Что называется падением напряжения на участке цепи

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.

Калькулятор расчета потерь напряжения

При проектировании сетей электроснабжения и слаботочных систем часто необходим расчет потерь в кабеле.

При решении вопросов проектирования, данный расчет важен для выбора кабеля с оптимальной площадью сечения жилы.

Неправильный выбор кабеля может привести к тому, что система быстро выйдет из строя или просто не запустится. Именно поэтому при проектировании необходимо производить расчет потерь в кабеле.

РАСЧЁТ ПОТЕРЬ НАПРЯЖЕНИЯ В КАБЕЛЕ.

• Расчёт потерь напряжения в кабеле можно осуществить по следующей формуле:
• ΔU=I*RL
• Где ΔU – потери напряжения в линии,
• I – ток потребления (определяется главным образом характеристиками потребителя),
• RL — сопротивление кабеля (зависит от длины кабеля и площади сечения кабеля).

Потери мощности в кабеле в кабеле зависит так же главным образом от сопротивления кабеля. Излишнее рассеивание энергии в кабеле может привести к существенным потерям электроэнергии.

Излишки тепла идут на нагрев кабеля, поэтому при больших нагрузках неправильный расчет потерь электроэнергии в кабеле может привести к сильному нагреву кабеля и повреждению изоляции, что небезопасно для жизни людей.

Так же при существенной длине линии это может привести к повышенному расходу электроэнергии, что при длительной эксплуатации может сказаться на расходах на электроэнергию. Неправильный расчёт потерь напряжения в кабеле может вызвать некорректную работу оборудования при передаче сигнала (например, периметральная система сигнализации).

Кроме того, расчёт потерь напряжения в кабеле очень важен, если питание оборудования осуществляется от источника с низким напряжением питания (12-48 В постоянного или переменного тока). В этом случае, если длина провода и мощность нагрузки слишком велика, напряжение может упасть до уровня ниже номинальной потребляемой мощности устройства. Это приведет к тому, что устройство не будет работать.

Что такое падение напряжения

Для человека, который знаком с электрооборудованием на уровне простого пользователя (знает, где и как включить/выключить), многие используемые электриками термины кажутся какой-то бессмыслицей. Например, чего только стоит «падение напряжения» или «сборка схемы». Куда и что падает? Кто разобрал схему на детали? На самом же деле, физический смысл происходящих процессов, скрывающийся за большинством этих слов, вполне доступен для понимания даже со школьными знаниями физики.

Чтобы объяснить, что такое падение напряжения, необходимо вспомнить, какие вообще напряжения бывают в электрической цепи (имеется в виду глобальная классификация). Их всего два вида. Первый – это напряжение источника питания, который подключен к рассматриваемому контуру. Оно может также называться приложенным ко всей цепи. А второй вид – это именно падение напряжения. Может быть рассмотрено как в отношении всего контура, так и любого отдельно взятого элемента.

На практике это выглядит следующим образом. Например, если взять обычную лампу накаливания, вкрутить ее в патрон, а провода от него подключить в домашнюю сетевую розетку, то приложенное к цепи (источник питания – проводники – нагрузка) напряжение составит 220 Вольт. Но стоит нам с помощью вольтметра замерять его значение на лампе, как станет очевидно, что оно немного меньше, чем 220. Так произошло потому, что возникло падение напряжения на электрическом сопротивлении, которым обладает лампа.

Пожалуй, нет человека, который не слышал бы о законе Ома. В общем случае формулировка его выглядит так:

где R – активное сопротивление цепи или ее элемента, измеряется в Омах; U – электрическое напряжение, в Вольтах; и, наконец, I – ток в Амперах. Как видно, все три величины непосредственно связаны между собой. Поэтому, зная любые две, можно довольно просто вычислить третью. Конечно, в каждом конкретном случае придется учесть род тока (переменный или постоянный) и некоторые другие уточняющие характеристики, но основа – вышеуказанная формула.

Электрическая энергия – это, фактически, движение по проводнику отрицательно заряженных частиц (электронов). В нашем примере спираль лампы обладает высоким сопротивлением, то есть замедляет перемещающиеся электроны. Благодаря этому возникает видимое свечение, но общая энергия потока частиц снижается. Как видно из формулы, с уменьшением тока уменьшается и напряжение. Именно поэтому результаты замеров у розетки и на лампе различаются. Эта разница и является падением напряжения. Данная величина всегда учитывается, чтобы предотвратить слишком большое снижение на элементах в конце схемы.

Падение напряжения на резисторе зависит от его внутреннего сопротивления и силы протекающего по нему тока. Также косвенное влияние оказывают температура и характеристики тока. Если в рассматриваемую цепь включить амперметр, то падение можно определить умножением значения тока на сопротивление лампы.

Но далеко не всегда удается вот так просто с помощью простейшей формулы и измерительного прибора выполнить расчет падения напряжения. В случае параллельно подключенных сопротивлений нахождение величины усложняется. На переменном токе приходится дополнительно учитывать реактивную составляющую.

Рассмотрим пример с двумя параллельно включенными резисторами R1 и R2. Известно сопротивление провода R3 и источника питания R0. Также дано значение ЭДС – E.

Приводим параллельные ветки к одному числу. Для этой ситуации применяется формула:

Определяем сопротивление всей цепи через сумму R4 = R+R3.

Остается узнать значение падение напряжения на выбраном элементе:

Здесь множитель «R5» может быть любым R — от 1 до 4, в зависимости от того, какой именно элемент схемы нужно рассчитать.

Источник

Нормативные ссылки:

ПУЭ 7-го издания.
Уровни и регулирование напряжения, компенсация реактивной мощности.

1.2.22. Для электрических сетей следует предусматривать технические мероприятия по обеспечению качества электрической энергии в соответствии с требованиями ГОСТ 13109.

1.2.23. Устройства регулирования напряжения должны обеспечивать поддержание напряжения на шинах напряжением 3-20 кВ электростанций и подстанций, к которым присоединены распределительные сети, в пределах не ниже 105 % номинального в период наибольших нагрузок и не выше 100% номинального в период наименьших нагрузок этих сетей. Отклонения от указанных уровней напряжения должны быть обоснованы.

1.2.24. Выбор и размещение устройств компенсации реактивной мощности в электрических сетях производятся исходя из необходимости обеспечения требуемой пропускной способности сети в нормальных и послеаварийных режимах при поддержании необходимых уровней напряжения и запасов устойчивости.

Отклонение напряжения характеризуется показателем установившегося отклонения напряжения, для которого установлены следующие нормы: 

• нормально допустимые и предельно допустимые значения установившегося отклонения напряжения δUу на выводах приемников электрической энергии равны соответственно ± 5 и ± 10% от номинального напряжения электрической сети по ГОСТ 721 и ГОСТ 21128 (номинальное напряжение);
• нормально допустимые и предельно допустимые значения установившегося отклонения напряжения в точках общего присоединения потребителей электрической энергии к электрическим сетям напряжением 0,38 кВ и более должны быть установлены в договорах на пользование электрической энергией между энергоснабжающей организацией и потребителем с учетом необходимости выполнения норм настоящего стандарта на выводах приемников электрической энергии.

РД 34.20.185-94
Инструкция по проектированию городских электрических сетей.
Гл. 5.2 Уровни и регулирование напряжения, компенсация реактивной мощности

5.2.4. Предварительный выбор сечений проводов и кабелей допускается производить исходя из средних значений предельных потерь напряжения в нормальном режиме: в сетях 10(6) кВ не более 6 %, в сетях 0,38 кВ (от ТП до вводов в здания) не более 4-6 %.

Большие значения относятся к линиям, питающим здания с меньшей потерей напряжения во внутридомовых сетях (малоэтажные и односекционные здания), меньшие значения — к линиям, питающим здания с большей потерей напряжения во внутридомовых сетях (многоэтажные многосекционные жилые здания, крупные общественные здания и учреждения).

СП 31-110-2003
Проектирование и монтаж электроустановок жилых и общественных зданий.
7. Схемы электрических сетей.

7.23 Отклонения напряжения от номинального на зажимах силовых электроприемников и наиболее удаленных ламп электрического освещения не должны превышать в нормальном режиме ±5 %, а предельно допустимые в послеаварийном режиме при наибольших расчетных нагрузках — ±10 %. В сетях напряжением 12-50 В (считая от источника питания, например понижающего трансформатора) отклонения напряжения разрешается принимать до 10 %.

Для ряда электроприемников (аппараты управления, электродвигатели) допускается снижение напряжения в пусковых режимах в пределах значений, регламентированных для данных электроприемников, но не более 15 %.

С учетом регламентированных отклонений от номинального значения суммарные потери напряжения от шин 0,4 кВ ТП до наиболее удаленной лампы общего освещения в жилых и общественных зданиях не должны, как правило, превышать 7,5 %. Размах изменений напряжения на зажимах электроприемников при пуске электродвигателя не должен превышать значений, установленных ГОСТ 13109.

ГОСТ Р 50571.15-97 (МЭК 364-5-52-93). Электроустановки зданий.
Часть 5. Выбор и монтаж электрооборудования. Глава 52. Электропроводки.
525. Потери напряжения в электроустановках зданий.

МЭК 60364-7-714-1996, IEC 60364-7-714 (1996). Электрические установки зданий.
Часть 7. Требования к специальным установкам или помещениям.
Раздел 714. Наружные осветительные установки.

в свободном переводе автора статьи:

714.512. Падение напряжения в нормальных рабочих условиях должно быть совместимо с условиями, возникающими от пускового тока ламп.

РД 34.20.501-95
Правила технической эксплуатации электрических станций и сетей РФ.
5. Электрическое оборудование электростанций и сетей.

ГОСТ Р МЭК 60204-1-99 (МЭК 60204-1). Безопасность машин.
Электрооборудование машин и механизмов. Общие требования.
13 Кабели и провода. 13.5 Падение напряжения на проводах

РМ 2559
Инструкция по проектированию учета электропотребления в жилых и общественных зданиях.

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 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.

Часть ЭДС, затрачиваемая на перенос зарядов по внешнему участку цепи, называется падением напряжения во внешней цепи или просто напряжением и обозначается U.

Термин «падение напряжения» или «напряжение» обозначает часть ЭДС, затрачиваемую на преодоление сопротивления данного участка цепи.

ЭДС источника представляет собой сумму падений напряжения на внутреннем и внешнем участке цепи.

Е = U + U

Из этого равенства следует:

т.е. напряжение на зажимах источника тока меньше его ЭДС на величину падения напряжения на внутреннем участке цепи.

Напряжение измеряется в Вольтах.

ЭДС и напряжения измеряется вольтметром (рис.1).

ЭДС измеряют вольтметром на зажимах источника при отключенном потребителе (ключ К разомкнут).

Напряжение измеряют там же, при включённом потребителе (ключ К разомкнут).

Для измерения напряжения на каком-либо участке электрической цепи вольтметр нужно включить к концам этого участка (Рис.2).

Внутреннее падение напряжения измерить нельзя! Его рассчитывают по формуле:

U = E – U.

Закон Ома для полной цепи с источником ЭДС

Сила тока, протекающего в замкнутой цепи прямо пропорциональна ЭДС источника и обратно пропорциональна сумме сопротивлений внешнего R и внутреннего R_о участков цепи.

Е — ЭДС источника;

R – сопротивление внешнего участка цепи;

R – внутреннее сопротивление источника.

Закон Ома для участка цепи

Сила тока прямо пропорциональна напряжению на концах участка и обратно пропорциональна сопротивлению этого участка.

—физический смысл данной формулы: сила тока тем больше, чем выше напряжение. В свою очередь напряжение больше там, где больше напряжение.

— данная формула физического смысла не имеет, т.е. сопротивление не зависит ни от силы тока ни от напряжения. Эта формула используется только для расчета сопротивления.

ТЕМЫ ДЛЯ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ №1

ВТОРОЙ УРОВЕНЬ

Работа и мощность электрического тока

Работой электрического тока называется преобразование электрической энергии в другой вид энергии.

A = Е· q

Работа в системе СИ измеряется в джоулях

Где: А – работа электрического тока в замкнутой цепи

Е — ЭДС источника

Имея в виду, что q = I · t, получаем

A = Е· I · t

Любая электрическая цепь состоит из двух участков – внутреннего и внешнего, следовательно: Е = U + U.Введем данное выражение a формулу работы:

A = (U + U)· I · t = U · I · t + U· I · t.

Из последней формулы видно, что ток совершает работу и на внутреннем, и на внешнем участках цепи. Разобьем данную формулу на две:

A = U · I · t –работа, совершаемая током на внешнем участке цепи;

А = U· I · t —работа, совершаемая током на внутреннем участке цепи (нагрев источника).

Величина, характеризующая скорость с которой происходит преобразование электрической энергии в другие виды энергии, или скорость с которой совершается работа, называется электрической мощность.

P – электрическая мощность

А — работа электрического тока

t – время, в течение которого совершается работа

1 МВт = 1 ·10 6 Вт (мегаватт)

1 кВт = 1 ·10 3 Вт (киловатт)

1 мВт = 1·10 -3 Вт (милливатт)

Величина, характеризующая скорость, с которой другие виды энергии преобразуются в источнике питания в электрическую, называется мощностью генератора.

→ P_И = E· I

Величина, характеризующая скорость, с которой происходит преобразование электрической энергии в потребителе в другие виды энергии, называется мощностью потребителя

→ Р= U· I

Из этой формулы вытекают следующие:

А используя закон Ома можно вывести еще и такие формулы:

Мощность, характеризующая непроизводительный расход электрической энергии, например внутри генератора, называется мощностью потерь.

По закону сохранения энергии мощность генератора равна сумме мощности потребителя и мощности потерь.

Соединение потребителей

Последовательное соединение

Соединение, при котором участки цепи включены один за другим без разветвлений и поэтому имеют одно значение тока, называется последовательным. (рис.4)

При последовательномсоединении резисторов, их эквивалентное (общее) сопротивление равно сумме сопротивлений всех резисторов, входящих в цепочку

n – число сопротивлений.

Параллельное соединение

Соединение, при котором несколько ветвей присоединены к одной паре узлов, называется параллельным (рис.5).

Источник

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