходится добиваться снижения потери напряжения до нормы 1,5% (малоэтажные здания) или 2,5% (многоэтажки). При расчёте должны учитываться данные о кабелях, начиная от подстанции и заканчивая подключением к распределительному щиту. На падение напряжения оказывает влияние сечение и материал жил, длина проводки, состояние изоляции.
С начала 2013 года вступил в силу новый стандарт ГОСТ Р 50571.5.52-2011, среди прочего регламентирующий и падение напряжения на сетях до 0,4 кВ. В документе указано, что падение не должно превышать 3% для цепей освещения и 5% для других потребителей. В случае длины проводки более 100 метров падение напряжения может корректироваться на значение 0,005% на каждый метр превышения. При этом максимальный параметр корректировки не может превышать 0,5%.
В документе не указывается, на какую проводку распространяются потери — от распределительного щита до самого удалённого потребителя или от подстанции до конечного светильника. При расчёте сетей стандарт трактуют как касающийся падения напряжения от щита до наиболее удалённой лампы (иначе он полностью противоречит действующим СП 31-110-2003 и РД 34.20.185-94).
На основании описанной выше документации проектировщики стараются добиться падения напряжения внутри здания не более 3% при потере на участке от подстанции до распределительного щита не более 4,5%. Это правило применяется для цепей с напряжением 220В и 380В.
Формулы
Одним из основных параметров для расчёта падения является удельное сопротивление.
Для выполнения проводки от подстанции к распределительному щиту и далее по зданию применяется медный или алюминиевый провод, которые имеют удельные сопротивления:
- 0,0175 Ом*мм2/м для меди;
- 0,0280 Ом*мм2/м для алюминия.
- для определения номинального тока, который будет проходить через проводник: I=P/U, где P — передаваемая мощность (Ватт), а U — номинальное напряжение (Вольт);
- для определения сопротивления: R=(2*ρ*L)/s, где ρ — удельное сопротивление проводника, s — сечение провода (мм2), а L — длина линии (мм);
- потеря напряжения в проводе равна: ΔU=(2*I*L)/(γ*s), где L — длина линии (мм), γ — величина, обратная удельному сопротивлению, а s — сечение провода (мм2);
- по формуле s=(2*I*L)/(γ*ΔU) можно рассчитывать необходимое сечение провода по требуемой нагрузке или производить проверочный расчёт потери.
По известному сечению можно по формулам или таблицам определить диаметр провода, который затем сравнивается с реальным значением.
Падение напряжения на длинных участках сетей однофазного тока можно посчитать по формулам:
Как определить потерю напряжения
В сетях с напряжением до 220в потери можно определить при помощи вольтметра.
- Произвести замер в начале цепи.
- Выполнить замер напряжения на самом удаленном участке.
- Высчитать разницу и сравнить с нормативным значением. При большом падении рекомендуется провести проверку состояния проводки и заменить провода на изделия с меньшим сечением и сопротивлением.
Вторым способом является расчет по формулам.
Примеры расчётов
Базовым способом расчёта потери мощности может служить онлайн-калькулятор, который проводит расчёты по исходным данным (длина, сечение, нагрузка, напряжение и число фаз).
Образец калькулятора для расчёта потерь
Примером расчёта по формулам для жилого дома может служить задача определения падения напряжения в отдельно взятом помещении. Максимальная расчётная мощность составляет 4 кВт при токе 16 А, проводка выполнена из алюминиевой жилы с сечением 1,5 квадрата и имеет длину 40 метров.
Падение составит: U=(р*L*2)/(s*I)=0.028*40*2/1,5*16=9,33 В. Напряжение с учетом потери составит 220-9,33=210,67 В (или 4,2%). Значение находится на пределе допуска, есть риск работы потребителей с неполной мощностью (особенно в случае просадки основного напряжения 220 В).
При более детальном и точном расчёте необходимо учитывать реактивную и активную составляющие сопротивления и передаваемую мощность. Примером сложного расчёта может служить магистральная линия, выполненная с использованием четырехжильного кабеля СИП. К магистрали подключены четыре ответвления, к которым подключены дачные домики. Коэффициент мощности нагрузки принят как 0,98. Основной кабель СИП2 имеет четыре жилы по 50 мм2, кабель СИП4 для подключения дома имеет две жилы по 16 мм2. Расстояния указаны на схеме.
Схема подключения
Для расчёта необходимо:
- Определить погонные сопротивления проводки СИП2 по справочнику: Rпог=0,641·10-3 Ом/м. Xпог=0,0794·10-3 Ом/м.
- Выяснить аналогичные значения для СИП4: Rпог=1,91·10-3 Ом/м. Xпог=0,0754·10-3 Ом/м
- Для трёхфазного участка расчёт ведется по формуле: ΔU=((L*(P*Rпог+Q*Xпог))/U2)*100.
- Для однофазных ответвлений: ΔU=((2*L*(P*Rпог+Q*Xпог))/U2)*100, где P и Q – расчётная активная мощность линии (Вт), L – длина участка линии (м), Rпог (Xпог) – погонное сопротивление провода (Ом/м), U – номинальное фазное напряжение сети (В).
Поскольку значение Q*Xпог на порядок меньше, чем P·Rпог, то в расчётах им пренебрегают и упрощают формулу до вида: ΔU=((L*P*Rпог)/U2)*100 и ΔU=((2*L*P*Rпог)/U2)*100.
Расчётную мощность на каждом участке определяют по табличным значениям из СП 31-110-2003. При расчётах количества потребителей на промежуточных участках необходимо суммировать их число на ответвлении в конце участка и на следующем.
В приведенном примере между узлами 1 и 2 имеется 34 потребителя энергии (дома). Поскольку в таблицах даны значения только для 24 и 40 домов, то для нашего случая значение вычисляется по линейному графику: Р34=Р24-((34-24)/(40-24))*(Р24-Р40)=0,9-((34-24/(40-24))*(0,9-0,76)=0,81 кВт/дом.
По полученному значению мощности ведется расчёт потери напряжения на каждом участке.
Таблица с частыми значениями
Существуют таблицы для определения потери напряжения (процентов при передаче одного киловатта на один километр) в зависимости от материала жилы, сечения и коэффициента реактивной мощности.
Ниже приведен пример таблицы для магистрального алюминиевого провода в трёхфазной линии передач.
| Сечение, мм2 | 1,02 | 0,88 | 0,75 | 0,62 | 0,53 | 0,48 | 0,36 | 0,28 |
| 16 | 1,62 | 1,58 | 1,55 | 1,52 | 1,50 | 1,49 | 1,46 | 1,44 |
| 25 | 1,13 | 1,10 | 1,07 | 1,03 | 1,02 | 1,00 | 0,97 | 0,96 |
| 35 | 0,87 | 0,84 | 0,81 | 0,78 | 0,76 | 0,75 | 0,72 | 0,70 |
По таблице видно, что по мере падения коэффициента реактивной мощности происходит снижение потери. Дополнительно снижает потерю увеличение сечения проводника.
Другой вариант таблицы для однофазной и трёхфазной сетей для электродвигателей и освещения.
| Сечение, мм2 | Сечение, мм2 | Питание 1 фаза в установившемся режиме | Питание 1 фаза в момент пуска | Освещение 1 фаза | Питание 3 фазы в установившемся режиме | Питание 3 фазы в момент пуска | Освещение 3 фазы |
| Медь | Алюминий | Косинус 0,8 | Косинус 0,35 | Косинус 1,0 | Косинус 0,8 | Косинус 0,35 | Косинус 1,0 |
| 1,5 | — | 24,0 | 10,6 | 30,0 | 20,0 | 9,4 | 25,0 |
| 2,5 | — | 14,4 | 6,4 | 18,0 | 12,0 | 5,7 | 15,0 |
| 4,0 | — | 9,1 | 4,1 | 11,2 | 8,0 | 3,6 | 9,5 |
| 10,0 | 16,0 | 3,7 | 1,7 | 4,5 | 3,2 | 1,5 | 3,6 |
| 16,0 | 25,0 | 2,36 | 1,15 | 2,8 | 2,05 | 1,0 | 2,4 |
| 25,0 | 35,0 | 1,5 | 0,75 | 1,8 | 1,3 | 0,65 | 1,5 |
| 50,0 | 70,0 | 0,86 | 0,47 | 0,95 | 0,75 | 0,41 | 0,77 |
Например, трёхфазный двигатель работает при токе 100 А и напряжении 400 В, но в момент пуска потребляет до 500 А. При различных условиях работы косинус φ будет составлять 0,8 или 0,35. Для питания двигателя проложен провод длиной 50 метров с сечением 35 квадратов. При нормальных условиях на трёхфазной сети потери составляют один вольт на километр проводки (из таблицы).
В нашем случае потеря составит 1в*0,05км*100а=5 вольт. В момент пуска на щите наблюдается просадка напряжения в пределах 10 в. Таким образом суммарное падение достигнет 15 вольт, что составляет 3,75%. Значение лежит в пределах допуска ПУЭ и такая цепь применима к эксплуатации.
Выбор кабеля
Для выбора кабеля по нагреву и падению напряжения можно применять готовые онлайн-калькуляторы.
Один из калькуляторов
Возможен способ расчёта по формулам, но он применяется при проектировании проводки для крупных жилых домов и промышленных помещений.
Вопрос качества передачи и получения электрической энергии во многом зависит от состояния оборудования, которое участвует в этом сложном технологическом процессе. Поскольку в энергетике транспортируются огромные мощности на большие расстояния, то к характеристикам линий электропередач предъявляются повышенные требования.
Причем снижению потерь напряжения постоянно уделяется внимание не только на протяженных высоковольтных магистралях, но и во вторичных цепях, например, измерительных трансформаторов напряжения, как показано на фотографии.
Кабели вторичных цепей ТН с каждой фазы собираются в одном месте — шкафу клеммной сборки. От этого распределительного устройства, расположенного на средней мачте крепления оборудования, цепи напряжения отдельным кабелем поступают на клеммник панели, расположенной в релейном зале.
Силовое первичное оборудование располагают на значительном удалении от защит и измерительных устройств, смонтированных на панелях. Протяжённость подобного кабеля достигает 300÷400 метров. Такие расстояния ведут к ощутимым потерям напряжения во внутренней схеме, что может серьёзно занизить метрологические характеристики измерительных приборов и системы в целом.
По этой причине качество преобразования первичной величины напряжения, например, 330 кВ во вторичное значение 100 вольт с необходимым классом точности 0,2 или 0,5 может не укладываться в допустимые пределы, требуемые для надежной работы измерительных комплексов и защит.
Чтобы исключить подобные ошибки на стадии эксплуатации все измерительные кабели подвергаются расчету на потери напряжения еще во время проектирования схемы электрического оборудования.
Как создаются потери напряжения
Кабель состоит из токопроводящих жил, каждая из которых окружена слоем диэлектрика. Вся конструкция помещена в герметичный диэлектрический корпус.
Металлические проводники размещены довольно близко между собой, плотно прижаты защитной оболочкой. При большой длине магистрали они начинают работать . За счет его действия образуется емкостное сопротивление, являвшееся составной частью реактивного.
В результате преобразований на обмотках трансформаторов, реакторов и других элементах с индуктивностями мощность электрической энергии приобретает индуктивный характер. Резистивное сопротивление металла жил образует активную составляющую полного или комплексного сопротивления Zп каждой фазы.
Для работы под напряжением кабель подключается на нагрузку с полным комплексным сопротивлением Zн в каждой жиле.
Во время эксплуатации кабеля в трехфазной схеме при номинальном режиме нагрузки токи в фазах L1÷L3 симметричны, а в нейтральном проводе N протекает ток небаланса очень близкий к нулю.
Комплексное сопротивление проводников при протекании по ним тока вызывает падение и потери напряжения в кабеле, снижает его входную величину, а за счет реактивной составляющей еще и отклоняет по углу. Все это схематично показано на векторной диаграмме.
На выходе кабеля действует напряжение U2, которое отклонено от вектора тока на угол φ и снижено на величину падения I∙z от входного значения U1. Другими словами, вектор падения напряжения в кабеле образован прохождением тока по комплексному сопротивлению проводника и равен значению геометрической разности входного и выходного векторов.
Для наглядности он показан увеличенным масштабом и обозначен отрезком ас или гипотенузой прямоугольного треугольника асk. Его катеты ak и kc обозначают падение напряжения на активной и реактивной составляющей сопротивления кабеля.
Мысленно продолжим направление вектора U2 до пересечения с линией окружности, образованной вектором U1 из центра в точке О. У нас появился вектор ab, с углом, повторяющим направлением U2 и длиной, равной арифметической разности величин U1-U2. Эта скалярная величина называется потерей напряжения.
Ее рассчитывают при создании проекта и замеряют в процессе эксплуатации кабеля для контроля сохранности его технических характеристик.
Для проведения эксперимента необходимо выполнить два замера вольтметром на разных концах: входе и нагрузке. Поскольку разница между ними будет маленькая, то необходимо пользоваться высокоточным прибором желательно класса 0,2.
Длина кабеля может большой, что потребует значительного времени на переход с одного места на другое. За этот период напряжение в сети способно измениться по разным причинам, что исказит конечный результат. Поэтому такие замеры принято выполнять одновременно с двух сторон, привлекать помощника со средствами связи и вторым измерительным высокоточным прибором.
Поскольку вольтметры измеряют действующую величину напряжения, то разница их показаний укажет на величину потерь, образованную арифметическим вычитанием модулей векторов на входе и выходе кабеля.
В качестве примера рассмотрим приведенные на верхних фотографиях цепи измерительных трансформаторов напряжения. Допустим, что линейная величина на входе кабеля замерена с точностью до десятых долей и равно 100,0 вольт, а на выходных клеммах, подключенных к нагрузке, она составила 99,5 вольта. Это значит, что потери напряжения определены как 100,0-99,5=0,5 V. При переводе в проценты они составили 0,5%.
Принцип расчета потерь напряжения
Вернёмся к векторной диаграмме векторов падения и потерь напряжения. Когда конструкция кабеля известна, то по удельному сопротивлению, толщине и длине металла токоведущей жилы вычисляется ее активное сопротивление.
Удельное реактивное сопротивление и длина позволяют определить полное реактивное сопротивление кабеля. Часто для расчета вполне достаточно взять справочник с таблицами и вычислить оба вида сопротивлений (активное и реактивное).
Зная два катета прямоугольного треугольника вычисляют гипотенузу — значение комплексного сопротивления.
Кабель создается для передачи тока номинальной величины. Умножив его численное значение на комплексное сопротивление узнаем величину падения напряжения — сторону ас. Аналогично вычисляются оба катета: ak (I∙R) и kс (I∙X).
Далее выполняются простые тригонометрические вычисления. В треугольнике ake определяется катет ae умножением I∙R на cos φ, а в Δ сkf — длина стороны cf (I∙X умножается на sin φ). Обращаем внимание, что отрезок cf равен длине отрезка ed, как противоположной стороне прямоугольника.
Складываем полученные длины ae и ed. Узнаем протяженность отрезка ad, которая чуть-чуть меньше, чем ab или потери напряжения. В силу малой величины bd этим значением проще пренебречь, чем пытаться его учитывать в расчетах, что практически всегда и делают.
Вот такой несложный алгоритм заложен в основу расчета двухжильного кабеля при питании его переменным синусоидальным током. Методика действует с небольшими корректировками и для цепей постоянного тока.
В трехфазных линиях, работающих по трех- или четырехжильным кабелям подобная методика расчета используется для каждой фазы. За счет этого она намного усложняется.
Как выполняется расчет на практике
Времена, когда подобные расчеты производились вручную по формулам уже давно прошли. В проектных организациях давно используются специальные таблицы, графики и диаграммы, сведенные в технические справочники. Они избавляют от рутинной работы выполнения многочисленных математических операций и связанных с ними ошибок оператора.
В качестве примера можно привести методики, изложенные в общедоступных справочниках:
Федорова по электроснабжению за 1986 год;
по проектным работам для электроснабжения линий электропередач и электросетей под редакцией Большмана, Круповича и Самовера.
С массовым внедрением в нашу жизнь компьютеров стали разрабатываться программы расчета потерь напряжения, значительно облегчающие этот процесс. Они создаются как для выполнения сложных расчетов сетей электроснабжения проектными организациями, так и приближенной оценки предварительных результатов использования отдельного кабеля.
Владельцы электротехнических сайтов для этих целей размещают на своих ресурсах различные калькуляторы, которые позволяют быстро оценить возможности кабелей разных марок. Чтобы их найти достаточно в поиске Гугл ввести соответствующий запрос и выбрать один из сервисов.
В качестве примера рассмотрим работу калькулятора такого вида.
Сделаем ему тестовое испытание и введем исходные данные в соответствующие поля:
переменный ток;
алюминий;
длина линии — 400 м;
сечение кабеля — 16 мм кв (скорее всего это не кабель, а одна жила);
расчет по мощности — 100 Вт;
количество фаз — 3;
напряжение сети — 100 вольт;
коэффициент мощности —0,92;
температура — 20 градусов.
Жмем кнопку «Расчет потерь напряжения в кабеле» и смотрим на итог работы сервиса.
Получился результат довольно правдоподобный: 0,714 вольта или 0,714%.
Попробуем его перепроверить на другом сайте. Для этого заходим на конкурирующий сервис и вводим те же значения.
В итоге получаем быстрый расчет.
Теперь можно сравнить результаты, выполненные разными сервисами. 0,714-0,693373=0,021 вольта.
Точность расчета в обоих случаях вполне приемлема не только для быстрого анализа эксплуатационных характеристик кабеля, но и для других целей.
Метод сравнения работы двух онлайн сервисов показал их работоспособность и отсутствие ошибок ввода данных, которые может совершить человек по невнимательности.
Однако, выполнив подобный расчет успокаиваться рано. Надо сделать вывод о пригодности выбранного кабеля для работы при конкретных условиях эксплуатации. Для этого существуют технические требования к допустимым отклонениям напряжения от нормы.
Нормативные документы по отклонению напряжения от номинальной величины
В зависимости от государственной принадлежности пользуются одним из нижеперечисленных.
ТКП 45—4.04—149—2009 (РБ)
Документ действует на территории республики Беларусь. При получении результата обращайте внимание на пункт 9.23.
СП 31—110-2003 (РФ)
Действующие нормативы предусмотрены для применения на объектах электроснабжения Российской Федерации. Рассматривайте пункт 7.23.
Заменил 1 января 1999 года межгосударственный стандарт, ГОСТ 13109 от 1987 года. Анализируйте по пункту 5.3.2.
Способы снижения потерь в кабеле
Когда расчет потерь напряжения в кабеле выполнен и результат сравнен с требованиями нормативных документов, то можно сделать вывод о пригодности кабеля для работы.
Если результат показал, что погрешности завышены, то необходимо выбирать другой кабель или уточнять условия его эксплуатации. На практике часто встречается типичный случай, когда уже у работающего кабеля методами замеров выявили, что потери напряжения в нем превышают допустимые нормы. За счет этого качество электроснабжения объектов понижается.
В такой ситуации необходимо принимать дополнительные технические мероприятия, позволяющие уменьшить материальные затраты, необходимые на полную замену кабеля за счет:
1. ограничения протекающей нагрузки;
2. увеличения площади поперечного сечения токопроводящих жил;
3. уменьшения рабочей длины кабеля;
4. снижения температуры эксплуатации.
Влияние передаваемой по кабелю мощности на потери напряжения
Протекание тока по проводнику всегда сопровождается выделением тепла в нем, а нагрев сказывается на его проводимости. Когда через кабель передаются повышенные мощности, то они, создавая большую температуру, увеличивают потери напряжения.
Чтобы их уменьшить иногда вполне достаточно часть потребителей, получающих электроэнергию по кабелю, просто отключить и перезапитать по другой, обходной цепочке.
Этот способ приемлем для разветвленных схем с большим количеством потребителей и резервных магистралей для их подключения.
Увеличение площади сечения жилы кабеля
Этим методом часто пользуются для снижения потерь в цепях измерительных трансформаторов напряжения. Если подключить к работающему кабелю еще один и соединить их жилы параллельно, то токи раздвоятся и уменьшат нагрузку в каждом проводе. Потери напряжения тоже снижаются, а точность работы измерительной системы восстанавливается.
Пользуясь таким способом важно не забывать вносить изменения в исполнительную документацию и особенно схемы монтажа, которыми пользуется ремонтно-оперативный персонал для проведения периодических технических обслуживаний. Это предотвратит ошибки работников.
Уменьшение рабочей длины кабеля
Способ не типичный, но в отдельных случаях им можно воспользоваться. Дело в том, что схемы прокладки кабельных трасс на многих развитых предприятиях энергетики постоянно развиваются и совершенствуются применительно к доставляемому оборудованию.
За счет этого создаются возможности переложить кабель с сокращением его длины, что снизит в итоге потери напряжения.
Влияние температуры окружающей среды
Работа кабеля в помещениях с повышенным нагревом ведет к нарушению теплового баланса, увеличению погрешностей его технических характеристик. Прокладка по другим магистралям или применение слоя теплоизоляции может снизить потери напряжения.
Как правило, эффективно улучшить характеристики кабеля удается одним или несколькими способами при комплексном их применении. Поэтому, когда возникает подобная необходимость, важно просчитать все возможные пути решения проблемы и выбрать наиболее приемлемый вариант для местных условий.
Следует учитывать, что грамотное ведение электрического хозяйства требует постоянного анализа оперативной обстановки, предвидения вариантов развития событий, умения просчитывать различные ситуации. Эти качества выделяют хорошего электрика из общей массы обычных работников.
Выбор сечения провода для постоянного тока. Падение напряжения (пояснения в статье)
Говорят, что в своё время между Эдисоном и Тесла проходило соперничество – какой ток выбрать для передачи на большие расстояния – переменный или постоянный? Эдисон был за то, чтобы для передачи электричества использовать постоянный ток. Тесла утверждал, что переменный ток легче передавать и преобразовывать.
Впоследствии, как известно, победил Тесла. Сейчас повсеместно используется переменный ток, в России с частотой 50 Гц. Такой ток дешевле передавать на большие расстояния. Хотя, есть и линии электропередач постоянного тока специального применения.
А если использовать высокие напряжения (например, 110 или 10 кВ), то выходит значительная экономия на проводах, по сравнению с низким напряжением. Об этом я рассказываю в статье про то, .
Забегая вперед, скажу, что расчет сечения провода для постоянного тока строится на двух критериях:
- Падение напряжения (потери)
- Нагрев провода
Первый пункт для постоянного тока наиболее важен, а второй лишь вытекает из первого.
Теперь обстоятельно, по порядку, для тех, кто хочет ПОНИМАТЬ.
Подписывайтесь! Будет интересно.
Падение напряжения на проводе
Статья будет конкретная, с теоретическими выкладками и формулами. Кому не интересно, что откуда и почему, советую перейти сразу к Таблице 2 – Выбор сечения провода в зависимости от тока и падения напряжения.
2. Синий цвет – когда применение слишком толстого провода экономически и технически нецелесообразно и дорого. За порог взял падение менее 1 В на длине 100 м.
Как пользоваться таблицей выбора сечения?
Пользоваться таблицей 2 очень просто. Например, нужно запитать некое устройство током 10А и постоянным напряжением 12В. Длина линии – 5 м. На выходе блока питания можем установить напряжение 12,5 В, следовательно, максимальное падение – 0,5В.
В наличии – провод сечением 1,5 квадрата. Что видим из таблицы? На 5 метрах при токе 10 А потеряем 0,1167 В х 5м = 0,58 В. Вроде бы подходит, учитывая, что большинство потребителей терпит отклонение +-10%.
Но. ПрОвода ведь у нас фактически два, плюс и минус, эти два провода образуют кабель, на котором и падает напряжение питания нагрузки. И так как общая длина – 10 метров, то падение будет на самом деле 0,58+0,58=1,16 В.
Иначе говоря, при таком раскладе на выходе БП 12,5 Вольт, а на входе устройства – 11,34. Этот пример актуален для .
И это – не учитывая переходное сопротивление контактов и неидеальность провода (“проба” меди не та, примеси, и т.п.)
Поэтому такой кусок кабеля скорее всего не подойдет, нужен провод сечением 2,5 квадрата. Он даст падение 0,7 В на линии 10 м, что приемлемо.
А если другого провода нет? Есть два пути, чтобы снизить потерю напряжения в проводах.
1. Надо размещать источник питания 12,5 В как можно ближе к нагрузке. Если брать пример выше, 5 метров нас устроит. Так всегда и делают, чтобы сэкономить на проводе.
2. Повышать выходное напряжение источника питания. Это черевато тем, что с уменьшением тока нагрузки напряжение на нагрузке может подняться до недопустимых пределов.
Например, в частном секторе на выходе трансформатора (подстанции) устанавливают 250-260 Вольт, в домах около подстанции лампочки горят как свечи. В смысле, недолго. А жители на окраине района жалуются, что напряжение нестабильное, и опускается до 150-160 Вольт. Потеря 100 Вольт! Умножив на ток, можно вычислить мощность, которая отапливает улицу, и кто за это платит? Мы, графа в квитанции “потери”.
Вывод по выбору сечения провода для постоянного напряжения:
Чем короче и толще провод, по которому течет постоянный ток, тем меньше падение напряжения на нём, тем лучше . То есть, потеря напряжения в проводах минимальна.
Если смотреть на таблицу 2, нужно выбирать значения сверху-справа, не переходя в “синюю” зону.
Для переменного тока ситуация та же, но вопрос не стоит столь остро – там мощность передается за счет повышения напряжения и понижения тока. См. формулу (1).
В заключение – таблица, в которой падение постоянного напряжения задано пределом 2% , а напряжение питания равно 12 В. Искомый параметр – максимальная длина провода.
Внимание! Имеется ввиду двухпроводная линия, например кабель, содержащий 2 провода. То есть, тот случай, когда через кабель длиной 1 м ток делает путь 2 м, туда-сюда. Я привёл этот вариант, т.к. он чаще всего встречается на практике. Для одного провода, чтобы узнать падение на нём напряжения, надо число внутри таблицы умножить на 2. Спасибо внимательным читателям!
Таблица 3. Максимальная длина провода для падения постоянного напряжения 2%.
S,мм² 1 1,5 2,5 4 6 10 16 25 35 50 75 100 1 7 10,91 17,65 28,57 42,86 70,6 109,1 176,5 244,9 – – – 2 3,53 5,45 8,82 14,29 21,4 35,3 54,5 88,2 122,4 171,4 – – 4 1,76 2,73 4,41 7,14 10,7 17,6 27,3 44,1 61,2 85,7 130,4 – 6 1,18 1,82 2,94 4,76 7,1 11,7 18,2 29,4 40,8 57,1 87 117,6 8 0,88 1,36 2,2 3,57 5,4 8,8 13,6 22 30,6 42,9 65,25 88,2 10 0,71 1 1,76 2,86 4,3 7,1 10,9 17,7 24,5 34,3 52,2 70,6 15 – 0,73 1,18 1,9 2,9 4,7 7,3 11,8 16,3 22,9 34,8 47,1 20 – – 0,88 1,43 2,1 3,5 5,5 8,8 12,2 17,1 26,1 35,3 25 – – – 1,14 1,7 2,8 4,4 7,1 9,8 13,7 20,9 28,2 30 – – – – 1,4 2,4 3,6 5,9 8,2 11,4 17,4 23,5 40 – – – – – 1,8 2,7 4,4 6,1 8,5 13 17,6 50 – – – – – – 2,2 3,5 4,9 6,9 10,4 14,1 100 – – – – – – – 1,7 2,4 3,4 5,2 7,1 150 – – – – – – – – – 2,3 3,5 4,7 200 – – – – – – – – – – 2,6 3,5 Наша полторашка по этой таблице может иметь длину только 1 метр. Падать на ней будет 2%, или 0,24В. Проверяем по формуле (4) – всё сходится.
Если напряжение выше (например, 24 В постоянного тока), то и длина может быть соответственно больше (в 2 раза).
Всё вышесказанное относится не только к постоянному, но и вообще к низкому напряжению. И при выборе площади сечения в таких случаях следует руководствоваться не только нагревом провода, но и падением напряжения на нём. Например, при .
Прошу прокомментировать статью, у кого как теория совпадает с практикой?
В процессе проектирования электрической проводки, необходимо провести точные расчеты потери напряжения в кабеле. Это позволяет предотвратить сильное нагревание поверхности проводов в процессе эксплуатации. Благодаря этим мерам удаётся избежать появления короткого замыкания и преждевременной поломки бытовых приборов.
Помимо этого, формула позволяет правильно подобрать диаметр сечения провода, который подойдет для разного вида электромонтажных работ. Неправильный выбор, может стать причиной поломки всей системы. Облегчить поставленную задачу помогает онлайн – расчет.
Как рассчитать потерю напряжения?
Калькулятор в режиме онлайн позволяет правильно вычислить необходимые параметры, которые в дальнейшем сократят появление различного рода неприятностей. Для самостоятельного вычисления потери электрического напряжения используют следующую формулу:
U =(P*ro+Q*xo)*L/U ном:
- Р – это активная мощность. Её измеряют в Вт;
- Q – реактивная мощность. Единица измерения вар;
- ro – выступает в качестве активного сопротивления (Ом);
- хо – реактивное сопротивление (м);
- U ном – это номинальное напряжение (В). Оно указывается в техническом паспорте устройства.
Согласно правилам устройства электроустановок (ПУЭ) допустимой нормой возможных отклонений напряжения принято считать:
- в силовых цепях оно может составлять не выше +/- 6%;
- в жилом пространстве и за его пределами до +/- 5%;
- на производственных предприятиях от +/- 5% до -2%.
Потери электрического напряжения от трансформаторной установки до жилого помещения не должны превышать +/- 10%.
В процессе проектирования, рекомендуется сделать равномерную нагрузку на трехфазной линии. Допустимая норма составляет 0,5 кВ. В ходе монтажных работ электродвигатели необходимо подключить к линейным проводникам. Линия освещения будет заключена между фазой и нейтралью. В результате этого, нагрузка правильно распределяется между проводниками.
Когда рассчитывают потерю напряжения в кабеле, за основу берут данные значения тока или мощности. На протяженной электрической линии учитывают индуктивное сопротивление.
Как снизить потери?
Одним из способов снижения потери напряжения в проводнике, является увеличение его сечения. Помимо этого, рекомендуется сократить его протяженность и удаленность от точки назначения. В некоторых случаях эти способы не всегда можно применить по техническим причинам.В большинстве случаем, сокращение сопротивления позволяет нормализовать работу линии.
Главным недостатком большой площади сечения кабеля, являются существенные материальные затраты в процессе использования. Именно поэтому правильный расчёт и подбор нужного диаметра, позволяют избавиться от этой неприятности. Калькулятор в режиме онлайн применяют для проектов с высоковольтными линиями. Здесь программа помогает правильно рассчитать точные параметры для электрической цепи.
Основные причины появления потери напряжения
Большие потери электрического напряжения возникают в из – за чрезмерного рассеивания энергии. В результате этого, поверхность кабеля сильно нагревается, тем самым провоцируя деформирование изоляционного слоя. Такое явление распространено на высоковольтных линиях, где отмечают большие нагрузки.
Провода и кабели предназначены для передачи электроэнергии потребителям. При этом в протяженном проводнике падает напряжение пропорционально его сопротивлению и величине проходящего тока. В итоге к потребителю напряжение подается несколько меньше, чем оно было у источника (в начале линии). По всей длине провода потенциал будет изменяться из-за потерь в нем.
Потери напряжения в домашнем освещении
Выбор сечения кабеля производится с целью обеспечения его работоспособности при заданном максимальном токе. При этом следует учитывать его длину, от которой зависит еще один важный параметр – падение напряжения.
Линии электропередач выбирают по нормированному значению экономической плотности тока и рассчитывают на падение напряжения. Его отклонение от исходного не должно превышать заданных значений.
Величина проходящего через проводник тока зависит от подключаемой нагрузки. При ее увеличении возрастают также потери на нагрев.
На рисунке выше изображена схема подачи напряжения на освещение, где на каждом ее участке обозначены потери напряжения. Наиболее важной является самая удаленная нагрузка, и потери напряжения большей частью производятся для нее.
Потеря напряжения
Расчет потери напряжения ∆ U на участке цепи длиной L делают по формуле:
∆U = (P∙r 0 +Q∙x 0)∙L/ U ном, где
- P и Q – мощности, Вт и вар (активная и реактивная);
- r 0 и x 0 – активное и реактивное сопротивления линии, Ом/м;
- U ном – номинальное напряжение, В.
- U ном указывается в характеристиках электроприборов.
Согласно ПУЭ, допустимые отклонения напряжения от нормы следующие:
- силовые цепи – не выше ±5 %;
- схемы освещения жилых помещений и снаружи зданий – до ±5 %;
- освещение предприятий и общественных зданий – от +5 % до -2,5 %.
Общие потери напряжения от трансформаторных подстанций до самой удаленной нагрузки в общественных и жилых зданиях не должны превышать 9%. Из них 5% относится к участку до главного ввода и 4% от ввода до потребителя. В соответствии с ГОСТ 29322-2014 номинал напряжения в трехфазных сетях – 400 В. При этом допускается отклонение от него на ±10% при нормальных условиях эксплуатации.
Нужно обеспечить равномерную нагрузку в трехфазных линиях на 0,4 кВ. Здесь важно, чтобы каждая фаза была нагружена равномерно. Для этого электродвигатели подключаются к линейным проводам, а освещение – между фазами и нейтралью, уравнивая таким образом нагрузки по фазам.
В качестве исходных данных используют значения токов или мощностей. Для протяженных линий учитывается индуктивное сопротивление, когда рассчитывают ∆U в линии.
Сопротивление x 0 проводов принимают в диапазоне от 0,32 до 0,44 Ом/км.
Расчет потерь в проводниках производят по ранее приведенной формуле, где удобно разделить правую часть на активную и реактивную составляющие:
∆U = P∙r 0 ∙L / U ном + Q∙x 0 ∙L/ U ном,
Подключение нагрузки
Нагрузка подключается разными способами. Наиболее распространены следующие:
- подключение нагрузки в конце линии (рис. а ниже);
- равномерное распределение нагрузок по длине линии (рис. б);
- линия L1, к которой подключена другая линия L2 с равномерно распределенными нагрузками (рис. в).
Схема, на которой показаны способы подключения нагрузок от электрощита
Расчет ЛЭП на потерю напряжения
- Выбор средней величины реактивного сопротивления для жил из алюминия или сталеалюминия, например, в 0,35 Ом/км.
- Расчет нагрузок P, Q.
- Расчет реактивной потери:
∆U p = Q∙x 0 ∙L/U ном.
Определение допустимой активной потери из разности между потерей напряжения, которая задана, и вычисленной реактивной:
∆U a = ∆U – ∆U p .
Сечение провода находится из отношения:
s = P∙L∙r 0 /(∆U a ∙U ном).
Выбор ближайшего значения сечения из стандартного ряда и определение по таблице активного и реактивного сопротивлений на 1 км линии.
На рисунке изображен ряд сечений жил кабеля разных размеров.
Кабельные жилы разных сечений
По полученным значениям рассчитывается уточненная величина падения напряжения по формуле, приведенной ранее. Если оно превысит допустимую, следует взять провод больше из того же ряда и произвести новый расчет.
Пример 1. Расчет кабеля при активных нагрузках.
Для расчета кабеля, прежде всего, следует определить суммарную нагрузку всех потребителей. За исходную можно принять P = 3,8 кВт. Сила тока находится по известной формуле:
Если все нагрузки активные, cosφ=1.
Подставив в формулу значения, можно найти ток, который будет равен: I = 3,8∙1000/220 = 17,3 А.
По таблицам находится сечение в кабеле, для медных проводников составляющее 1,5 мм 2 .
Теперь можно найти сопротивление кабеля длиной 20 м: R=2∙r 0 ∙L/s=2∙0,0175 (Ом∙мм 2)∙20 (м)/1,5 (мм 2)=0,464 Ом.
В формуле расчета сопротивления для двухжильного кабеля учитывается длина обеих жил.
Определив величину сопротивления кабеля, можно легко найти потери напряжения: ∆U=I∙R/U∙100 % =17,3 А∙0,464 Ом/220 В∙100 %=3,65 %.
Если на вводе номинальное напряжение составляет 220 В, то допустимые отклонения до нагрузки составляют 5%, а полученный результат не превышает ее. Если бы было превышение допуска, пришлось бы взять больший провод из стандартного ряда, с сечением, составляющим 2,5 мм 2 .
Пример 2. Расчет падения напряжения при подаче питания на электродвигатель.
Электродвигатель потребляет ток при следующих параметрах:
- I ном = 100 А;
- cos φ = 0,8 в нормальном режиме;
- I пусковой = 500 А;
- cos φ = 0,35 при пуске;
- падение напряжения на электрощите, распределяющем ток 1000 А, составляет 10 В.
На рис. а ниже изображена схема питания электродвигателя.
Схемы питания электродвигателя (а) и освещения (б)
Чтобы избежать вычислений, применяют достаточно точные для практического применения таблицы с уже рассчитанным ∆U между фаз в кабеле длиной 1 км при величине тока 1 А. В приведенной ниже таблице учитываются величины сечения жил, материалы проводников, тип цепи.
Таблица для определения потерь напряжения в кабеле
Сечение в мм 2 Однофазная цепь Сбалансированная трехфазная цепь Питание двигателя Освещение Питание двигателя Освещение Обычный раб. режим Запуск Обычный раб. режим Запуск Cu Al cos ȹ = 0,8 cos ȹ = 0,35 cos ȹ = 1 cos ȹ = 0,8 cos ȹ = 0,35 cos ȹ = 1 1.5 24 10,6 30 20 9,4 25 2,5 14,4 6,4 18 12 5,7 15 4 9,1 4,1 11,2 8 3,6 9,5 6 10 6,1 2,9 7,5 5,3 2,5 6,2 10 16 3,7 1,7 4,5 3,2 1,5 3,6 16 25 2,36 1,15 2,8 2,05 1 2,4 25 35 1,5 0,75 1,8 1,3 0,65 1,5 35 50 1,15 0,6 1,29 1 0,52 1,1 50 70 0,86 0,47 0,95 0,75 0,41 0,77 70 120 0,64 0,37 0,64 0,56 0,32 0,55 95 150 0,48 0,30 0,47 0,42 0,26 0,4 120 185 0,39 0,26 0,37 0,34 0,23 0,31 150 240 0,33 0,24 0,30 0,29 0,21 0,27 185 300 0,29 0,22 0,24 0,25 0,19 0,2 240 400 0,24 0,2 0,19 0,21 0,17 0,16 300 500 0,21 0,19 0,15 0,18 0,16 0,13 Падение напряжения при нормальной работе электродвигателя составит:
∆U% = 100∆U/U ном.
Для сечения 35 мм 2 ∆U на ток 1 А составит 1 В/км. Тогда при токе 100 А и длине кабеля 0,05 км потери будут равны ∆U = 1 В/А км∙100 А∙ 0,05 км = 5 В. При добавлении к ним падения напряжения на щите 10 В, получатся общие потери ∆U общ = 10 В + 5 В = 15 В. В результате потери в процентах составят:
∆U% = 100∙15/400 = 3,75 %.
Эта величина значительно меньше разрешенных потерь (8 %), и она считается допустимой.
При запуске электродвигателя, его ток увеличивается до 500 А. Это на 400 В больше его номинального тока. На эту же величину возрастет нагрузка на щите распределения. Она составит 1400 А. На нем падение напряжения пропорционально увеличится:
∆U = 10∙1400/1000 = 14 В.
По таблице падение напряжения в кабеле составит: ∆U = 0,52∙500∙0,05 = 13 В. В сумме пусковые потери двигателя составят ∆U общ = 13+14 = 27 В. После следует определить, сколько это будет в процентном отношении: ∆U = 27/400∙100 =6,75%. Результат оказывается в пределах допустимого, поскольку не превышает предельные 8%.
Защиту для электродвигателя следует подбирать таким образом, чтобы напряжения срабатывания было больше, чем при пуске.
Пример 3. Расчет ∆U в цепях освещения.
Три однофазные осветительные цепи подключены параллельно к питающей трехфазной четырехпроводной линии, состоящей из проводников на 70 мм 2 , длиной 50 м, проводящей ток 150 А. Освещение является только частью нагрузки линии (рис. б выше).
Каждая цепь освещения выполнена из медного провода длиной 20 м, сечением 2,5 мм 2 и проводит ток 20 А. Все три нагрузки подключены к одной фазе. При этом линия питания сбалансирована по нагрузкам.
Требуется определить падение напряжения в каждой из цепей освещения.
Падение напряжения в трехфазной линии определяется по действующей нагрузке, заданной в условиях примера: ∆U линии фаз = 0,55∙150∙0, 05 = 4,125 В. Это – потери между фазами. Для решения задачи надо найти потери между фазой и нейтралью: ∆U линии ф-н = 4,125/√3 = 2,4 В.
Падение напряжения для одной однофазной цепи составляет ∆U осв = 18∙20∙0,02=7,2 В. Если сложить потери в питающей линии и цепи, то в сумме они составят ∆U осв общ = 2,4+7,2 = 9,6 В. В процентном отношении это будет 9,6/230∙100 = 4,2 %. Результат является удовлетворительным, поскольку он меньше допустимой величины 6 %.
Проверка напряжения. Видео
Каким образом осуществляется проверка падения напряжения на кабелях разных видов, можно узнать из представленного ниже видео.
При подключении электроприборов важно правильно рассчитать и выбрать подводящие кабели и провода, чтобы потери напряжения в них не превышали допустимые. К ним также добавляются потери в питающей сети, которые следует суммировать.
