Падение напряжения: при нагрузке, порядок расчета и способы определения

Расчет падения напряжения в кабеле. Калькулятор расчета потери напряжения в кабеле

Потери на проводах – суть проблемы

В некоторых ситуациях можно превратить число 5 в гораздо большее значение. Для этого нужно оценить падение напряжения на проводах.

Именно оно является причиной ограничений – сам провод имеет внутреннее сопротивление и поэтому «съедает» часть напряжения источника тока. И когда провод слишком длинный, может случиться так, что лампам останется такая малая часть исходного напряжения, что они не загорятся.

Вторая часть проблемы – провод не просто «съедает» часть напряжения, а превращает его в тепло. Помимо того, что это просто бестолковое расходование электричества, так оно ещё и несёт в себе пожарную проблему – провод может нагреться слишком сильно.

Чтобы быть уверенным, что требуемые, например, 15 метров между трансформатором и лампой не принесут неприятностей, нужно оценить, сколько именно вольт потеряется на этих 15 метрах.

Рассчитать падение напряжения на проводе очень просто. Все необходимые для этого данные у Вас, как правило, есть: длина провода, суммарная мощность подключаемых ламп (ленты), напряжение питания и площадь поперечного сечения проводника. Нужно лишь дополнительно узнать удельное электрическое сопротивление материала, из которого изготовлен провод.

Основные понятия

Расчет падения напряжения в кабеле. Калькулятор расчета потери напряжения в кабеле
Вольтметр

Падение напряжения – это величина, отраженная в изменении потенциала в разных частях проводника. Протекающий от источника по направлению к нагрузке ток меняет свои параметры в силу сопротивления проводов, но его направление остается неизменным. Измерить напряжение можно с помощью вольтметра:

  • двумя приборами в начале и конце линии;
  • поочередное измерение в нескольких местах;
  • вольтметром, подключенным параллельно кабелю.

Простейшая цепь – источник питания, проводник, нагрузка. Примером может быть лампа накаливания, включенная в розетку 220 В. Если замерить прибором напряжение на лампе, оно будет немного ниже. Падение возникло на сопротивлении лампы.

Напряжение или падение напряжения на участке цепи можно вычислять, применяя закон Ома, по формуле U = IR, где:

  • U – электрическое напряжение (вольт);
  • I – сила тока в проводнике (ампер);
  • R – сопротивление цепи или ее элементов (ом).

Зная две любые величины, можно вычислить третью. При этом нужно учитывать род тока – переменный или постоянный. Если в цепи несколько параллельно подключенных сопротивлений, расчет несколько усложняется.

Что означает падение напряжения

Падение происходит, когда происходит перенос нагрузки на всем участке электрической цепи. Действие этой нагрузки напрямую зависит от параметра напряженности в ее узловых элементах. Когда определяется сечение проводника, важно участь, что его значение должно быть таким, чтобы в процессе нагрузки сохранялось в определенных границах, которые должны поддерживаться для нормального выполнения работы сети.

Мнемоническая диаграмма для закона Ома

Более того, нельзя пренебрегать и характеристикой сопротивляемости проводников, из которых состоит цепь. Оно, конечно, незначительное, но его влияние весьма существенно. Падение  происходит при передаче тока. Именно поэтому, чтобы, например, двигатель или цель освещения работали стабильно, необходимо поддерживать оптимальный уровень, для этого тщательно рассчитывают провода электроцепи.

Важно! Предел допустимого значения рассматриваемой характеристики отличается от страны к стране. Забывать это нельзя. Если она снижается ниже значений, которые определены в определенной стране, следует использовать провода с большим сечением.

Любой электроприбор будет работать полноценно, если к нему подается то значение, на которое он рассчитан. Если провод взят неверно, то из-за него происходят большие потери электронапряжения, и оборудование будет работать с заниженными параметрами. Особенно актуально это для постоянного тока и низкой напряженности. Например, если оно равно 12 В, то потеря одного-двух вольт уже будет критической.

Расчет падения напряжения в кабеле. Калькулятор расчета потери напряжения в кабеле
Закон Ома для участка цепи

Допустимое падение напряжение в кабеле

Значение потери электронапряжения регламентируется и нормируется сразу несколькими правилами и инструкциями устройства электроустановок. Так, согласно правилу СП 31-110-2003, суммарная потеря напряжения от входной точки в помещении до максимально удаленного от нее потребителя электроэнергии не должно быть больше 7.5 %. Это правило работает на всех электроцепях с напряжением не более 400 вольт. Данное правило используется при монтаже и проектировке сетей, а также при их проверке службами Ростехнадзора.

Будет интересно➡  Схемы, принцип работы, виды электросчетчиков

Важно! Этот документ обобщает и отклонение электронапряжения в сетях однофазного тока бытового назначения. Оно должно быть не более 5 % при нормальной работе и 10 % после аварийной ситуации. Если сеть низковольтная, то есть до 50 вольт, то нормальным падением считается +-10 %.

Для кабелей питающей сети используют правило РД 34.20.185-94. Оно допускает параметр потерь не более 6 %, если напряжение составляет 10 кВ и не более 4–6 % при электронапряжении 380 вольт. Чтобы одновременно соблюсти эти правила и инструкции, добиваются потерь 1.5 % для малоэтажных знаний и 2.5 % для многоэтажных.
Падение напряжения на резисторе

Проверка кабеля по потере напряжения

Всем известно, что протекание электрического тока по проводу или кабелю с определенным сопротивлением всегда связано с потерей напряжения в этом проводнике.

Согласно правилам Речного регистра, общая потеря электронапряжения в главном распределительном щите до всех потребителей не должна превышать следующие значения:

  • при освещении и сигнализации при напряжении более 50 вольт – 5 %;
  • при освещении и сигнализации при напряжении 50 вольт – 10 %;
  • при силовых потреблениях, нагревательных и отопительных систем вне зависимости от электронапряжения – 7 %;
  • при силовых потреблениях с кратковременным и повторно-кратковременным режимами работы вне зависимости от электронапряжения – 10 %;
  • при пуске двигателей – 25 %;
  • при питании щита радиостанции или другого радиооборудования или при зарядке аккумуляторов – 5 %;
  • при подаче электричества в генераторы и распределительный щит – 1 %.

Исходя из этого и выбирают различные типы кабелей, способных поддерживать такую потерю напряжения.

Расчет падения напряжения в кабеле. Калькулятор расчета потери напряжения в кабеле

Калькулятор расчета сечения кабеля по мощности и току

Расчет минимального сечения кабеля, необходимого для безопасной эксплуатации электропроводки. Калькулятор расчета сечения кабеля по мощности и току

Зачем нужен расчет потерь напряжения в кабеле

Предыстория такова. Проектировщикам выдали техническое задание на проект электроснабжения, в котором была указана мощность холодильных систем. Пока выполнялся проект и выделялись деньги на его реализацию, было куплено холодильное оборудование с потребляемой мощностью, в 2 раза превышавшей исходную. Кроме того, выяснилось, что реальное расстояние до подстанции будет почти в 2 раза больше…

В общем, дорогущее немецкое холодильное оборудование отказывается работать, все знают, что делать, но никто не хочет за это платить. Прошедшим летом из-за пониженного напряжения (линейное 340-360 В) сгорел компрессор стоимостью более 10 тыс.евро. Терпеть дальше это было нельзя. Меня попросили провести расчеты, мониторинг и измерения на системе питания, и дать рекомендации по решению проблемы.

Поскольку писал я этот отчет от лица фирмы, имеющей лицензию на энергоаудит, то этот документ будет иметь силу в предстоящей судебной тяжбе.

По ходу документа в цитатах буду давать комментарии и уточнения.

Было проведено обследование качество электроэнергии, поступающей от трансформаторной подстанции (ТП) по первому участку (440 м) до ГРЩ 2.2 и далее по вторым участкам (50 и 40 м) на холодильные установки (Система 12 и Система 14).

Схема структурная данной системы:

Схема кабельных линий от ТП до нагрузки. ДЭС – дизельная электростанция есть, но в данном случае не рассматривается.

Цель обследования – выявить причины значительного падения напряжения на кабельной линии.

В Систему 12 входят следующие потребители:

НаименованиеУстановленная мощность, кВтМакс.расчетный ток, А
Воздухоохладитель124,650,5
Воздухоохладитель78,327,1
Двигатели компрессоров100132,7
Двигатели вентиляторов13,729,7
Итого316,6240

В Систему 14 входят следующие потребители:

НаименованиеУстановленная мощность, кВтМакс.расчетный ток, А
Воздухоохладитель234,481,2
Воздухоохладитель193,955,7
Воздухоохладитель15,231,3
Двигатели компрессоров396525,6
Двигатели вентиляторов66144,3
Итого905,5838,1

Напряжение питания – 380…415 В.

Значения токов, мощностей и напряжения взяты из паспортных данных потребителей.

По предварительному расчету, при напряжении на выходе ТП 415 В на холостом ходу (при выключенной нагрузке), при максимальной нагрузке допустимо падение 35 В, или 8,43%. В таком случае при максимальной нагрузке напряжение упадет до 380 В, что, согласно паспортным данным потребителей, является допустимым.

ТП содержит 2 трансформатора по 600 кВт, которые планировалось использовать по одному. Но из-за увеличения нагрузки их пришлось включить в параллель.

Согласно Своду правил по проектированию и строительству СП 31-110-2003, а также ГОСТ Р 50571.15-97 с учетом регламентированных отклонений от номинального значения суммарные потери напряжения от шин 0,4 кВ ТП до наиболее удаленной нагрузки в жилых и общественных зданиях не должны превышать 9%. Причем, из них 5% – на участке от ТП до ВРУ, и 4% – на участке от ВРУ до потребителя.

Будет интересно➡  Что такое сетевой фильтр, для чего он нужен и где применяется

Согласно ГОСТ 29322-2014, номинальное линейное напряжение в трехфазных сетях должно составлять 400 В, а при нормальных условиях оперирования напряжение питания не должно отличаться от номинального напряжения больше чем на +-10%.

Исходя из этого, падение на 8,43% является обоснованным и соответствует Правилам и ГОСТам, принятым в РФ.

В ходе обследования выяснилось следующее. От ТП, расположенной на расстоянии 440 м, электроэнергия поступает в ГРЩ2.2 по кабельной линии, состоящей из четырех параллельно соединенных кабелей АВБбШв 4х240, общим сечением 960 мм2.

Расчет потерь напряжения

Внутренности ГРЩ2.2. Сверху – ввод от ТП на вводной контактор-защитный автомат, справа – шины от АВР (резерв – дизель), ниже – выходной автомат, и выходы на Системы.

Максимальный расчетный ток нагрузки, согласно паспортным данным,  составляет  240 А для Системы 12 и 838,1 А для Системы 14. Следовательно, максимальный ток кабельной линии составляет 240+838,1=1078,1 А.

Общая установленная мощность, согласно паспортным данным,  составляет 316,6 кВт для Системы 12, и 905,5 кВт для Системы 14. Следовательно, общая установленная мощность всей нагрузки составляет 316,6+905,5=1222,1 кВт.

Рассчитаем падение напряжения на кабельной линии 1-го участка от ТП до ГРЩ2.2 по формуле:

ΔU=√3·I(R·cosφ·L+X·sinφ·L)

Исходные данные для расчета:

  • Максимальный ток I = 1078,1 А,
  • Установленная мощность нагрузки 1222,1 кВт,
  • Удельное активное сопротивление одной жилы R = 0,125 Ом/км по данным производителя кабеля.
  • Удельное индуктивное сопротивление одной жилы Х = 0,077 Ом/км по данным производителя кабеля.
  • Принимаем Cosφ = 0,8, тогда sinφ = 0,6
  • Материал жилы кабеля – алюминий,
  • Длина линии L = 0,44 км.

Подставив данные в формулы, получим, что для одного кабеля падение составит 239 В, или 57,75%. Тогда для имеющейся кабельной линии 1-го участка падение напряжения составит 59,8 В, или 14,43%.

Такое падение напряжения только на 1-м участке является недопустимым.

Это  – основная формула. Я делал расчеты, используя калькулятор. Проверял полученные данные, используя программу Электрик (подпрограмма “Потери”).

Кроме того, мне здорово помог Игорь Кривулец (220blog.ru), за что ему большое спасибо! конце статьи будет видео на тему падения напряжения.

Ещё есть хорошие книжки по электротехнике, скачивайте прямо с моего блога!

На всякий случай  таблица активных и индуктивных сопротивлений алюминиевых и медных кабелей разного сечения:

Таблица активных и индуктивных сопротивлений алюминиевых и медных кабелей разного сечения

Таблица активных и индуктивных сопротивлений алюминиевых и медных кабелей разного сечения

После щита ГРЩ2.2 к нагрузке идёт второй участок кабельной линии на Систему 12, состоящей из одного кабеля АВВГ-нг-LS 5×185, длиной 50 м.

Данные для расчета:

  • Максимальный ток 240 А,
  • Установленная мощность нагрузки 316,6 кВт,
  • Удельное активное сопротивление одной жилы R = 0,164 Ом/км по данным производителя кабеля.
  • Удельное индуктивное сопротивление одной жилы Х = 0,077 Ом/км по данным производителя кабеля.
  • Материал жилы кабеля – алюминий,
  • Длина линии L = 0,05 км.

Для имеющейся кабельной линии падение напряжения составит 3,67 В, или 0,88%.

После щита ГРЩ2.2 к нагрузке идёт второй участок кабельной линии на Систему 14, состоящей из трех параллельно соединенных кабелей АВВГ-нг-LS 5×185 длиной 40 м.

Данные для расчета:

  • Максимальный ток 838,1 А,
  • Установленная мощность нагрузки 905,5 кВт,
  • Удельное активное сопротивление одной жилы R = 0,164 Ом/км по данным производителя кабеля.
  • Удельное индуктивное сопротивление одной жилы Х = 0,077 Ом/км по данным производителя кабеля.
  • Материал жилы кабеля – алюминий,
  • Длина линии L = 0,04 км.

Для одного кабеля потеря напряжения составит 10,2 В, или 2,47%. Для имеющейся кабельной линии 2-го участка Системы 14 падение напряжения составит 3,4 В, или 0,82%.

Будет интересно➡  Регулируемый стабилизатор тока LM317: Характеристики, виды и схемы

Для данного максимального тока и длины линии необходимо выбрать другую кабельную линию участка 1, поскольку расчетное падение напряжения для этого участка является недопустимым. Исходя из данных предварительного расчета и данных падения напряжения на 2-х участках, падение напряжения на 1-м участке должно быть не более 7,55%.

Такой уровень потерь обеспечит кабельная линия, состоящая из 8 кабелей АВБбШв 4х240, включенных в параллель. То есть, к имеющимся кабелям (4 шт.) добавить дополнительные (4 шт.).

В результате, потери на кабельной линии участка 1 составят 7,2%, или 29,8 В.

Кабельные линии 2-х участков в модернизации не нуждаются.

Расчет потерь напряжения в кабеле

Для вычисления потерь напряжения кабеля вся система заменяется на эквивалентную, которую можно представить следующим образом:

расчет потерь напряжения в кабеле

На схеме Zп — комплексное сопротивление проводника, Zн — комплексное сопротивление нагрузки. В зависимости от типа питания нагрузки (однофазная или трехфазная), сопротивление кабельной линии будет иметь последовательное или параллельное соединение по отношению к нагрузке. При равенстве сопротивлений Zп1 = Zп2 = Zп3 и Zн1 = Zн2 = Zн3 ток в нулевом проводе отсутствует, поэтому для трехфазных линий потери напряжения рассчитываются для одного проводника. В однофазных линиях, а также в цепи постоянного тока, ток идет по двум проводникам, поэтому вводится коэффициент 2 (при условии равенства Zп1=Zп2).

Расчет потерь линейного (между фазами) напряжения в кабеле при трехфазном переменном токе (U=380 В) производится по формулам:

  • ΔU = √3 × I × Zк = √3 × I × (Rк + Xк).
  • Для расчета в процентном соотношении ΔU = (√3 × I × Zк) / Uл = (√3 × I × (Rк + Xк)) / Uл.

Расчет потерь фазного (между фазой и нулевым проводом U=220 В) напряжения в кабеле производится по формулам:

  • ΔU = I × Zк = I × 2 × (Rк + Xк).
  • Для расчета в процентном соотношении ΔU = (I × Zк) / Uф = (I × 2 × (Rк + Xк)) / Uф.

Расшифровка формул:

  • ΔU — потеря напряжения.
  • Uл — линейное напряжение.
  • Uф — фазное напряжение.
  • I — ток, протекающий в линии.
  • Zк — полное сопротивление кабельной линии.
  • Rк — активное сопротивление кабельной линии.
  • Xк — реактивное сопротивление кабельной линии.

Коэффициент мощности (cosφ) определяется как отношение активной мощности к полной или равен отношению косинуса этих величин.

cosφ = P / S, где P — активная мощность, S — полная мощность. S = √(P² + Q²). Q — реактивная мощность.

Величина cosφ может изменяться в диапазоне от 0 до 1. Чем ближе коэффициент к 1, тем лучше, так как при cos φ = 1 потребителем реактивная мощность не потребляется, следовательно, меньше потребляемая полная мощность в целом. Низкий коэффициент указывает на то, что на внутреннем сопротивлении потребителя выделяется повышенная реактивная мощность.

Способы снижения потерь в кабеле

Кроме нарушения нормальной работы электроприборов, падение напряжения в проводах приводит к дополнительным расходам на электроэнергию. Уменьшить эти затраты можно разными способами:

  • Увеличение сечения питающих проводов. Этот метод требует значительных расходов на замену кабелей и тщательной проверки экономической целесообразности;
  • Уменьшение длины линии. Прямая, соединяющая две точки, всегда короче кривой или ломаной линии. Поэтому при проектировании сетей электроснабжения линии следует прокладывать максимально коротким прямым путём;
  • Снижение окружающей температуры. При нагреве сопротивление металлов растёт, и увеличиваются потери электроэнергии в кабеле;
  • Уменьшение нагрузки. Этот вариант возможен при наличии большого числа потребителей и источников питания;
  • Приведение cosφ к 1 возле нагрузки. Это уменьшает потребляемый ток и потери.

Важно! Все изменения необходимо отображать на схемах.

К сведению. Улучшение вентиляции в кабельных лотках и других конструкциях приводит к снижению температуры, сопротивления и потерь в линии.

Для достижения максимального эффекта необходимо комбинировать эти способы между собой и с другими методами энергосбережения.

Расчёт падения напряжения и потерь электроэнергии в кабеле важен при проектировании систем электроснабжения и кабельных линий.

Предыдущая
РазноеФормула мощности электрического тока, расчет по мощности и напряжению
Следующая
РазноеPE проводник — что это такое и для чего нужно. Разделение PEN проводника на PE и N
Ссылка на основную публикацию
Мы используем cookie-файлы для наилучшего представления нашего сайта. Продолжая использовать этот сайт, вы соглашаетесь с использованием cookie-файлов.
Принять