Pokles napětí: výpočet, vzorec, přípustné normy, důsledky

Pojem pokles napětí označuje pokles napětí podél vodiče, který je způsoben přítomností odporu ve vodiči. Další definice velikosti úbytku napětí souvisí s charakteristikou elektrostatického pole nazývanou elektrostatický potenciál φ.

Co znamená pokles napětí?

Síla působení pole na náboje jim přidává část energie, to znamená, že je práce vykonána. Podíl práce A, kterou pole vykoná při přesunu nabité částice z počátečního bodu do konečného bodu, dělený množstvím náboje q je elektrické napětí U mezi danými body:

Ze vzorce vyplývá, že elektrické napětí je práce pohybující se nábojem o velikosti 1 coulomb z počátečního bodu do koncového. Pomocí předchozího vzorce můžeme získat vzorec pro výpočet vykonané práce:

Potenciál

Silovou charakteristikou pole E je jeho intenzita. Pojem potenciál byl zaveden pro kvantitativní charakterizaci energetických schopností pole. Potenciál pole je potenciální energie W_p náboj dělený jeho velikostí:

Pak se napětí U rovná:

Napětí je tedy rozdíl potenciálů.

Od poklesu potenciálu k poklesu napětí

Jak proud protéká obvodem, elektrický potenciál se mění směrem dolů a v důsledku toho klesá napětí, což je definováno pojmem „úbytek napětí“. Aby úbytek napětí na spotřebičích elektrické energie (obvodové prvky, domácí spotřebiče, elektromotory atd.) byl v mezích zajišťujících normální provoz, je nutné minimalizovat ztráty napětí na odporu zdroje, připojovacích vodičů, kontaktů a konektorů, na kterých se zbytečně rozptyluje energie nabitých částic.

Jak vypočítat

Odhady a přesné výpočty velikosti úbytku napětí vycházejí ze základního fyzikálního zákona Ohma, pojmenovaného po německém badateli Georgu Ohmovi, který tento zákon objevil v roce 1826.

• I — proud v obvodu (měřeno v ampérech, A);
• U — pokles napětí (měřeno ve voltech, V);
• R je odpor, jehož měrnou jednotkou je Ohm, pojmenovaný také po německém objeviteli.

Hodnota proudu I v elektrickém obvodu je tedy přímo úměrná hodnotě U a nepřímo úměrná hodnotě odporu R. Vzorec je základem pro výpočet úbytku napětí a v závislosti na dostupných referenčních nebo naměřených datech mohou být dvě možnosti výpočtu.

Prostřednictvím proudu a odporu

Pomocí výše uvedeného vzorce můžeme získat následující výraz:

To znamená, že když známe hodnotu protékajícího proudu, kterou lze měřit přístrojem (ampérmetrem), a hodnotu odporu, získáme požadovanou hodnotu U vynásobením hodnoty proudu I hodnotou odporu R. Pokud není hodnota R předem známa, pak základní vzorec použitý pro výpočet R vypadá takto:

• L – délka vodiče, m;
• S — plocha průřezu, m2;
• ρ je odpor.

Délka a plocha se snadno změří dostupnými prostředky. Hodnoty měrného odporu všech elektrických materiálů jsou již dlouho měřeny, tabelovány a jsou veřejně dostupné. Hodnota ρ se rovná odporu vodiče dlouhého 1 m a o průřezu 1 m 2 .

Prostřednictvím síly a proudu

Druhá možnost výpočtu je založena na vzorci, který dává do vztahu výkon P elektrické energie uvolněné na zátěži s proudem I a úbytkem napětí U:

Vzorec je důsledkem Joule-Lenzova zákona, objeveného téměř současně dvěma fyziky (anglickým a ruským) v roce 1841.

• I — proud, A;
• R-odpor, Ohm;
• t – doba měření, s;
• Q – množství tepla, J.

Výkon P je podle definice energie, v tomto případě Q, uvolněná za jednotku času. To znamená, že vydělením obou částí rovnice časem t získáme výraz pro mocninu P:

Pomocí vzorce získáme výraz pro P:

Proto, když známe proud protékající zátěží a energii, kterou spotřebovává, můžeme vypočítat pokles napětí:

Vzorec platí pro případ stejnosměrných obvodů. Pro výpočty obvodů střídavého napětí a proudu platí následující vzorec:

V tomto případě písmeno φ označuje účiník, jehož hodnota je určena vlastnostmi zátěže. U elektrických spotřebičů, které mají výhradně aktivní zátěž (topná tělesa, žárovky), je koeficient cos φ prakticky roven jedné. Pro zohlednění možné reaktivní složky během provozu takových zařízení se za dobrou aproximaci považuje hodnota cos φ 0,95. Pro elektrická zařízení s významnou přítomností reaktivní složky (transformátory, elektromotory, kondenzátory) se cos φ bere jako rovno 0,8.

Co způsobuje ztráta napětí?

Z různých důvodů může být vstupní napětí dodávané energeticky náročným spotřebitelům (budovy, průmyslová zařízení) nižší než stanovené normy. Například pokles po délce kabelu je způsoben tokem velkých proudů, což způsobuje zvýšení odporu. Na dlouhých elektrických vedeních rostou ztráty. Pokud se vstupní napětí odchyluje pod stanovené normy, jsou možné následující negativní důsledky:

• Může dojít k narušení provozu průmyslových instalací a osvětlovacích zařízení.
• Při nízkých hodnotách vstupního napětí je vysoká pravděpodobnost poruchy elektrických spotřebičů.
• Krouticí moment potřebný ke spuštění kompresorového zařízení a elektromotorů klesá.
• Nežádoucí nerovnováha v proudové zátěži vzniká na začátku a na jejím konci.
• Osvětlovací zařízení začíná pracovat na poloviční výkon, což normy SanPiN a bezpečnostní požadavky nepovolují.
• Výstupní charakteristiky a provozní režimy elektrických zařízení jsou deformovány. Typickým příkladem je prodloužení doby, kterou kotel potřebuje k ohřevu vody.
• Pravděpodobnost spontánních poruch v provozu elektroniky se prudce zvyšuje.

Na čem to závisí

Ztráty elektrické energie spojené s jejím transportem dráty jsou z výše uvedených fyzikálních důvodů nevyhnutelné. Hlavní důvod souvisí s poklesem napětí na odporu vodičů. Z Ohmova zákona vyplývá, že čím vyšší je odpor vodiče, tím větší je úbytek napětí (ztráty) na něm. U nízkonapěťových sítí s parametry 220-380 V jsou ztráty minimalizovány výběrem kabelu s optimální plochou průřezu.

Ze vzorce vyplývá, že odpor klesá se zvětšováním plochy průřezu a naopak roste s rostoucí délkou drátu. Je také zřejmé, že čím nižší je měrný odpor kovu, ze kterého je drát vyroben, tím nižší je R. Vždy je výhodnější volit drát s měděným jádrem oproti hliníkovému, protože ρ_měď = 0,0175 Ohm*mm2/m, zatímco ρ_hliník = 0,028 Ohm*mm2/m. Je třeba vzít v úvahu, že možnost použití měděného drátu je dražší než hliník. Shrneme-li tuto část, můžeme říci, že ke snížení energetických ztrát byste měli:

• Optimalizujte délku kladených drátů – odstraňte „všechno nepotřebné“.
• Pokud je to možné, použijte dráty s měděným jádrem.
• Vypočítejte optimální průřez použitého drátu při maximálním povoleném zatížení.

Platné hodnoty

Hlavním dokumentem stanovujícím limity přípustných odchylek je GOST 29322-2014 „Mezistátní norma. „Standardní napětí.“ GOST stanoví koncepty krátkodobé a dlouhodobé dovolené odchylky.

V souladu s tímto dokumentem jsou přípustné krátkodobé odchylky 10 %, a to jak nahoru, tak dolů. Například pro typické napětí 220 V se krátkodobě považují za přijatelné hodnoty v rozsahu 207-253 V. Dlouhodobě přípustná odchylka by neměla být větší než 5 %. Pro 220 V se rozsah zužuje na 218-242 V.

Pokud napětí překročí povolené limity, postupujte následovně:

• Odešlete žádost energetické společnosti nebo správcovské společnosti.
• Buďte přítomni při kontrolních měřeních potvrzujících skutečnost nepřípustných odchylek.
• Zaznamenejte provedená měření a důvod všech nepřijatelných odchylek.
• V případě dlouhé byrokratické cesty k samostatnému řešení tohoto problému je úkol vyřešen instalací požadovaného počtu nepřerušitelných zdrojů napájení na vlastní náklady.

Jak snížit napětí pomocí rezistoru

Při použití sériových zdrojů energie ve formě baterií nebo akumulátorů často vzniká potřeba snížit toto napětí na hodnotu, která zajistí normální provoz obvodu nebo zařízení. Nejjednodušší způsob, jak takové problémy vyřešit, jsou odpory, které fungují jako dělič napětí. Typické schéma takového děliče je na obr.3.

Obr.3. Schematické schéma děliče napětí (GND – „zem“)

Napětí ze zdroje U = +5 V je přivedeno na dva sériově zapojené odpory R₁ a R.₂. Při sériovém zapojení protéká oběma odpory stejný proud I, proto podle Ohmova zákona bude úbytek napětí na každém rezistoru:

Vzorce odrážejí podstatu děliče napětí a na obr. 3 jsou tři varianty takového děliče.

Závěr

Pokles napětí spojený se ztrátami elektrické energie je přítomen ve všech elektrických obvodech a sítích. Minimalizace těchto ztrát lze dosáhnout správnou volbou vodičů (materiál jádra, délka a průřez), kterými je elektřina přenášena. Přípustné odchylky napětí jsou upraveny regulačními dokumenty.

Optimální
Inženýrská řešení
v elektroenergetice

Hlavní témata

Pokles napětí v elektrické síti

Pokles napětí v elektrické síti

Pokles napětí – napětí na části elektrického obvodu nebo jeho prvku (GOST 19880-74). [GOST R 52002-2003 nahrazuje GOST 19880-74, ale nemá tuto definici]

Pokles napětí

Kvalita napájení je specifikována v GOST 32144-2013 „Elektrická energie. Elektromagnetická kompatibilita technických zařízení. Normy kvality elektrické energie ve všeobecných napájecích systémech“, který uvádí, že změna napětí může být v rozmezí ± 10 % jmenovitého (nebo dle smluvních podmínek) po 100 % doby intervalu měření jednoho. týden. V reálném životě je tato norma často porušována. Napětí vstupující do domu nebo bytu lze snížit až o 50 %. To je pozorováno především v závislosti na ročním období, ale v některých oblastech to může být konstantní jev.

Co může způsobit pokles napětí:

• trafostanice. Transformátorové rozvodny byly instalovány po celém Rusku, naprostá většina z nich byla instalována již v dobách SSSR, přičemž výpočet zatížení na nich byl proveden na základě zcela jiných elektrických spotřebičů a jejich počtu. Důležitou roli hraje také stáří provozovaných transformátorů, které nepříznivě ovlivňuje kvalitu napájení. Ale stojí za zmínku, že inženýři té doby stanovili značnou míru bezpečnosti, a to jak z hlediska výkonu, tak mechanické pevnosti.
• elektrické vedení Obdobná situace je u trafostanic. Průměr žil a materiál kabelu (hliník) často nevydrží zvýšenou spotřebu energie a četné zkroucení oceli v průběhu času přináší vlastní ztráty na kvalitě. V současné době probíhá výměna hliníkového kabelu za měděný, který je vhodnější pro zátěže.
• rozdíl ve spotřebě energie mezi fázemi. Jak víte, v systému napájení jsou tři fáze. Většinou je jedna z fází spojena s bytem nebo soukromým domem. Pokud dojde k výraznému přetížení jedné fáze ve srovnání s ostatními dvěma, dojde k jevu zvanému fázová nerovnováha, který vyvolává zvýšení nebo snížení napětí.

Vše napsané výše může být přítomno samostatně nebo v kombinaci. I když některou součástku opravíte nebo vyměníte, situace se může zlepšit jen částečně. V napájecích sítích je ještě jedna nuance: na konci vedení z trafostanice pracují spotřebiče energie v obtížnějších podmínkách než spotřebiče umístěné blíže k trafostanici (mohou spotřebovávat více energie a zároveň kvalitu napájení bude lepší.

Normální pokles napětí v síti:

V tzv. venkovních vedeních – až 8 %;

V kabelových napájecích vedeních – až 6 %;

V sítích 220 V – 380 V – v oblasti 4-6%.

Za pokles v nouzovém režimu se v tomto případě považuje pokles v síti až o 12 % – to je stanovená hranice. Pokles nad stanovenou normu slibuje aktivaci automatického ochranného systému, který by se měl aktivovat při dosažení nižší normy na dobu alespoň 30 sekund.

Vliv nízkého napětí v síti na elektrická zařízení:

• výrazné zhoršení startovacích podmínek pro všechny typy motorů a zařízení na bázi motoru;
• při spouštění elektromotoru se zvyšuje startovací proud;
• přehřátí vodičů, dokud se izolace neroztaví a možnost požáru ze zkratu;
• snížení jasu lamp nebo jejich neustálé blikání, což vede k nepohodlí bydlení v domě;
• snížení životnosti domácích elektrických spotřebičů;
• nestabilní provoz zařízení citlivých na energii;
• výrazné zhoršení výkonu elektrických spotřebičů.

To vše dohromady způsobuje značné škody na všech domácích spotřebičích v domě. Televize, počítače, lampy, klimatizace, vysavače, ledničky a další spotřebiče elektřiny dostávají velké škody nejen při spouštění, ale i při běžném provozu. Zařízení se spínaným zdrojem trpí o něco méně, ale také se u nich objevuje nesprávný provoz a odchylky v režimech. To vše v konečném důsledku ovlivňuje člověka: topná zařízení se déle zahřívají, elektrické spotřebiče s motorem pracují hlučněji, kompresor chladničky se nemusí spustit (tj. jídlo se rozmrazí), osvětlení se ztlumí, což může mít vliv na duševní zdraví a fyziologický stav člověka nebo minimálně zhoršit komfort bydlení v interiéru.

Způsoby, jak se vypořádat s nekvalitním napětím

1. Stížnost na organizaci zásobování energií. Před podáním reklamace u energetické organizace je nutné shromáždit doklady o dodávce nekvalitní energie. To se provádí instalací speciálního zařízení, které zaznamenává všechny charakteristiky a parametry napájecí sítě. Předpokladem pro toto zařízení je přítomnost příslušného certifikátu. Toto zařízení se instaluje přímo na přívod energie do domu nebo bytu. Záznam probíhá na paměťovou kartu, následně lze zaznamenaná data přenést do počítače a vytisknout pro prezentaci dodavateli elektřiny. Je také velmi důležité správně sepsat žalobu, pokud nemáte potřebné znalosti, je lepší požádat o radu právníka. Pokud byl váš dopis zamítnut, máte plné právo podat žalobu u soudního orgánu. Pokud je nekvalitní dodávka elektřiny pozorována nejen u vás doma, ale i u vašich sousedů, pak můžete podat hromadnou reklamaci, která výrazně urychlí řešení problému s elektřinou.

2. Instalace stabilizátoru napětí. Tato metoda je nejrychlejší a časově méně náročná. Proto je mezi obyvatelstvem nejoblíbenější. Problém kvality napájení je vyřešen ihned po instalaci stabilizátoru napětí na vstupu. Stabilizátor napětí nejen „přivede“ napájecí napětí na standardních 220 voltů, ale také spolehlivě ochrání domácí elektrospotřebiče před náhlými změnami napětí (přepětí) a před různými typy nouzových situací v síti. Stabilizátory napětí mají všechny potřebné vlastnosti pro použití nejen v běžném životě, ale i ve výrobě.

3. Instalace střídače (nepřerušitelný zdroj napájení). Řešení je dražší než instalace stabilizátoru napětí, ale v tomto případě je tu jedna velká výhoda. Střídač nejen stabilizuje nekvalitní napětí, ale také poskytuje záložní napájení z baterií v případě úplné absence napájecího napětí. V závislosti na modelu, kapacitě baterie a připojené zátěži může rezervovat energii od 15 minut do 2 dnů. Střídač se instaluje buď u vchodu do domu, nebo samostatně na důležitá elektrická zařízení, např. topný kotel, lednička, požární nebo zabezpečovací systém. Měniče mají ideální sinusový výstup, který je pro moderní citlivá zařízení velmi důležitý.

4. Instalace zařízení na alternativní zdroje energie. Instalují se hlavně v soukromých domech a chatách. V tomto případě mluvíme o solárních panelech a větrných generátorech. Hlavní výhodou této metody je, že solární a větrná energie je zdarma, finanční náklady vznikají pouze na nákup a instalaci instalovaného zařízení. Výrobní technologie umožňují dosáhnout životnosti těchto systémů minimálně 30 let. Hlavní nevýhodou alternativních energetických systémů je jejich vysoká cena, vypočítaná v závislosti na objemu vyrobené energie, desítky nebo dokonce stovky tisíc rublů. Ale s ohledem na skutečnost, že náklady na elektřinu se každým rokem zvyšují, návratnost takových systémů není delší než 10 let.

5. Vlastní trafostanice. Ze všech uvedených metod řešení elektrických problémů je tato metoda nejdražší. Náklady na výměnu rozvodny a přenosových vedení jdou do milionů. A ne všude je možné jej nainstalovat.