Рассчитать падение напряжения в линии

Расчет падения напряжения в кабеле

> Электропроводка > Расчет падения напряжения в кабеле

Провода и кабели предназначены для передачи электроэнергии потребителям. При этом в протяженном проводнике падает напряжение пропорционально его сопротивлению и величине проходящего тока. В итоге к потребителю напряжение подается несколько меньше, чем оно было у источника (в начале линии). По всей длине провода потенциал будет изменяться из-за потерь в нем.

Потери напряжения в домашнем освещении

Выбор сечения кабеля производится с целью обеспечения его работоспособности при заданном максимальном токе. При этом следует учитывать его длину, от которой зависит еще один важный параметр – падение напряжения.

Линии электропередач выбирают по нормированному значению экономической плотности тока и рассчитывают на падение напряжения. Его отклонение от исходного не должно превышать заданных значений.

Величина проходящего через проводник тока зависит от подключаемой нагрузки. При ее увеличении возрастают также потери на нагрев.

На рисунке выше изображена схема подачи напряжения на освещение, где на каждом ее участке обозначены потери напряжения. Наиболее важной является самая удаленная нагрузка, и потери напряжения большей частью производятся для нее.

Потеря напряжения

Расчет потери напряжения ∆U на участке цепи длиной L делают по формуле:

∆U = (P∙r0+Q∙x0)∙L/ Uном, где

• P и Q – мощности, Вт и вар (активная и реактивная);
• r0 и x0 – активное и реактивное сопротивления линии, Ом/м;
• Uном – номинальное напряжение, В.
• Uном указывается в характеристиках электроприборов.

Согласно ПУЭ, допустимые отклонения напряжения от нормы следующие:

• силовые цепи – не выше ±5 %;
• схемы освещения жилых помещений и снаружи зданий – до ±5 %;
• освещение предприятий и общественных зданий – от +5 % до -2,5 %.

Общие потери напряжения от трансформаторных подстанций до самой удаленной нагрузки в общественных и жилых зданиях не должны превышать 9%. Из них 5% относится к участку до главного ввода и 4% от ввода до потребителя. В соответствии с ГОСТ 29322-2014 номинал напряжения в трехфазных сетях – 400 В. При этом допускается отклонение от него на ±10% при нормальных условиях эксплуатации.

Нужно обеспечить равномерную нагрузку в трехфазных линиях на 0,4 кВ. Здесь важно, чтобы каждая фаза была нагружена равномерно. Для этого электродвигатели подключаются к линейным проводам, а освещение – между фазами и нейтралью, уравнивая таким образом нагрузки по фазам.

В качестве исходных данных используют значения токов или мощностей. Для протяженных линий учитывается индуктивное сопротивление, когда рассчитывают ∆U в линии.

Сопротивление x0 проводов принимают в диапазоне от 0,32 до 0,44 Ом/км.

Расчет потерь в проводниках производят по ранее приведенной формуле, где удобно разделить правую часть на активную и реактивную составляющие:

∆U = P∙r0∙L / Uном + Q∙x0∙L/ Uном,

Подключение нагрузки

Нагрузка подключается разными способами. Наиболее распространены следующие:

• подключение нагрузки в конце линии (рис. а ниже);
• равномерное распределение нагрузок по длине линии (рис. б);
• линия L1, к которой подключена другая линия L2 с равномерно распределенными нагрузками (рис. в).

Схема, на которой показаны способы подключения нагрузок от электрощита

Расчет ЛЭП на потерю напряжения

1. Выбор средней величины реактивного сопротивления для жил из алюминия или сталеалюминия, например, в 0,35 Ом/км.
2. Расчет нагрузок P, Q.
3. Расчет реактивной потери:

∆Up = Q∙x0∙L/Uном.

Определение допустимой активной потери из разности между потерей напряжения, которая задана, и вычисленной реактивной:

∆Ua = ∆U — ∆Up.

Сечение провода находится из отношения:

s = P∙L∙r0/(∆Ua∙Uном).

Выбор ближайшего значения сечения из стандартного ряда и определение по таблице активного и реактивного сопротивлений на 1 км линии.

На рисунке изображен ряд сечений жил кабеля разных размеров.

Кабельные жилы разных сечений

По полученным значениям рассчитывается уточненная величина падения напряжения по формуле, приведенной ранее. Если оно превысит допустимую, следует взять провод больше из того же ряда и произвести новый расчет.

Пример 1. Расчет кабеля при активных нагрузках.

Для расчета кабеля, прежде всего, следует определить суммарную нагрузку всех потребителей. За исходную можно принять  P = 3,8 кВт. Сила тока находится по известной формуле:

I = P/(Ucosφ).

Если все нагрузки активные, cosφ=1.

Подставив в формулу значения, можно найти ток, который будет равен: I = 3,8∙1000/220 = 17,3 А.

Теперь можно найти сопротивление кабеля длиной 20 м: R=2∙r0∙L/s=2∙0,0175 (Ом∙мм2)∙20 (м)/1,5 (мм2)=0,464 Ом.

В формуле расчета сопротивления для двухжильного кабеля учитывается длина обеих жил.

Определив величину сопротивления кабеля, можно легко найти потери напряжения: ∆U=I∙R/U∙100 % =17,3 А∙0,464 Ом/220 В∙100 %=3,65 %.

Если на вводе номинальное напряжение составляет 220 В, то допустимые отклонения до нагрузки составляют 5%, а полученный результат не превышает ее. Если бы было превышение допуска, пришлось бы взять больший провод из стандартного ряда, с сечением, составляющим 2,5 мм2.

Пример 2. Расчет падения напряжения при подаче питания на электродвигатель.

Электродвигатель потребляет ток при следующих параметрах:

• Iном = 100 А;
• cos φ = 0,8 в нормальном режиме;
• Iпусковой = 500 А;
• cos φ = 0,35 при пуске;
• падение напряжения на электрощите, распределяющем ток 1000 А, составляет 10 В.

На рис. а ниже изображена схема питания электродвигателя.

Схемы питания электродвигателя (а) и освещения (б)

Чтобы избежать вычислений, применяют достаточно точные для практического применения таблицы с уже рассчитанным ∆U между фаз в кабеле длиной 1 км при величине тока 1 А. В приведенной ниже таблице учитываются величины сечения жил, материалы проводников, тип цепи.

Таблица для определения потерь напряжения в кабеле

Сечение в мм2Однофазная цепьСбалансированная трехфазная цепь

Питание двигателя	Освещение	Питание двигателя	Освещение
Обычный раб. режим	Запуск	Обычный раб. режим	Запуск
Cu	Al	cos ȹ = 0,8	cos ȹ = 0,35	cos ȹ = 1	cos ȹ = 0,8	cos ȹ = 0,35	cos ȹ = 1
1.5	24	10,6	30	20	9,4	25
2,5	14,4	6,4	18	12	5,7	15
4	9,1	4,1	11,2	8	3,6	9,5
6	10	6,1	2,9	7,5	5,3	2,5	6,2
10	16	3,7	1,7	4,5	3,2	1,5	3,6
16	25	2,36	1,15	2,8	2,05	1	2,4
25	35	1,5	0,75	1,8	1,3	0,65	1,5
35	50	1,15	0,6	1,29	1	0,52	1,1
50	70	0,86	0,47	0,95	0,75	0,41	0,77
70	120	0,64	0,37	0,64	0,56	0,32	0,55
95	150	0,48	0,30	0,47	0,42	0,26	0,4
120	185	0,39	0,26	0,37	0,34	0,23	0,31
150	240	0,33	0,24	0,30	0,29	0,21	0,27
185	300	0,29	0,22	0,24	0,25	0,19	0,2
240	400	0,24	0,2	0,19	0,21	0,17	0,16
300	500	0,21	0,19	0,15	0,18	0,16	0,13

Падение напряжения при нормальной работе электродвигателя составит:

∆U% = 100∆U/Uном.

Для сечения 35 мм2 ∆U на ток 1 А составит 1 В/км. Тогда при токе 100 А и длине кабеля 0,05 км потери будут равны ∆U = 1 В/А км∙100 А∙ 0,05 км = 5 В. При добавлении к ним падения напряжения на щите 10 В, получатся общие потери ∆Uобщ = 10 В + 5 В = 15 В. В результате потери в процентах составят:

∆U% = 100∙15/400 = 3,75 %.

Эта величина значительно меньше разрешенных потерь (8 %), и она считается допустимой.

https://www.youtube.com/watch?v=CpgzkHMZV6c

При запуске электродвигателя, его ток увеличивается до 500 А. Это на 400 В больше его номинального тока. На эту же величину возрастет нагрузка на щите распределения. Она составит 1400 А. На нем падение напряжения пропорционально увеличится:

∆U = 10∙1400/1000 = 14 В.

По таблице падение напряжения в кабеле составит: ∆U = 0,52∙500∙0,05 = 13 В. В сумме пусковые потери двигателя составят ∆Uобщ = 13+14 = 27 В. После следует определить, сколько это будет в процентном отношении: ∆U = 27/400∙100 =6,75%. Результат оказывается в пределах допустимого, поскольку не превышает предельные 8%.

Защиту для электродвигателя следует подбирать таким образом, чтобы напряжения срабатывания было больше, чем при пуске.

Пример 3. Расчет ∆U в цепях освещения.

Каждая цепь освещения выполнена из медного провода длиной 20 м, сечением 2,5 мм2 и проводит ток 20 А. Все три нагрузки подключены к одной фазе. При этом линия питания сбалансирована по нагрузкам.

Требуется определить падение напряжения в каждой из цепей освещения.

Падение напряжения в трехфазной линии определяется по действующей нагрузке, заданной в условиях примера: ∆Uлинии фаз= 0,55∙150∙0, 05 = 4,125 В. Это – потери между фазами. Для решения задачи надо найти потери между фазой и нейтралью: ∆Uлинии ф-н = 4,125/√3 = 2,4 В.

Падение напряжения для одной однофазной цепи составляет ∆Uосв = 18∙20∙0,02=7,2 В. Если сложить потери в питающей линии и цепи, то в сумме они составят ∆Uосв общ = 2,4+7,2 = 9,6 В. В процентном отношении это будет 9,6/230∙100 = 4,2 %. Результат является удовлетворительным, поскольку он меньше допустимой величины 6 %.

Проверка напряжения.

Каким образом осуществляется проверка падения напряжения на кабелях разных видов, можно узнать из представленного ниже видео.

При подключении электроприборов важно правильно рассчитать и выбрать подводящие кабели и провода, чтобы потери напряжения в них не превышали допустимые. К ним также добавляются потери в питающей сети, которые следует суммировать.

Источник: https://elquanta.ru/elektroprovodka/raschet-padeniya-napryazheniya.html

Расчет сетей по потерям напряжения

Разместить публикацию Мои публикации Написать

Потребители электрической энергии работают нормально, когда на их зажимы подается то напряжение, на которое рассчитаны данный электродвигатель или устройство. При передаче электроэнергии по проводам часть напряжения теряется на сопротивление проводов и в результате в конце линии, т. е. у потребителя, напряжение получается меньшим, чем в начале линии.

Понижение напряжения у потребителя по сравнению с нормальным сказывается на работе токоприемника, будь то силовая или осветительная нагрузка. Поэтому при расчете любой линии электропередачи отклонения напряжений не должны превышать допустимых норм, сети, выбранные по току нагрузки и рассчитанные на нагрев, как правило, проверяют по потере напряжения.

Потерей напряжения ΔU называют разность напряжений в начале и конце линии (участка линии). ΔU принято определять в относительных единицах — по отношению к номинальному напряжению. Аналитически потеря напряжения определена формулой:

где P — активная мощность, кВт, Q — реактивная мощность, квар, ro — активное сопротивление линии, Ом/км, xo — индуктивное сопротивление линии, Ом/км, l — длина линии, км, Uном — номинальное напряжение, кВ.

Значения активного и индуктивного сопротивлений (Ом/км) для воздушных линий, выполненных проводом марки А-16 А-120 даны в справочных таблицах. Активное сопротивление 1 км алюминиевых (марки А) и сталеалюминевых (марки АС) проводников можно определить также по формуле:

где F — поперечное сечение алюминиевого провода или сечение алюминиевой части провода АС, мм2 (проводимость стальной части провода АС не учитывают).

Согласно ПУЭ («Правилам устройства электроустановок»), для силовых сетей отклонение напряжения от нормального должно составлять не более ± 5 %, для сетей электрического освещения промышленных предприятий и общественных зданий — от +5 до — 2,5%, для сетей электрического освещения жилых зданий и наружного освещения ±5%. При расчете сетей исходят из допустимой потери напряжений.

Учитывая опыт проектирования и эксплуатации электрических сетей, принимают следующие допустимые величины потери напряжений: для низкого напряжения — от шин трансформаторного помещения до наиболее удаленного потребителя — 6%, причем эта потеря распределяется примерно следующим образом: от станции или понизительной трансформаторной подстанции и до ввода в помещение в зависимости от плотности нагрузки — от 3,5 до 5 %, от ввода до наиболее удаленного потребителя — от 1 до 2,5%, для сетей высокого напряжения при нормальном режиме работы в кабельных сетях — 6%, в воздушных— 8%, при аварийном режиме сети в кабельных сетях – 10 % и в воздушных— 12 %.

Считают, что трехфазные трехпроводные линии напряжением 6—10 кВ работают с равномерной нагрузкой, т. е что каждая из фаз такой линии нагружена равномерно.

В сетях низкого напряжения из-за осветительной нагрузки добиться равномерного ее распределения между фазами бывает трудно, поэтому там чаще всего применяют 4-проводную систему трехфазного тока 380/220 В.

При расчете можно пользоваться как заданными мощностями, так и величинами токов, которые соответствуют этим мощностям. В линиях, которые имеют протяженность в несколько километров, что, в частности, относится к линиям напряжением 6—10 кВ, приходится учитывать влияние индуктивного сопротивления провода на потерю напряжения в линии.

Для подсчетов индуктивное сопротивление медных и алюминиевых проводов можно принять равным 0,32—0,44 Ом/км, причем меньшее значение следует брать при малых расстояниях между проводами (500—600 мм) и сечениях провода выше 95 мм2, а большее — при расстояниях 1000 мм и выше и сечениях 10—25 мм2.

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

Порядок расчета линии электропередачи на потерю напряжения с проводами из цветных металлов с учетом индуктивного сопротивления проводов следующий:

1. Задаемся средним значением индуктивного сопротивления для алюминиевого или сталеалюминевого провода в 0,35 Ом/км.
2. Рассчитываем активную и реактивную нагрузки P, Q.
3. Подсчитываем реактивную (индуктивную) потерю напряжения
4. Допустимая активная потеря напряжения определяется как разность между заданной потерей линейного напряжения и реактивной:
5. Определяем сечение провода s, мм2

   где γ — величина, обратная удельному сопротивлению ( γ = 1/ro — удельная проводимость).

6. Подбираем ближайшее стандартное значение s и находим для него по справочной таблице активное и индуктивное сопротивления на 1 км линии ( ro, хо).
7. Подсчитываем уточненную величину потери напряжения по формуле

Полученная величина не должна быть больше допустимой потери напряжения. Если же она оказалась больше допустимой, то придется взять провод большего (следующего) сечения и произвести расчет повторно.

Для линий постоянного тока индуктивное сопротивление отсутствует и общие формулы, приведенные выше, упрощаются.

Расчет сетей постоянного тока по потерям напряжения

Пусть мощность P, Вт, надо передать по линии длиной l, мм, этой мощности соответствует ток

где U — номинальное напряжение, В.

Сопротивление провода линии в оба конца

где р — удельное сопротивление провода, s — сечение провода, мм2.

Потеря напряжения на линии

Последнее выражение дает возможность произвести проверочный расчет потери напряжения в уже существующей линии, когда известна ее нагрузка, или выбрать сечение провода по заданной нагрузке

Расчет сетей однофазного переменного тока по потерям напряжения

Если нагрузка чисто активная (освещение, нагревательные приборы и т. п.), то расчет ничем не отличается от приведенного расчета линии постоянного тока. Если же нагрузка смешанная, т. е. коэффициент мощности отличается от единицы, то расчетные формулы принимают вид:

потери напряжения в линии

а необходимое сечение провода линии

Для распределительной сети 0,4 кВ, питающей технологические линии и другие электроприемники лесопромышленных или деревообрабатывающих предприятий, составляют ее расчетную схему и расчет потери напряжения ведут по отдельным участкам. Для удобства расчетов в таких случаях пользуются специальными таблицами. Приведем пример такой таблицы, где приведены потери напряжения в трехфазной ВЛ с алюминиевыми проводами напряжением 0,4 кВ.

Потери напряжения определены следующей формулой:

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

5627

Закладки

Источник: https://energoboard.ru/post/2705/

Как рассчитать падение напряжения в кабеле — Все об электричестве

Любой кабель ограничен в своей пропускной способности. По этой причине могут появиться такие условия в электросети, когда для нормальной работы оборудования величина напряжения окажется недостаточной. Такое явление часто встречается, и по этой причине заслуживает более детального рассмотрения, что и будет сделано далее в нашей статье.

Основные причины падения напряжения

Итак, на пропускную способность кабеля оказывают влияние два его главных параметра:

• площадь поперечного сечения;
• длина.

Но сила тока в жилах – это как раз та физическая величина, с которой перечисленные параметры находятся в неразрывной связи по закону Ома для участка электрической цепи:

Теория

Среди указанных составляющих формулы сопротивления не хватает еще одной, связывающей силу тока и его неравномерное распределение по поперечнику жилы кабеля. Напоминаем, что это явление именуется поверхностным эффектом или скин-эффектом. Чем больше сила тока, тем заметнее скин-эффект. От него можно избавиться в кабеле, только делая жилы многопроволочными.

Скин-эффект и распределение тока по сечению токопроводящей жилы

Но рассмотренные явления в полной мере соответствуют кабелям с постоянным током, используемым в основном для электрического транспорта. В остальном – это лишь часть того, что входит в понятие падения напряжения (ΔU) по длине кабеля, работающего в промышленной электросети, в которой действует переменное напряжение.

В этих условиях любой проводник характеризуется импедансом, учитывающим его индуктивность и емкость, образующих реактивную составляющую напряжения и тока. Поэтому в целом получается комплексная проблема, которая, по сути, сводится к потерям электроэнергии. А ΔU – это их объективное проявление (см.

поясняющее изображение далее):

Скин-эффект и распределение тока по сечению токопроводящей жилы

Напоминаем, что в электротехнике для расчетов напряжений и токов с участием нагрузки, исчисляемой по импедансу, используются комплексные числа. Индуктивность и емкость вызывают сдвиг между током и напряжением. Поэтому комплексное число может быть представлено графически.

Один вектор – это активная составляющая, другой – реактивная. Сдвиг между током и напряжением характеризуется углом между упомянутыми двумя векторами, выходящими из общей точки. На изображении выше изложенное представляют векторные диаграммы, выполненные красным цветом.

Метод векторов

В ходе проектирования электрической сети в основе лежит нагрузка, работоспособность которой необходимо обеспечить. Если кабель будет выбран неправильно, ΔU на нем не позволит правильно работать этой нагрузке. Асинхронные двигатели не достигнут заданных оборотов, трансформаторы на вторичных обмотках не обеспечат номинальные напряжения и т.д., и т.п. Для однофазной сети нагрузка разделяется на активную и реактивную составляющие.

Трехфазная сеть представляется как три самостоятельные однофазные сети. Они называются схемами замещения. Этот метод обеспечивает достаточно точные результаты, если нагрузка симметрична. Если симметрия нарушается, то анализ причин, которые этот процесс вызвали, также можно выполнить, используя этот метод. На основании известных величин можно построить векторную диаграмму и, меняя длину векторов соответственно поставленной задаче, определять те величины, которые необходимы.

Схема 1

Например, известны параметры, которые необходимы для нормальной работы нагрузки. Параметры линии также известны. Следовательно, задача сводится к определению векторного напряжения U1. Шаги, приводящие к появлению искомого вектора, показаны далее.  

Схема 2

Вектор напряжения, который получается как результат сложения активной и реактивной составляющих нагрузки (IR+IХ), – это и есть ΔU в линии, соединяющей источник напряжения U1 с нагрузкой. Из полученных векторов просто получить также и потери напряжения.

Для этого векторы U1 и U2 совмещаются так, чтобы направление обоих было таким же, как у вектора U2. Разница между ними в длине – это будут потери напряжения.

Схема падения и потери напряжения Определение ΔU и потерь напряжения

Таблицы Кнорринга

Но заниматься построением векторов довольно-таки нудно. Тем более что за время существования потребности в проектировании электросетей для стандартных ситуаций придуманы решения более быстрые. К ним относятся таблицы Кнорринга. Стандартность ситуации для них состоит в постоянстве напряжения на входе кабеля или иного проводника (переменное напряжение с действующим значением 220 В). Это важно как для одной фазы, так и для трех фаз. То есть в трехфазной электросети нагрузка должна быть симметричной.

Также необходимо располагать величиной сечения токопроводящей жилы (в квадратных миллиметрах), длиной проводника (в метрах) и мощностью в нагрузке (в киловаттах).

Получаем произведение мощности на длину, в столбце, начинающемся с подходящего сечения жилы, находим это значение, и в крайнем левом столбце смотрим ΔU на кабеле. Только и всего.

Два варианта таблиц для напряжения однофазной и трехфазной электрической сети, а также одна для напряжения 12 В, показанные далее, читатель может использовать для расчетов.

Таблица 1 Таблица 2 Таблица 3

Для всех таблиц принято ограничение – жилы должны быть из меди. Если читателю встретится такое определение, как момент нагрузки, – это как раз и будет число из таблицы Кнорринга для провода, соответствующее произведению мощности на длину.

Точные расчеты по формулам

Если по тем или иным причинам метод векторов и таблицы не устраивают, можно использовать либо формулы, показанные далее, либо калькулятор онлайн, на них основанный. Таких калькуляторов в сети немало, и найти подходящий несложно.

Расчет по формулам ΔU по длине кабеля

Источник: https://domelectrik.ru/baza/teoriya/poteri-napryazheniya

Расчет падения напряжения в кабеле

> Электропроводка > Расчет падения напряжения в кабеле

Провода и кабели предназначены для передачи электроэнергии потребителям. При этом в протяженном проводнике падает напряжение пропорционально его сопротивлению и величине проходящего тока. В итоге к потребителю напряжение подается несколько меньше, чем оно было у источника (в начале линии). По всей длине провода потенциал будет изменяться из-за потерь в нем.

Потери напряжения в домашнем освещении

Выбор сечения кабеля производится с целью обеспечения его работоспособности при заданном максимальном токе. При этом следует учитывать его длину, от которой зависит еще один важный параметр – падение напряжения.

Линии электропередач выбирают по нормированному значению экономической плотности тока и рассчитывают на падение напряжения. Его отклонение от исходного не должно превышать заданных значений.

На рисунке выше изображена схема подачи напряжения на освещение, где на каждом ее участке обозначены потери напряжения. Наиболее важной является самая удаленная нагрузка, и потери напряжения большей частью производятся для нее.