Расчет потерь напряжения в кабеле

Для того чтобы обеспечить подачу напряжения от распределительного устройства к конечному потребителю используются линии электропередач. Они могут быть воздушными или кабельными и имеют значительную протяженность.

Как и все проводники, они имеют сопротивление, которое зависит от длины и чем они протяжение, тем больше потеря напряжения.

И чем длиннее линия, тем потери напряжения будут больше. Т.е. напряжение на входе и в конце линии будет разное.

Чтобы оборудование работало без сбоев, эти потери нормируются. Они суммарно должны иметь значение, не превышающее 9%.

Максимальное понижение напряжение на вводе составляет пять процентов, а до самого удаленного потребителя не более четырех процентов. В трехфазной сети при трех или четырех проводной сети этот показатель не должен превышать 10%.

Симптомы снижения напряжения у потребителя

Если эти показатели не соблюдаются, конечные потребители не смогут обеспечить номинальные параметры. При снижении напряжения возникают следующие симптомы:

Осветительные приборы, в которых используются лампы накаливания, начинают работать (светиться) в половину накала;
При включении электродвигателей уменьшается пусковое усилие на валу. В результате чего двигатель не вращается, и как следствие происходит перегрев обмоток и выход из строя;
Некоторые электроприборы не включаются. Не хватает напряжения, а другие приборы после включения могу выходить из строя;
Установки, чувствительные к входному напряжению, работают нестабильно, так же могут не включаться источники света, у которых нет нити накаливания.

Передача электроэнергии производится по воздушным или кабельным сетям. Воздушные изготовлены из алюминия, а кабельные могут быть алюминиевыми или медными.

В кабелях кроме активного сопротивления имеется емкостное сопротивление. Поэтому потеря мощности зависит от длины кабеля.

Причины, приводящие к снижению напряжения

Потери напряжения в линии электропередач возникают по следующим причинам:

По проводу проходит ток, который нагревает его, в результате увеличивается активное и емкостное сопротивление;
Трехфазный кабель при симметричной нагрузке имеет одинаковые значения напряжения на жилах, а ток нулевого провода будет стремиться к нулю. Это справедливо если нагрузка постоянная и чисто активная, что в реальных условиях невозможно;
В сетях, кроме активной нагрузки, имеется реактивная нагрузка в виде обмоток трансформатора, реакторов и т.п. и как следствие в них появляется индуктивная мощность;
В результате сопротивление будет складываться из активного, емкостного и индуктивного. Оно влияет на потери напряжения в сети.

Потери тока зависят от длины кабеля. Чем он протяжение, тем больше сопротивление, а это значит, что и потери значительнее. Отсюда следует, что потери мощности в кабеле зависят от протяженности или длины линии.

Потери электроэнергии в электрических сетях: виды, причины, расчет

Потери электроэнергии в электрических сетях неминуемы, поэтому важно чтобы они не превышали экономически обоснованного уровня.

Превышение норм технологического расхода говорит о возникших проблемах. Чтобы исправить ситуацию необходимо установить причины возникновения нецелевых затрат и выбрать способы их снижения.

Собранная в статье информация описывает многие аспекты этой непростой задачи.

Виды и структура потерь

Под потерями подразумевается разница между отпущенной потребителям электроэнергией и фактически поступившей к ним. Для нормирования потерь и расчетов их фактической величины, была принята следующая классификация:

Технологический фактор. Он напрямую зависит от характерных физических процессов, и может меняться под воздействием нагрузочной составляющей, условно-постоянных затрат, а также климатических условий.
Расходы, затрачиваемые на эксплуатацию вспомогательного оборудования и обеспечение необходимых условий для работы техперсонала.
Коммерческая составляющая. К данной категории относятся погрешности приборов учета, а также другие факторы, вызывающие недоучет электроэнергии.

Ниже представлен среднестатистический график потерь типовой электрокомпании.

Примерная структура потерь

Как видно из графика наибольшие расходы связаны с передачей по воздушным линиям (ЛЭП), это составляет около 64% от общего числа потерь. На втором месте эффект коронированния (ионизация воздуха рядом с проводами ВЛ и, как следствие, возникновение разрядных токов между ними) – 17%.

Коронный разряд на изоляторе ЛЭП

Исходя из представленного графика, можно констатировать, что наибольший процент нецелевых расходов приходится на технологический фактор.

Основные причины потерь электроэнергии

Разобравшись со структурой, перейдем к причинам, вызывающим нецелевой расход в каждой из перечисленных выше категорий. Начнем с составляющих технологического фактора:

Нагрузочные потери, они возникают в ЛЭП, оборудовании и различных элементах электросетей. Такие расходы напрямую зависят от суммарной нагрузки. В данную составляющую входят:

Потери в ЛЭП, они напрямую связаны с силой тока. Именно поэтому при передаче электроэнергии на большие расстояния используется принцип повышения в несколько раз, что способствует пропорциональному уменьшению тока, соответственно, и затрат.
Расход в трансформаторах, имеющий магнитную и электрическую природу ( 1 ). В качестве примера ниже представлена таблица, в которой приводятся данные затрат на трансформаторах напряжения подстанций в сетях 10 кВ.

Потери в силовых трансформаторах подстанций

Нецелевой расход в других элементах не входит в данную категорию, ввиду сложностей таких расчетов и незначительного объема затрат. Для этого предусмотрена следующая составляющая.

Категория условно-постоянных расходов. В нее входят затраты, связанные со штатной эксплуатацией электрооборудования, к таковым относятся:

Холостая работа силовых установок.
Затраты в оборудовании, обеспечивающем компенсацию реактивной нагрузки.
Другие виды затрат в различных устройствах, характеристики которых не зависят от нагрузки. В качестве примера можно привестисиловую изоляцию, приборы учета в сетях 0,38 кВ, змерительные трансформаторы тока, ограничители перенапряжения и т.д.

Климатическая составляющая. Нецелевой расход электроэнергии может быть связан с климатическими условиями характерными для той местности, где проходят ЛЭП. В сетях 6 кВ и выше от этого зависит величина тока утечки в изоляторах. В магистралях от 110 кВ большая доля затрат приходится на коронные разряды, возникновению которых способствует влажность воздуха. Помимо этого в холодное время года для нашего климата характерно такое явление, как обледенение на проводах высоковольтных линий, а также обычных ЛЭП.Гололед на ЛЭП

Учитывая последний фактор, следует учитывать затраты электроэнергии на расплавление льда.

Расходы на поддержку работы подстанций

К данной категории отнесены затраты электрической энергии на функционирование вспомогательных устройств. Такое оборудование необходимо для нормальной эксплуатации основных узлов, отвечающих за преобразование электроэнергии и ее распределение. Фиксация затрат осуществляется приборами учета. Приведем список основных потребителей, относящихся к данной категории:

системы вентиляции и охлаждения трансформаторного оборудования;
отопление и вентиляция технологического помещения, а также внутренние осветительные приборы;
освещение прилегающих к подстанциям территорий;
зарядное оборудование АКБ;
оперативные цепи и системы контроля и управления;
системы обогрева наружного оборудования, например, модули управления воздушными выключателями;
различные виды компрессорного оборудования;
вспомогательные механизмы;
оборудование для ремонтных работ, аппаратура связи, а также другие приспособления.

Коммерческая составляющая

Под данными затратами подразумевается сальдо между абсолютными (фактическими) и техническими потерями. В идеале такая разница должна стремиться к нулю, но на практике это не реально.

В первую очередь это связано с особенностями приборов учета отпущенной электроэнергии и электросчетчиков, установленных у конечных потребителей. Речь идет о погрешности.

Существует ряд конкретных мероприятий для уменьшения потерь такого вида.

https://www.youtube.com/watch?v=BSu1WKe6bEo

К данной составляющей также относятся ошибки в счетах, выставленных потребителю и хищения электроэнергии. В первом случае подобная ситуация может возникнуть по следующим причинам:

в договоре на поставку электроэнергии указана неполная или некорректная информация о потребителе;
неправильно указанный тариф;
отсутствие контроля за данными приборов учета;
ошибки, связанные с ранее откорректированными счетами и т.д.

Что касается хищений, то эта проблема имеет место во всех странах. Как правило, такими противозаконными действиями занимаются недобросовестные бытовые потребители.

Заметим, что иногда возникают инциденты и с предприятиями, но такие случаи довольно редки, поэтому не являются определяющими.

Характерно, что пик хищений приходится на холодное время года, причем в тех регионах, где имеются проблемы с теплоснабжением.

Различают три способа хищения (занижения показаний прибора учета):

Механический. Под ним подразумевается соответствующее вмешательство в работу прибора. Это может быть притормаживание вращения диска путем прямого механического воздействия, изменение положения электросчетчика, путем его наклона на 45° (для той же цели). Иногда применяется более варварский способ, а именно, срываются пломбы, и производится разбалансирование механизма. Опытный специалист моментально обнаружит механическое вмешательство.
Электрический. Это может быть как незаконное подключение к воздушной линии путем «наброса», метод инвестирования фазы тока нагрузки, а также использование специальных приборов для его полной или частичной компенсации. Помимо этого есть варианты с шунтированием токовой цепи прибора учета или переключение фазы и нуля.
Магнитный. При данном способе к корпусу индукционного прибора учета подносится неодимовый магнит.

Магнит может воздействовать только некоторые старые модели электросчетчиков

Практически все современные приборы учета «обмануть» вышеописанными способами не удастся. Мало того, подобные попытки вмешательства могут быть зафиксированы устройством и занесены в память, что приведет к печальным последствиям.

Понятие норматива потерь

Под данным термином подразумевается установка экономически обоснованных критериев нецелевого расхода за определенный период. При нормировании учитываются все составляющие. Каждая из них тщательно анализируется отдельно.

По итогу производятся вычисления с учетом фактического (абсолютного) уровня затрат за прошедший период и анализа различных возможностей, позволяющих реализовать выявленные резервы для снижения потерь.

То есть, нормативы не статичны, а регулярно пересматриваются.

Под абсолютным уровнем затрат в данном случае подразумевается сальдо между переданной электроэнергией и техническими (относительными) потерями. Нормативы технологических потерь определяются путем соответствующих вычислений.

Кто платит за потери электричества?

Все зависит от определяющих критериев. Если речь идет о технологических факторах и расходах на поддержку работы сопутствующего оборудования, то оплата потерь закладывается в тарифы для потребителей.

Совсем по иному обстоит дело с коммерческой составляющей, при превышении заложенной нормы потерь, вся экономическая нагрузка считается расходами компании, осуществляющей отпуск электроэнергии потребителям.

Способы уменьшения потерь в электрических сетях

Снизить затраты можно путем оптимизации технической и коммерческой составляющей. В первом случае следует принять следующие меры:

Оптимизация схемы и режима работы электросети.
Исследование статической устойчивости и выделение мощных узлов нагрузки.
Снижение суммарной мощности за счет реактивной составляющей. В результате доля активной мощности увеличится, что позитивно отразится на борьбе с потерями.
Оптимизация нагрузки трансформаторов.
Модернизация оборудования.
Различные методы выравнивания нагрузки. Например, это можно сделать, введя многотарифную систему оплаты, в которой в часы максимальной нагрузки повышенная стоимость кВт/ч. Это позволит существенно потребление электроэнергии в определенные периоды суток, в результате фактическое напряжение не будет «проседать» ниже допустимых норм.

Уменьшить коммерческие затраты можно следующим образом:

регулярный поиск несанкционированных подключений;
создание или расширение подразделений, осуществляющих контроль;
проверка показаний;
автоматизация сбора и обработки данных.

Методика и пример расчета потерь электроэнергии

На практике применяют следующие методики для определения потерь:

проведение оперативных вычислений;
суточный критерий;
вычисление средних нагрузок;
анализ наибольших потерь передаваемой мощности в разрезе суток-часов;
обращение к обобщенным данным.

Полную информацию по каждой из представленных выше методик, можно найти в нормативных документах.

https://www.youtube.com/watch?v=BSu1WKe6bEou0026t=131s

В завершении приведем пример вычисления затрат в силовом трансформаторе TM 630-6-0,4. Формула для расчета и ее описание приведены ниже, она подходит для большинства видов подобных устройств.

Расчет потерь в силовом трансформаторе

Для понимания процесса следует ознакомиться с основными характеристиками TM 630-6-0,4.

Параметры TM 630/6/0,4

Теперь переходим к расчету.

Итоги расчета

Список использованной литературы

Ю. Железко «Потери электроэнергии. Реактивная мощность. Качество электроэнергии: Руководство для практических расчетов» 2009
Поспелов Г.Е. «Потери мощности и энергии в электрических сетях» 1981
Шведов Г.В., Сипачева О.В.
, Савченко О.В. «Потери электроэнергии при ее транспорте по электрическим сетям: расчет, анализ, нормирование и снижение» 2013
Фурсанов М.И.
«Определение и анализ потерь электроэнергии в электрических сетях энергосистем» 2005

Расчет значения потерь

Для обеспечения работоспособности оборудования необходимо произвести расчет. Он проводится в момент проектирования. Современный уровень развития вычислительной техники позволяет производить вычисления с помощью онлайн калькулятора, который позволяет быстро произвести расчет потерь мощности кабеля.

Для вычисления достаточно ввести необходимые данные. Задают параметры тока – постоянный или переменный. Материал линии электропередач – алюминий или медь. Указывают, по каким параметрам производится расчет потери мощности – по сечению или диаметру провода, току нагрузки или сопротивлению.

Дополнительно указывают напряжение сети и температуру кабеля (зависит от условий эксплуатации и способе прокладки). Эти значения подставляются в таблицу расчета и производят расчет с помощью электронного калькулятора.

Можно произвести расчет на основании математических формул. Чтобы правильно понять и оценить процессы, происходящие при передаче электрической энергии, применяют векторную форму представления характеристик.

А для минимизации расчетов трехфазную сеть представляют как три однофазные сети. Сопротивление сети представлено как последовательное подключение активного и реактивного сопротивления к сопротивлению нагрузки.

При этом формула расчета потери мощности в кабеле существенно упрощается. Для получения необходимых параметров используют формулу.

∆U= I*RL.

Эта формула показывает потерю мощности кабеля в зависимости от тока и сопротивления, распределенного по длине кабеля.

Однако, эта формула справедлива, если знать силу тока и сопротивление. Сопротивление можно вычислить по формуле. Для меди оно будет равно р=0,0175Ом*мм2/м, а для алюминия р=0,028Ом*мм2/м.

Зная значение удельного сопротивления вычисляют сопротивление, которое будет определяться по формуле

R=р*I/S, где р- удельное сопротивление, I-длина линии, S- площадь сечения провода.

Для того чтобы выполнить расчет потерь напряжения по длине кабеля, необходимо полученные значения подставить в формулу и произвести вычисления. Эти расчеты можно производить при монтаже электрических сетей или охранных систем и видеонаблюдения.

Если вычисления потери мощности не производить, то это может привести к снижению питающего напряжения потребителей. В результате произойдет перегрев кабеля, он может сильно нагревается, и как следствие происходит повреждение изоляции.

Что может привести к поражению людей электрическим током или короткому замыканию. Снижение напряжения в линии может привести к выходу их строя электронного оборудования.

Поэтому важно при проектировании электропроводки производить расчет потери напряжения в подводящих проводах и проложенном кабеле.

Расчёт потерь в кабеле

При работе токопроводящие жилы нагреваются и выделяют тепло. Чем выше напряжение и сопротивление жил, тем больше потери в кабеле.

Потери можно рассчитать по формуле: ΔU=(Uном-U)∙100/ Uном, где: Uном – номинальное напряжение на входе кабеля, U – напряжение, подведенное к нагрузке. Потери указывают в процентах от номинального напряжения.

Для избежания ошибок при расчётах принято пользоваться таблицами Кнорринга, основанные на взаимосвязи мощности токовой нагрузки и длины силовой линии.

Таб.1 Напряжение 220 В

ΔU, %	Момент нагрузки для медных проводников, кВт∙м, двухпроводных линий на напряжение 220 В
	При сечении проводника s, мм2, равном
	1,5	2,5	4	6	10	16
0,2	4	6	10	14	24	38
0,4	7	12	19	29	48	77
0,6	11	18	29	43	72	115
0,8	14	24	38	58	96	154
1	18	30	48	72	120	192
1,2	22	36	58	86	144	230
1,4	25	42	67	101	168	269
1,6	29	48	77	115	192	304
1,8	32	54	86	130	216	346
2	36	60	96	144	240	384
2,2	40	66	106	158	264	422
2,4	43	72	115	173	288	461
2,6	47	78	125	187	312	499
2,8	50	84	134	202	336	538
3	54	90	144	216	360	576
3,2	58	96	154	230	384	614
3,4	61	102	163	245	408	653
3,6	65	108	173	259	432	691
3,8	68	144	182	274	456	730
4	72	120	192	288	480	768
4,2	76	126	202	302	504	806
4,4	79	132	211	317	528	845
4,6	83	138	221	331	552	883
4,8	86	144	230	346	576	922
5	90	150	240	360	600	960

Таб.2 Напряжение 380/220 В для трёхфазных и четырёхфазных линий. При разнице нагрузок в линиях производятся расчёты по таблице 1.

ΔU, %	Момент нагрузки для медных проводников, кВт∙м, линий четырехпроводных трехфазных с нулем на напряжение 380/220 В или трехпроводных трехфазных без нуля на 380 В при сечении проводника s, мм2, равном
ΔU, %	1.5	2,5	4	6	10	16	25	35	50	70	95	120	150	185
0,2	22	36	58	86	144	230	360	504	720	1 008	1 368	1 728	2 160	2 664
0,4	43	72	115	173	288	461	720	1 008	1 440	2 016	2 736	3 456	4 320	5 328
0,6	65	108	173	259	432	691	1 080	1 512	2 160	3 024	4 104	5 184	6 480	7 992
0,8	86	144	230	346	576	922	1 440	2 016	2 880	4 032	5 472	6 912	8 640	10 656
1	108	180	288	432	720	1 152	1 800	2 520	3 600	5 040	6 840	8 640	10 800	13 320
1,2	130	216	346	518	864	1 382	2 160	3 024	4 320	6 048	8 208	10 368	12 960	15 984
1,4	151	252	403	605	1 008	1 613	2 520	3 528	5 040	7 056	9 576	12 096	15 120	18 648
1,6	173	288	462	691	1 152	1 843	2 880	4 032	5 760	8 064	10 944	13 824	17 280	21 312
1,8	194	324	518	778	1 296	2 074	3 240	4 536	6 480	9 072	12 312	15 552	19 440	23 976
2	216	360	576	864	1 440	2 304	3 600	5 040	7 200	10 080	13 680	17 280	21 600	26 640
2,2	238	396	636	950	1 584	2 534	3 960	5 544	7 920	11 088	15 048	19 008	23 760	29 304
2,4	259	432	691	1 037	1 728	2 765	4 320	6 048	8 640	12 096	16 416	20 736	25 920	31 968
2,6	281	478	749	1 121	1 872	2 995	4 780	6 552	9 360	13 104	17 784	22 464	28 100	34 632
2,8	302	504	806	1 210	2 016	3 226	5 040	7 056	10 080	14 112	19 152	24 192	30 200	37 296
3	324	540	864	1 296	2 160	3 456	5 400	7 560	10 800	15 120	20 520	25 920	32 400	39 960
3,2	346	576	922	1 386	2 304	3 686	5 760	8 064	11 520	16 128	21 888	27 648	34 560	42 624
3,4	367	612	979	1 469	2 448	3 917	6 120	8 568	12 240	17 136	23 256	29 376	36 720	45 280
3,6	389	648	1 037	1 555	2 592	4 147	6 480	9 072	12 960	18 144	24 624	31 104	38 880	47 952
3,8	410	684	1 094	1 642	2 736	4 378	6 840	9 576	13 680	19 152	25 992	32 832	41 040	50 616
4	432	720	1 152	1 728	2 880	4 608	7 200	10 080	14 400	20 160	27 360	34 560	43 200	53 280
4,2	454	756	1 210	1 814	3 024	4 838	7 560	10 584	15 120	21 168	28 728	36 288	45 360	55 944
4,4	475	792	1 267	1 901	3 168	5 069	7 920	11 088	15 840	22 176	30 096	38 016	47 520	58 608
4,6	497	828	1 325	1 987	3 321	5 299	8 280	11 592	16 560	23 184	31 464	39 744	49 680	61 272
4,8	518	864	1 382	2 074	3 454	5 530	8 640	12 096	17 280	24 192	32 832	41 472	51 840	63 936
5	540	900	1 440	2 160	3 600	5 760	9 000	12 600	18 000	25 200	34 200	43 200	54 000	66 600

Таб.3 Напряжение 12 Вт (медный проводник, линия из двух проводков)

ΔU, %	Момент нагрузки для медных проводников, кВт∙м, двухпроводных линий на напряжение 12 В
	При сечении проводника s, мм2, равном
	1,5	2,5	4	6	10	16
1	0,05	0,09	0,14	0,22	0,36	0,58
2	0,1	0,18	0,29	0,43	0,72	1,15
3	0,16	0,27	0,43	0,65	1,08	1,73
4	0,22	0.36	0,58	0,86	1,44	2,3
5	0.27	0,45	0,72	1,08	1,8	2,88
6	0,32	0,54	0,86	1,3	2,16	3,46
7	0,38	0,63	1,0	1,51	2,52	4,03
8	0,44	0,72	1,16	1,72	2,88	4,6
9	0,49	0,81	1,3	1,94	3,24	5,18
10	0,54	0,9	1,44	2,16	3,6	5,76

Оптимальная работа силового кабеля возможна при потере, не больше чем 5%. Если получившийся показатель выше, необходимо заменить кабель на больший по площади сечения токопроводящей жилы. Иначе система не будет работать, также повышается вероятность короткого замыканий. Покупать силовой кабель с большим, чем нужно, сечением, также не стоит. Это значительно повышает стоимость эксплуатации сетей.
При выборе кабеля ориентируйтесь на полученные при расчётах показатели.

Методы сокращения потерь

Потери мощности можно сократить следующими методами:

Увеличить сечение проводников. В результате снизится сопротивление, и потери уменьшатся;
Снижение потребляемой мощности. Этот параметр не всегда можно изменить;
Изменение протяженности кабеля.

Уменьшение мощности и изменение длины линии осуществить практически не возможно. Поэтому если увеличивать сечение провода без расчета, то на длинной линии это приведет к неоправданным затратам.

А это значит, что очень важно произвести расчет, который позволит правильно рассчитать потери мощности в кабеле и выбрать оптимальное значение сечения жил.