Расчет падения напряжения в кабеле формула и причины

Доброго дня, уважаемые гости и читатели нашего блога!

Сегодня мы хотели бы рассказать Вам о том, как выбрать электрический провод для системы энергоснабжения объекта так, чтобы не пришлось кусать локти, сетуя на скачки напряжения или нехватку мощности для одновременного питания всего комплекса оборудования.

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

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

Что нам нужно знать?

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

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

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

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

Падение напряжения будет также зависеть от длины проводника.

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

При увеличении подключаемой нагрузки также возрастают препятствия для прохождения тока.

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

I = U / R.

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

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

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

Разумеется, определить снижение напряжения мы сможем тремя способами:

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

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

Причины падения напряжения

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

1. медь;
2. алюминий.

Они защищены изоляционной обмоткой.

Реже применяют термоусадку для самостоятельной изоляции жильных проводов.

То есть задача изоляции – создать диэлектрическую оболочку для проводника,

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

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

Оно происходит по следующему алгоритму.

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

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

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

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

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

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

Линия AD – это значение энергетических потерь.

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

Результат падения напряжения

А что становится результатом этого процесса в фундаментальном смысле?

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

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

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

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

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

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

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

Эту величину допускается принимать для электросетей на этапе проекта.

Относительно токов большой мощности строятся протяженные электрические магистрали.

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

Рассчитываем падение напряжения

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

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

∆U = (P * r₀ + Q * x₀) * L / U_ном,

где

• P — активная мощность;
• Q — реактивная мощность;
• r₀ — активное сопротивление;
• x₀ — реактивное сопротивление;
• U_ном — номинальное напряжение.

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

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

В итоге вычисления мы получим процентный показатель.

Приведем пример.

Выполним расчет наиболее удаленного модуля контроля пуска (МКП-СА) для запуска спринклерных оросителей с принудительным пуском для системы ПКТС «Олимп».

Падение напряжения рассчитаем из математической зависимости Закона Ома:

Мы видим, что величина напряжения U, напрямую зависит от силы тока I и от сопротивления R, а это значит, что чем длиннее линия и больше потребителей, тем больше «падает» напряжение.

I — Ток  в режиме «Пожар» принимаем из технического руководства на оборудование —  220 мА

Количество 10 шт

Всего ток потребления 10 х 220 = 2200 мА = 2,2 А

Кабель используется КПСЭнг(А)-FRHF 1х2х1,5

R — сопротивление медного провода длиной 1 м рассчитывается по формуле:

где
R – сопротивление провода, Ом,
? – удельное сопротивление провода, Ом*мм2/м,
l – длина провода, м,
S – площадь поперечного сечения, мм2.

Падение напряжение на проводе из Закона Ома:

Откуда получаем:

Подставляем данные:

U = (0,0175 х 380/1,5) х 2,2 = 8,72 В

Значит к последнему модулю МКП-СА «придет»:

24 В -8,72 В = 15,27 В

Открываем руководство по эксплуатации на МКП-СА и видим, что минимальное напряжение в дежурном режиме, при котором обеспечивается возможность принудительного пуска за время 30 с составляет — 21 В

Значит нам нужно или увеличивать сечение жилы кабеля, или сокращать расстояние путем переноса приборов, или менять количество запускающих модулей.

Для упрощения просчета и подбора кабеля, а так же остальных параметров я составил табличку в xlsx :

Как уменьшить падение напряжения в электрической сети

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

Это приводит к удорожанию электричества для потребителя.

Как уменьшить этот показатель?

Ведь от него зависит итоговая цена за 1 кВт электроэнергии.

Опишем несколько способов сделать это.

 

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

Как уменьшить потери в кабеле

Потери напряжения приводят к дополнительным затратам.

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

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

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

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

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

Всего Вам хорошего.