Для того чтобы обеспечить подачу напряжения от распределительного устройства к конечному потребителю используются линии электропередач. Они могут быть воздушными или кабельными и имеют значительную протяженность.
Как и все проводники, они имеют сопротивление, которое зависит от длины и чем они протяжение, тем больше потеря напряжения.
И чем длиннее линия, тем потери напряжения будут больше. Т.е. напряжение на входе и в конце линии будет разное.
Чтобы оборудование работало без сбоев, эти потери нормируются. Они суммарно должны иметь значение, не превышающее 9%.
Максимальное понижение напряжение на вводе составляет пять процентов, а до самого удаленного потребителя не более четырех процентов. В трехфазной сети при трех или четырех проводной сети этот показатель не должен превышать 10%.
Падение напряжения на проводе
Статья будет конкретная, с теоретическими выкладками и формулами. Кому не интересно, что откуда и почему, советую перейти сразу к Таблице 2 – Выбор сечения провода в зависимости от тока и падения напряжения.
И ещё – расчет потерь напряжения на длинной мощной трехфазной кабельной линии. Пример расчета реальной линии.
Итак, если взять неизменной мощность, то при понижении напряжения ток должен возрастать, согласно формуле:
P = I U. (1)
При этом падение напряжения на проводе (потери в проводах) за счет сопротивления рассчитывается, исходя из закона Ома:
U = R I. (2)
Из этих двух формул видно, что при понижении питающего напряжения потери на проводе возрастают. Поэтому чем ниже питающее напряжение, тем большее сечение провода нужно использовать, чтобы передать ту же мощность.
Для постоянного тока, где используется низкое напряжение, приходится тщательно подходить к вопросу сечения и длины, поскольку именно от этих двух параметров зависит, сколько вольт пропадёт зря.
Как воспользоваться калькулятором онлайн?
В готовую таблицу нужно ввести данные согласно выбранному материалу кабеля, мощность нагрузки системы, напряжение сети, температуру кабеля и способ его прокладки. После нажать кнопку «вычислить» и получить готовый результат. Такой расчет потерь напряжения в линии можно смело применять в работе, если не учитывать сопротивление кабельной линии при определенных условиях:
- Указывая коэффициент мощности косинус фи равен единице.
- Линии сети постоянного тока.
- Сеть переменного тока с частотой 50 Гц выполненная проводниками с сечениями до 25.0-95.0.
Полученные результаты необходимо использовать согласно каждому индивидуальному случаю, учитывая все погрешности кабельно-проводниковой продукции.
Обязательно заполняйте все значения!
Сопротивление медного провода постоянному току
Сопротивление провода зависит от удельного сопротивления ρ, которое измеряется в Ом·мм²/м. Величина удельного сопротивления определяет сопротивление отрезка провода длиной 1 м и сечением 1 мм².
Сопротивление того же куска медного провода длиной 1 м рассчитывается по формуле:
R = (ρ l) / S, где (3)
R – сопротивление провода, Ом,
ρ – удельное сопротивление провода, Ом·мм²/м,
l – длина провода, м,
S – площадь поперечного сечения, мм².
Сопротивление медного провода равно 0,0175 Ом·мм²/м, это значение будем дальше использовать при расчетах.
Не факт, что производители медного кабеля используют чистую медь “0,0175 пробы”, поэтому на практике всегда сечение берется с запасом, а от перегрузки провода используют защитные автоматы, тоже с запасом.
Из формулы (3) следует, что для отрезка медного провода сечением 1 мм² и длиной 1 м сопротивление будет 0,0175 Ом. Для длины 1 км – 17,5 Ом. Но это только теория, на практике всё хуже.
Ниже приведу табличку, рассчитанную по формуле (3), в которой приводится сопротивление медного провода для разных площадей сечения.
Таблица 0. Сопротивление медного провода в зависимости от площади сечения
| S, мм² | 0,5 | 0,75 | 1 | 1,5 | 2,5 | 4 | 6 | 10 |
| R для 1м | 0,035 | 0,023333 | 0,0175 | 0,011667 | 0,007 | 0,004375 | 0,002917 | 0,00175 |
| R для 100м | 3,5 | 2,333333 | 1,75 | 1,166667 | 0,7 | 0,4375 | 0,291667 | 0,175 |
Симптомы снижения напряжения у потребителя
Если эти показатели не соблюдаются, конечные потребители не смогут обеспечить номинальные параметры. При снижении напряжения возникают следующие симптомы:
- Осветительные приборы, в которых используются лампы накаливания, начинают работать (светиться) в половину накала;
- При включении электродвигателей уменьшается пусковое усилие на валу. В результате чего двигатель не вращается, и как следствие происходит перегрев обмоток и выход из строя;
- Некоторые электроприборы не включаются. Не хватает напряжения, а другие приборы после включения могу выходить из строя;
- Установки, чувствительные к входному напряжению, работают нестабильно, так же могут не включаться источники света, у которых нет нити накаливания.
Передача электроэнергии производится по воздушным или кабельным сетям. Воздушные изготовлены из алюминия, а кабельные могут быть алюминиевыми или медными.
В кабелях кроме активного сопротивления имеется емкостное сопротивление. Поэтому потеря мощности зависит от длины кабеля.
Расчет падения напряжения на проводе для постоянного тока
Теперь по формуле (2) рассчитаем падение напряжения на проводе:
U = ((ρ l) / S) I , (4)
То есть, это то напряжение, которое упадёт на проводе заданного сечения и длины при определённом токе.
Вот такие табличные данные будут для длины 1 м и тока 1А:
Таблица 1. Падение напряжения на медном проводе 1 м разного сечения и токе 1А:
| S, мм² | 0,5 | 0,75 | 1 | 1,5 | 2,5 | 4 | 6 | 8 | 10 |
| U, B | 0,0350 | 0,0233 | 0,0175 | 0,0117 | 0,0070 | 0,0044 | 0,0029 | 0,0022 | 0,0018 |
Эта таблица не очень информативна, удобнее знать падение напряжения для разных токов и сечений. Напоминаю, что расчеты по выбору сечения провода для постоянного тока проводятся по формуле (4).
Таблица 2. Падение напряжения при разном сечении провода (верхняя строка) и токе (левый столбец). Длина = 1 метр
| S,мм² I,A | 1 | 1,5 | 2,5 | 4 | 6 | 10 | 16 | 25 |
| 1 | 0,0175 | 0,0117 | 0,0070 | 0,0044 | 0,0029 | 0,0018 | 0,0011 | 0,0007 |
| 2 | 0,0350 | 0,0233 | 0,0140 | 0,0088 | 0,0058 | 0,0035 | 0,0022 | 0,0014 |
| 3 | 0,0525 | 0,0350 | 0,0210 | 0,0131 | 0,0088 | 0,0053 | 0,0033 | 0,0021 |
| 4 | 0,0700 | 0,0467 | 0,0280 | 0,0175 | 0,0117 | 0,0070 | 0,0044 | 0,0028 |
| 5 | 0,0875 | 0,0583 | 0,0350 | 0,0219 | 0,0146 | 0,0088 | 0,0055 | 0,0035 |
| 6 | 0,1050 | 0,0700 | 0,0420 | 0,0263 | 0,0175 | 0,0105 | 0,0066 | 0,0042 |
| 7 | 0,1225 | 0,0817 | 0,0490 | 0,0306 | 0,0204 | 0,0123 | 0,0077 | 0,0049 |
| 8 | 0,1400 | 0,0933 | 0,0560 | 0,0350 | 0,0233 | 0,0140 | 0,0088 | 0,0056 |
| 9 | 0,1575 | 0,1050 | 0,0630 | 0,0394 | 0,0263 | 0,0158 | 0,0098 | 0,0063 |
| 10 | 0,1750 | 0,1167 | 0,0700 | 0,0438 | 0,0292 | 0,0175 | 0,0109 | 0,0070 |
| 15 | 0,2625 | 0,1750 | 0,1050 | 0,0656 | 0,0438 | 0,0263 | 0,0164 | 0,0105 |
| 20 | 0,3500 | 0,2333 | 0,1400 | 0,0875 | 0,0583 | 0,0350 | 0,0219 | 0,0140 |
| 25 | 0,4375 | 0,2917 | 0,1750 | 0,1094 | 0,0729 | 0,0438 | 0,0273 | 0,0175 |
| 30 | 0,5250 | 0,3500 | 0,2100 | 0,1313 | 0,0875 | 0,0525 | 0,0328 | 0,0210 |
| 35 | 0,6125 | 0,4083 | 0,2450 | 0,1531 | 0,1021 | 0,0613 | 0,0383 | 0,0245 |
| 50 | 0,8750 | 0,5833 | 0,3500 | 0,2188 | 0,1458 | 0,0875 | 0,0547 | 0,0350 |
| 100 | 1,7500 | 1,1667 | 0,7000 | 0,4375 | 0,2917 | 0,1750 | 0,1094 | 0,0700 |
Какие пояснения можно сделать для этой таблицы?
1. Красным цветом я отметил те случаи, когда провод будет перегреваться, то есть ток будет выше максимально допустимого для данного сечения. Пользовался таблицей, приведенной у меня на СамЭлектрике: Выбор площади сечения провода.
2. Синий цвет – когда применение слишком толстого провода экономически и технически нецелесообразно и дорого. За порог взял падение менее 1 В на длине 100 м.
Сокращение потерь
Вполне очевидно, что потери зависят от длины проводника в магистрали. Чем этот параметр выше, тем сильнее упадет напряжение. Для сокращения потерь можно использовать несколько методов:
- Увеличить сечение проводника для равномерного распределения нагрузки на линии.
- Уменьшить длину кабеля, что не всегда возможно.
- Снизить мощность тока, передаваемого по проводу большой протяженности.
Последний способ отлично работает в электросетях, имеющих несколько резервных линий. Также следует помнить, что напряжение может падать при условии увеличения температуры кабеля. Если во время прокладки кабеля использовать дополнительные мероприятия по теплоизоляции, то потери можно сократить.
В энергетической отрасли расчет падения напряжения на магистрали является одной из важнейших задач. Если все вычисления были проведены грамотно, то у потребителя не возникнет проблем с эксплуатацией электрооборудования.
Как пользоваться таблицей выбора сечения?
Пользоваться таблицей 2 очень просто. Например, нужно запитать некое устройство током 10А и постоянным напряжением 12В. Длина линии – 5 м. На выходе блока питания можем установить напряжение 12,5 В, следовательно, максимальное падение – 0,5В.
В наличии – провод сечением 1,5 квадрата. Что видим из таблицы? На 5 метрах при токе 10 А потеряем 0,1167 В х 5м = 0,58 В. Вроде бы подходит, учитывая, что большинство потребителей терпит отклонение +-10%.
Но. ПрОвода ведь у нас фактически два, плюс и минус, эти два провода образуют кабель, на котором и падает напряжение питания нагрузки. И так как общая длина – 10 метров, то падение будет на самом деле 0,58+0,58=1,16 В.
Иначе говоря, при таком раскладе на выходе БП 12,5 Вольт, а на входе устройства – 11,34. Этот пример актуален для питания светодиодной ленты.
И это – не учитывая переходное сопротивление контактов и неидеальность провода (“проба” меди не та, примеси, и т.п.)
Поэтому такой кусок кабеля скорее всего не подойдет, нужен провод сечением 2,5 квадрата. Он даст падение 0,7 В на линии 10 м, что приемлемо.
А если другого провода нет? Есть два пути, чтобы снизить потерю напряжения в проводах.
1. Надо размещать источник питания 12,5 В как можно ближе к нагрузке. Если брать пример выше, 5 метров нас устроит. Так всегда и делают, чтобы сэкономить на проводе.
2. Повышать выходное напряжение источника питания. Это черевато тем, что с уменьшением тока нагрузки напряжение на нагрузке может подняться до недопустимых пределов.
Например, в частном секторе на выходе трансформатора (подстанции) устанавливают 250-260 Вольт, в домах около подстанции лампочки горят как свечи. В смысле, недолго. А жители на окраине района жалуются, что напряжение нестабильное, и опускается до 150-160 Вольт. Потеря 100 Вольт! Умножив на ток, можно вычислить мощность, которая отапливает улицу, и кто за это платит? Мы, графа в квитанции “потери”.
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 %.
Вам это будет интересно Особенности ШДУП У4
Исходя из этого и выбирают различные типы кабелей, способных поддерживать такую потерю напряжения.
Пример калькулятора для автоматизации вычислений
Вывод по выбору сечения провода для постоянного напряжения:
Чем короче и толще провод, по которому течет постоянный ток, тем меньше падение напряжения на нём, тем лучше. То есть, потеря напряжения в проводах минимальна.
Если смотреть на таблицу 2, нужно выбирать значения сверху-справа, не переходя в “синюю” зону.
Для переменного тока ситуация та же, но вопрос не стоит столь остро – там мощность передается за счет повышения напряжения и понижения тока. См. формулу (1).
В заключение – таблица, в которой падение постоянного напряжения задано пределом 2% , а напряжение питания равно 12 В. Искомый параметр – максимальная длина провода.
Внимание! Имеется ввиду двухпроводная линия, например кабель, содержащий 2 провода. То есть, тот случай, когда через кабель длиной 1 м ток делает путь 2 м, туда-сюда. Я привёл этот вариант, т.к. он чаще всего встречается на практике. Для одного провода, чтобы узнать падение на нём напряжения, надо число внутри таблицы умножить на 2. Спасибо внимательным читателям!
Таблица 3. Максимальная длина провода для падения постоянного напряжения 2%.
| S,мм² I,A | 1 | 1,5 | 2,5 | 4 | 6 | 10 | 16 | 25 | 35 | 50 | 75 | 100 |
| 1 | 7 | 10,91 | 17,65 | 28,57 | 42,86 | 70,6 | 109,1 | 176,5 | 244,9 | – | – | – |
| 2 | 3,53 | 5,45 | 8,82 | 14,29 | 21,4 | 35,3 | 54,5 | 88,2 | 122,4 | 171,4 | – | – |
| 4 | 1,76 | 2,73 | 4,41 | 7,14 | 10,7 | 17,6 | 27,3 | 44,1 | 61,2 | 85,7 | 130,4 | – |
| 6 | 1,18 | 1,82 | 2,94 | 4,76 | 7,1 | 11,7 | 18,2 | 29,4 | 40,8 | 57,1 | 87 | 117,6 |
| 8 | 0,88 | 1,36 | 2,2 | 3,57 | 5,4 | 8,8 | 13,6 | 22 | 30,6 | 42,9 | 65,25 | 88,2 |
| 10 | 0,71 | 1 | 1,76 | 2,86 | 4,3 | 7,1 | 10,9 | 17,7 | 24,5 | 34,3 | 52,2 | 70,6 |
| 15 | – | 0,73 | 1,18 | 1,9 | 2,9 | 4,7 | 7,3 | 11,8 | 16,3 | 22,9 | 34,8 | 47,1 |
| 20 | – | – | 0,88 | 1,43 | 2,1 | 3,5 | 5,5 | 8,8 | 12,2 | 17,1 | 26,1 | 35,3 |
| 25 | – | – | – | 1,14 | 1,7 | 2,8 | 4,4 | 7,1 | 9,8 | 13,7 | 20,9 | 28,2 |
| 30 | – | – | – | – | 1,4 | 2,4 | 3,6 | 5,9 | 8,2 | 11,4 | 17,4 | 23,5 |
| 40 | – | – | – | – | – | 1,8 | 2,7 | 4,4 | 6,1 | 8,5 | 13 | 17,6 |
| 50 | – | – | – | – | – | – | 2,2 | 3,5 | 4,9 | 6,9 | 10,4 | 14,1 |
| 100 | – | – | – | – | – | – | – | 1,7 | 2,4 | 3,4 | 5,2 | 7,1 |
| 150 | – | – | – | – | – | – | – | – | – | 2,3 | 3,5 | 4,7 |
| 200 | – | – | – | – | – | – | – | – | – | – | 2,6 | 3,5 |
Наша полторашка по этой таблице может иметь длину только 1 метр. Падать на ней будет 2%, или 0,24В. Проверяем по формуле (4) – всё сходится.
Если напряжение выше (например, 24 В постоянного тока), то и длина может быть соответственно больше (в 2 раза).
Всё вышесказанное относится не только к постоянному, но и вообще к низкому напряжению. И при выборе площади сечения в таких случаях следует руководствоваться не только нагревом провода, но и падением напряжения на нём. Например, при питании галогенных ламп через понижающий трансформатор.
Прошу прокомментировать статью, у кого как теория совпадает с практикой?
Возможности для снижения потерь
Основным способом снижения потерь в кабеле, является увеличение площади его сечения. Кроме того, можно уменьшить длину проводника и снизить нагрузку. Однако последние два способа не всегда можно использовать, в силу технических причин. Поэтому во многих случаях единственным вариантом остается снижение сопротивления кабеля за счет увеличения сечения.
Существенным недостатком большого сечения считается заметный рост материальных затрат. Разница становится ощутимой, когда кабельные системы растягиваются на большие расстояния. Поэтому на стадии проектирования нужно сразу же подбирать кабель с нужным сечением, для чего понадобятся расчеты потери мощности с помощью калькулятора. Данная программа имеет большое значение при составлении проектов на электромонтажные работы, поскольку ручные вычисления занимают много времени, а в режиме онлайн калькулятора подсчет занимает буквально несколько секунд.
Онлайн калькулятор расчета потерь напряжения в 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:
Где,
- 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 = ( ρ * l ) / S
- 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:
- ρt = ρ20 *
- здесь:
- 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.
Voltage drop calculations
DC / single phase calculation
The voltage drop V in volts (V) is equal to the wire current I in amps (A) times 2 times one way wire length L in feet (ft) times the wire resistance per 1000 feet R in ohms (Ω/kft) divided by 1000:
Vdrop (V) = Iwire (A) × Rwire(Ω)
= Iwire (A) × (2 × L(ft) × Rwire(Ω/kft) / 1000(ft/kft))
The voltage drop V in volts (V) is equal to the wire current I in amps (A) times 2 times one way wire length L in meters (m) times the wire resistance per 1000 meters R in ohms (Ω/km) divided by 1000:
Vdrop (V) = Iwire (A) × Rwire(Ω)
= Iwire (A) × (2 × L(m) × Rwire (Ω/km) / 1000(m/km))
3 phase calculation
The line to line voltage drop V in volts (V) is equal to square root of 3 times the wire current I in amps (A) times one way wire length L in feet (ft) times the wire resistance per 1000 feet R in ohms (Ω/kft) divided by 1000:
Vdrop (V) = √3 × Iwire (A) × Rwire (Ω)
= 1.732 × Iwire (A) × (L(ft) × Rwire (Ω/kft) / 1000(ft/kft))
The line to line voltage drop V in volts (V) is equal to square root of 3 times the wire current I in amps (A) times one way wire length L in meters (m) times the wire resistance per 1000 meters R in ohms (Ω/km) divided by 1000:
Vdrop (V) = √3 × Iwire (A) × Rwire (Ω)
= 1.732 × Iwire (A) × (L(m) × Rwire (Ω/km) / 1000(m/km))
Wire diameter calculations
The n gauge wire diameter dn in inches (in) is equal to 0.005in times 92 raised to the power of 36 minus gauge number n, divided by 39:
dn (in) = 0.005 in × 92(36-n)/39
The n gauge wire diameter dn in millimeters (mm) is equal to 0.127mm times 92 raised to the power of 36 minus gauge number n, divided by 39:
dn (mm) = 0.127 mm × 92(36-n)/39
Wire cross sectional area calculations
The n gauge wire’s cross sercional area An in kilo-circular mils (kcmil) is equal to 1000 times the square wire diameter d in inches (in):
An (kcmil) = 1000×dn2 = 0.025 in2 × 92(36-n)/19.5
The n gauge wire’s cross sercional area An in square inches (in2) is equal to pi divided by 4 times the square wire diameter d in inches (in):
An (in2) = (π/4)×dn2 = 0.000019635 in2 × 92(36-n)/19.5
The n gauge wire’s cross sercional area An in square millimeters (mm2) is equal to pi divided by 4 times the square wire diameter d in millimeters (mm):
An (mm2) = (π/4)×dn2 = 0.012668 mm2 × 92(36-n)/19.5
