Меню

Нормативы по расчетам падения напряжения

Расчет падения напряжения в кабеле формула и причины

Доброго дня, уважаемые гости и читатели нашего блога! Сегодня мы хотели бы рассказать Вам о том, как выбрать электрический провод для системы энергоснабжения объекта так, чтобы

не пришлось кусать локти, сетуя на скачки напряжения или нехватку мощности для одновременного питания всего комплекса оборудования.

Основной акцент в этом деле делаем на диаметр провода для проходящего по нему тока, и расчет падения напряжения в кабеле как раз и призван решить эту задачу.

Давайте вместе выясним, как производится расчет, а также узнаем, каким образом можно увеличить показатель силового напряжения электрической сети, повысив тем самым безопасность электроустановок.

Что нам нужно знать?

Содержание

  1. Что нам нужно знать?
  2. Причины падения напряжения
  3. Результат падения напряжения
  4. Рассчитываем падение напряжения
  5. Приведем пример.
  6. Как уменьшить падение напряжения в электрической сети
  7. Как уменьшить потери в кабеле

Всем известно, что кабельная проводка передает электроэнергию от источника – линии электропередачи – к конечному потребителю – жилым, административным зданиям, строительным объектам и т.п.

При движении тока по металлическому проводу часть энергии теряется в нем из-за сопротивления току самого металла.

Поэтому потребителю достается не та часть электричества, которая отошла от источника, а несколько меньшая с учетом потерь при движении тока.

Для обеспечения оптимального распределения нагрузки и стабильности напряжения провод для электрической сети необходимо выбирать определенного размера – сечения, которое определяет диаметр провода.

Падение напряжения будет также зависеть от длины проводника.

Расчетная величина падения не должна сильно отклоняться от исходного нормативного значения.

При увеличении подключаемой нагрузки также возрастают препятствия для прохождения тока.

Кроме того, при небольшой силе тока увеличивается сопротивление проводника, поэтому происходит падение напряжения, ведь все мы из школы помним математическую зависимость:

Поэтому, если взять два разных по длине проводника одинакового сечения, то потери выше у более длинного из них.

Следовательно, при прокладке токоведущего кабеля для ЛЭП или других электрических установок основным критерием наряду с сечением проводника выступает его длина.

А можно ли рассчитать эту величину в обычных бытовых условиях, используя подручные средства?

Разумеется, определить снижение напряжения мы сможем тремя способами:

  • Используя два вольтметра, производим замер этой величины в на концах кабеля.
  • Измеряем напряжение последовательно на разных участках провода. При этом методе показания могут быть не объективными, т.к. возможно изменение нагрузки или условий работы сети.
  • Подключаем один электроприбор параллельно замеряемому кабелю. Здесь также возможны погрешности, потому что длинные соединительные провода способны влиять на искомую характеристику.

Важно. Значение этой величины может быть минимальным — от 0,1 В. Советуем применять для измерения приборы не ниже класса точности 0,2.

Причины падения напряжения

В большинстве случае для монтажных работ выбор останавливают на жилах двух сортов металла. Это:

  1. медь;
  2. алюминий.

Они защищены изоляционной обмоткой.

Реже применяют термоусадку для самостоятельной изоляции жильных проводов.

То есть задача изоляции – создать диэлектрическую оболочку для проводника,

потому как в одном кабеле все провода лежат очень плотно друг к другу.

При протяженных линиях сердечники под обмоткой создают некоторый заряд с ёмкостным сопротивлением, по причине чего и возникает падение напряжения.

Оно происходит по следующему алгоритму.

  1. Проводящая жила под воздействием тока греется, затем создается ёмкостное реактивное сопротивление.
  2. Преобразования в элементах цепи делают мощность электрической энергии индуктивной.
  3. Сопротивление каждой фазы всей цепи возникает из-за резистивного сопротивления проводов.
  4. Каждая токопроводящая жила имеет полное сопротивление при подключении кабеля на токовую нагрузку.
  5. Если используются три фазы, то линии тока в них симметричны, нейтральная жила при этом проводит почти нулевой ток.
  6. Полное (комплексное) сопротивление создает потери напряжения, потому что ток в цепи движется с некоторым отклонением за счет реактивного сопротивления.

Данную схему можно представить графически: горизонтальная прямая линия, выходящая из определенной точки – сила тока.

Из той же точки выходит линия входного напряжения U1 и линия выходного напряжения U2, первая под большим, а вторая под меньшим углом к вектору силы тока.

Падение напряжения будет равно геометрической разнице между направлениями U1 и U2.

На рисунке – отрезок AB и есть падение, это гипотенуза треугольника.

Катеты BC и AC – показатели понижения напряжения с учетом реактивного и активного сопротивлений.

Линия AD – это значение энергетических потерь.

Эту схему удобно применять, когда нет доступного способа описать показатель понижения напряжения математически, т.к. вручную его рассчитывать довольно трудно.

Результат падения напряжения

А что становится результатом этого процесса в фундаментальном смысле?

Давайте посмотрим, что происходит при снижении этой характеристики электрической энергии.

В соответствии с нормативной документацией ПУЭ, потери при движении тока от трансформаторной подстанции до самого отдаленного участка по электрической нагрузке для населенного пункта должны быть не более 9 %.

При этом потери в размере 4 % разрешаются от главного ввода до потребителя электроэнергии, а 5 % – от трансформатора до главного ввода.

В трехфазных коммуникациях нормативный показатель по ГОСТ 29322-2014 составляет 400 В ± 10 % при нормальной эксплуатации линии.

Читайте также:  Расчет напряжения при последовательном соединении конденсаторов

Отклонение этой величины от норматива может приводить к следующим результатам для стационарных объектов или электрических приборов.

  1. Сбои в работе электроустановок, неправильная работа оборудования, выход его из строя, нарушение освещения объекта.
  2. Отключение электроприборов или сбои их корректной работы.
  3. Понижение ускорения вращения у электрических двигателей при старте, потери энергии, отключение устройств при нагреве.
  4. Некорректное распределение электронагрузки от начала линии до удаленного конца провода между объектами потребления.
  5. Работа на 50 % осветительных устройств помещения.

Нормальным значением для потерь при стандартном рабочем режиме электролинии является 5 %.

Эту величину допускается принимать для электросетей на этапе проекта.

Относительно токов большой мощности строятся протяженные электрические магистрали.

Важно. К устройству ЛЭП на всех стадиях предъявляются высокие требования. Поэтому важно просчитывать потери на всех участках магистрали, от главного магистрального пути до линий второстепенного назначения.

Рассчитываем падение напряжения

При вычислении обязательно учитываем активное и реактивное сопротивления, составляющие комплексное (общее) сопротивление цепи, а также мощность.

Формула для расчета этого показателя на участке цепи длиной L выглядит так:

  • P — активная мощность;
  • Q — реактивная мощность;
  • r 0 — активное сопротивление;
  • x 0 — реактивное сопротивление;
  • U ном — номинальное напряжение.

Как мы сказали выше, на практике допускаются отклонения от нормативного показателя по ПУЭ. Разрешенные пределы отклонения:

  • силовые линии – ±5 %;
  • внутреннее и наружное бытовое освещение – ±5 %;
  • производственное освещение (также для общественных зданий) – от +5 % до -2,5 %.

В итоге вычисления мы получим процентный показатель.

Приведем пример.

Суммарная потребляемая мощность всех приборов в доме – 2 кВт.

Все приборы подключены к сети.

Тогда сила тока I = 2 * 1000/220 = 9 А.

Далее нам необходимо знать формулу расчета потерь напряжения.

Она выглядит следующим образом:

Используя эту формулу, получаем потери в кабеле:

∆U = (I * R / U) * 100 % = 2 (два провода) * 0,0175 / 1,5 * 30 = 0,7 Ом.

Тогда значение понижения напряжения будет равняться:

∆U = (9 * 0,7 / 220) * 100 % = 2,86 %.

Полученная величина вполне вписывает в нормативный по ПУЭ показатель 5 % отклонения.

Это значение, к тому же, очень выгодно для конечного потребителя, поскольку он получает электроэнергию полной мощности с потреблением электричества более низкого напряжения.

Это позволяет существенно снизить затраты потребителей на электроэнергию.

Еще один способ определения величины потерь напряжения предполагает использование таблицы, которая представлена в профильных методических указаниях для инженеров ЛЭП.

Там учтены все технические качества линии и оборудования, в зависимости от которых можно «достать» значение потерь для определенных условий эксплуатации.

Как уменьшить падение напряжения в электрической сети

При выполнении работ по прокладке кабеля сечение провода, взятое по допустимому понижению, превосходит таковую величину, выбранную по нагреву проводника.

Это приводит к удорожанию электричества для потребителя.

Как уменьшить этот показатель?

Ведь от него зависит итоговая цена за 1 кВт электроэнергии.

Опишем несколько способов сделать это.

  • Установить стабилизатор около нагрузки для устойчивости сети.
  • Повысить значение потенциала у начала кабеля, подключившись к отдельному трансформатору.
  • Расположить на небольшом расстоянии от потребителя блок питания или понижающий трансформатор при подключенной нагрузке 12-36 В.

Как уменьшить потери в кабеле

Потери напряжения приводят к дополнительным затратам.

Для того чтобы понизить этот показатель, можно воспользоваться следующими методами.

  • увеличить сечение питающих кабелей;
  • уменьшить количество ломаных линий (поворотов) в проводке, тем самым уменьшив длину маршрута проводника для снижения общего сопротивления;
  • понизить температуру окружающей среды, т.к. при нагревании металла возрастает его сопротивление, охлаждение даст обратный эффект;
  • уменьшить нагрузку на сеть;
  • привести угол между вектором напряжения и вектором силы тока к единице.

Замечание. Для того чтобы понизить сопротивление кабеля, а, соответственно, потери электричества в нем, можно попробовать улучшить вентиляцию в конструкциях кабеля и кабельных лотках.

Дорогие читатели, мы с Вами рассмотрели очередной вопрос, касающийся нашей безопасности в отношении электроснабжения, именно, узнали, как произвести правильный расчет падения напряжения.

Если информация была Вам полезна, порекомендуйте наш блог своим друзьям, подписывайтесь на нас в социальных сетях и будьте всегда под защитой!

Источник



Расчет потери напряжения с несколькими нагрузками вдоль линии

Причины потерь

Каждый электрик знает, что кабеля состоят из жил. Они изготавливаются из меди либо алюминия и покрыты изоляционным слоем. Для защиты от механических повреждений проводники помещаются в дополнительную полимерную оболочку. Так как токоведущие жилы плотно расположены и сжаты защитным покрытием, при большой протяженности магистрали они начинают работать по принципу конденсатора. Говоря проще, в сердечниках создается заряд, обладающий емкостным сопротивлением.

Схема потери напряжения в проводах имеет следующий вид:

  • При прохождении электротока проводник нагревается, что приводит к появлению емкостного сопротивления, являющегося частью реактивного.
  • Под воздействием процессов, протекающих в различных элементах цепи, мощность электроэнергии становится индуктивной.
  • В итоге резистивное сопротивление токоведущих жил кабеля в каждой фазе электроцепи преобразуется в активное сопротивление.
  • Провод подсоединяется на токовую нагрузку с комплексным сопротивлением по каждой жиле.
  • Если сеть трехфазная, то все три линии будут симметричными, а нейтральный проводник пропускает электроток по значению близкий к нулю.
  • Из-за общего сопротивления жил наблюдается падение напряжения по длине кабеля при прохождении тока с векторным отклонением благодаря наличию реактивной составляющей.
Читайте также:  Повышенное напряжение блока питания телевизора

Если этот процесс представить графически, то показателем потерь окажется отрезок AD.

Выполнять такие вычисления вручную довольно сложно и сейчас часто используется онлайн-калькулятор. Потери напряжения, рассчитанные с его помощью, оказываются довольно точными, а погрешность минимальна.

Доступна Windows-версия программы расчёта потерь напряжения

Пояснения к расчёту

Расчёт потерь линейного (между фазами) напряжения в кабеле при трёхфазном переменном токе производится по формулам:

Расчёт потерь фазного (между фазой и нулевым проводом) напряжения в кабеле производится по формулам:

Для расчёта потерь линейного напряжения U=380 В; 3 фазы.

Для расчёта потерь фазного напряжения U=220 В; 1 фаза.

P — активная мощность передаваемая по линии, Вт; Q — реактивная мощность передаваемая по линии, ВАр; R — удельное активное сопротивление кабельной линии, Ом/м; X — удельное индуктивное сопротивление кабельной линии, Ом/м; L — длина кабельной линии, м; Uл — линейное напряжение сети, В; Uф — фазное напряжение сети, В.

Пожелания, замечания, рекомендации по улучшению раздела расчётов на нашем сайте просьба присылать по электронной почте support@ivtechno.ru Разрешается копирование java-скриптов при условии ссылки на источник.

Последствия снижения напряжения

В соответствии с нормативной документацией, потери на магистрали от трансформатора до самой удаленной точки для общественных объектов не должны превышать 9%. Что касается возможных потерь в месте ввода линии к конечному пользователю, то этот показатель должен составлять не более 4%.

В случае отклонения от указанных пределов возможны следующие последствия:

  • Энергозависимое оборудование не сможет нормально функционировать.
  • При низком напряжении на входе возможен отказ в работе электроприборов.
  • Токовая нагрузка не будет распределяться равномерно между потребителями.

К характеристикам ЛЭП предъявляются высокие требования. При их проектировании необходимо рассчитать возможные потери не только в магистральных сетях, но и вторичных.

Рекомендации по расчетам

Для расчета потерь напряжения можно использовать несколько способов. Рассмотреть стоит все, чтобы каждый электрик смог выбрать наиболее привлекательный в зависимости от ситуации.

Применение таблиц и формул

На практике при монтаже электромагистралей используются медные или алюминиевые проводники. Зная показатели удельного сопротивления этих материалов, а также силу тока и сопротивление проводов, можно использовать следующие формулы падения напряжения:

Домашний мастер и даже специалист может воспользоваться специальными таблицами. Это довольно удобный и простой способ проведения необходимых расчетов. Однако в некоторых случаях требуется получить максимально достоверный результат, учитывая показатели активного и реактивного сопротивления. В такой ситуации приходится использовать более сложную формулу:

Для обеспечения оптимальной нагрузки в трехфазной сети каждая фаза должна быть нагружена равномерно. Для решения поставленной задачи подключение электромоторов следует выполнять к линейным проводникам, а светильников – между нейтральной линией и фазами.

Онлайн сервисы

Применение формул, графиков и таблиц является довольно трудоемким процессом. Не всегда необходимо получить максимально точные результаты и в такой ситуации стоит воспользоваться онлайн-калькуляторами. Эти сервисы работают следующим образом:

  • В программу вводятся показатели силы тока, материал проводника, сечение токоведущих жил и длина магистрали.
  • Также потребуется предоставить информацию о количестве фаз, напряжению в сети, мощности и температуре линии во время эксплуатации.
  • После введения всех необходимых данных программа автоматически выполнит все нужные расчеты.

На стадии предварительного проектирования стоит воспользоваться несколькими сервисами и затем определить среднее значение. Следует признать, что определенная погрешность в расчетах при использовании онлайн-калькуляторов присутствует.

Расчет ЛЭП на потерю напряжения

  1. Выбор средней величины реактивного сопротивления для жил из алюминия или сталеалюминия, например, в 0,35 Ом/км.
  2. Расчет нагрузок P, Q.
  3. Расчет реактивной потери:

Определение допустимой активной потери из разности между потерей напряжения, которая задана, и вычисленной реактивной:

Сечение провода находится из отношения:

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 мм2.

Теперь можно найти сопротивление кабеля длиной 20 м: R=2∙r0∙L/s=2∙0,0175 (Ом∙мм2)∙20 (м)/1,5 (мм2)=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 мм2.

Читайте также:  Какое напряжение опасно для аккумуляторов

Пример 2. Расчет падения напряжения при подаче питания на электродвигатель.

Электродвигатель потребляет ток при следующих параметрах:

  • Iном = 100 А;
  • cos φ = 0,8 в нормальном режиме;
  • Iпусковой = 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 мм2 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:

Для сечения 35 мм2 ∆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 ∆Uобщ = 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 ∆Uобщ = 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 мм2, 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 мм2 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: ∆Uлинии фаз= 0,55∙150∙0, 05 = 4,125 В. Это – потери между фазами. Для решения задачи надо найти потери между фазой и нейтралью: ∆Uлинии ф-н = 4,125/√3 = 2,4 В.

Падение напряжения для одной однофазной цепи составляет ∆Uосв = 18∙20∙0,02=7,2 В. Если сложить потери в питающей линии и цепи, то в сумме они составят ∆Uосв 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 %.

Сокращение потерь

Вполне очевидно, что потери зависят от длины проводника в магистрали. Чем этот параметр выше, тем сильнее упадет напряжение. Для сокращения потерь можно использовать несколько методов:

  • Увеличить сечение проводника для равномерного распределения нагрузки на линии.
  • Уменьшить длину кабеля, что не всегда возможно.
  • Снизить мощность тока, передаваемого по проводу большой протяженности.

Последний способ отлично работает в электросетях, имеющих несколько резервных линий. Также следует помнить, что напряжение может падать при условии увеличения температуры кабеля. Если во время прокладки кабеля использовать дополнительные мероприятия по теплоизоляции, то потери можно сократить.

В энергетической отрасли расчет падения напряжения на магистрали является одной из важнейших задач. Если все вычисления были проведены грамотно, то у потребителя не возникнет проблем с эксплуатацией электрооборудования.

Источник