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/ U_ном, где

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

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 / U_ном + Q∙x₀∙L/ U_ном,

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:

∆U_p = Q∙x₀∙L/U_ном.

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

∆U_a = ∆U — ∆U_p.

Сечение провода находится из отношения:

s = P∙L∙r₀/(∆U_a∙U_ном).

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.

По таблицам находится сечение в кабеле, для медных проводников составляющее 1,5 мм².

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.

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:

• I_ном = 100 А;
• cos φ = 0,8 в нормальном режиме;
• I_{пусковой} = 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

Падение напряжения при нормальной работе электродвигателя составит:

∆U% = 100∆U/U_ном.

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 ∆U_общ = 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.

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 ∆U_общ = 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%.

Пример 3. Расчет ∆U в цепях освещения.

Три однофазные осветительные цепи подключены параллельно к питающей трехфазной четырехпроводной линии, состоящей из проводников на 70 мм², длиной 50 м, проводящей ток 150 А. Освещение является только частью нагрузки линии (рис. б выше).

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: ∆U_{линии фаз}= 0,55∙150∙0, 05 = 4,125 В. Это – потери между фазами. Для решения задачи надо найти потери между фазой и нейтралью: ∆U_{линии ф-н} = 4,125/√3 = 2,4 В.

Падение напряжения для одной однофазной цепи составляет ∆U_осв = 18∙20∙0,02=7,2 В. Если сложить потери в питающей линии и цепи, то в сумме они составят ∆U_{осв 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. Видео

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.