Потери напряжения по длине кабеля: причины снижения, использование формул и онлайн-калькулятора

Калькулятор расчета потерь напряжения в электрическом кабеле

Кабельные линии большой протяженности отличаются значительным сопротивлением, которое вносит свои коррективы в работу сети. В зависимости от марки кабеля и других параметров будет отличаться и величина сопротивления. А величина потеть напряжения на кабельной линии прямо пропорциональна этому сопротивлению.

При помощи онлайн калькулятора расчет потерь напряжения в кабеле сводится к таким действиям:

  • Укажите длину кабеля в метрах и материал токоведущих жил в соответствующих окошках;
  • Сечение проводника в мм²;
  • Количество потребляемой электроэнергии в амперах или ваттах (при этом поставьте указатель напротив мощности или силы тока, в зависимости от того, какой параметр вам известен, и какую величину вы будете указывать);
  • Проставьте величину напряжения в сети;
  • Внесите коэффициент мощности cosφ;
  • Укажите температуру кабеля;

После того как вы внесли вышеперечисленных данные в поля калькулятора, нажмите кнопку «вычислить» и в соответствующих графах вы получите результат расчета — величину потерь напряжения в кабеле ΔU в %, сопротивление самого провода Rпр в Ом, реактивную мощность Qпр в ВАр и напряжение на нагрузке Uн.

Для вычисления этих величин вся система, включающая кабель и нагрузку, заменяется на эквивалентную, которую можно представить таким образом:

Схема замещения линии с нагрузкой

Как видите на рисунке, в зависимости от типа питания нагрузки (однофазная или трехфазная), сопротивление кабельной линии будет иметь последовательное или параллельное соединение по отношению к нагрузке. Расчет в калькуляторе осуществляется по таким формулам:

  • для однофазной сети: ΔU = I*ZК = I*2*(RК+XК) и для расчета в процентном соотношении:
  • для трехфазной системы: Для расчета в процентном соотношении:
  • 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.

Из них UЛ, UФ, I, — задаются на этапе введения данных. Для определения полного сопротивления ZК производится арифметическое сложение его активной RК и реактивной XК составляющей. Активное и реактивное сопротивление определяется по формулам:

RК – активное сопротивление кабельной линии, где

ρ – удельное сопротивление для соответствующего металла (медь или алюминий), но величина удельного сопротивления материала величина не постоянная и может изменяться в зависимости от температуры, из-за чего для приведения его к реальным условиям выполняется пересчет по отношению к температуре:

  • a – это коэффициент температурного изменения удельного сопротивления материала.
  • ρ20 – удельное сопротивление материала при температуре +20ºС.
  • t – реальная температура проводника, в данный момент времени.
  • l – длина кабельной линии (если нагрузка однофазная, а кабель имеет две жилы, то обе они включены последовательно и длину необходимо умножить на 2)
  • S – площадь сечения проводника.

Зная активное сопротивление можно рассчитать реактивное XК, через коэффициент мощности по такой формуле:

Реактивная мощность определяется по такой формуле: Q = S*sin φ, где

Где S – это полная мощность, которую можно определить, как произведение тока в цепи на входное напряжение источника или как отношение активной мощности к коэффициенту мощности.

Для вычисления величины напряжения, приходящейся на нагрузку, производятся такие расчеты: UН = U — ΔU, где

  • Где UН – величина напряжения, приложенная к нагрузке;
  • U – напряжение на вводе в кабельную линию
  • ΔU – падение напряжения в кабельной линии.

Последствия при падении напряжения по длине кабеля и расчет потерь

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:

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.
Читайте также:  Крепление СИП к столбу: монтаж провода, различные способы, меры предосторожности

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, мм2Линия с одной фазойЛиния с тремя фазами
ПитаниеОсвещениеПитаниеОсвещение
РежимПускРежимПуск
МедьАлюминийКосинус фазового угла = 0,8Косинус фазового угла = 0,35Косинус фазового угла = 1Косинус фазового угла = 0,8Косинус фазового угла = 0,35Косинус фазового угла = 1
1,524,010,630,020,09,425,0
2,514,46,418,012,05,715,0
4,09,14,111,28,03,69,5
6,010,06,12,97,55,32,56,2
10,016,03,71,74,53,21,53,6
16,025,02,361,152,82,051,02,4
25,035,01,50,751,81,30,651,5
35,050,01,150,61,291,00,521,1
50,070,00,860,470,950,750,410,77

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.

Как рассчитать падение напряжения по длине кабеля в электрических сетях

Производя расчет потерь электроэнергии в кабеле, важно учитывать его длину, сечения жил, удельное индуктивное сопротивление, подключение проводов. Благодаря этой справочной информации вы сможете самостоятельно произвести расчет падения напряжения.

Виды и структура потерь

Даже самые эффективные системы электроснабжения имеют те или иные фактические потери электроэнергии. Под потерями понимается разница между данной пользователям электрической энергией и по факту пришедшей к ним. Это связано с несовершенством систем и с физическими свойствами материалов, из которых они изготовлены.

Самый распространенный вид потерь электроэнергии в электрических сетях связан с потерями напряжения от длины кабеля. Для нормирования финансовых трат и подсчета их действительной величины была разработана такая классификация:

  1. Технический фактор. Он связан с особенностями физических процессов и может изменяться под влиянием нагрузок, условных постоянных затрат и климатических обстоятельств.
  2. Затраты на использование дополнительного снабжения и обеспечение нужных условий для деятельности технического персонала.
  3. Коммерческий фактор. В эту группу входят отклонения из-за несовершенства контрольно-измерительных приборов и прочие моменты, провоцирующие недоучет электрической энергии.

Основные причины появления потери напряжения

Основная причина потери мощности в кабеле — это потери в линиях электропередач. На расстоянии от электростанции до потребителей не только рассеивается мощность электроэнергии, но и падает напряжение (что при достижении значения меньше минимально допустимого может спровоцировать не только неэффективную работу приборов, но и полную их неработоспособность.

Также потери в электрических сетях могут быть вызваны реактивной составляющей участка электрической цепи, то есть наличием на этих участках любых индуктивных элементов (это могут быть катушки связи и контуров, трансформаторы, дроссели низкой и высокой частот, электродвигатели).

Способы уменьшения потерь в электрических сетях

Пользователь сети не может повлиять на потери в ЛЭП, но может снизить падение напряжения на участке цепи, грамотно подключив ее элементы.

Медный кабель лучше соединять с медным, а алюминиевый — с алюминиевым. Количество соединений проводов, где материал жилы изменяется, лучше свести к минимуму, так как в таких местах не только рассеивается энергия, но и увеличивается тепловыделение, что при недостаточном уровне теплозоляции может быть пожароопасным. Учитывая показатели удельной проводимости и удельного сопротивления меди и алюминия, более эффективно в плане энергозатрат использовать медь.

Если это возможно, при планировании электрической цепи любые индуктивные элементы, такие как катушки (L), трансформаторы и электродвигатели, лучше подключать параллельно, так как согласно законам физики, общая индуктивность такой схемы снижается, а при последовательном подключении, наоборот, увеличивается.

Еще для сглаживания реактивной составляющей используют конденсаторные установки (или RC-фильтры в совокупности с резисторами).

В зависимости от принципа подключения конденсаторов и потребителя имеется несколько типов компенсации: личная, групповая и общая.

  1. При личной компенсации емкости присоединяют непосредственно к месту появления реактивной мощности, то есть собственный конденсатор — к асинхронному мотору, еще один — к газоразрядной лампе, еще один — к сварочному, еще один — для трансформатора и т.д. В этой точке приходящие кабели разгружаются от реактивных токов к отдельному пользователю.
  2. Групповая компенсация включает в себя присоединение одного или нескольких конденсаторов к нескольким элементам с большими индуктивными характеристиками. В данной ситуации регулярная одновременная деятельность нескольких потребителей связана с передачей суммарной реактивной энергии между нагрузками и конденсаторами. Линия, которая подводит электрическую энергию к группе нагрузок, разгрузится.
  3. Общая компенсация предусматривает вставку конденсаторов с регулятором в основном щите, или ГРЩ. Он производит оценку по факту текущего потребления реактивной мощности и быстро подсоединяет и отсоединяет нужное число конденсаторов. В результате берущаяся от сети общая мощность приводится к минимуму в согласии с моментальной величиной необходимой реактивной мощности.
  4. Все установки компенсации реактивной мощности включают в себя пару ветвей конденсаторов, пару ступеней, которые образуются специально для электрической сети в зависимости от потенциальных нагрузок. Типичные габариты ступеней: 5; 10; 20; 30; 50; 7,5; 12,5; 25 квар.
Читайте также:  Расчет электрических схем: от чего зависит сопротивление проводника, формулы для расчета

Для приобретения больших ступеней (100 и больше квар) соединяют параллельно небольшие. Нагрузки на сети уменьшаются, токи включения и их помехи снижаются. В сетях с множеством высоких гармоник сетевого напряжения конденсаторы защищают дросселями.

Автоматические компенсаторы обеспечивают сети, снабженной ими, такие преимущества:

  • уменьшают загрузку трансформаторов;
  • делают более простыми требования к сечению кабелей;
  • дают возможность загрузить электросети больше, чем можно без компенсации;
  • ликвидируют причины уменьшения напряжения сети, даже когда нагрузка подсоединена протяженными кабелями;
  • увеличивают КПД мобильных генераторов на топливе;
  • упрощают запуск электрических двигателей;
  • увеличивают косинус фи;
  • ликвидируют реактивную мощность из контуров;
  • защищают от перенапряжений;
  • совершенствуют регулировку характеристик сетей.

Калькулятор расчета потерь напряжения в кабеле

Для любого кабеля расчет потерь напряжения можно произвести онлайн. Ниже приведен онлайн-калькулятор потерь в кабеле напряжения.

Калькулятор находится в разработке, в ближайшее время он станет доступным.

Расчет с применением формулы

Если вы желаете самостоятельно посчитать, каково падение напряжение в проводе, учитывая его длину и прочие факторы, влияющие на потери, можно использовать формулу расчета падения напряжения в кабеле:

ΔU, % = (Uн — U) * 100/ Uн,

где Uн — номинальное напряжение на входе в сеть;

U — напряжение на отдельном элементе сети (считают потери в процентах от номинала, имеющегося на входе напряжения).

Из этого можно вывести формулу расчета потерь электроэнергии:

ΔP, % = (Uн — U) * I * 100/ Uн,

где Uн — номинальное напряжение на входе в сеть;

I — фактический ток сети;

U — напряжение на отдельном элементе сети (считают потери в процентах от номинала, имеющегося на входе напряжения).

Таблица потерь напряжения по длине кабеля

Ниже приведены приблизительные падения напряжения по длине кабеля (таблица Кнорринга). Определяем необходимое сечение и смотрим значение в соответствующем столбце.

ΔU, %Момент нагрузки для медных проводников, кВт∙м, двухпроводных линий на напряжение 220 В
При сечении проводника s, мм², равном
1,52,5461016
118304872120192
2366096144240384
35490144216360576
472120192288480768
590150240360600960

Таблицы не принимают во внимание индуктивное сопротивление, т.к. при использовании проводов оно чрезмерно мало и не может равняться активному.

Кто платит за потери электричества

Потери электроэнергии при передаче (если передавать ее на большие расстояния) могут быть существенными. Это влияет на финансовую сторону вопроса. Реактивную составляющую учитывают при определении общего тарифа использования номинального тока для населения.

Для однофазных линий она уже включена в стоимость, учитывая параметры сети. Для юридических лиц эта составляющая рассчитывается независимо от активных нагрузок и в предоставляемом счете указывается отдельно, по особому тарифу (дешевле, чем активная). Делается это ввиду наличия на предприятиях большого количество индукционных механизмов (например, электродвигателей).

Органы энергонадзора устанавливают допустимое падение напряжения, или норматив потерь в электрических сетях. За потери при передаче электроэнергии платит пользователь. Поэтому, с точки зрения потребителя, экономически выгодно подумать о том, чтобы снизить их, изменив характеристики электрической цепи.

Как перевести амперы в киловаты?

Что такое делитель напряжения и как его рассчитать?

Как рассчитать необходимое сечение провода по мощности нагрузки?

Что такое активная и реактивная мощность переменного электрического тока?

Способы вычисления потребления электроэнергии бытовыми приборами

Расчет падения напряжения в кабеле

Для работы электроприборов необходимы определённые параметры сети. Провода обладают сопротивлением электрическому току, поэтому при выборе сечения кабелей необходимо учитывать падение напряжения в проводах.

Что такое падение напряжения

При измерении в разных частях провода, по которому течёт электрический ток, по мере движения от источника к нагрузке наблюдается изменение потенциала. Причина этого – сопротивление проводов.

Как замеряется падение напряжения

Измерить падение можно тремя способами:

  • Двумя вольтметрами. Замеры производятся в начале и конце кабеля;
  • Поочерёдно в разных местах. Недостаток метода в том, что при переходах может измениться нагрузка или параметры сети, что повлияет на показания;
  • Одним прибором, подключённым параллельно кабелю. Падение напряжения в кабеле мало, а соединительные провода большой длины, что приводит к погрешностям.

Важно! Падение напряжения может составлять от 0,1В, поэтому приборы используются класса точности не ниже 0,2.

Сопротивление металлов

Электрический ток – это направленное движение заряженных частиц. В металлах это движение свободных электронов сквозь кристаллическую решётку, которая оказывает сопротивление этому движению.

В расчетах удельное сопротивление обозначается буквой “p” и соответствует сопротивлению одного метра провода сечением 1мм².

Для самых распространённых металлов, используемых для изготовления проводов, меди и алюминия, этот параметр равен 0,017 и 0,026 Ом*м/мм², соответственно. Сопротивление отрезка провода вычисляется по формуле:

Например, 100 метров медного провода сечением 4мм² имеет сопротивление 0,425 Ом.

Если сечение S неизвестно, то, зная диаметр проводника, оно рассчитывается как:

Как рассчитать потери напряжения

По закону Ома, при протекании тока через сопротивление на нём появляется разность потенциалов. В этом отрезке кабеля при токе 53А, допустимом при открытой прокладке, падение составит U=I*R=53А*0,425Ом=22,5В.

Для нормальной работы электрооборудования величина напряжения сети не должна выходить за пределы ±5%. Для бытовой сети 220В – это 209-231В, а для трёхфазной сети 380В допустимые пределы колебаний – 361-399В.

При изменении потребляемой мощности и тока в электрокабелях падение напряжения в токопроводящих жилах и его значение возле потребителя меняется. Эти колебания необходимо учитывать при проектировании электроснабжения.

Выбор по допустимым потерям

При расчёте потерь необходимо учитывать, что в однофазной сети используется два провода, соответственно, формула расчёта падения напряжения меняется:

В трёхфазной сети ситуация сложнее. При равномерной нагрузке, например, в электродвигателе, мощности, подключенные к фазным проводам, компенсируют друг друга, ток по нулевому проводу не идёт, и его длина в расчётах не учитывается.

Если нагрузка неравномерная, как в электроплитах, в которых может быть включен только один ТЭН, то расчёт ведётся по правилам однофазной сети.

В линиях большой протяжённости, кроме активного, учитывается также индуктивное и ёмкостное сопротивление.

Расчёт можно выполнить по таблицам или при помощи онлайн-калькулятора. В ранее приведённом примере в однофазной сети и при расстоянии 100 метров необходимое сечение составит не менее 16мм², а в трёхфазной – 10 мм².

Выбор сечения кабелей по нагреву

Ток, текущий через сопротивление, выделяет энергию Р, величина которой рассчитывается по формуле:

В кабеле из предыдущего примера Р=40А²*0,425Ом=680Вт. Несмотря на длину, этого достаточно для того, чтобы нагреть проводник.

При нагреве провода свыше допустимой температуры изоляция выходит из строя, что приводит к короткому замыканию. Величина допустимого тока зависит от материала токопроводящей жилы, изоляции и условий прокладки. Для выбора необходимо пользоваться специальными таблицами или онлайн-калькулятором.

Как уменьшить падение напряжения в кабеле

При прокладке электропроводки на большие расстояния сечение кабеля, выбранное по допустимому падению напряжения, многократно превосходит выбор, сделанный по нагреву, что приводит к увеличению стоимости электроснабжения. Но есть способы уменьшить эти расходы:

  • Повысить потенциал в начале питающего кабеля. Возможно только это при подключении к отдельному трансформатору, например, в дачном посёлке или микрорайоне. При отключении части потребителей потенциал в розетках остальных окажется завышенным;
  • Установка возле нагрузки стабилизатора. Это требует расходов, но гарантирует постоянные параметры сети;
  • При подключении нагрузки 12-36В через понижающий трансформатор или блок питания располагать их рядом с потребителем.

Справка. При понижении напряжения растёт ток в сети, падение напряжения и необходимое сечение проводов.

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.

Видео

Определение падения напряжения

Чтобы понять, что такое падение напряжения, следует вспомнить, какие виды напряженности в цепи бывают. Их всего два: напряженность источника питания (при этом источник питания должен быть подключен к контуру) и, собственно, снижение напряжения, которое рассматривается отдельно или в отношении контура. В этом материале будет рассмотрено, как найти падение напряжения, и дана формула расчета падения напряжения в кабеле.

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.

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.

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.

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.

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.

Как найти падение напряжения и правильно рассчитать его потерю в кабеле

Одним из основных параметров, благодаря которому считается напряженность, является удельное сопротивление проводника. Для проводки от станции или щитка к помещению используются медные или алюминиевые провода. Их удельные сопротивления равны 0,0175 Ом*мм2/м для меди и 0,0280 Ом*мм2/м для алюминия.

Рассчитать падение электронапряжения для цепи постоянного тока в 12 вольт можно следующими формулами:

  • определение номинального тока, проходящего через проводник. I = P/U, где P – мощность, а U – номинальное электронапряжение;
  • определение сопротивления R=(2*ρ*L)/s, где ρ – удельное сопротивление проводника, s – сечение провода в миллиметрах квадратных, а L – длина линии в миллиметрах;
  • определение потери напряженности ΔU=(2*I*L)/(γ*s), где γ – это величина, которая равна обратному удельному сопротивлению;
  • определение требуемой площади сечения провода: s=(2*I*L)/(γ*ΔU).

Важно! Благодаря последней формуле можно рассчитать необходимую площадь сечения провода по нагрузке и произвести проверочный расчет потерь.

В трехфазной сети

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.

Потеря электронапряжения в каждом проводе трехфазной линии с учетом индуктивного сопротивления проводов подсчитывается по формуле

Первый член суммы – это активная, а второй – пассивная составляющие потери напряженности. Для удобства расчетов можно пользоваться специальными таблицами или онлайн-калькуляторами. Ниже приведен пример такой таблицы, где учтены потери напряжения в трехфазной ВЛ с алюминиевыми проводами электронапряжением 0,4 кВ.

Потери напряжения определены следующей формулой:

Здесь ΔU—потеря напряжения, ΔUтабл — значение относительных потерь, % на 1 кВт·км, Ма — произведение передаваемой мощности Р (кВт) на длину линии, кВт·км.

На участке цепи

Для того, чтобы провести замер потери напряжения на участке цепи, следует:

  • 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.

Важно! В сетях с напряжением до 220 в потери можно определить при помощи обычного вольтметра или мультиметра.

Базовым способом расчета потери мощности может служить онлайн-калькулятор, который проводит расчеты по исходным данным (длина, сечение, нагрузка, напряжение и число фаз).

Таким образом, вычислить и посчитать потери напряжения можно с помощью простых формул, которые для удобства уже собраны в таблицы и онлайн-калькуляторы, позволяющие автоматически вычислять величину по заданным параметрам.


Калькулятор расчета потерь напряжения

С помощью данного калькулятора можно вычислить потери напряжения (мощности) и подобрать необходимое поперечное сечения кабеля.

Для этого необходимо знать рабочее напряжение, протекающий ток и длину кабеля. Ниже приведен пример расчета.

Мощность, Вт:
Напряжение с учетом потерь, В:
Потери напряжения, В:
Потери мощности, Вт:
Мощность с учетом потерь, Вт:

* Общая длина кабелей плюса и минуса
Удельное сопротивление меди в формулах 0,0175 Ом*мм 2 /м (при 20 С о )

Для примера подберем сечение кабеля от солнечных батарей до контроллера на примере солнечной электростанции для дома, состоящую из следующих компонентов:

  1. Монокристаллическая солнечная батарея Suoyang SY-200WM – 4 шт.;
  2. Контроллер заряда ITracer IT6415ND – 1 шт.;
  3. Инвертор PI 2000Вт/12В (чистый синус) – 1 шт.;
  4. Гелевый аккумулятор 200Ач – 2 шт.

Итак, напряжение в точке максимальной мощности у монокристаллической солнечной батареи Suoyang SY-200WM составляет 37,2В, а ток в максимальной мощности 5,38А, именно эти значения мы будем использовать в расчетах. Но для начала нам нужно определиться, как соединить между собой солнечные батареи.

В состав нашего комплекта входит контроллер заряда Epsolar на 60А, с функцией поиска максимальной мощности (MPPT). Максимальное входное напряжение от солнечных батарей в данный контроллер составляет 150В, а выходное напряжение на аккумулятор будет составлять 12/24/36 или 48В, автоматически в зависимости от напряжения аккумулятора, который мы подключили. В нашем случае это два 12 вольтовых гелевых аккумулятора Delta 12-200, соединенных параллельно.

Имея четыре солнечные батареи SY-200 и выше описанный контроллер мы можем подключить солнечные батареи двумя способами:

1. Параллельное соединение (все четыре штуки параллельно между собой). При этом напряжение у нас останется 37,2В, а максимальный ток от солнечных батарей составит 5,38А * 4 = 21,52А

2. Последовательно – параллельное соединение (две последовательных цепочки по две штуки). При этом напряжение будет составлять 37,2В * 2=74,4В, а ток 5,38 * 2 = 10,76А.

Нужно понимать, что мощность в двух случаях будет ОДИНАКОВАЯ. Разность только в токе и напряжении – в первом случае у нас больше ток, но меньше напряжение, а во втором – наоборот. Если мы подключим все четыре солнечные батареи последовательно, то напряжение будет выше, чем допустимое максимальное входное напряжение контроллера заряда, которое составляет 150В, более того нужно учитывать температурный коэффициент и напряжение холостого хода, но сейчас не об этом.

Сечение кабеля подбирается по току, чем больше ток – тем больше сечение!

Подставим в калькулятор расчета потерь напряжения данные первого способа подключения (параллельно все четыре штуки), расстояние от солнечных батарей до контроллера примем равным 15 метров (15 плюс и 15 минус), соответственно общая длина кабеля составит 30 метров, сечение кабеля возьмем равным 6мм²:

  • Напряжение: 37,2В
  • Сечение кабеля: 6мм²
  • Длина: 30м
  • Максимальный ток: 21,52А

Получаем потери напряжения и мощности более 5% (потери напряжения: 1,88В, потери мощности: 40,45Вт).

Подставим второй способ подключения (Две последовательных цепочки по две штуки):

  • Напряжение: 74,4В
  • Сечение кабеля: 6мм²
  • Длина: 30м
  • Максимальный ток: 10,76А

Получаем куда лучший результат, благодаря увеличенному напряжению и меньшему току: потери напряжения и мощности 1,26% (потери напряжения: 0,94В, потери мощности: 10,11Вт)

Выводы: Как видно, благодаря возможности увеличения напряжения, путем последовательно – параллельного соединения солнечных батарей, нам удалось уменьшить ток и при использовании кабеля одного и того же сечения уменьшить потери в нем в 4 раза!

Добавить комментарий