Пример расчета потерь напряжения в кабельной линии
Расчет падения напряжения в кабеле
ГРЩ2.2. Показания фазных напряжений после первого участка кабельной линии
Как известно, сечение кабеля выбирается не только по его способности выдерживать без перегрева свой максимальный ток. Другой критерий выбора — его длина. От длины зависит такой важный параметр системы электропитания, как падение напряжения. Иначе говоря — потери на кабельной линии.
В бытовой электропроводке эта проблема практически не принимается во внимание, поскольку существенное влияние она оказывает на длинах кабелей от нескольких десятков метров. Хотя, я уже писал на эту тему статью про падение напряжения, но там основная причина потерь заключалась в большом токе.
В интернете эта тема раскрыта очень поверхностно, и когда я с ней столкнулся, очень долго разбирался. Вспомнил косинусы с синусами, нашёл свой старый калькулятор)) Пока разбирался, написал эту статью. Как обычно у меня и бывает).
В данной статье приведу расчеты и рекомендации, сделанные мной для крупного складского комплекса, введенного в эксплуатацию год назад.
Зачем нужен расчет потерь напряжения в кабеле
Предыстория такова. Проектировщикам выдали техническое задание на проект электроснабжения, в котором была указана мощность холодильных систем. Пока выполнялся проект и выделялись деньги на его реализацию, было куплено холодильное оборудование с потребляемой мощностью, в 2 раза превышавшей исходную. Кроме того, выяснилось, что реальное расстояние до подстанции будет почти в 2 раза больше…
В общем, дорогущее немецкое холодильное оборудование отказывается работать, все знают, что делать, но никто не хочет за это платить. Прошедшим летом из-за пониженного напряжения (линейное 340-360 В) сгорел компрессор стоимостью более 10 тыс.евро. Терпеть дальше это было нельзя. Меня попросили провести расчеты, мониторинг и измерения на системе питания, и дать рекомендации по решению проблемы.
Поскольку писал я этот отчет от лица фирмы, имеющей лицензию на энергоаудит, то этот документ будет иметь силу в предстоящей судебной тяжбе.
По ходу документа в цитатах буду давать комментарии и уточнения.
- Введение
Было проведено обследование качество электроэнергии, поступающей от трансформаторной подстанции (ТП) по первому участку (440 м) до ГРЩ 2.2 и далее по вторым участкам (50 и 40 м) на холодильные установки (Система 12 и Система 14).
Схема структурная данной системы:
Схема кабельных линий от ТП до нагрузки. ДЭС — дизельная электростанция есть, но в данном случае не рассматривается.
Цель обследования – выявить причины значительного падения напряжения на кабельной линии.
В Систему 12 входят следующие потребители:
| Наименование | Установленная мощность, кВт | Макс.расчетный ток, А |
| Воздухоохладитель | 124,6 | 50,5 |
| Воздухоохладитель | 78,3 | 27,1 |
| Двигатели компрессоров | 100 | 132,7 |
| Двигатели вентиляторов | 13,7 | 29,7 |
| Итого | 316,6 | 240 |
В Систему 14 входят следующие потребители:
| Наименование | Установленная мощность, кВт | Макс.расчетный ток, А |
| Воздухоохладитель | 234,4 | 81,2 |
| Воздухоохладитель | 193,9 | 55,7 |
| Воздухоохладитель | 15,2 | 31,3 |
| Двигатели компрессоров | 396 | 525,6 |
| Двигатели вентиляторов | 66 | 144,3 |
| Итого | 905,5 | 838,1 |
Напряжение питания – 380…415 В.
Значения токов, мощностей и напряжения взяты из паспортных данных потребителей.
- Предварительный расчет потерь напряжения
(adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
По предварительному расчету, при напряжении на выходе ТП 415 В на холостом ходу (при выключенной нагрузке), при максимальной нагрузке допустимо падение 35 В, или 8,43%. В таком случае при максимальной нагрузке напряжение упадет до 380 В, что, согласно паспортным данным потребителей, является допустимым.
ТП содержит 2 трансформатора по 600 кВт, которые планировалось использовать по одному. Но из-за увеличения нагрузки их пришлось включить в параллель.
Согласно Своду правил по проектированию и строительству СП 31-110-2003, а также ГОСТ Р 50571.15-97 с учетом регламентированных отклонений от номинального значения суммарные потери напряжения от шин 0,4 кВ ТП до наиболее удаленной нагрузки в жилых и общественных зданиях не должны превышать 9%. Причем, из них 5% — на участке от ТП до ВРУ, и 4% — на участке от ВРУ до потребителя.
Согласно ГОСТ 29322-2014, номинальное фазное напряжение в трехфазных сетях должно составлять 400 В, а при нормальных условиях оперирования напряжение питания не должно отличаться от номинального напряжения больше чем на +-10%.
Исходя из этого, падение на 8,43% является обоснованным и соответствует Правилам и ГОСТам, принятым в РФ.
- Расчет падения напряжения для 1-го участка
В ходе обследования выяснилось следующее. От ТП, расположенной на расстоянии 440 м, электроэнергия поступает в ГРЩ2.2 по кабельной линии, состоящей из четырех параллельно соединенных кабелей АВБбШв 4х240, общим сечением 960 мм2.
Внутренности ГРЩ2.2. Сверху — ввод от ТП на вводной контактор-защитный автомат, справа — шины от АВР (резерв — дизель), ниже — выходной автомат, и выходы на Системы.
Максимальный расчетный ток нагрузки, согласно паспортным данным, составляет 240 А для Системы 12 и 838,1 А для Системы 14. Следовательно, максимальный ток кабельной линии составляет 240+838,1=1078,1 А.
Общая установленная мощность, согласно паспортным данным, составляет 316,6 кВт для Системы 12, и 905,5 кВт для Системы 14. Следовательно, общая установленная мощность всей нагрузки составляет 316,6+905,5=1222,1 кВт.
Рассчитаем падение напряжения на кабельной линии 1-го участка от ТП до ГРЩ2.2 по формуле:
ΔU=√3·I(R·cosφ·L+X·sinφ·L)
Исходные данные для расчета:
- Максимальный ток I = 1078,1 А,
- Установленная мощность нагрузки 1222,1 кВт,
- Удельное активное сопротивление одной жилы R = 0,125 Ом/км по данным производителя кабеля.
- Удельное индуктивное сопротивление одной жилы Х = 0,077 Ом/км по данным производителя кабеля.
- Принимаем Cosφ = 0,8, тогда sinφ = 0,6
- Материал жилы кабеля – алюминий,
- Длина линии L = 0,44 км.
Подставив данные в формулы, получим, что для одного кабеля падение составит 239 В, или 57,75%. Тогда для имеющейся кабельной линии 1-го участка падение напряжения составит 59,8 В, или 14,43%.
Такое падение напряжения только на 1-м участке является недопустимым.
Это - основная формула. Я делал расчеты, используя калькулятор. Проверял полученные данные, используя программу Электрик (подпрограмма «Потери»).
Кроме того, мне здорово помог Игорь (220blog.ru), за что ему большое спасибо!
Ещё есть хорошая книжка, в конце статьи дам ссылку!
- Результат обследования 2-го участка (Система 12)
После щита ГРЩ2.2 к нагрузке идёт второй участок кабельной линии на Систему 12, состоящей из одного кабеля АВВГ-нг-LS 5×185, длиной 50 м.
Данные для расчета:
- Максимальный ток 240 А,
- Установленная мощность нагрузки 316,6 кВт,
- Удельное активное сопротивление одной жилы R = 0,164 Ом/км по данным производителя кабеля.
- Удельное индуктивное сопротивление одной жилы Х = 0,077 Ом/км по данным производителя кабеля.
- Материал жилы кабеля – алюминий,
- Длина линии L = 0,05 км.
Для имеющейся кабельной линии падение напряжения составит 3,67 В, или 0,88%.
- Результат обследования 2-го участка (Система 14)
После щита ГРЩ2.2 к нагрузке идёт второй участок кабельной линии на Систему 14, состоящей из трех параллельно соединенных кабелей АВВГ-нг-LS 5×185 длиной 40 м.
Данные для расчета:
- Максимальный ток 838,1 А,
- Установленная мощность нагрузки 905,5 кВт,
- Удельное активное сопротивление одной жилы R = 0,164 Ом/км по данным производителя кабеля.
- Удельное индуктивное сопротивление одной жилы Х = 0,077 Ом/км по данным производителя кабеля.
- Материал жилы кабеля – алюминий,
- Длина линии L = 0,04 км.
Для одного кабеля потеря напряжения составит 10,2 В, или 2,47%. Для имеющейся кабельной линии 2-го участка Системы 14 падение напряжения составит 3,4 В, или 0,82%.
- Рекомендации по модернизации кабельных линий
Для данного максимального тока и длины линии необходимо выбрать другую кабельную линию участка 1, поскольку расчетное падение напряжения для этого участка является недопустимым. Исходя из данных предварительного расчета и данных падения напряжения на 2-х участках, падение напряжения на 1-м участке должно быть не более 7,55%.
Такой уровень потерь обеспечит кабельная линия, состоящая из 8 кабелей АВБбШв 4х240, включенных в параллель. То есть, к имеющимся кабелям (4 шт.) добавить дополнительные (4 шт.).
В результате, потери на кабельной линии участка 1 составят 7,2%, или 29,8 В.
Кабельные линии 2-х участков в модернизации не нуждаются.
- Выводы
Для стабильной работы холодильного оборудования, согласно его паспортным данным, требуется напряжение с допустимыми пределами от 380 до 415 В.
Если учесть приводимые рекомендации, то при выходном напряжении ТП 415 В при максимальной нагрузке потери напряжения для Системы 12 будут 7,2+0,88=8,08%, или 33,6 В. В результате при максимальной нагрузке питающее напряжение Системы 12 составит не менее 381,4 В.
Для Системы 14 потери будут 7,2+0,82=8,02%, или 33,2 В. В результате при максимальной нагрузке питающее напряжение Системы 14 составит не менее 381,7 В.
- Результаты измерений качества напряжения
Измерения проводились при помощи анализатора качества напряжения HIOKI 3197, который позволяет снимать все параметры напряжения онлайн.
Прибор предназначен для построения графиков различных параметров электропитания в реальном времени. HIOKI 3197 я уже использовал в анализе качества напряжения при проблемах с холодильниками. Если кому нужен такой прибор — обращайтесь!
Измерения проводились в точке подключения 2-го участка Системы 14 в разных режимах работы оборудования. 2-й участок Системы 12 не исследовался, поскольку к нему невозможно было получить доступ, не отключая питания ТП. Но поскольку Система 12 является маломощной по сравнению с Системой 14, для получения общей картины достаточно измерений, результаты которых приведены ниже на графиках.
Результат мониторинга напряжения
Результат мониторинга тока
Пояснения к графикам.
Пик потребления тока (включение нагрузки на 100% мощности) приходится на время 16:56. При этом фазное напряжение (усредненное по фазам) составляет 212 В (линейное – 367 В), ток 836 А.
Холостой ход трансформатора (нагрузка полностью отключена) приходится на 17:07. При этом фазное напряжение составляет 238 В (линейное – 412 В), ток 0 А.
При проведении измерений Система 12 была отключена.
По результатам проведенных измерений можно сделать выводы, что максимальное суммарное падение напряжения для Системы 14 составляет 45 В, или 11%.
Данные измерения подтверждают правильность сделанных расчетов и рекомендаций.
Фото подключения прибора HIOKI 3197 к кабельной линии в процессе измерений:
Подключение HIOKI 3197 для измерения параметров напряжения в реальном времени
- Резервное питание
Резервное питание в ГРЩ 2.2 поступает от ДЭС (дизельной электростанции). Переключение производится через систему АВР (автоматический ввод резерва).
Параметры источника резервного питания:
- Максимальная мощность ДЭС – 600 кВт,
- Кабельная линия – 3 кабеля АВБбШв 4х240, включенных в параллель,
- Длина кабельной линии – 250 м.
Исходя из этих параметров, можно однозначно сделать вывод, что мощностей ДЭС и кабельной линии резервного питания с учетом падения напряжения хватит не более чем на половину максимальных потребностей нагрузки, что совершенно недопустимо.
Поэтому мониторинг качества питания по линии ДЭС проводить не имеет никакого смысла.
Для резервного питания в данном случае рекомендуется применить ДЭС мощностью не менее 1220 кВт. Кабельная линия должна содержать 5 кабелей АВБбШв 4х240, в таком случае падение напряжения до ГРЩ 2.2 будет составлять приемлемое значение 6,5%.
Скачать файл
В заключение — как и обещал, хорошая книжка в тему. Будет очень интересна всем, кого заинтересовала эта статья.
Карпов Ф. Ф. Как выбрать сечение проводов и кабелей, 1973 год.djvu