Падение напряжения: при нагрузке, порядок расчета и способы определения

Падение напряжения

Понятия и формулы

На каждом сопротивлении r при прохождении тока I возникает напряжение U=I∙r, которое называется обычно падением напряжения на этом сопротивлении.

Если в электрической цепи только одно сопротивление r, все напряжение источника Uист падает на этом сопротивлении.

Если в цепи имеются два сопротивления r1 и r2, соединенные последовательно, то сумма напряжений на сопротивлениях U1=I∙r1 и U2=I∙r2 т. е. падений напряжения, равна напряжению источника: Uист=U1+U2.

Напряжение источника питания равно сумме падений напряжения в цепи (2-й закон Кирхгофа).

1. Какое падение напряжения возникает на нити лампы сопротивлением r=15 Ом при прохождении тока I=0,3 А (рис. 1)?

Падение напряжения подсчитывается по закону Ома: U=I∙r=0,3∙15=4,5 В.

Напряжение между точками 1 и 2 лампочки (см. схему) составляет 4,5 В. Лампочка светит нормально, если через нее проходит номинальный ток или если между точками 1 и 2 номинальное напряжение (номинальные ток и напряжение указываются на лампочке).

2. Две одинаковые лампочки на напряжение 2,5 В и ток 0,3 А соединены последовательно и подключены к карманной батарее с напряжением 4,5 В. Какое падение напряжения создается на зажимах отдельных лампочек (рис. 2)?

Одинаковые лампочки имеют равные сопротивления r. При последовательном включении через них проходит один и тот же ток I. Из этого следует, что на них будут одинаковые падения напряжения, сумма этих напряжений должна быть равна напряжению источника U=4,5 В. На каждую лампочку приходится напряжение 4,5:2=2,25 В.

Можно решить эту задачу и последовательным расчетом. Сопротивление лампочки рассчитываем по данным: rл=2,5/0,3=8,33 Ом.

Ток в цепи I = U/(2rл )=4,5/16,66=0,27 А.

Падение напряжения на лампочке U=Irл=0,27∙8,33=2,25 В.

3. Напряжение между рельсом и контактным проводом трамвайной линии равно 500 В. Для освещения используются четыре одинаковые лампы, соединенные последовательно. На какое напряжение должна быть выбрана каждая лампа (рис. 3)?

Одинаковые лампы имеют равные сопротивления, через которые проходит один и тот же ток. Падения напряжения на лампах будут тоже одинаковыми. Значит, на каждую лампу будет приходиться 500_4=125 В.

4. Две лампы мощностью 40 и 60 Вт с номинальным напряжением 220 В соединены последовательно и включены в сеть с напряжением 220 В. Какое падение напряжения возникает на каждой из них (рис. 4)?

Первая лампа имеет сопротивление r1=1210 Ом, а вторая r2=806,6 Ом (в нагретом состоянии). Ток, проходящий через лампы, I=U/(r1+r2 )=220/2016,6=0,109 А.

Падение напряжения на первой лампе U1=I∙r1=0,109∙1210=132 В.

Падение напряжения на второй лампе U2=I∙r2=0,109∙806,6=88 В.

На лампе с большим сопротивлением большее падение напряжения, и наоборот. Накал нитей обеих ламп очень слаб, однако у лампы 40 Вт он несколько сильнее, чем у лампы 60 Вт.

5. Чтобы напряжение на электродвигателе Д (рис. 5) было равно 220 В, напряжение в начале длинной линии (на электростанции) должно быть больше 220 В на величину падения (потери) напряжения на линии. Чем больше сопротивление линии и ток в ней, тем больше падение напряжения на линии.

В нашем примере падение напряжения в каждом проводе линии равно 5 В. Тогда напряжение на шинах электростанции должно быть равно 230 В.

6. От аккумулятора напряжением 80 В потребитель питается током 30 А. Для нормальной работы потребителя допустимо 3% падения напряжения в проводах из алюминия с сечением 16 мм2. Каким может быть максимальное расстояние от аккумулятора до потребителя?

Допустимое падение напряжения в линии U=3/100∙80=2,4 В.

Сопротивление проводов ограничивается допустимым падением напряжения rпр=U/I=2,4/30=0,08 Ом.

По формуле для определения сопротивления подсчитаем длину проводов: r=ρ∙l/S, откуда l=(r∙S)/ρ=(0,08∙16)/0,029=44,1 м.

Если потребитель будет отдален от аккумулятора на 22 м, то напряжение на нем будет меньше 80 В на 3%, т.е. равным 77,6 В.

7. Телеграфная линия длиной 20 км выполнена из стального провода диаметром 3,5 мм. Обратная линия заменена заземлением через металлические шины. Переходное сопротивление между шиной и землей rз=50 Ом. Каким должно быть напряжение батареи в начале линии, если сопротивление реле на конце линии rр=300 Ом, а ток реле I=5 мА?

Схема включения показана на рис. 6. При нажатии телеграфного ключа в месте посылки сигнала реле в месте приема на конце линии притягивает якорь К, который в свою очередь включает своим контактом катушку записывающего аппарата. Напряжение источника должно компенсировать падение напряжения в линии, принимающем реле и переходных сопротивлениях заземляющих шин: U=I∙rл+I∙rр+I∙2∙rз; U=I∙(rл+rр+2∙rз).

Напряжение источника равно произведению тока на общее сопротивление цепи.

Сечение провода S=(π∙d^2)/4=(π∙3,5^2)/4=9,6 мм2.

Сопротивление линии rл=ρ∙l/S=0,11∙20000/9,6=229,2 Ом.

Результирующее сопротивление r=229,2+300+2∙50=629,2 Ом.

Напряжение источника U=I∙r=0,005∙629,2=3,146 В; U≈3,2 В.

Падение напряжения в линии при прохождении тока I=0,005 А будет: Uл=I∙rл=0,005∙229,2=1,146 В.

Сравнительно малое падение напряжения в линии достигается благодаря малой величине тока (5 мА). Поэтому в месте приема должно быть чувствительное реле (усилитель), которое включается от слабого импульса 5 мА и своим контактом включает другое, более мощное реле.

8. Как велико напряжение на лампах в схеме на рис. 28, когда: а) двигатель не включен; б) двигатель запускается; в) двигатель в работе.

Двигатель и 20 ламп включены в сеть с напряжением 110 В. Лампы рассчитаны на напряжение 110 В и мощность 40 Вт. Пусковой ток двигателя Iп=50 А, а его номинальный ток Iн=30 А.

Подводящий медный провод имеет сечение 16 мм2 и длину 40 м.

Из рис. 7 и условия задачи видно, что ток двигателя и ламп вызывает в линии падение напряжения, поэтому напряжение на нагрузке будет меньше 110 В.

Отсюда напряжение на лампах Uламп=U-2∙Uл.

Надо определить падение напряжения в линии при различных токах: Uл=I∙rл.

Сопротивление всей линии

Ток, проходящий через все лампы,

Падение напряжения в линии, когда включены только лампы (без двигателя),

Напряжение на лампах в этом случае равно:

При пуске двигателя лампы будут светить слабее, так как падение напряжения в линии больше:

2∙Uл=(Iламп+Iдв )∙2∙rл=(7,27+50)∙0,089=57,27∙0,089=5,1 В.

Минимальное напряжение на лампах при пуске двигателя будет:

Когда двигатель работает, падение напряжения в линии меньше, чем при пуске двигателя, но больше, чем при выключенном двигателе:

2∙Uл=(Iламп+Iном )∙2∙rл=(7,27+30)∙0,089=37,27∙0,089=3,32 В.

Напряжение на лампах при нормальной работе двигателя равно:

Даже небольшое снижение напряжения на лампах относительно номинального сильно влияет на яркость освещения.

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.

Читайте также:  Электромагнитные контакторы: переменного и постоянного тока, схема подключения

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.


Расчет падения напряжения при питании потребителей шлейфом

Расчет падения напряжения при питании потребителей по радиальным схемам достаточно прост. Один участок, одно сечение кабеля, одна длина, один ток нагрузки. Подставляем эти данные в формулу и получаем результат.

При питании потребителей по магистральным схемам (шлейфом) расчет падения напряжения выполнить сложнее. Фактически, приходится выполнять несколько расчетов падения напряжения для одной линии: нужно выполнять расчет падения напряжения для каждого участка. Дополнительные сложности возникают при изменении потребляемой мощности электроприемников, запитанных по магистральной схеме. Изменение мощности одного электроприемника отражается на всей цепочке.

Насколько часто на практике встречается питание по магистральным схемам и шлейфом? Примеров привести можно много:

  • В групповых сетях — это сети освещения, розеточные сети.
  • В жилых домах этажные щиты запитаны по магистральным схемам.
  • В промышленных и коммерческих зданиях также часто применяются магистральные схемы питания и питания шлейфом щитов.
  • Шинопровод является примером питания потребителей по магистральной схеме.
  • Питание опор наружного освещения дорог.

Рассмотрим расчет падения напряжения на примере наружного освещения.

Предположим, что нужно выполнить расчет падения напряжения для четырёх столбов наружного освещения, последовательно запитанных от щита наружного освещения ЩНО.

Длина участков от щита до столба, между столбами: L1, L2, L3, L4.
Ток, протекающий по участкам: I1, I2, I3, I4.
Падение напряжения на участках: dU%1, dU%2, dU%3, dU%4.
Ток, потребляемый светильниками на каждом столбе, Ilamp.

Столбы запитаны шлейфом, соответственно:

Ток, потребляемый лампой, неизвестен, зато известна мощность лампы и её тип (либо из каталога, либо по п.6.30 СП 31-110-2003).

Ток определяем по формуле:

Формула расчета полного фазного тока

Iф — полный фазный ток
P — активная мощность
Uф — фазное напряжение
cosφ — коэффициент мощности
Nф — число фаз (Nф=1 для однофазной нагрузки, Nф=3 для однофазной нагрузки)

Напомню, что линейное (междуфазное) напряжение больше фазного напряжения в √3 раз:

При расчете падения напряжения в трехфазной сети подразумевают падение линейного напряжения, в однофазных — однофазного.

Расчет падения напряжения выполняется по формулам:

Формула расчета падения напряжения в трехфазной цепи

Формула расчета падения напряжения в однофазной цепи

Iф — полный фазный ток, протекающий по участку
R — сопротивление участка
cosφ — коэффициент мощности

Сопротивление участка рассчитывается по формуле

ρ — удельной сопротивление проводника (медь, алюминий)
L — длина участка
S — сечение проводника
N — число параллельнопроложенных проводников в линии

Обычно в каталогах приводят удельные значения сопротивления для различных сечений проводников

При наличии информации об удельных сопротивлениях проводников формулы расчета падения напряжения принимают вид:

Формула расчета падения напряжения в трехфазной цепи

Формула расчета падения напряжения в однофазной цепи

Подставляя в формулу соответствующие значения токов, удельных сопротивлений, длины, количества параллельнопроложенных проводников и коэффициента мощности, вычисляем величину падения напряжения на участке.

Нормативными документами регламентируется величина относительного падения напряжения (в процентах от номинального значения), которая рассчитывается по формуле:

U — номинальное напряжение сети.

Формула расчета относительного падения напряжения одинакова для трехфазной и однофазной сети. При расчете в трехфазной сети нужно подставлять трехфазное падение и номинальное напряжения, при расчете в однофазной сети — однофазные:

Формула расчета относительного падения напряжения в трехфазной сети

Формула расчета относительного падения напряжения в однофазной сети

С теорией закончено, рассмотрим, как это реализовать с использованием DDECAD.

Примем следующие исходные данные:

  • Мощность лампы 250Вт, cosφ=0,85.
  • Расстояние между столбами, от щита до первого столба L1=L2=L3=L4=20м.
  • Питание столбов осуществляется медным кабелем 3×10.
  • Ответвление от питающего кабеля до лампы выполнено кабелем 3×2,5, L=6м.

Для каждого столба в программе DDECAD создаём расчетную таблицу.

Заполняем данные для лампы в каждой расчетной таблице:

Подключаем к расчетной таблице Столб 3 расчетную таблицу Столб 4, к Столб 2 — Столб 3, к Столб 1 — Столб 2, к ЩНО — Столб 1:

Далее, из расчетной таблицы ЩНО рассчитанное программой значение падения напряжения в конце первого участка (Столб 1) переносим в зелёную ячейку расчетной таблицы Столб 1:

Переносить значения следует делая ссылку на ячейку расчетной таблицы вышестоящего щита. В случае Столб 1 и ЩНО это делается так:

  1. В расчетной таблице Столб 1 курсор устанавливают на зелёную ячейку в столбике «∆U».
  2. Нажимают «=».
  3. Переключаются на расчетную таблицу ЩНО.
  4. Устанавливают курсор на ячейку в столбике «∆U∑», находящуюся в строке Столб 1.
  5. Нажимают «Enter».

Получаем рассчитанное значение падения напряжения в конце второго участка (Столб 2) — 0,37% и рассчитанное падение напряжения на лампе — 0,27%.

Аналогично делаем для всех остальных расчетных таблиц и получаем рассчитанные значения падения напряжения на всех участках.
Так как мы выполнили связывание таблиц (средствами программы, подключая одну таблицу к другой, и вручную, перенося значения падения напряжения), то получили связанную систему. При внесении любых изменений всё будет автоматически пересчитано.

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.

Читайте также:  Сенсорный выключатель света: принцип действия и устройство, классификация

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 напряжения на нагрузке

Падение напряжения в электрической сети может стать настоящей проблемой с приобретением современных мощных электроприборов. Чаще всего от этого страдают жильцы старых многоквартирных и частных домов, проводка в которых проложена 20, а то и 30 лет назад. Для энергопотребителей тех времен сечения кабеля было вполне достаточно, однако сегодня практически все пользователи полностью перешли на электрическую технику, эксплуатация которой требует модернизации проводки.

Наглядную картину можно наблюдать на примере освещения. Когда в электрической сети падает напряжение при подключении нагрузки с малым сопротивлением, лампы начинают гореть с меньшей яркостью. Причиной такого явления может быть недостаточное сечение проводки.

Чтобы убедиться в том, что источник выдает больший вольтаж, чем потребитель, необходимо вычислить напряжение на нагрузке. Сделать это можно путем включения в цепь вольтметра или по формуле. В первом случае измерительный прибор, который изначально имеет достаточно высокое сопротивление на входе, необходимо подключать параллельно линии. Это позволяет избежать шунтирования нагрузки и искажения результатов измерения.

Как рассчитать напряжение по формуле

Когда возникают перебои в подаче электроэнергии к приборам, важно проанализировать работу линии. При этом следует определить напряжение на нагрузке по формуле – такое решение дает максимально точный результат и позволяет вычислить другие параметры аналогичным способом. Так, формула расчета напряжения на нагрузке выглядит следующим образом:

U1 – напряжение источника;

ΔU – падение напряжения в линии;

R – сопротивление линии.

В том случае, если сопротивление линии и напряжение источника постоянны, напряжение на нагрузке напрямую зависит от силы тока в линии.

Например, при подключении прибора в электрическую сеть с напряжением 220 В, током 10 А и сопротивлением линии, равным 2 Ом, напряжение на нагрузке составит:

В режиме холостого хода падения напряжения в линии нет (ΔU = 0), поэтому напряжение на нагрузке теоретически равно вольтажу источника (U2 = U1). Однако на практике напряжение источника равняться напряжению потребителя не может, поскольку и проводка, и источник электроэнергии, и подключенный к сети прибор имеют собственное сопротивление.

Пример. Напряжение источника составляет 220 В, внутреннее его сопротивление можно не учитывать. Сопротивление проводки – 1 Ом. Сопротивление включенного в сеть электрического прибора – 12 Ом. Суммарное сопротивление цепи составит 13 Ом. Ток в линии рассчитывается по закону Ома и составляет:

Напряжение на нагрузке вычисляется по формуле, приведенной выше:

Таким образом, видно, что напряжение на нагрузке меньше исходных 220 В, остальной вольтаж «теряется» на проводах.

Падение напряжения при подключении нагрузки потребителя

Из-за скачков вольтажа в сети страдают преимущественно жители частного сектора, дачных и коттеджных поселков. Из-за чего же происходит падение напряжения при подключении потребителя?

Первая причина этого явления – недостаточное сечение электрической проводки в доме. Дело в том, что слишком тонкие жилы кабеля не выдерживают большой нагрузки, которая возникает при включении в сеть электроприборов с высокой мощностью. Вторая причина – некачественные контакты в местах соединения проводов, что создает дополнительное сопротивление на линии.

Из-за падения напряжения в обоих случаях есть риск перегрева проводки или участка, в котором находится неисправный контакт. Это может стать причиной полного прекращения подачи электроэнергии на объект и даже возгорания.

Иногда падение напряжения наблюдается не на стороне пользователя, а на линиях электропередач. Оно может возникать вследствие перегрузки подстанции. В этом случае решить проблему может лишь поставщик электроэнергии путем замены устаревшей подстанции на более новую модель с современной релейной защитой. Еще одной причиной низкого напряжения может быть недостаточное сечение проводов на линии электропередач, а также нестабильное распределение нагрузки фаз на стороне подстанции. Как и в первом случае, устранить эти недочеты может только поставщик коммунальной услуги.

Узнать, действительно ли поставщик электроэнергии виноват в «провалах» напряжения, можно, опросив соседей. Если у них подобной проблемы нет, значит, стоит искать причину на территории участка. Зачастую этот вопрос успешно решается путем замены проводки на новый кабель с большим сечением. Однако в некоторых случаях падение напряжения продолжает наблюдаться. Причина может заключаться в так называемых «скрутках» – соединениях проводов путем их скручивания. Дело в том, что каждый некачественный контакт на линии снижает конечное напряжение в сети. Чтобы этого избежать, рекомендуется использовать заводские зажимы, которые гораздо более надежны, чем другие способы соединения электрических кабелей, а также абсолютно безопасны.

В случаях с применением низковольтных аккумуляторных батарей тоже могут наблюдаться «провалы». Если при включении потребителей падает напряжение зарядки источника питания, наиболее вероятная причина этого – некачественные контакты.

При падении напряжения в сети принципиально важно выяснить и устранить причину этого. В противном случае бездействие может обернуться печальными последствиями, особенно если дело касается электрической бытовой проводки. Современные кабели с подходящим сечением и качественно выполненные соединения проводов – залог длительной и эффективной работы всех электроприборов.

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.

Читайте также:  Блок розеток: конструкция, пошаговая инструкция по установке и разновидности

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.

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.

Ссылка на основную публикацию