Jak vypočítat ztráty napětí v kabelu? | Návrh elektrického napájení

Pokles napětí v kabelových vedeních je jedním z klíčových faktorů ovlivňujících účinnost a spolehlivost napájení. Nadměrný pokles napětí vede nejen k energetickým ztrátám a zvýšeným nákladům, ale také ke snížení výkonu zařízení, nesprávné činnosti citlivé elektroniky a dokonce k poruchám. V domácnosti se to může projevit tlumeným světlem z lamp, přehříváním elektrospotřebičů a snížením jejich životnosti. V průmyslu mohou být důsledky mnohem závažnější, vést dokonce až k zastavení výrobních procesů.

Tento článek poskytuje praktický průvodce pro výpočet a minimalizaci poklesu napětí v kabelových vedeních. Zvážíme hlavní příčiny ztrát, poskytneme potřebné vzorce z GOST R IEC 60287-1-1-2009 a dalších regulačních dokumentů a také analyzujeme praktické metody pro snížení poklesu napětí dostupné v domácích i průmyslových podmínkách. Tyto informace vám pomohou optimalizovat vaše napájení, snížit náklady na energii a zajistit bezpečný a spolehlivý provoz vašeho zařízení.

Příčiny poklesu napětí v kabelu

Pokles napětí v kabelu je způsoben několika faktory, které je třeba vzít v úvahu při navrhování a provozu elektrických systémů. Hlavní důvody jsou:

Toto je nejvýznamnější příčina poklesu napětí. Podle Ohmova zákona je pokles napětí v části obvodu přímo úměrný proudu a odporu této části:

• U – pokles napětí (Volty);
• I – proud (Ampéry);
• R – odpor (Ohm).

Čtěte také: Jak vybrat ten správný a který z nich je lepší nainstalovat elektroměr v bytě

Odpor vodiče zase závisí na následujících faktorech:

1. Materiál vodiče: Různé materiály mají různý odpor. Měď má například nižší měrný odpor než hliník, takže měděné kabely poskytují nižší ztráty.
2. Délka vodiče: Čím delší je kabel, tím větší je jeho odpor a tím větší úbytek napětí.
3. Průřez vodiče: Čím menší je průřez kabelu, tím vyšší je jeho odpor.
4. Teplota vodiče: Odolnost většiny materiálů se zvyšuje s rostoucí teplotou. To znamená, že při protékání proudu se kabel zahřívá, což dále zvyšuje jeho odpor a ztráty.

Závislost odporu na teplotě je popsána následujícím vzorcem:

• R_t – odolnost při teplotě t (°C);
• R₂₀ – odolnost při 20°C;
• α₂₀ – teplotní koeficient odolnosti při 20°C;
• t – teplota (°C).

Hodnoty specifického odporu a teplotních koeficientů pro měď a hliník jsou uvedeny v tabulce 1 GOST R IEC 60287-1-1-2009:

2. Povrchový efekt (efekt pokožky).

Při vysokých frekvencích má proud tendenci být distribuován po povrchu vodiče. Tento jev se nazývá skinefekt a má za následek zmenšení efektivní plochy průřezu vodiče a v důsledku toho zvýšení jeho odporu.

3. Efekt blízkosti.

Interakce magnetických polí sousedních vodičů může také vést k nerovnoměrnému rozložení proudu a zvýšenému odporu. Tento efekt se nazývá proximity efekt a je zvláště patrný u vícežilových kabelů a kabelů instalovaných v těsné blízkosti u sebe.

Podrobné vzorce pro výpočet koeficientů skinefektu a proximity efektu, stejně jako hodnoty koeficientů pro různé typy jader jsou uvedeny v části 2.1 GOST R IEC 60287-1-1-2009.

4. Dielektrické ztráty (pro AC kabely).

U AC kabelů se část energie ztrácí v izolačním dielektriku. Tyto ztráty závisí na napětí, frekvenci a vlastnostech izolačního materiálu.

Indukčnost kabelu má za následek jalový výkon, který také přispívá k poklesu napětí.

Výpočet úbytku napětí

Výpočet poklesu napětí v kabelu se provádí pomocí různých vzorců pro stejnosměrný a střídavý proud. Je také nutné vzít v úvahu konfiguraci sítě (jednofázové nebo třífázové).

Pokles napětí při konstantním proudu

Pro stejnosměrný proud se úbytek napětí vypočítá pomocí následujícího vzorce, který vyplývá z Ohmova zákona:

ΔU = 2 * I * R * L / 1000,

• ΔU – pokles napětí (Volty);
• I – proud (Ampéry);
• R – odpor kabelu na 1 km (Ohm/km); Můžete jej převzít z tabulek výrobce nebo vypočítat pomocí vzorce R = ρ * L / S, kde ρ je měrný odpor materiálu vodiče, L je délka kabelu, S je průřez vodiče.
• L – délka kabelu (metry).

Faktor 2 zohledňuje úbytek napětí na obou vodičích (dopředný a zpětný).

Pokles napětí ve střídavém proudu v jednofázové síti

Pro střídavý proud v jednofázové síti vzorec bere v úvahu účiník (cos φ):

ΔU = 2 * I * L * (R * cos φ + X * sin φ) / 1000,

• ΔU – pokles napětí (Volty);
• I – proud (Ampéry);
• R – aktivní odpor kabelu na 1 km (Ohm/km);
• X – reaktance kabelu na 1 km (Ohm/km);
• L – délka kabelu (metry);
• cos φ – účiník.

Pokles napětí ve střídavém proudu v třífázové síti

Pro třífázovou síť je vzorec následující:

ΔU = √3 * I * L * (R * cos φ + X * sin φ) / 1000,

kde jsou označení podobná vzorci pro jednofázovou síť.

Příklady výpočtů

Příklad 1. Výpočet úbytku napětí v jednofázové síti:

Dáno: I = 10 A, L = 50 m, R = 10 Ohm/km, cos φ = 0.9, X = 0.5 Ohm/km.

ΔU = 2 * 10 * 50 * (10 * 0.9 + 0.5 * sin(arccos(0.9))) / 1000 = 0.9 + 0.23 = 1.13 V.

Příklad 2. Výpočet úbytku napětí v třífázové síti:

Dáno: I = 5 A, L = 100 m, R = 4 Ohm/km, cos φ = 0.8, X = 0.2 Ohm/km.

ΔU = 1.73 * 5 * 100 * (4 * 0.8 + 0.2 * sin(arccos(0.8)))/1000 = 1.73 * 500 * 0.38/1000 = 2.72 + 0.657 = 3.377 V.

Používání tabulek a online kalkulaček

Pro zjednodušení výpočtů můžete použít tabulky z GOST nebo specializované online kalkulačky. Při použití tabulek je nutné dbát na podmínky, pro které jsou sestavovány (materiál jádra, způsob instalace, okolní teplota). Online kalkulačky obvykle umožňují zohlednit více parametrů a podat přesnější výsledek.

Způsoby, jak minimalizovat pokles napětí

Minimalizace poklesu napětí v kabelovém vedení je důležitým úkolem, který umožňuje zvýšení účinnosti napájení, snížení energetických ztrát a zajištění stabilního provozu zařízení. Tohoto cíle lze dosáhnout několika způsoby:

1. Zvětšení průřezu kabelu.

Nejúčinnějším způsobem snížení úbytku napětí je zvětšení průřezu vodičů kabelu. Čím větší je průřez, tím nižší je odpor a tím nižší jsou ztráty. Pro výpočet požadovaného průřezu můžete použít následující vzorec, který je transformací vzorce pro výpočet poklesu napětí:

S = (2 * ρ * I * L) / (1000 * ΔU_další) pro stejnosměrný proud,

S = (2 * I * L * (R * cos φ + X * sin φ)) / (1000 * ΔU_další) pro jednofázový střídavý proud,

S = (√3 * I * L * (R * cos φ + X * sin φ)) / (1000 * ΔU_další) pro třífázový střídavý proud,

• S – průřez vodiče (mm²);
• ρ – měrný odpor materiálu vodiče (Ohm mm²/m);
• I – proud (Ampéry);
• L – délka kabelu (metry);
• R – aktivní odpor kabelu na 1 km (Ohm/km);
• X – reaktance kabelu na 1 km (Ohm/km);
• cos φ – účiník;
• ΔU_další – přípustný pokles napětí (Volty).

Při výběru průřezu kabelu je třeba se také řídit tabulkou přípustného proudového zatížení z PUE (Pravidla elektrické instalace), která zohledňuje materiál jádra, způsob instalace a okolní teplotu. Je důležité volit průřez s rezervou, aby byla zohledněna možná přetížení a změny provozních podmínek.

2. Použití materiálů s nízkým odporem.

Měď má nižší měrný odpor než hliník, takže jsou-li všechny ostatní věci stejné, měděné kabely poskytují menší pokles napětí. Měď je však dražší než hliník, takže výběr materiálu závisí na konkrétních podmínkách a rozpočtu.

3. Zkrácení délky kabelu.

Čím kratší je kabel, tím menší je jeho odpor a tím menší úbytek napětí. Při navrhování napájecích systémů by se proto mělo usilovat o minimální délku kabelových vedení.

4. Správná volba způsobu pokládky kabelů.

Způsob instalace kabelu ovlivňuje jeho teplotní podmínky. Například položení do země poskytuje lepší chlazení než položení na vzduchu, což snižuje odpor a pokles napětí.

5. Snížení zatížení kabelového vedení.

Snížení proudu procházejícího kabelem přímo snižuje úbytek napětí. Toho lze dosáhnout optimalizací spotřeby energie nebo rozložením zátěže na více linek.

6. Kompenzace jalového výkonu.

V sítích s velkou indukční zátěží (elektromotory, transformátory) může být značná část poklesu napětí způsobena jalovým výkonem. Pro kompenzaci jalového výkonu se používají kondenzátorové jednotky. Tato metoda umožňuje snížit pokles napětí, odlehčit kabelové vedení a zvýšit účiník.

Regulační dokumenty a normy

Přípustný pokles napětí v elektrických sítích je regulován řadou regulačních dokumentů. Hlavní jsou:

GOST 32144-2013 Elektrická energie. Elektromagnetická kompatibilita technických zařízení. Normy kvality elektrické energie v univerzálních napájecích systémech: Tato GOST stanoví normy pro kvalitu elektrické energie, včetně přípustných odchylek napětí. U většiny spotřebičů by odchylka napětí neměla překročit ±10 % jmenovité hodnoty v normálním režimu a ±15 % v ponouzovém režimu.

PUE (Pravidla elektrické instalace): Elektrický instalační předpis také obsahuje požadavky na přípustný pokles napětí. Zejména článek 7.1.29 Řádu pro elektroinstalaci uvádí, že pokles napětí ze zdroje energie k nejvzdálenějším elektrickým přijímačům by neměl překročit 5 % u osvětlovacích sítí a 6 % u energetických sítí. Pro jednotlivé části sítě se tyto hodnoty mohou lišit. Například pokles napětí ve vedení napájejícím elektromotor by neměl překročit 5 % jmenovitého napětí motoru, aby bylo zajištěno jeho normální spuštění a provoz. Elektroinstalační řád rovněž uvádí požadavky na výběr průřezu kabelu s přihlédnutím k přípustnému proudovému zatížení a poklesu napětí.

SP 256.1325800.2016 Elektroinstalace bytových a veřejných budov. Pravidla návrhu a instalace: Tento soubor pravidel obsahuje požadavky na projektování a instalaci elektrických instalací v obytných a veřejných budovách, včetně norem pro přípustný úbytek napětí.

Při projektování a provozu elektrických sítí je nutné se řídit požadavky výše uvedených dokumentů. Nedodržení těchto norem může vést k negativním důsledkům, jako je snížená účinnost zařízení, nesprávný provoz a dokonce selhání. Kromě toho může nedodržení norem kvality elektřiny vést k sankcím ze strany organizace zásobující energii. Je důležité si uvědomit, že výše uvedené hodnoty jsou obecná doporučení a v jednotlivých případech mohou být stanoveny přísnější požadavky.

Závěr

Pokles napětí v kabelových vedeních je nevyhnutelný fyzikální proces, ale jeho velikost může a měla by být kontrolována a minimalizována. Správný výpočet a výběr parametrů kabelového vedení, stejně jako použití účinných metod kompenzace ztrát, umožňují snížit pokles napětí na přijatelné hodnoty regulované GOST a PUE.

Dodržování doporučení uvedených v článku, jakož i požadavků regulačních dokumentů, zajistí účinné a spolehlivé napájení, sníží energetické ztráty, prodlouží životnost zařízení a zabrání mnoha problémům spojeným s nedostatečným napětím. Pamatujte, že kompetentní přístup k návrhu a provozu elektrických sítí je klíčem k bezpečnosti a ekonomické účinnosti.

Jak vypočítat požadovaný průřez vodiče na základě výkonu zátěže?

Převod ampérů (A) na watty (W) a wattů (W) na ampéry (A): podrobný průvodce

Která elektroinstalace je lepší – srovnání měděné a hliníkové elektroinstalace

Určení plochy průřezu vodiče podle jeho průměru

Co je to koaxiální kabel, hlavní vlastnosti a kde se používá?

Co je to dělič napětí a jak jej vypočítat?

7 2012 июня k-igor

1. Výpočet ztráty napětí pro stejnosměrné sítě 12, 24, 36V.
2. Výpočet ztráty napětí bez zohlednění indukční reaktance 220/380V.
3. Výpočet úbytku napětí s ohledem na indukční reaktanci 380V.

Při návrhu sítí je často nutné vypočítat ztrátu napětí v kabelu. Nyní chci mluvit o základních výpočtech ztráty napětí ve stejnosměrných a střídavých sítích, v jednofázových a třífázových sítích.

Podívejme se na regulační dokumenty a podívejme se, jaké jsou povolené hodnoty odchylky napětí.

TKP 45-4.04-149-2009 (RB).

9.23 Odchylky napětí od jmenovitého napětí na svorkách silových elektrických přijímačů a nejvzdálenějších elektrických světel by v normálním režimu neměly překročit ±5 %,
a v pohavarijním režimu při nejvyšším návrhovém zatížení —±10 %. V napěťových sítích
12–42 V (počítáno ze zdroje napětí, např. snižovacího transformátoru), odchylky napětí jsou povoleny až do 10 %.

Odchylka napětí u elektromotorů v režimech spouštění je povolena, ale ne více než 15 %. V tomto případě musí být zajištěn stabilní provoz spouštěcího zařízení a spouštění motoru.

V normálním provozním režimu, při zatížení výkonových transformátorů do transformátorových rozvoden nepřesahujícím 70 % jejich jmenovitého výkonu, jsou přípustné (dostupné) celkové ztráty napětí
od přípojnic transformoven 0,4 kV po nejvzdálenější lampu obecného osvětlení v obytných a veřejných budovách, s přihlédnutím ke ztrátám transformátorů naprázdno a ztrátám napětí v nich, redukovaných na sekundární napětí, by zpravidla neměly překročit 7,5% . Současně by ztráty napětí v elektrických instalacích uvnitř budov neměly překročit 4% jmenovitého napětí, pro jevištní osvětlení – 5%.

SP 31-110-2003 (RF).
7.23 Odchylky napětí od jmenovitého napětí na svorkách silových elektrických přijímačů a nejvzdálenějších elektrických osvětlovacích svítilen by v normálním režimu neměly překročit ±5 % a maximální přípustné v ponouzovém režimu při nejvyšším projektovaném zatížení je ±10 %. . V sítích s napětím 12-50 V (počítáno ze zdroje energie, např. snižovacího transformátoru) je povoleno akceptovat odchylky napětí až do 10 %.

U řady elektrických přijímačů (řídicí zařízení, elektromotory) je povoleno snížení napětí ve spouštěcích režimech v mezích hodnot regulovaných pro tyto elektrické přijímače, ale ne více než 15%.

Při zohlednění regulovaných odchylek od jmenovité hodnoty by celkové ztráty napětí z přípojnic 0,4 kV trafostanice k nejvzdálenější lampě obecného osvětlení v obytných a veřejných budovách neměly zpravidla překročit 7,5 %.

Rozsah změn napětí na svorkách elektrických přijímačů při spouštění elektromotoru by neměl překročit hodnoty stanovené GOST 13109.

GOST 13109.

5.3.2 Maximální přípustná hodnota součtu ustálené odchylky napětí dUy a rozsahu změn napětí v místech připojení k elektrickým sítím o napětí 0,38 kV je rovna 10 % jmenovitého napětí.

Ztráty napětí závisí na materiálu kabelu (měď, hliník), průřezu, délce vedení, výkonu (proudu) a napětí.

Pro výpočet úbytku napětí jsem udělal 3 programy v Excelu podle knihy F.F. Karpov “Jak vybrat průřez vodičů a kabelů.”

1 U stejnosměrných sítí se indukční reaktance nebere v úvahu. Ztrátu napětí lze vypočítat pomocí následujících vzorců (pro dvouvodičové vedení):

Pomocí těchto vzorců počítám úbytek napětí elektrických pohonů pro otevírání oken (24V), stejně jako osvětlovací sítě (220V).

Vzhled programu pro výpočet ztráty napětí 12, 24, 36, 42V

2 U třífázových sítí, kde je kosinus 1, se také nebere v úvahu indukční reaktance. Tuto metodu lze použít i pro osvětlovací sítě, protože. jejich cos se blíží 1, chyba, kterou dostaneme, není významná. Vzorec pro výpočet ztráty napětí (380V):

Vzhled programu pro výpočet ztráty napětí 220/380V

3 Výpočet úbytku napětí s ohledem na indukční reaktanci se používá v jiných případech, zejména v sítích. Vzorec pro výpočet ztráty napětí s ohledem na indukční reaktanci:

Vzhled programu pro výpočet ztráty napětí 380V, 6kV, 10kV

Chcete-li získat program, přejděte na stránku MOJE PROGRAMY.

Těším se na vaše názory a návrhy :)