Какой фактор оказывает влияние на величину падения напряжения на участке электрической цепи

Обновлено: 17.09.2024

Расчет падения напряжения при питании потребителей по радиальным схемам достаточно прост. Один участок, одно сечение кабеля, одна длина, один ток нагрузки. Подставляем эти данные в формулу и получаем результат.

Насколько часто на практике встречается питание по магистральным схемам и шлейфом? Примеров привести можно много:

В групповых сетях — это сети освещения, розеточные сети.
В жилых домах этажные щиты запитаны по магистральным схемам.
В промышленных и коммерческих зданиях также часто применяются магистральные схемы питания и питания шлейфом щитов.
Шинопровод является примером питания потребителей по магистральной схеме.
Питание опор наружного освещения дорог.

Рассмотрим расчет падения напряжения на примере наружного освещения.

Предположим, что нужно выполнить расчет падения напряжения для четырёх столбов наружного освещения, последовательно запитанных от щита наружного освещения ЩНО.

Длина участков от щита до столба, между столбами: L1, L2, L3, L4.
Ток, протекающий по участкам: I1, I2, I3, I4.
Падение напряжения на участках: dU%1, dU%2, dU%3, dU%4.
Ток, потребляемый светильниками на каждом столбе, Ilamp.

Ток, потребляемый лампой, неизвестен, зато известна мощность лампы и её тип (либо из каталога, либо по п.6.30 СП 31-110-2003).

I_ф — полный фазный ток
P — активная мощность
U_ф — фазное напряжение
cosφ — коэффициент мощности
N_ф — число фаз (N_ф=1 для однофазной нагрузки, N_ф=3 для однофазной нагрузки)

Напомню, что линейное (междуфазное) напряжение больше фазного напряжения в √3 раз:

При расчете падения напряжения в трехфазной сети подразумевают падение линейного напряжения, в однофазных — однофазного.

Формула расчета падения напряжения в трехфазной цепи

Формула расчета падения напряжения в однофазной цепи

I_ф — полный фазный ток, протекающий по участку
R — сопротивление участка
cosφ — коэффициент мощности

Сопротивление участка рассчитывается по формуле

ρ — удельной сопротивление проводника (медь, алюминий)
L — длина участка
S — сечение проводника
N — число параллельнопроложенных проводников в линии

Обычно в каталогах приводят удельные значения сопротивления для различных сечений проводников

При наличии информации об удельных сопротивлениях проводников формулы расчета падения напряжения принимают вид:

Формула расчета падения напряжения в трехфазной цепи

Формула расчета падения напряжения в однофазной цепи

Подставляя в формулу соответствующие значения токов, удельных сопротивлений, длины, количества параллельнопроложенных проводников и коэффициента мощности, вычисляем величину падения напряжения на участке.

Существует ещё ряд бесплатных программ для эмуляции, позволяющие выполнить, в том числе, расчёт резистора при понижении напряжения, например:

Электрическая цепь: правила расчета для определения силы тока Существует ещё ряд бесплатных программ для эмуляции, позволяющие выполнить, в том числе, расчёт резистора при понижении напряжения, например. Спрашивайте, я на связи!

Как рассчитать падение напряжения на резисторе?

Мощность лампы 250Вт, cosφ=0,85.
Расстояние между столбами, от щита до первого столба L1=L2=L3=L4=20м.
Питание столбов осуществляется медным кабелем 3×10.
Ответвление от питающего кабеля до лампы выполнено кабелем 3×2,5, L=6м.

Понижение напряжения переменного тока

С помощью трансформатора

Изменение величины напряжения при помощи электрических машин используется в блоках питания и подзарядных устройствах. Но чтобы понизить вольтаж источника в такой способ, можно использовать различные типы преобразовательных трансформаторов:

Выбирая конкретную модель электрической машины, чтобы понизить напряжение, обратите внимание на характеристики конкретной модели по отношению к тем устройствам, которые вы хотите запитать.

Наиболее актуальными параметрами у трансформаторов являются:

Мощность – трансформатор должен не только соответствовать, подключаемой к нему нагрузке, но и превосходить ее, хотя бы на 10 – 20%. В противном случае максимальный ток приведет к перегреву обмоток трансформатора и дальнейшему выходу со строя.
Номинал напряжения – выбирается и для первичной, и для вторичной цепи. Оба параметра одинаково важны, так как, выбрав модель с входным напряжением на 200 или 190В, на выходе вы при питании от 220В получится пропорционально большая величина.
Защита от поражения электротоком – все обмотки и выводы от них должны обязательно иметь достаточную изоляцию и защиту от прикосновения.
Класс пыле- влагозащищенности – определяет устойчивость оборудования к воздействию окружающих факторов. В современных приборах обозначается индексом IP.

Помимо этого любой преобразователь напряжения, даже импульсный трансформатор, следовало бы защитить от токов короткого замыкания и перегрузки в обмотках. Это существенно сократит затраты на ремонт при возникновении аварийных ситуаций.

С помощью резистора

Для понижения напряжения в цепь нагрузки последовательно включается делитель напряжения в виде активного сопротивления.

Основной сложностью в регулировке напряжения на подключаемом приборе является зависимость от нескольких параметров:

Если вы будете понижать от бытовой сети, то ее можно считать источником бесконечной мощности и принять эту составляющую за константу. Тогда расчет резистора будет выполняться таким методом:

Расчет падения напряжения: в кабеле при питании нагрузок шлейфом Кроме отдельных физических компонентов, она содержит сведения о направлении силе токов, уровнях напряжения и другую информацию. Спрашивайте, я на связи!

Закон Ома для полной цепи — Описание, формула, применение.

Доступна Windows-версия программы расчёта потерь напряжения

Расчёт потерь линейного (между фазами) напряжения в кабеле при трёхфазном переменном токе производится по формулам:

Расчёт потерь фазного (между фазой и нулевым проводом) напряжения в кабеле производится по формулам:

Падение Напряжения в Цепи Постоянного Тока Значение сопротивления

или (если известен ток)

где

Для расчёта потерь линейного напряжения U=380 В; 3 фазы.

Для расчёта потерь фазного напряжения U=220 В; 1 фаза.


Рис.1	Рис.2

Как понизить напряжение переменного и постоянного тока? Дело все в том, что в аккумуляторе спрятано сопротивление, которое условно говоря, цепляется последовательно с источником ЭДС аккумулятора. Спрашивайте, я на связи!

Расчет падения напряжения в кабеле рассчет и мероприятия

Дополнительные методы расчета цепей

В зависимости от сложности устройства (электрической схемы), выбирают оптимальную технологию вычислений.

Метод узлового напряжения

Основные принципы этого способа базируются на законе Ома и постулатах Кирхгофа. На первом этапе определяют потенциалы в каждом узле. Далее вычисляют токи в отдельных ветвях с учетом соответствующих электрических сопротивлений (отдельных компонентов или эквивалентных значений). Проверку делают по рассмотренным правилам.

Метод эквивалентного генератора

Эта технология подходит для быстрого расчета тока в одной или нескольких контрольных ветвях.

В данной методике общую цепь представляют в виде источника тока с определенным напряжением и внутренним сопротивлением. Далее выполняют вычисления по контрольной ветви с применением стандартного алгоритма.

Метод преобразования электрической цепи Предположим, что нужно выполнить расчет падения напряжения для четырёх столбов наружного освещения, последовательно запитанных от щита наружного освещения ЩНО. Спрашивайте, я на связи!

Начиная с азов: закон Ома в действии

Прежде чем разбираться с понятием падения напряжения необходимо вспомнить фундаментальный и основополагающий закон в электротехнике, а именно – закон Ома для отдельного участка цепи:

Где сила тока (I) прямо пропорциональна напряжению (U) и обратно пропорциональна сопротивлению (R). Почему именно для отдельного участка цепи? Потому что закон Ома для полного участка цепи включает в себя сумму активного и реактивного (индуктивного и емкостного) сопротивлений. Такие многочисленные данные нужны при серьёзных расчётах, чаще всего уже в области энергетики.

Из данной формулы можно найти напряжение – разницу потенциалов:

Такое простое равенство сопутствует всем электрикам в их работе и пригодится при расчёте падения напряжения в кабеле определённой длины.

Расчёт электропроводки по падению напряжения

Влияет ли длина и сечение кабеля на напряжение? Влияет и это прекрасно видно на примере закона Ома, который подробно рассматривался в предыдущем параграфе.

Каждый проводник обладает каким-либо сопротивлением, величина которого зависит от материала самого проводника. Например, медь проводит электрический ток куда лучше алюминия, а серебро – лучше меди и т.д. Кабель, по всей своей длине создаёт незначительное сопротивление току, что в конечном итоге приводит к падению напряжения на его концах.

Для того, чтобы найти падение напряжения на кабели, необходимо найти его сопротивление по формуле:

Когда сопротивление провода или кабеля найдено, можно посчитать падение напряжения на его участке по закону Ома. Для укрепления информации можно воспользоваться следующим примером:

Мощность лампы – 100 Вт.

Проводник – медный, длиной 5 м и сечением 1,5 мм2.

Падение напряжения составит:

U = 0,45 А * 3,35 Ом = 1,5 В.

При мощности потребителя 100 В, падение напряжения на кабеле длиной 5 м и сечением 1,5 мм2 составит 1,5 В.

Почему на низком напряжении провода должны быть большего сечения?

Чтобы ответить на данный вопрос необходимо обратиться к примеру из предыдущего параграфа. На проводнике длиной 5 м и сечением 1,5 мм2 падение напряжения составило 1,5 В, что совсем немного, например, для домашней сети 220 В и практически не замечается на линиях 380 В. А если такое падение в бортовой сети легкового автомобиля, где разница потенциалов не превышает 12 В? Весьма ощутимо. Именно поэтому, чтобы скомпенсировать падение напряжения, монтируют провода большего сечения.

Чтобы понять, что такое падение напряжения, следует вспомнить, какие виды напряженности в цепи бывают. Их всего два: напряженность источника питания (при этом источник питания должен быть подключен к контуру) и, собственно, снижение напряжения, которое рассматривается отдельно или в отношении контура. В этом материале будет рассмотрено, как найти падение напряжения, и дана формула расчета падения напряжения в кабеле.

Что означает падение напряжения

Падение происходит, когда происходит перенос нагрузки на всем участке электрической цепи. Действие этой нагрузки напрямую зависит от параметра напряженности в ее узловых элементах. Когда определяется сечение проводника, важно участь, что его значение должно быть таким, чтобы в процессе нагрузки сохранялось в определенных границах, которые должны поддерживаться для нормального выполнения работы сети.

Мнемоническая диаграмма для закона Ома

Более того, нельзя пренебрегать и характеристикой сопротивляемости проводников, из которых состоит цепь. Оно, конечно, незначительное, но его влияние весьма существенно. Падение происходит при передаче тока. Именно поэтому, чтобы, например, двигатель или цель освещения работали стабильно, необходимо поддерживать оптимальный уровень, для этого тщательно рассчитывают провода электроцепи.

Важно! Предел допустимого значения рассматриваемой характеристики отличается от страны к стране. Забывать это нельзя. Если она снижается ниже значений, которые определены в определенной стране, следует использовать провода с большим сечением.

Любой электроприбор будет работать полноценно, если к нему подается то значение, на которое он рассчитан. Если провод взят неверно, то из-за него происходят большие потери электронапряжения, и оборудование будет работать с заниженными параметрами. Особенно актуально это для постоянного тока и низкой напряженности. Например, если оно равно 12 В, то потеря одного-двух вольт уже будет критической.

Закон Ома для участка цепи

Допустимое падение напряжение в кабеле

Значение потери электронапряжения регламентируется и нормируется сразу несколькими правилами и инструкциями устройства электроустановок. Так, согласно правилу СП 31-110-2003, суммарная потеря напряжения от входной точки в помещении до максимально удаленного от нее потребителя электроэнергии не должно быть больше 7.5 %. Это правило работает на всех электроцепях с напряжением не более 400 вольт. Данное правило используется при монтаже и проектировке сетей, а также при их проверке службами Ростехнадзора.

Важно! Этот документ обобщает и отклонение электронапряжения в сетях однофазного тока бытового назначения. Оно должно быть не более 5 % при нормальной работе и 10 % после аварийной ситуации. Если сеть низковольтная, то есть до 50 вольт, то нормальным падением считается +-10 %.

Для кабелей питающей сети используют правило РД 34.20.185-94. Оно допускает параметр потерь не более 6 %, если напряжение составляет 10 кВ и не более 4–6 % при электронапряжении 380 вольт. Чтобы одновременно соблюсти эти правила и инструкции, добиваются потерь 1.5 % для малоэтажных знаний и 2.5 % для многоэтажных.

Падение напряжения на резисторе

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 %.

Исходя из этого и выбирают различные типы кабелей, способных поддерживать такую потерю напряжения.

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

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:

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

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).

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.

Электрический ток возникает, когда под воздействием электрического поля Е в проводящей среде происходит слаженное, однонаправленное перемещение заряженных частиц (чаще всего электронов). Электроны приобретают дополнительную энергию, то есть совершается работа. Для вычисления величины данной работы была введена физическая величина — электрическое напряжение U.

Под термином падение напряжения понимают снижение напряжения вдоль проводника, которое обусловлено наличием сопротивления проводника. Другое определение величины падения напряжения связано с характеристикой электростатического поля, называемой электростатическим потенциалом φ.

Что означает падение напряжения

Сила воздействия поля на заряды добавляет им порцию энергии, то есть производится работа. Частное от деления работы А, произведённой полем по перемещению заряженной частицы из начальной точки в конечную, к количеству заряда q и есть электрическое напряжение U между данными точками:

Из формулы следует, что электрическое напряжение — это работа по передвижению заряда размером в 1 кулон из начальной точки в конечную. Воспользовавшись предыдущей формулой, можно получить формулу для вычисления произведённой работы:

Потенциал

Силовой характеристикой поля Е является его напряжённость. Понятие потенциала было введено для количественной характеристики энергетических способностей поля. Потенциал поля — это потенциальная энергия W_p заряда, делённая на его величину:

Тогда напряжение U равно:

Таким образом, напряжение — это разность потенциалов.

От уменьшения потенциала к падению напряжения

Как рассчитать

Оценки и точные расчёты величины падения напряжения основаны на фундаментальном физическом законе Ома, названным в честь немецкого исследователя Георга Ома, открывшего этот закон в 1826 г.

Рис.1. Георг Симон Ом (1789-1854)

На основании серии многочисленных экспериментов, измеряя зависимость величины тока через различные проводники от прикладываемого напряжения, исследователь получил следующую математическую формулу:

I — ток в цепи (измеряется в амперах, А);
U — падение напряжения (измеряется в вольтах, В);
R — сопротивление, единицей измерения которого является Ом, названная также в честь немецкого первооткрывателя.

Таким образом, значение силы тока I в электрической цепи находится в прямой пропорциональной зависимости от величины U и в обратной пропорциональной зависимости от величины сопротивления R. Формула является базовой для расчёта падения напряжения, при этом в зависимости от имеющихся справочных или измерительных данных могут быть два варианта вычислений.

Через силу тока и сопротивление

Воспользовавшись формулой выше, можно получить следующее выражение:

То есть, зная величину протекающего тока, которая может быть измерена прибором (амперметром), и величину сопротивления, получаем искомое значение U с помощью умножения величины тока I на значение сопротивления R. Если значение R заранее неизвестно, то основная формула, применяемая для вычисления R, выглядит следующим образом:

L — длина проводника, м;
S — площадь поперечного сечения, м 2 ;
ρ — удельное сопротивление.

Длина и площадь легко измеряются доступными средствами. Величины удельных сопротивлений всех электротехнических материалов давно измерены, сведены в таблицы и находятся в открытом доступе. Величина ρ равна сопротивлению проводника длиной 1 м, имеющего площадь поперечного сечения 1 м 2 .

Через мощность и силу тока

Второй вариант вычисления основан на формуле, связывающей мощность P электрической энергии, выделяемой на нагрузке, с током I и падением напряжения U:

Формула является следствием закона Джоуля-Ленца, открытого почти одновременно двумя физиками (английским и русским) в 1841 г.

Рис. 2. Д.П. Джоуль и Э.Х. Ленц

Было замечено, что протекание тока через нагрузку всегда сопровождается выделением тепла Q. Исследователям удалось установить функциональную связь между количеством выделяемого тепла Q и другими измеряемыми (или вычисляемыми) величинами, выраженную формулой:

I — ток, А;
R — сопротивление, Ом;
t — время измерения, с;
Q — количество тепла, Дж.

Мощность P, по определению — это энергия, в данном случае Q, выделяемая в единицу времени. То есть, поделив обе части уравнения на время t, получим выражение для мощности P:

Воспользовавшись формулой, получаем выражение для P:

Следовательно, зная ток, протекающий через нагрузку и потребляемую ей мощность, можем рассчитать падение напряжения:

Формула верна для случая цепей постоянного тока. Для расчётов цепей переменного напряжения и тока справедлива следующая формула:

В данном случае буквой φ обозначается коэффициент мощности, значение которого определяется свойствами нагрузки. Для электроприборов, имеющих исключительно активную нагрузку (нагревательные элементы, лампы накаливания), коэффициент cos φ практически равен единице. Для учёта возможной реактивной составляющей при работе таких устройств хорошим приближением считается значение cos φ равное 0,95. Для электрооборудования с существенным присутствием реактивной компоненты (трансформаторы, электродвигатели, конденсаторы) cos φ принимается равным 0,8.

К чему приводит потеря напряжения

В силу различных причин, входное напряжение, подающееся для энергоёмких потребителей (здания, промышленные объекты), может быть ниже установленных нормативов. Например, падение по длине кабеля обусловлено протеканием больших токов, вызывающих рост сопротивления. Потери возрастают на протяжённых линиях электропередач. При отклонении входных напряжений ниже установленных нормативов возможны следующие негативные последствия:

От чего зависит

Потери электроэнергии, связанные с её транспортировкой по проводам, неизбежны в силу вышеизложенных физических причин. Основная причина связана с падением напряжения на сопротивлении проводов. Из закона Ома следует, что чем выше сопротивление провода, тем больше на нём падение напряжения (потери). Для низковольтных сетей с параметрами 220-380 В потери минимизируются с помощью выбора кабеля, имеющего оптимальную площадь сечения.

Из формулы следует, что сопротивление падает при увеличении площади сечения и, наоборот, растёт при увеличении длины провода. Очевидно также, что чем меньше удельное сопротивление металла, из которого изготовлен провод, тем меньше R. Всегда предпочтительнее выбор провода с медной жилой по сравнению с алюминиевой, т.к. ρ_меди = 0,0175 Ом*мм 2 /м, в то время как ρ_{алюминия} = 0,028 Ом*мм 2 /м. Следует учитывать, что вариант использования медного провода дороже алюминиевого. Подводя итог этого раздела, можно сказать, что для уменьшения потерь электроэнергии следует:

Допустимые значения

При выходе напряжения из допустимых границ следует действовать следующим образом:

Обратиться с заявлением в энергосбытовую или управляющую компанию.
Присутствовать при проведении контрольных замеров, подтверждающих факт недопустимых отклонений.
Зафиксировать проведённые замеры и причину недопустимых отклонений.
При длительном бюрократическом пути решения данной проблемы самостоятельно задача решается путем установки за свой счёт необходимого количества источников бесперебойного питания.

Как понизить напряжение с помощью резистора

При использовании серийных источников питания в виде аккумуляторов или батарей часто возникает необходимость в понижении этого напряжения до значения, которое обеспечивает нормальную работоспособность схемы или устройства. Проще всего такие задачи решаются с помощью резисторов, выполняющих роль делителя напряжения. Типичная схема такого делителя приведена на Рис.3.

Напряжение от источника U₀ = +5 В подаётся на два последовательно подключённых резистора R₁ и R₂. При последовательном соединении через оба резистора протекает одинаковый ток I, следовательно, согласно закону Ома, падение напряжение на каждом резисторе будет составлять:

Формулы отражают суть делителя напряжения, а на Рис.3 показаны три варианта такого делителя.

Заключение

Падение напряжения, связанное с потерями электрической энергии, присутствует во всех электрических цепях и сетях. Минимизации этих потерь можно добиться правильным выбором проводов (материал жилы, длина и сечение), по которым идет трансфер электроэнергии. Допустимые отклонения напряжения регулируются нормативными документами.

Читайте также: