Последствия при падении напряжения по длине кабеля и расчет потерь

Результат понижения напряжения

Согласно нормативным документам, потери на линии от трансформатора до наиболее удаленного энергонагруженного участка для жилых и общественных объектов должны составлять не более девяти процентов.

Допускаются потери 5 % до главного ввода, а 4 % — от ввода до конечного потребителя. Для трехфазных сетей на три или четыре провода номинальное значение должно составлять 400 В ± 10 % при нормальных условиях эксплуатации.

Отклонение параметра от нормированного значения может иметь следующие последствия:

1. Некорректная работа энергозависимых установок, оборудования, осветительных приборов.
2. Отказ работы электроприборов при сниженном показателе напряжения на входе, выход оборудования из строя.
3. Снижение ускорения вращающего момента электродвигателей при пусковом токе, потери учитываемой энергии, отключение двигателей при перегреве.
4. Неравномерное распределение токовой нагрузки между потребителями на начале линии и на удаленном конце протяженного провода.
5. Работа осветительных приборов на половину накала, за счет чего происходят недоиспользование мощности тока в сети, потери электроэнергии.

В рабочем режиме наиболее приемлемым показателем потерь напряжения в кабеле считается 5 %. Это оптимальное расчетное значение, которое можно принимать допустимым для электросетей, поскольку в энергетической отрасли токи огромной мощности транспортируются на большие расстояния.

К характеристикам линий электропередач предъявляются повышенные требования

Важно уделять особое внимание потерям напряжения не только на магистральных сетях, но и на линиях вторичного назначения

Практические примеры расчета падения напряжения

Расчет падения напряжения является важной задачей в электротехнике, особенно при проектировании и эксплуатации электрических сетей. Рассмотрим несколько примеров, где расчет падения напряжения может быть полезен:

1. Проектирование электрической сети в здании: При проектировании электрической сети в здании необходимо учесть падение напряжения во всех проводах и кабелях. Падение напряжения может привести к снижению эффективности работы электроприборов и повышенному износу оборудования. Расчет падения напряжения позволяет определить необходимый сечение проводов и выбрать подходящие устройства компенсации напряжения.

2. Расчет падения напряжения в линиях электропередачи: При передаче электроэнергии на большие расстояния возникает падение напряжения в линиях передачи. Это явление связано с сопротивлением проводников и реактивным сопротивлением линий. Расчет падения напряжения позволяет определить потери энергии и выбрать оптимальные параметры линий передачи для минимизации этих потерь.

3. Установка дополнительного оборудования: При установке дополнительного оборудования, такого как осветительные приборы или системы видеонаблюдения, необходимо учитывать падение напряжения в существующей электрической сети. Расчет падения напряжения позволяет определить, позволяет ли существующая сеть обеспечить достаточное напряжение для нормальной работы дополнительного оборудования или требуется установка дополнительных источников питания.

Важно отметить, что правильный расчет падения напряжения требует знания сопротивления проводников, активного и реактивного сопротивления цепей, а также свойств электрических нагрузок. Для упрощения расчетов можно использовать специальные калькуляторы и формулы, которые учитывают основные параметры системы

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!

Формула расчета падения напряжения

Падение напряжения в электрической цепи происходит по мере передачи электрического тока через проводник, такой как кабель. Это падение напряжения может быть выражено математической формулой, которую можно использовать для расчета падения напряжения при постоянном напряжении:

Падение напряжения (V_d) = I × R

где:

• V_d — падение напряжения в вольтах (В)
• I — сила тока в амперах (А)
• R — сопротивление кабеля в омах (Ω)

Сопротивление кабеля (R) зависит от его длины, сечения и материала. Чем длиннее кабель и чем меньше его сечение, тем больше будет сопротивление и, следовательно, падение напряжения.

Эта формула позволяет измерить потерю напряжения на всей длине кабеля. Она может быть использована для расчета потери напряжения и, следовательно, эффективности работы электрической системы.

Калькулятор расчета потерь напряжения в электрическом 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.

Калькулятор расчета сечения кабеля по мощности и току

Алгоритм подбора сечения проводки по мощности нагрузки включает в себя следующие этапы:

1. Вычисление общей мощности (Pобщ) всех подключаемых при помощи проводника электроприборов (P1 – Pn) по приведенной ниже формуле:

Pобщ= P1+ P2+ P3+ Pn.

При этом для таких потребителей, как электродвигатели, трансформаторы, приведенная в паспорте реактивная мощность переводится в активную по следующей формуле:

P = Q / cosφ.

1. Поиск значений коэффициентов одновременности (К) и запаса (J). В практических расчетах используют значение К, равное 0,8-0,85, J – 2,0.
2. Вычисление суммарной активной мощности (Pа) с учетом поправочных коэффициентов K и J по следующей формуле:

Pа = Pобщ• K• J.

1. Выбор по справочной таблице (рис. ниже) проводника с оптимальной площадью сечения жилы.

Пример №1

Необходимо отдельной проложенной в стене кабельной линией подключить к вводному трехфазному щитку группу электроприборов общей мощностью 5000 Вт.

На заметку. Мощность любого электроприбора можно найти в его техническом паспорте, руководстве по эксплуатации или на специальной табличке, прикрепленной к его корпусу.

Суммарная активная мощность данной группы приборов с учетом коэффициентов одновременности и запаса будет равна:

Pа = Pобщ• K• J = 5000 • 0,8•2= 8 000 Вт или 8,0кВт.

Для такого значения мощности оптимальным будет медный проводник с сечением жилы 2,5 мм кв.

Расчёт сечения линии по подаваемому на нее току через кабельный калькулятор имеет схожий с предыдущим порядок действий:

1. По каждому потребителю с помощью формулы I=P/U рассчитывается потребляемая сила тока;
2. Рассчитанные для каждого прибора значения силы тока суммируются и умножаются на коэффициенты K и J;
3. По справочной таблице (рис. ниже) подбирается проводник, имеющий сечение, способное пропускать расчетную силу тока.

Выбор сечения проводника по мощности и силе тока подключаемых с его помощью электроприборов

Пример №2

Суммарная сила тока подключаемых к однофазной сети приборов – 15 А. С учетом коэффициентов K и J она будет равна 18 А. Для прокладки такой закрытой проводки и подключения приборов с данным суммарным значением силы тока подходит медный провод сечением 4,1 мм кв.

Проведение сложных расчетов

Для более детального и достоверного расчета потерь напряжения на линии нужно принимать во внимание реактивное и активное сопротивление, которое вместе образует комплексное сопротивление, и мощность. Для проведения расчетов падения напряжения в кабеле используют формулу:

Для проведения расчетов падения напряжения в кабеле используют формулу:

Для проведения расчетов падения напряжения в кабеле используют формулу:

∆U = (P*r0+Q*x0)*L/ U ном

В этой формуле указаны следующие величины:

• P, Q — активная, реактивная мощность.
• r0, x0 — активное, реактивное сопротивление.
• U ном — номинальное напряжение.

Чтобы обеспечить оптимальную нагрузку по трехфазных линиям передач, необходимо нагружать их равномерно. Для этого силовые электродвигатели целесообразно подключать к линейным проводам, а питание на осветительные приборы — между фазами и нейтральной линией.

Есть три варианта подключения нагрузки:

• от электрощита в конец линии;
• от электрощита с равномерным распределением по длине кабеля;
• от электрощита к двум совмещенным линиям с равномерным распределением нагрузки.

Пример расчета потерь напряжения: суммарная потребляемая мощность всех энергозависимых установок в доме, квартире составляет 3,5 кВт — среднее значение при небольшом количестве мощных электроприборов. Если все нагрузки активные (все приборы включены в сеть), cosφ = 1 (угол между вектором силы тока и вектором напряжения). Используя формулу I = P/(Ucosφ), получают силу тока I = 3,5*1000/220 = 15,9 А.

Советуем изучить — Источники питания в системах электроснабжения

Дальнейшие расчеты: если использовать медный кабель сечением 1,5 кв. мм, удельное сопротивление 0,0175 Ом*мм2, а длина двухжильного кабеля для разводки равна 30 метров.

По формуле потери напряжения составляют:

∆U = I*R/U*100 %, где сила тока равна 15,9 А, сопротивление составляет 2 (две жилы)*0,0175*30/1,5 = 0,7 Ом. Тогда ∆U = 15,9*0,7/220*100% = 5,06 %.

Полученное значение незначительно превышает рекомендуемое нормативными документами падение в пять процентов. В принципе, можно оставить схему такого подключения, но если на основные величины формулы повлияет неучтенный фактор, потери будут превышать допустимое значение.

Что это значит для конечного потребителя? Оплата за использованную электроэнергию, поступающую к распределительному щиту с полной мощностью при фактическом потреблении электроэнергии более низкого напряжения.

Варианты определения ΔU

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

Длина вектора и его направление определяются исходя из закона Ома и направления вектора напряжения, определяющего ток (векторы тока и напряжения по направлению совпадают). 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

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

Правила расчёта потерь в кабеле при помощи таблиц Кнорринга

Подписка на рассылку

Кабельные жилы при пропускании тока будут выделять тепло. Величина тока в совокупности с сопротивлением жил определяют уровень потерь кабеля. Если иметь информацию о сопротивлении жил и о том, насколько велик пропускаемый через них ток, удастся узнать объём потерь в цепи.

Расчёт потерь выполняется при помощи формулы: ΔU,%=(Uном-U)∙100/ Uном. Где, Uном – номинальное входное напряжение, U – напряжение нагрузки. Выражаются потери в процентах от номинала, характерного для возникшего напряжения.

Практически намного проще использовать таблицы Кнорринга, востребованные при организации электропроводки. Информация в таблицах синхронизирует «момент нагрузки» и потери. Вычислить момент предлагается в виде произведения нагрузочной мощности (Р), измеряемой в киловаттах, и линейной длины (L), обозначаемой в метрах. Данные в таблицах Кнорринга отображают зависимость понесённых кабелем потерь от «момента нагрузки», применительно к двухпроводным медным линиям. Обязательным условием является наличие напряжения 220В.

Также разработана таблица, определяющая идентичную зависимость, но применительно к трёхфазным четырёхпроводным нулевым линиям при напряжении на уровне 380/220В. Есть схожие сведения и для трёхпроводных линий без нуля при 380В. Однако информация является достоверной исключительно при равенстве нагрузки в фазах, что позволяет определить ток в четырёхпроводных нулевых линиях, а именно в их нулевых жилах, также как нулевой.

Если нагрузка несимметричная применительно к трёхфазным линиям, то неизбежно увеличение потерь. Избежать ошибок в случае существенной нагрузочной асимметрии в нулевых линиях можно, используя таблицы, с данными для двухпроводных медных линий, однако это утверждение верно применительно к самой нагруженной фазе.

Разработана таблица Кнорринга, содержащая информацию, касающуюся зависимости от момента нагрузки кабельных потерь, верная для медных проводников при напряжении на уровне 12В. Рассчитать с помощью этой таблицы можно линейные потери посредством понижающих трансформаторов, питающих светильники с низким вольтажом.

Важно! Таблицы не учитывают линейное индуктивное сопротивление, из-за того, что при задействовании кабелей, оно является крайне малым и не может сравниваться с активным сопротивлением. Таблицы Кнорринга верны при подключённой в конце линии нагрузке, что позволяет вычислять момент нагрузки по формуле: М=L∙РН. Когда есть несколько схожих по мощности нагрузок, составляющих целостную нагрузку, и распределены они на протяжении всей линии, используется формула: М=L∙ РН ∙n/2

Когда есть несколько схожих по мощности нагрузок, составляющих целостную нагрузку, и распределены они на протяжении всей линии, используется формула: М=L∙ РН ∙n/2

Таблицы Кнорринга верны при подключённой в конце линии нагрузке, что позволяет вычислять момент нагрузки по формуле: М=L∙РН. Когда есть несколько схожих по мощности нагрузок, составляющих целостную нагрузку, и распределены они на протяжении всей линии, используется формула: М=L∙ РН ∙n/2.

Если отмечается наличие двух соединённых линий с равномерным распределением нагрузки, можно вычислить потери напряжения, выявив сумму длин линий, при этом сечение кабелей в них допускается различное.

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.

Влияние длины и сечения кабеля на потери по напряжению

Потери электроэнергии – неизбежная плата за ее транспортировку по проводам, вне зависимости от длины передающей линии. Существуют они и на воздушных линиях электропередач длиною в сотни километров и на отрезках электропроводки в несколько десятков метров домашней электрической сети. Происходят они, прежде всего потому, что любые провода имеют конечное сопротивление электрическому току. Закон Ома, с которым каждый из нас имел возможность познакомиться на школьных уроках физики, гласит, что напряжение (U) связано с током (I) и сопротивлением (R) следующим выражением:

из него следует что чем выше сопротивление проводника, тем больше на нем падение (потери) напряжения при постоянных значениях тока. Это напряжение приводит к нагреву проводников, который может грозить плавлением изоляции, коротким замыканием и возгоранием электропроводки.

При передаче электроэнергии на большие расстояния потерь удается избегать за счет снижения силы передаваемого тока, достигается это многократным повышением напряжения до сотен киловольт. В случае низковольтных сетей, напряжением 220 (380) В, потери можно минимизировать только выбором правильного сечения кабеля.

Почему падает напряжение и как это зависит от длины и сечения проводников

Для начала остановимся на простом житейском примере частного сектора в черте города или большого поселка, в центре которого находится трансформаторная подстанция. Жильцы домов, расположенных в непосредственной близости к ней жалуются на постоянную замену быстро перегорающих лампочек, что вполне закономерно, ведь напряжение в их сети достигает 250 В и выше. В то время как на окраине села при максимальных нагрузках на сеть оно может опускаться до 150 вольт. Вывод в таком случае напрашивается один, падение напряжение зависит от длины проводников, представленных линейными проводами.

Конкретизируем, от чего зависит величина сопротивления проводника на примере медных проводов, которым сегодня отдается предпочтение. Для этого опять вернемся к школьному курсу физики, из которого известно, что сопротивление проводника зависит от трех величин:

• удельного сопротивления материала – ρ;
• длины отрезка проводника – l;
• площади поперечного сечения (при условии, что по всей длине оно одинаковое) – S.

Все четыре параметра связывает следующее соотношение:

очевидно, что сопротивление растет по мере увеличения длины проводника и падает по мере увеличения сечения жилы.

Для медных проводников удельное сопротивление составляет 0.0175 Ом·мм²/м, это значит, что километр медного провода сечением 1 мм² будет иметь сопротивление 17.5 Ом, в реальной ситуации оно может отличаться, например, из-за чистоты металла (наличия в сплаве примесей).

Для алюминиевых проводников величина сопротивления еще выше, поскольку удельное сопротивление алюминиевых проводов составляет 0.028 Ом·мм²/м.

Теперь вернемся к нашему примеру. Пусть от подстанции до самого крайнего дома расстояние составляет 1 км и электропитание напряжения 220 вольт до него проложено алюминиевым проводом марки А, с минимальным сечением 10 мм². Расстояние, которое необходимо пройти электрическому току складывается из длины нулевых и фазных проводов, то есть в нашем примере необходимо применить коэффициент 2, таким образом максимальная длина составит 2000 м. Подставляя наши значения в последнюю формулу, получим величину сопротивления равную 5.6 Ом.

Много это или мало, понятно из упомянутого выше закона Ома, так для потребителя с номинальным током всего 10 ампер, в приведенном примере падение напряжения составит 56 В, которые уйдут на обогрев улицы.

Конечно же, если нельзя уменьшить расстояние, следует выбрать сечение проводов большей площади, это касается и внутренних проводок, однако это ведет к увеличению затрат на кабельно-проводниковую продукцию. Оптимальным решением будет правильно рассчитать сечения проводов, учитывая максимальную допустимую нагрузку.

К помещениям первой категории относятся сухие помещения с нормальными климатическими условиями, в которых отсутствуют любые из приведенных выше факторов. Такая характеристика может соответствовать, например складскому помещению.

На практике синусоидальные напряжения электрических сетей подвержены искажениям и вместо идеальной синусоиды на экране осциллографа мы видим искаженный, испещренный провалами, зазубринами и всплесками сигнал. Эти искажения следствие влияния гармоник – паразитных колебаний кратных основной частоте сигнала, вызванных включением в сеть нелинейных нагрузок.

Способы уменьшения потерь в электрических сетях

Пользователь сети не может повлиять на потери в ЛЭП, но может снизить падение напряжения на участке цепи, грамотно подключив ее элементы.

Медный кабель лучше соединять с медным, а алюминиевый — с алюминиевым. Количество соединений проводов, где материал жилы изменяется, лучше свести к минимуму, так как в таких местах не только рассеивается энергия, но и увеличивается тепловыделение, что при недостаточном уровне теплозоляции может быть пожароопасным. Учитывая показатели удельной проводимости и удельного сопротивления меди и алюминия, более эффективно в плане энергозатрат использовать медь.

Если это возможно, при планировании электрической цепи любые индуктивные элементы, такие как катушки (L), трансформаторы и электродвигатели, лучше подключать параллельно, так как согласно законам физики, общая индуктивность такой схемы снижается, а при последовательном подключении, наоборот, увеличивается.

Еще для сглаживания реактивной составляющей используют конденсаторные установки (или RC-фильтры в совокупности с резисторами).

В зависимости от принципа подключения конденсаторов и потребителя имеется несколько типов компенсации: личная, групповая и общая.

1. При личной компенсации емкости присоединяют непосредственно к месту появления реактивной мощности, то есть собственный конденсатор — к асинхронному мотору, еще один — к газоразрядной лампе, еще один — к сварочному, еще один — для трансформатора и т.д. В этой точке приходящие кабели разгружаются от реактивных токов к отдельному пользователю.
2. Групповая компенсация включает в себя присоединение одного или нескольких конденсаторов к нескольким элементам с большими индуктивными характеристиками. В данной ситуации регулярная одновременная деятельность нескольких потребителей связана с передачей суммарной реактивной энергии между нагрузками и конденсаторами. Линия, которая подводит электрическую энергию к группе нагрузок, разгрузится.
3. Общая компенсация предусматривает вставку конденсаторов с регулятором в основном щите, или ГРЩ. Он производит оценку по факту текущего потребления реактивной мощности и быстро подсоединяет и отсоединяет нужное число конденсаторов. В результате берущаяся от сети общая мощность приводится к минимуму в согласии с моментальной величиной необходимой реактивной мощности.
4. Все установки компенсации реактивной мощности включают в себя пару ветвей конденсаторов, пару ступеней, которые образуются специально для электрической сети в зависимости от потенциальных нагрузок. Типичные габариты ступеней: 5; 10; 20; 30; 50; 7,5; 12,5; 25 квар.

Для приобретения больших ступеней (100 и больше квар) соединяют параллельно небольшие. Нагрузки на сети уменьшаются, токи включения и их помехи снижаются. В сетях с множеством высоких гармоник сетевого напряжения конденсаторы защищают дросселями.

Автоматические компенсаторы обеспечивают сети, снабженной ими, такие преимущества:

• уменьшают загрузку трансформаторов;
• делают более простыми требования к сечению кабелей;
• дают возможность загрузить электросети больше, чем можно без компенсации;
• ликвидируют причины уменьшения напряжения сети, даже когда нагрузка подсоединена протяженными кабелями;
• увеличивают КПД мобильных генераторов на топливе;
• упрощают запуск электрических двигателей;
• увеличивают косинус фи;
• ликвидируют реактивную мощность из контуров;
• защищают от перенапряжений;
• совершенствуют регулировку характеристик сетей.

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?