Формула расчета падения напряжения от длины кабеля. Онлайн расчет потерь напряжения в кабеле. Расчёт потери напряжения по максимальной нагрузке на получасовом интервале

Потери напряжения в кабеле являются большой проблемой в случае длинного пути от источника питания к потребителю, а также высокой потребляемой мощности последнего. Неверно подобранные материалы для электрической линии (проводки), например, провода с очень тонкими жилами, начинают греться из-за низкой проводимости для электрического тока. Предоставленный нами калькулятор позволяет выполнить расчет потерь напряжения в кабеле онлайн:

Также давайте разберемся, откуда берутся потери и почему. Токопроводящие жилы изготавливают из меди и алюминия они, хоть и являются отличными проводниками, но все равно обладают определенным удельным сопротивлением, которое является активным. На любом резистивном элементе падает определенное количество Вольт, согласно :

U=I*Rпров

В постоянном токе при расчетах потерь напряжения в кабеле фигурирует только активное сопротивление R. В то же время при работе с переменным током, например, в сетях 0.4 кВ, к активной величине добавляется и реактивная часть — они составляют полное сопротивление Z (Xl и Xc). Роль реактивной мощности очень важна в расчетах, так как она составляет 20 и более процентов от потребляемой мощности.

Для чего нужен такой расчет? Всё очень просто: чем больше R проводки – тем больше потерь, и тем сильнее греются провода. Давайте разберемся как их рассчитать вручную, но проще это сделать с помощью онлайн калькулятора. Формула определения сопротивления проводника выглядит так:

• p — удельное сопротивление;
• L — длина;
• S — площадь поперечного сечения.

Отсюда следует, что оно зависит от длины и площади поперечного сечения. Чем длиннее и тоньше проводник — тем больше R, а для его уменьшения нужны жилы с большим поперечным сечением.

Тогда в простейшем случае потери равны падению напряжения на линии:

dU=I*Rпров

А с учетом полной мощности для переменного тока:

Но первая формула справедлива только для одной из токопроводящих жил, а электричество, как известно, нельзя передавать по одному проводу. Его передают как минимум по двум, в трехфазной сети — по четырем проводам.

• длину;
• площадь поперечного сечения токопроводящих жил;
• величину потребляемого тока или мощности;
• количество фаз;
• температуру проводника;
• COS Ф.

В результате в пару кликов онлайн калькулятор предоставит вам следующие данные:

• потери;
• сопротивление кабеля;
• реактивная мощность;
• напряжение на нагрузке.

Материалы

Краткие теоретические сведения. Электрические сети, рассчитанные по допустимому нагреву, проверяют по потере напряжения. При передаче электроэнергии по проводам часть напряжения теряется на сопротивлении проводов и в результате в конце линии, т. е. у электроприемников, напряжение становится меньшим, чем в начале линии.

Согласно ГОСТ 13109-97 в электрических сетях до 1 кВ в нормальном режиме допускаются отклонения напряжения от номинального в пределах от -5 до +5%, т. е. для того чтобы электроприемники могли нормально работать и выполнять заложенные в них функции, напряжение на их выводах должно быть не менее 95% U н и не более 105% U н .

Таким образом, выбранное сечение проводников должно соответствовать также условиям обеспечения электроприемников качественной электрической энергией.

Потери напряжения в элементах системы электроснабжения не нормируются. Однако допускается считать, что потери напряжения не должны превышать 1,5...1,8% в магистральном шинопроводе; 2...2,5 % в распределительном шинопроводе с равномерной нагрузкой; 4…6% в сетях 0,38 кВ (от ТП до ввода в здания).

В общем случае допустимая потеря напряжения в электрических сетях до 1 кВ от источника питания (ТП) до электроприемника определяется по формуле:

питающем трансформаторе; U min - минимально допустимое напряжение на зажимах электроприемника, U min = 95%.

					U доп % = 10 − U Т % ;
					U Т % =β Т (	U а % cos ϕ T − U p %sin ϕ T ,
где β				Коэффициент загрузки трансформатора;
			S H . T
U a % =					Активная составляющая напряжения КЗ трансформатора;		Р к - номинальные
			S H . T
потери мощности КЗ трансформатора;						U р % = U к 2 % − U а 2 % - реактивная составляющая

где I р - расчетный ток линии, A; L - длина линии, км; r 0 , х 0 - соответственно активное и реактивное сопротивление 1 км проводника линии, Ом/км (табл. 1.10).

Таблица 1.10 - Активное и индуктивное сопротивление проводов с медными и алюминиевыми жилами

	Активное сопротивление,		Индуктивное сопротивление
	Ом/км t =20о С		(меди и алюминия), Ом/км
проводника,			для воздушных линий	для проводов,
мм2		алюминия		проложенных в трубах,
			расстоянии между	и кабелей
			проводами 15 см

Фактическая потеря напряжения должна быть меньше допустимой потери напряжения. Если окажется, что фактическая потеря напряжения больше допустимой величины, то выбирают проводник (проводники) большего на одну ступень сечения и повторяют поверочный расчет.

Пример. В упрощенной форме (без учета способа прокладки, условий окружающей среды) по допустимому нагреву выбрать кабель, питающий распределительный шкаф (ШР) и проверить его по потере напряжения. Длина кабельной линии (L ) 42 м. Данные нагрузки распределительного шкафа: установленная мощность 28,6 кВт; cos ϕ = 0,85; К с = 0,8.

Допустимая потеря напряжения для рассчитываемого участка сети 4%.

Определяем расчетную мощность ШР:

Рр =Кс ·Руст = 0,8-28,6 = 22,9 кВт.

Расчетный ток распределительного шкафа:

	I p =					40.9A
		3U cos ϕ

Выбираем по нагреву кабель АВВГ 3x10+1x6 мм2 с длительно допустимым током 42 А. Фактическая потеря напряжения в кабеле, питающем ШР, определяется по формуле (1.34):

U ф = 1.73 40.9(3.33 0.85 + 0.073 0.52)0.042 = 8.53B

U Правила технической эксплуатации электроустановок потребителей и Правила техники безопасности при эксплуатации электроустановок и потребителей. М.: НЦ ЭНАС, 2004. 3. Указания по определению электрических нагрузок в промышленных установках. М.: ВНИИПИ Тяжпромэлектропроект, 1991. 4. Ермилов А.А. Основы электроснабжения промышленных предприятий. М.: Энергия, 1983. 5. Кудрин Б.И. Электроснабжение промышленных предприятий. М.: Энергоатомиздат, 2005. 6. Вахнина В.В. и др. Проектирование систем электроснабжения машиностроительных предприятий: Учебное пособие для курсового и дипломного проектирования. – Тольятти: ТГУ, 2004. 7. ГОСТ 13109-97. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения / Межгосударственный Совет по стандартизации, метрологии и сертификации. Минск, 1998.

Интересует нормирование потери напряжения в линиях на различных участках электрической сети:

ЦП – ТП (РТП) – ВРУ (ГРЩ) – ЩО (ЩР или ЩС) – н.у. лампа ЭО (самый мощный н.у. ЭП).

Принятые сокращения (определения см. в главе 7.1 ПУЭ и в конце этой статьи):

• ТЭО – технико-экономическое обоснование,
• ЦП – центр питания,
• ТП – трансформаторная подстанция,
• РТП – распределительная трансформаторная подстанция,
• ВРУ – вводно-распределительное устройство,
• ГРЩ – главный распределительный щит,
• ЩО – щиток рабочего освещения,
• ЩАО – щиток аварийного освещения,
• ЩР – щит распределительный,
• ЩС – щит силовой,
• ЭО – электроосвещение,
• ЭП – электроприёмник,
• ЭУ – электроустановка,
• н.у. – наиболее удалённый(ая),
• р.л. – распределительная линия,
• гр.л. – групповая линия,
• д.з.у.о.н. – допустимые значения установившегося отклонения напряжения.

Потеря напряжения в системе электроснабжения - величина, равная разности между установившимися значениями действующего напряжения, измеренными в двух точках системы электроснабжения (ГОСТ23875-88 «Качество электрической энергии. Термины и определения»), например, алгебраическая разница между напряжением в начале (например, у источника питания) и в конце (на зажимах электроприемника) линии.

На вторичных обмотках трансформаторов ТП напряжение 0,4кВ (п. 1.2.23 ПУЭ 7-го изд.), т.е. 105% от номинального напряжения электрической сети 0,38кВ (ГОСТ 721 и ГОСТ 21128). Имеем от шин ТП до ВРУ “располагаемую” потерю напряжения в нормальном режиме 5% - среднее значение в пределах 4-6% (п. 5.2.4 РД 34.20.185-94). Нормально допустимые значения установившегося отклонения напряжения на зажимах ЭП ±5% от номинального напряжения сети (п. 5.2 ГОСТ 13109-97).

Имеем “располагаемую” потерю напряжения ≈10% от шин РУ 0,4кВ ТП до н.у. ЭП, но рекомендуется, чтобы суммарные потери напряжения от шин ТП до н.у. лампы ЭО не превышали 7,5% (СП 31-110-2003). Значит, если от шин 0.4кВ ТП до ВРУ - 5%, то на участке от ВРУ до н.у. лампы ЭО не более 2.5%, а для остальных ЭП потери в ЭУ зданий не должны превышать 4% (ГОСТ Р 50571.15-97):

• от шин ТП до ВРУ - 5% (380В);
• от шин ТП до н.у. лампы ЭО - 7,5% (370В);
• от шин ТП до н.у. ЭП - 9% (364,8В).

А потери напряжения в ЭУ здания на различных участках электрической сети, т.е. р.л. и гр.л. (см.столбцы «b» и «c» табл.1), не нормируются и выбираются исходя из конкретных условий, ТЭО и т.д. С точки зрения уменьшения трудоёмкости проектирования, потери напряжения на различных участках электрической сети, на мой взгляд, можно принять следующими, от ВРУ до:

• н.у. лампы ЭО не более 2.5%, из них
• р.л. до ЩО – 0,5%,
• гр.л. до н.у. ламп ЭО – 2%.
• н.у. ЭП не должны превышать 4%, из них
• р.л. до ЩР – 2%,
• линии до н.у. ЭП – 2%.
• эл.двигателя, РЭА и спец.оборудования - по паспорту, но не более 15%.
• Для цепей напряжения счетчиков учета электроэнергии – 0,5% (РМ-2559).

Потерю напряжения в каждой групповой линии (при равных сечениях проводников) в сетях внутреннего ЭО и штепсельных розеток рассчитывать не требуется, т.к. нет действующих руководящих документов, обязывающих делать такой расчет, который необходим только для выявления значений при наихудших условиях, т.е. для н.у. лампы ЭО и самой нагруженной линии н.у. ЭП.

По опыту проектирования потери напряжения во внутриквартирных групповых линиях общего освещения могут приниматься равными 1-0,8 % (Тульчин И.К., Нудлер Г.И., Электрические сети и электрооборудование жилых и общественных зданий - 2-е изд., М.: Энергоатомиздат, 1990; см. табл. 16,1 «Пределы допустимых потерь напряжения, при которых параметры электрической сети имеют значения, близкие к оптимальным» на стр. 253).

На шинах н/н ТП в период наименьших нагрузок сетей не выше 100% номинального напряжения (п. 1.2.23 ПУЭ 7-го изд.) и потери напряжения, зависящие от мощностей нагрузки в сетях, пропорционально уменьшаются.

Но это еще не все! Нужно сделать расчет на потери напряжения в послеаварийном режиме, чтобы не выйти за предельно допустимые значения установившегося отклонения напряжения (ГОСТ 13109-97): ±10% от номинального напряжения электрической сети по ГОСТ 721 и ГОСТ 21128 (номинальное напряжение). Расчет на потери напряжения в послеаварийном режиме м.б. актуален, например, для взаиморезервируемых кабельных линий.

Позиция Ростехнадзора:
Информационно-справочное издание “Новости электротехники”,
ежегодное приложение “Вопрос-ответ“, приложение к журналу № 6(48) 2007.

У проектировщиков существует немало разногласий в понимании СП 31-110-2003, п. 7.23. Отклонение напряжения от номинального на зажимах силовых электроприемников и н.у. ламп ЭО не должно превышать 5% в норм. режиме, а от шин ТП до н.у. ламп ЭО – 7,5%. Значит, ВРУ – н.у. ламп ЭО – 5% от 380/220 В, но тогда от ТП до ВРУ необходимо подавать повышенное напряжение, чтобы с учетом потерь на этой линии (2,5%) получить во ВРУ номинальное значение напряжения.

Прежде всего следует разделить понятия «отклонение напряжения» и «потеря напряжения». В первом абзаце п. 7.23 СП 31-110-2003 нормируется отклонение напряжения от номинального на зажимах электроприемников ламп накаливания. В третьем абзаце п. 7.23 СП 31-110-2003 речь идет о потере напряжения в линиях на участке от шин 0,4 кВ трансформаторной подстанции 6–10/0,4 кВ до наиболее удаленного электроприемника.
Выполнение условия первого абзаца является обязательным, третьего абзаца – рекомендуемым.
В соответствии с указаниями п. 1.2.23 ПУЭ 7-го изд., напряжение на шинах напряжением 3–20 кВ электростанций и подстанций должно поддерживаться не ниже 105% номинального в период наибольших нагрузок и не менее 100% номинального в период наименьших нагрузок в этих сетях.
С учетом этих исходных положений необходимо производить проверку выбранных по другим условиям сечений проводников. Потеря напряжения в линиях в нормальном режиме должна быть такой, чтобы на зажимах наиболее удаленного электроприемника напряжение как при наибольших, так и при наименьших нагрузках оказывалось в пределах ±5% номинального. При выполнении проверки сечений выбранных проводников по потере напряжения необходимо учитывать положение переключателя ответвлений на трансформаторных подстанциях напряжением 6–10/0,4 кВ.

Виктор Шатров, референт Ростехнадзора.

Нормативные ссылки:

ПУЭ 7-го издания.
Уровни и регулирование напряжения, компенсация реактивной мощности.

1.2.22. Для электрических сетей следует предусматривать технические мероприятия по обеспечению качества электрической энергии в соответствии с требованиями ГОСТ 13109.

1.2.23. Устройства регулирования напряжения должны обеспечивать поддержание напряжения на шинах напряжением 3-20 кВ электростанций и подстанций, к которым присоединены распределительные сети, в пределах не ниже 105 % номинального в период наибольших нагрузок и не выше 100% номинального в период наименьших нагрузок этих сетей. Отклонения от указанных уровней напряжения должны быть обоснованы.

1.2.24. Выбор и размещение устройств компенсации реактивной мощности в электрических сетях производятся исходя из необходимости обеспечения требуемой пропускной способности сети в нормальных и послеаварийных режимах при поддержании необходимых уровней напряжения и запасов устойчивости.

ГОСТ 13109-97. Нормы качества электрической энергии в системах ЭС общего назначения. 5.2. Отклонение напряжения.

Отклонение напряжения характеризуется показателем установившегося отклонения напряжения, для которого установлены следующие нормы:

• нормально допустимые и предельно допустимые значения установившегося отклонения напряжения δUу на выводах приемников электрической энергии равны соответственно ± 5 и ± 10% от номинального напряжения электрической сети по ГОСТ 721 и ГОСТ 21128 (номинальное напряжение);
• нормально допустимые и предельно допустимые значения установившегося отклонения напряжения в точках общего присоединения потребителей электрической энергии к электрическим сетям напряжением 0,38 кВ и более должны быть установлены в договорах на пользование электрической энергией между энергоснабжающей организацией и потребителем с учетом необходимости выполнения норм настоящего стандарта на выводах приемников электрической энергии.

РД 34.20.185-94
Инструкция по проектированию городских электрических сетей.
Гл. 5.2 Уровни и регулирование напряжения, компенсация реактивной мощности

5.2.4. Предварительный выбор сечений проводов и кабелей допускается производить исходя из средних значений предельных потерь напряжения в нормальном режиме: в сетях 10(6) кВ не более 6 %, в сетях 0,38 кВ (от ТП до вводов в здания) не более 4-6 %.

Большие значения относятся к линиям, питающим здания с меньшей потерей напряжения во внутридомовых сетях (малоэтажные и односекционные здания), меньшие значения - к линиям, питающим здания с большей потерей напряжения во внутридомовых сетях (многоэтажные многосекционные жилые здания, крупные общественные здания и учреждения).

СП 31-110-2003
Проектирование и монтаж электроустановок жилых и общественных зданий.
7. Схемы электрических сетей.

7.23 Отклонения напряжения от номинального на зажимах силовых электроприемников и наиболее удаленных ламп электрического освещения не должны превышать в нормальном режиме ±5 %, а предельно допустимые в послеаварийном режиме при наибольших расчетных нагрузках - ±10 %. В сетях напряжением 12-50 В (считая от источника питания, например понижающего трансформатора) отклонения напряжения разрешается принимать до 10 %.

Для ряда электроприемников (аппараты управления, электродвигатели) допускается снижение напряжения в пусковых режимах в пределах значений, регламентированных для данных электроприемников, но не более 15 %.

С учетом регламентированных отклонений от номинального значения суммарные потери напряжения от шин 0,4 кВ ТП до наиболее удаленной лампы общего освещения в жилых и общественных зданиях не должны, как правило, превышать 7,5 %. Размах изменений напряжения на зажимах электроприемников при пуске электродвигателя не должен превышать значений, установленных ГОСТ 13109.

ГОСТ Р 50571.15-97 (МЭК 364-5-52-93). Электроустановки зданий.
Часть 5. Выбор и монтаж электрооборудования. Глава 52. Электропроводки.
525. Потери напряжения в электроустановках зданий.

Потери напряжения в электроустановках зданий не должны превышать 4% от номинального напряжения установки. Временно действующие условия, например переходные процессы и колебания напряжения, [вызванные неправильной (ошибочной) коммутацией,] не учитываются.

МЭК 60364-7-714-1996, IEC 60364-7-714 (1996). Электрические установки зданий.
Часть 7. Требования к специальным установкам или помещениям.
Раздел 714. Наружные осветительные установки.

714.512. Падение напряжения в нормальных рабочих условиях должно быть совместимо с условиями, возникающими от пускового тока ламп.

РД 34.20.501-95
Правила технической эксплуатации электрических станций и сетей РФ.
5. Электрическое оборудование электростанций и сетей.

5.12.7. Сеть освещения электростанций должна получать питание через стабилизаторы или от отдельных трансформаторов, обеспечивающих возможность поддержания напряжения освещения в необходимых пределах. Напряжение на лампах должно быть не выше номинального. Понижение напряжения у наиболее удаленных ламп сети внутреннего рабочего освещения, а также прожекторных установок должно быть не более 5% номинального напряжения; у наиболее удаленных ламп сети наружного и аварийного освещения и в сети 12-42 В не более 10% (для люминесцентных ламп не более 7,5%).

ГОСТ Р МЭК 60204-1-99 (МЭК 60204-1). Безопасность машин.
Электрооборудование машин и механизмов. Общие требования.
13 Кабели и провода. 13.5 Падение напряжения на проводах

В нормальных рабочих условиях падение напряжения на участке от источника питания до места приложения нагрузки не должно превышать 5 % от номинального.

РМ 2559
Инструкция по проектированию учета электропотребления в жилых и общественных зданиях.

5.15. Сечение и длина проводов и кабелей, используемых для цепей напряжения счетчиков, должны выбираться так, чтобы потеря напряжения составляла не более 0,5 % номинального напряжения.

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.

Линии электропередач транспортируют ток от распределительного устройства к конечному потребителю по токоведущим жилам различной протяженности. В точке входа и выхода напряжение будет неодинаковым из-за потерь, возникающих в результате большой длины проводника.

Падение напряжения по длине кабеля возникает по причине прохождения высокого тока, вызывающего увеличение сопротивления проводника.

На линиях значительной протяженности потери будут выше, чем при прохождении тока по коротким проводникам такого же сечения. Чтобы обеспечить подачу на конечный объект тока требуемого напряжения, нужно рассчитывать монтаж линий с учетом потерь в токоведущем кабеле, отталкиваясь от длины проводника.

Результат понижения напряжения

Согласно нормативным документам, потери на линии от трансформатора до наиболее удаленного энергонагруженного участка для жилых и общественных объектов должны составлять не более девяти процентов.

Допускаются потери 5 % до главного ввода, а 4 % - от ввода до конечного потребителя. Для трехфазных сетей на три или четыре провода номинальное значение должно составлять 400 В ± 10 % при нормальных условиях эксплуатации.

Отклонение параметра от нормированного значения может иметь следующие последствия:

1. Некорректная работа энергозависимых установок, оборудования, осветительных приборов.
2. Отказ работы электроприборов при сниженном показателе напряжения на входе, выход оборудования из строя.
3. Снижение ускорения вращающего момента электродвигателей при пусковом токе, потери учитываемой энергии, отключение двигателей при перегреве.
4. Неравномерное распределение токовой нагрузки между потребителями на начале линии и на удаленном конце протяженного провода.
5. Работа осветительных приборов на половину накала, за счет чего происходят недоиспользование мощности тока в сети, потери электроэнергии.

В рабочем режиме наиболее приемлемым показателем потерь напряжения в кабеле считается 5 %. Это оптимальное расчетное значение, которое можно принимать допустимым для электросетей, поскольку в энергетической отрасли токи огромной мощности транспортируются на большие расстояния.

К характеристикам линий электропередач предъявляются повышенные требования. Важно уделять особое внимание потерям напряжения не только на магистральных сетях, но и на линиях вторичного назначения.

Причины падения напряжения

Каждому электромеханику известно, что кабель состоит из проводников - на практике используются жилы с медными или алюминиевыми сердечниками, обмотанные изоляционным материалом. Провод помещен в герметичную полимерную оболочку - диэлектрический корпус.

Поскольку металлические проводники расположены в кабеле слишком плотно, дополнительно прижаты слоями изоляции, при большой протяженности электромагистрали металлические сердечники начинают работать по принципу конденсатора, создающего заряд с емкостным сопротивлением.

Падение напряжения происходит по следующей схеме:

1. Проводник, по которому пущен ток, перегревается и создает емкостное сопротивление как часть реактивного сопротивления.
2. Под воздействием преобразований, протекающих на обмотках трансформаторов, реакторах, прочих элементах цепи, мощность электроэнергии становится индуктивной.
3. В результате резистивное сопротивление металлических жил преобразуется в активное сопротивление каждой фазы электрической цепи.
4. Кабель подключают на токовую нагрузку с полным (комплексным) сопротивлением по каждой токоведущей жиле.
5. При эксплуатации кабеля по трехфазной схеме три линии тока в трех фазах будут симметричными, а нейтральная жила пропускает ток, приближенный к нулю.
6. Комплексное сопротивление проводников приводит к потерям напряжения в кабеле при прохождении тока с векторным отклонением за счет реактивной составляющей.

Графически схему падения напряжения можно представить следующим образом: из одной точки выходит прямая горизонтальная линия - вектор силы тока. Из этой же точки выходит под углом к силе тока вектор входного значения напряжения U1 и вектор выходного напряжения U2 под меньшим углом. Тогда падение напряжения по линии равно геометрической разнице векторов U1 и U2.

Рисунок 1. Графическое изображение падения напряжения

На представленном рисунке прямоугольный треугольник ABC отражает падение и потери напряжения на линии кабеля большой длины. Отрезок AB - гипотенуза прямоугольного треугольника и одновременно падение, катеты AC и BC показывают падение напряжения с учетом активного и реактивного сопротивления, а отрезок AD демонстрирует величину потерь.

Производить подобные расчеты вручную довольно сложно. График служит для наглядного представления процессов, протекающих в электрической цепи большой протяженности при прохождении тока заданной нагрузки.

Расчет с применением формулы

На практике при монтаже линий электропередач магистрального типа и отведения кабелей к конечному потребителю с дальнейшей разводкой на объекте используется медный или алюминиевый кабель.

Удельное сопротивление для проводников постоянное, составляет для меди р = 0,0175 Ом*мм2/м, для алюминиевых жил р = 0,028 Ом*мм2/м.

Зная сопротивление и силу тока, несложно вычислить напряжение по формуле U = RI и формуле R = р*l/S, где используются следующие величины:

• Удельное сопротивление провода - p.
• Длина токопроводящего кабеля - l.
• Площадь сечения проводника - S.
• Сила тока нагрузки в амперах - I.
• Сопротивление проводника - R.
• Напряжение в электрической цепи - U.

Использование простых формул на несложном примере: запланировано установить несколько розеток в отдельно стоящей пристройке частного дома. Для монтажа выбран медный проводник сечением 1,5 кв. мм, хотя для алюминиевого кабеля суть расчетов не изменяется.

Поскольку ток по проводам проходит туда и обратно, нужно учесть, что расстояние длины кабеля придется умножать вдвое. Если предположить, что розетки будут установлены в сорока метрах от дома, а максимальная мощность устройств составляет 4 кВт при силе тока в 16 А, то по формуле несложно сделать расчет потерь напряжения:

U = 0,0175*40*2/1,5*16

Если сравнить полученное значение с номинальным для однофазной линии 220 В 50 Гц, получается, что потери напряжения составили: 220-14,93 = 205,07 В.

Такие потери в 14,93 В - это практически 6,8 % от входного (номинального) напряжения в сети. Значение, недопустимое для силовой группы розеток и осветительных приборов, потери будут заметны: розетки будут пропускать ток неполной мощности, а осветительные приборы - работать с меньшим накалом.

Мощность на нагрев проводника составит P = UI = 14,93*16 = 238,9 Вт. Это процент потерь в теории без учета падения напряжения на местах соединения проводов, контактах розеточной группы.

Проведение сложных расчетов

Для более детального и достоверного расчета потерь напряжения на линии нужно принимать во внимание реактивное и активное сопротивление, которое вместе образует комплексное сопротивление, и мощность.

Для проведения расчетов падения напряжения в кабеле используют формулу:

∆U = (P*r0+Q*x0)*L/ U ном

В этой формуле указаны следующие величины:

• P, Q - активная, реактивная мощность.
• r0, x0 - активное, реактивное сопротивление.
• U ном - номинальное напряжение.

Чтобы обеспечить оптимальную нагрузку по трехфазных линиям передач, необходимо нагружать их равномерно. Для этого силовые электродвигатели целесообразно подключать к линейным проводам, а питание на осветительные приборы - между фазами и нейтральной линией.

Есть три варианта подключения нагрузки:

• от электрощита в конец линии;
• от электрощита с равномерным распределением по длине кабеля;
• от электрощита к двум совмещенным линиям с равномерным распределением нагрузки.

Пример расчета потерь напряжения: суммарная потребляемая мощность всех энергозависимых установок в доме, квартире составляет 3,5 кВт - среднее значение при небольшом количестве мощных электроприборов. Если все нагрузки активные (все приборы включены в сеть), cosφ = 1 (угол между вектором силы тока и вектором напряжения). Используя формулу I = P/(Ucosφ), получают силу тока I = 3,5*1000/220 = 15,9 А.

Дальнейшие расчеты: если использовать медный кабель сечением 1,5 кв. мм, удельное сопротивление 0,0175 Ом*мм2, а длина двухжильного кабеля для разводки равна 30 метров.

По формуле потери напряжения составляют:

∆U = I*R/U*100 %, где сила тока равна 15,9 А, сопротивление составляет 2 (две жилы)*0,0175*30/1,5 = 0,7 Ом. Тогда ∆U = 15,9*0,7/220*100% = 5,06 %.

Полученное значение незначительно превышает рекомендуемое нормативными документами падение в пять процентов. В принципе, можно оставить схему такого подключения, но если на основные величины формулы повлияет неучтенный фактор, потери будут превышать допустимое значение.

Что это значит для конечного потребителя? Оплата за использованную электроэнергию, поступающую к распределительному щиту с полной мощностью при фактическом потреблении электроэнергии более низкого напряжения.

Использование готовых таблиц

Как домашнему мастеру или специалисту упростить систему расчетов при определении потерь напряжения по длине кабеля? Можно пользоваться специальными таблицами, приведенными в узкоспециализированной литературе для инженеров ЛЭП. Таблицы рассчитаны по двум основным параметрам - длина кабеля в 1000 м и величина тока в 1 А.

В качестве примера представлена таблица с готовыми расчетами для однофазных и трехфазных электрических силовых и осветительных цепей из меди и алюминия с разным сечением от 1,5 до 70 кв. мм при подаче питания на электродвигатель.

Таблица 1. Определение потерь напряжения по длине кабеля

Площадь сечения, мм2		Линия с одной фазой			Линия с тремя фазами
		Питание		Освещение	Питание		Освещение
		Режим	Пуск		Режим	Пуск
Медь	Алюминий	Косинус фазового угла = 0,8	Косинус фазового угла = 0,35	Косинус фазового угла = 1	Косинус фазового угла = 0,8	Косинус фазового угла = 0,35	Косинус фазового угла = 1
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
6,0	10,0	6,1	2,9	7,5	5,3	2,5	6,2
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
35,0	50,0	1,15	0,6	1,29	1,0	0,52	1,1
50,0	70,0	0,86	0,47	0,95	0,75	0,41	0,77

Таблицы удобно использовать для расчетов при проектировании линий электропередач. Пример расчетов: двигатель работает с номинальной силой тока 100 А, но при запуске требуется сила тока 500 А. При нормальном режиме работы cos ȹ составляет 0,8, а на момент пуска значение равно 0,35. Электрический щит распределяет ток 1000 А. Потери напряжения рассчитывают по формуле ∆U% = 100∆U/U номинальное.

Двигатель рассчитан на высокую мощность, поэтому рационально использовать для подключения провод с сечением 35 кв. мм, для трехфазной цепи в обычном режиме работы двигателя потери напряжения равны 1 вольт по длине провода 1 км. Если длина провода меньше (к примеру, 50 метров), сила тока равна 100 А, то потери напряжения достигнут:

∆U = 1 В*0,05 км*100А = 5 В

Потери на распределительном щите при запуске двигателя равны 10 В. Суммарное падение 5 + 10 = 15 В, что в процентном отношении от номинального значения составляет 100*15*/400 = 3,75 %. Полученное число не превышает допустимое значение, поэтому монтаж такой силовой линии вполне реальный.

На момент пуска двигателя сила тока должна составлять 500 А, а при рабочем режиме - 100 А, разница равна 400 А, на которые увеличивается ток в распределительном щите. 1000 + 400 = 1400 А. В таблице 1 указано, что при пуске двигателя потери по длине кабеля 1 км равны 0,52 В, тогда

∆U при запуске = 0,52*0,05*500 = 13 В

∆U щита = 10*1400/100 = 14 В

∆U суммарные = 13+14 = 27 В, в процентном отношении ∆U = 27/400*100 = 6,75 % - допустимое значение, не превышает максимальную величину 8 %. С учетом всех параметров монтаж силовой линии приемлем.

Применение сервис-калькулятора

Расчеты, таблицы, графики, диаграммы - точные инструменты для вычисления падения напряжения по длине кабеля. Упростить работу можно, если выполнить расчеты с помощью онлайн-калькулятора. Преимущества очевидны, но стоит проверить данные на нескольких ресурсах и отталкиваться от среднего полученного значения.

Как это работает:

1. Онлайн-калькулятор разработан для быстрого выполнения расчетов на основе исходных данных.
2. В калькулятор нужно ввести следующие величины - ток (переменный, постоянный), проводник (медь, алюминий), длина линии, сечение кабеля.
3. Обязательно вводят параметры по количеству фаз, мощности, напряжению сети, коэффициенту мощности, температуре эксплуатации линии.
4. После введения исходных данных программа определяет падение напряжения по линии кабеля с максимальной точностью.
5. Недостоверный результат можно получить при ошибочном введении исходных величин.

Пользоваться такой системой можно для проведения предварительных расчетов, поскольку сервис-калькуляторы на различных ресурсах показывают не всегда одинаковый результат: итог зависит от грамотной реализации программы с учетом множества факторов.

Тем не менее, можно провести расчеты на трех калькуляторах, взять среднее значение и отталкиваться от него на стадии предварительного проектирования.

Как сократить потери

Очевидно, что чем длиннее кабель на линии, тем больше сопротивление проводника при прохождении тока и, соответственно, выше потери напряжения.

Есть несколько способов сократить процент потерь, которые можно использовать как самостоятельно, так и комплексно:

1. Использовать кабель большего сечения, проводить расчеты применительно к другому проводнику. Увеличение площади сечения токоведущих жил можно получить при соединении двух проводов параллельно. Суммарная площадь сечения увеличится, нагрузка распределится равномерно, потери напряжения станут ниже.
2. Уменьшить рабочую длину проводника. Метод эффективный, но его не всегда можно использовать. Сократить длину кабеля можно при наличии резервной длины проводника. На высокотехнологичных предприятиях вполне реально рассмотреть вариант перекладки кабеля, если затраты на трудоемкий процесс гораздо ниже, чем расходы на монтаж новой линии с большим сечением жил.
3. Сократить мощность тока, передаваемую по кабелю большой протяженности. Для этого можно отключить от линии несколько потребителей и подключить их по обходной цепи. Данный метод применим на хорошо разветвленных сетях с наличием резервных магистралей. Чем ниже мощность, передаваемая по кабелю, тем меньше греется проводник, снижаются сопротивление и потери напряжения.

Внимание! При эксплуатации кабеля в условиях повышенной температуры проводник нагревается, падение напряжения растет. Сократить потери можно при использовании дополнительной теплоизоляции или прокладке кабеля по другой магистрали, где температурный показатель существенно ниже.

Расчет потерь напряжения - одна из главных задач энергетической отрасли. Если для конечного потребителя падение напряжения на линии и потери электроэнергии будут практически незаметными, то для крупных предприятий и организаций, занимающихся подачей электроэнергии на объекты, они впечатляющие. Снизить падение напряжения можно, если правильно выполнить все расчеты.

Facebook

Twitter

Вконтакте

Одноклассники

Google+