Расчет падения напряжения в кабеле
Содержание
Для работы электроприборов необходимы определённые параметры сети. Провода обладают сопротивлением электрическому току, поэтому при выборе сечения кабелей необходимо учитывать падение напряжения в проводах.
Изменение напряжения вдоль линии
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.
Закон Ома
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.
Принцип замера потерь напряжения в кабеле
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:
R=(p*l)/S, где:
- l – длина,
- S – сечение кабеля.
Например, 100 метров медного провода сечением 4мм² имеет сопротивление 0,425 Ом.
Если сечение S неизвестно, то, зная диаметр проводника, оно рассчитывается как:
S=(π*d²)/4, где:
- π – число «пи» (3,14),
- d – диаметр.
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:
U=I*R=(p*2l)/S.
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.
Принцип образования потерь напряжения
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:
Р=I²*R.
В кабеле из предыдущего примера Р=40А²*0,425Ом=680Вт. Несмотря на длину, этого достаточно для того, чтобы нагреть проводник.
При нагреве провода свыше допустимой температуры изоляция выходит из строя, что приводит к короткому замыканию. Величина допустимого тока зависит от материала токопроводящей жилы, изоляции и условий прокладки. Для выбора необходимо пользоваться специальными таблицами или онлайн-калькулятором.
Как уменьшить падение напряжения в кабеле
При прокладке электропроводки на большие расстояния сечение кабеля, выбранное по допустимому падению напряжения, многократно превосходит выбор, сделанный по нагреву, что приводит к увеличению стоимости электроснабжения. Но есть способы уменьшить эти расходы:
- Повысить потенциал в начале питающего кабеля. Возможно только это при подключении к отдельному трансформатору, например, в дачном посёлке или микрорайоне. При отключении части потребителей потенциал в розетках остальных окажется завышенным;
- Установка возле нагрузки стабилизатора. Это требует расходов, но гарантирует постоянные параметры сети;
- При подключении нагрузки 12-36В через понижающий трансформатор или блок питания располагать их рядом с потребителем.
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.
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.
