Падение напряжения в проводах

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».

Как уменьшить падение напряжения в электрической сети

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

Это приводит к удорожанию электричества для потребителя.

Как уменьшить этот показатель?

Ведь от него зависит итоговая цена за 1 кВт электроэнергии.

Опишем несколько способов сделать это.

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

Что такое потеря напряжения в кабеле и чем она опасна?

В идеале все электроприборы будут работать в нормальном режиме, если к ним подается то напряжение, на которые они рассчитаны. Если провод рассчитан не правильно и в нем присутствуют большие потери, то на вводе в электрооборудование будет заниженное напряжение. Это очень актуально при электропитании постоянным током, так как тут напряжение очень низкое, например 12 В, и потеря в 1-2 В тут будет уже существенной.

Чем опасна потеря напряжения в электропроводке?

1. Отказом работы электроприборов при очень низком напряжении на входе.

В выборе кабеля необходимо найти золотую середину. Его нужно подобрать так, чтобы сопротивление провода при нужной длине соответствовало конкретному току и исключить лишние денежные затраты.

Конечно, можно купить кабель огромного сечения и не считать в нем потери напряжения, но тогда за него придется переплатить.

Для того чтобы избежать потерь мощности нам нужно уменьшить сопротивление провода. Мы знаем что, чем больше сечение кабеля, тем меньше его сопротивление. Поэтому эта проблема в длинных линиях решается путем увеличения сечения жил кабеля.

• Вспомним физику и перейдем к небольшим формулам и расчетам.
• Напряжение на проводе мы можем узнать по следующей формуле, зная его сопротивление (R, Ом) и ток нагрузки (I, А).
• U=RI
• Сопротивление провода рассчитывается так:
• R=рl/S, где
• р — удельное сопротивление провода, Ом*мм2/м;
• l — длина провода, м;
• S — площадь поперечного сечения провода, мм2.

Удельное сопротивления это величина постоянная. Для меди она составляет р=0,0175 Ом*мм2/м, и для алюминия р=0,028 Ом*мм2/м. Значения других металлов нам не нужны, так как провода у нас только с медными или с алюминиевыми жилами.

Приведу небольшой пример расчета для медного провода. Для алюминиевого провода суть расчета будет аналогичной.

Например, мы хотим установить группу розеток в гараже и решили протянуть туда медный кабель от дома длинной 50 м сечением 1,5 мм2. Там будем подключаться нагрузка 3,3 кВт (I=15 А).

1. Учтите, что ток «бежит» по 2-х жильному кабелю туда и обратно, поэтому «пробегаемое» им расстояние будет в два раза больше длины кабеля (50*2=100 м).
2. Потеря напряжения в данной линии будет:
3. U=(рl)/s*I=0,0175*100/1,5*15=17,5 В
4. Что составляет практически 9% от номинального (входного) значения напряжения.

Значит в розетках будет уже напряжение: 220-17,5=202,5 В. Этого будет маловато для нормальной работы электрооборудования. Также свет может гореть тускло (в пол накала).

На нагрев провода будет выделяться мощность P=UI=17,5*15=262,5 Вт.

Также учтите, что здесь не учтены потери в местах соединения (скрутках), в вилке электроприбора, в контактах розетки. Поэтому реальные потери напряжения будут больше полученных значений.

• Давайте повторим данный расчет, но уже для провода сечением 2,5 мм2.
• U=(рl)/s*I=0,0175*100/2,5*15=10,5 В или 4,7%.
• Теперь повторим данный расчет, но уже для провода сечением 4 мм2.
• U=(рl)/s*I=0,0175*100/4*15=6,5 В или 2,9%.
• Согласно ПУЭ, отклонения напряжения в линии должны составлять не более 5%.
• Поэтому в нашем случае нужно выбирать кабель сечением 2,5 мм2 для нагрузки мощностью 3,3 кВт (15 А), а не 1,5 мм2.

Для постоянного тока такие сечения при указанных длинах использовать нельзя. Допусти, что необходимо запитать электроприбор током 15 А от источника постоянного тока 12 В (например, от аккумулятора или понижающего трансформатора). Используется кабель сечением 2,5 мм2 длинной 50 м.

Потери тут будут 10,5 В. Это значит, что на входе в электроприбор будет присутствовать напряжение 12-10,5=1,5 В. Это бред и ничего работать не будет. Даже кабель сечением 25 мм2 не спасет. Тут выход один — это нужно переносить источник питания ближе к потребителю.

Если ваша розетка находится очень далеко от щитка, то обязательно посчитайте потери напряжения в данной линии.

Не забываем улыбаться:

Звонок мужу в командировку: — Дорогой, а почему в кране нет воды? — Понимаешь, мы живем на 22 этаже и давления, которое создает насос возможно недостаточно… — Милый, а почему газа нет? — Понимаешь, сейчас зима и давление в магистральном газопроводе вследствие большого разбора несколько понижено… — Родной, но почему же тогда нет электроэнергии?!

— Пойди заплати за коммуналку, дура!

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.

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.

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. Таблица значений индуктивных сопротивлений. Таблица значений индуктивных сопротивлений

Таблица значений индуктивных сопротивлений

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

Формула расчета

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.

Пример таблицы

Потери напряжения определены следующей формулой:

ΔU = ΔUтабл * Ма;

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

Однолинейная схема линии трехфазного тока

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). Базовым способом расчета потери мощности может служить онлайн-калькулятор, который проводит расчеты по исходным данным (длина, сечение, нагрузка, напряжение и число фаз)

Базовым способом расчета потери мощности может служить онлайн-калькулятор, который проводит расчеты по исходным данным (длина, сечение, нагрузка, напряжение и число фаз).

Образец калькулятора для вычисления потерь

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.

Кто платит за потери электричества

Потери электроэнергии при передаче (если передавать ее на большие расстояния) могут быть существенными. Это влияет на финансовую сторону вопроса. Реактивную составляющую учитывают при определении общего тарифа использования номинального тока для населения.

Для однофазных линий она уже включена в стоимость, учитывая параметры сети. Для юридических лиц эта составляющая рассчитывается независимо от активных нагрузок и в предоставляемом счете указывается отдельно, по особому тарифу (дешевле, чем активная). Делается это ввиду наличия на предприятиях большого количество индукционных механизмов (например, электродвигателей).

Органы энергонадзора устанавливают допустимое падение напряжения, или норматив потерь в электрических сетях. За потери при передаче электроэнергии платит пользователь. Поэтому, с точки зрения потребителя, экономически выгодно подумать о том, чтобы снизить их, изменив характеристики электрической цепи.

Что такое делитель напряжения и как его рассчитать?

Способы вычисления потребления электроэнергии бытовыми приборами

Как перевести амперы в ватты и обратно?

Как рассчитать необходимое сечение провода по мощности нагрузки?

Что такое активная и реактивная мощность переменного электрического тока?

Как перевести амперы в киловаты?

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.

Подготовка исходных данных для расчета потерь электроэнергии

15.1.
Для выполнения расчетов потерь электрической энергии используется утвержденная
принципиальная электрическая схема питающей и распределительной сети 10(6)-0,4
кВ в нормальном режиме ее работы с указанием на ней всех центров питания (ЦП),
распределительных пунктов (РП), типов реакторов, марок, сечений и длин всех
кабельных (КЛ) и воздушных (ВЛ) линий, номера сетевых и абонентских
трансформаторных подстанций (ТП). На ТП должны быть указаны номера ячеек,
данные силовых трансформаторов, коммутирующих аппаратов. На ЦП и РП указываются
номера секций и ячеек, наименование питающих и распределительных линий,
отходящих от данных секций. Кроме того, на схеме сети должны быть проставлены
токоразделы, соответствующие нормальному режиму работы электросети.

15.2.
При расчетах потерь электрической энергии используются фактические данные,
полученные из автоматизированной системы контроля и учета, а при ее отсутствии
— результаты контрольных замеров за расчетный период.

Расчетная проверка сечений жил кабелей на потерю напряжения.

Сечение кабелей и проводов, выбранное из условий нагрева и согласованное с коммутационными возможностями аппаратов защиты, нужно проверять на относительную линейную потерю напряжения. 

где U — напряжение источника электрической энергии, Uном — напряжение в месте присоединения приемника. 

Допустимое отклонение напряжения на зажимах двигателей от номинального не должно превышать ±5 %, а в отдельных случаях оно может достигать +10 %. 

В осветительных сетях снижение напряжения у наиболее удаленных ламп внутреннего рабочего освещения и прожекторных установок наружного освещения не должно превышать 2,5 % номинального напряжения ламп, у ламп наружного и аварийного освещения — 5 %, а в сетях напряжением 12.,.42 В — 10 %. Большее снижение напряжения приводит к существенному уменьшению освещенности рабочих мест, вызывает снижение производительности труда и может привести к условиям, при которых зажигание газоразрядных ламп не гарантировано. Наибольшее напряжение на лампах, как правило, не должно превышать 105 % его номинального значения. 

Повышение напряжения сетей внутреннего электроснабжения выше предусмотренного нормами не допустимо, так как оно приводит к существенному увеличению расхода электрической энергии, сокращению срока службы силового и осветительного электрооборудования, а иногда к снижению качества выпускаемой продукции.

При проектировании электроснабжения и электрооборудования жилища важна величина действительной части, т.е. потеря напряжения. Проверка выбранных проводников по потере напряжения из условия обеспечения необходимых(регламентированных стандартами) уровней напряжения у самых удаленных от источника питания потребителей осуществляется следующим образом. Выполняется расчет потери напряжения (%) по формулам:-рассотрим для трех фазной сети:

Где

U н – номинальное напряжение, В (380 В – симметричной трехфазной сети);

 R – активное сопротивление проводника, Ом;

Х – индуктивное сопротивление проводника, Ом;

Сos ϕ– коэффициент мощности нагрузки;

 I р max– максимальный расчетный ток нагрузки, А;

ΔU – потеря напряжения, % от номинального.

Без учета индуктивного сопротивления линии на потерю напряжения, как правило, рассчитываются:

-сети постоянного тока;

-линии сети переменного тока, для которых коэффициент мощности Cos ϕ= 1;

-сети, выполненные проводами внутри зданий или кабелями, если их сечения не превосходят табличных значений.

Индуктивным сопротивлением проводников сечением менее 50 мм2 можно пренебречь,т.е. Х

При отсутствии какой-либо другой информации величину Х можно принимать Ом/м.

Активное сопротивление проводников (Ом) определяется по одной из известных формуле,

где ρ– удельное сопротивление проводника, Ом • мм2/ м;

γ– удельная проводимость проводника, м / Ом • мм2;

S – сечение проводника, мм2;

l – длина проводника.

Значение удельного сопротивления и удельной проводимости для:

Медных проводников ρм=0,0189 Ом • мм2/ м;γм= 53 м / Ом • мм2;

-алюминиевых проводниковρа =0,0315 Ом • мм2/ м; γа = 31,7 м / Ом • мм2.

Допустимая величина падения напряжения определяется по формуле:

Где ΔU пд– предельно допустимые потери напряжения в питающей приемник цепи, %;

105-напряжение холостого хода на вторичной стороне питающего трансформатора, %

ΔU тр– падение напряжения в трансформаторе, питающем данный объект, %;

ΔU min д– минимально допустимое напряжение на зажимах электроприемника, %.

Допустимые отклонения напряжения у приемников электроэнергии смотрят в табличных данных. .Затем проверяется выполнение условия:

Для проверки проводников по потере напряжения можно также использовать таблицы удельных потерь напряжения ,которые составлены на основании данных, приведенных в Справочнике по расчету проводов и кабелей и адаптированных к действующим в настоящее время нормам и правилам. В таблицах находят удельные потери напряжения для электропроводок,воздушных и кабельных линий в зависимости от величины коэффициента мощности. Для проводов и кабелей из цветного металла эти потери выражены в процентах на 1 кВт•км в зависимости от напряжения линии. Потеря напряжения в линии при заданном сечении проводов и кабелей из цветных металлов определяется по формуле,

где М а – сумма произведений активных нагрузок на длины участков линии, кВт•км;

ΔU  м.б. – табличное значение удельной величины потери напряжения в процентах на 1 кВт•км.

Определение сечения проводов по заданной величине потери напряжения производится следующим образом. Определяется расчетное значение

ΔU мб п о ф о р м у л е :

и по соответствующей таблице подбирается сечение провода с ближайшим меньшим значением у д е л ь н о й п о т е р и н а п р я ж е н и я

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 Расчет эквивалентного сопротивления

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.

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?