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Come calcolare la perdita di tensione del cavo
La questione della qualità della trasmissione e della ricezione di energia elettrica dipende in gran parte dallo stato delle apparecchiature coinvolte in questo complesso processo tecnologico. Poiché un'enorme potenza viene trasportata su lunghe distanze nel settore energetico, vengono poste maggiori richieste sulle caratteristiche delle linee elettriche.
Inoltre, si presta attenzione alla riduzione delle perdite di tensione non solo su lunghe reti ad alta tensione, ma anche in circuiti secondari, ad esempio trasformatori di misurazione della tensione, come mostrato nella fotografia.
I cavi dei circuiti secondari del VT di ciascuna fase sono raccolti in un unico punto: l'armadio del gruppo terminale. Da questo quadro, situato sul montante centrale dell'apparecchiatura, i circuiti di tensione sono alimentati da un cavo separato alla morsettiera del pannello situato nella sala relè.
Le apparecchiature di alimentazione primaria si trovano a una distanza considerevole dalle protezioni e dai dispositivi di misurazione montati su pannelli. La lunghezza di tale cavo raggiunge i 300 ÷ 400 metri. Tali distanze portano a notevoli perdite di tensione nel circuito interno, che possono sottovalutare seriamente le caratteristiche metrologiche degli strumenti di misura e del sistema nel suo insieme.
Per questo motivo, la qualità della conversione di un valore di tensione primaria, ad esempio 330 kV in un valore secondario di 100 volt con la classe di precisione richiesta di 0,2 o 0,5, potrebbe non rientrare nei limiti accettabili richiesti per il funzionamento affidabile di complessi di misurazione e protezioni.
Al fine di eliminare tali errori durante la fase operativa, tutti i cavi di misurazione sono progettati per perdite di tensione anche durante la progettazione del circuito delle apparecchiature elettriche.
Come vengono create le perdite di tensione
Il cavo è costituito da nuclei conduttivi, ognuno dei quali è circondato da uno strato dielettrico. L'intera struttura è collocata in un involucro dielettrico sigillato.
I conduttori metallici si trovano abbastanza vicini l'uno all'altro, strettamente premuti dalla guaina protettiva. Con una lunga autostrada, iniziano a funzionare come un condensatore con piastre di carica. Grazie alla sua azione, si forma la capacità, che è parte integrante del reattivo.
Come risultato delle trasformazioni sugli avvolgimenti di trasformatori, reattori e altri elementi con induttanze, la potenza dell'energia elettrica acquisisce un carattere induttivo. La resistenza resistiva del nucleo metallico costituisce il componente attivo della resistenza totale o complessa Zп di ciascuna fase.
Per funzionare sotto tensione, il cavo è collegato al carico con una resistenza Z complessa in ogni nucleo.
Durante il funzionamento del cavo in un circuito trifase in una modalità di carico nominale, le correnti nelle fasi L1 ÷ L3 sono simmetriche e una corrente di squilibrio molto vicina allo zero scorre nel filo neutro N.
La complessa resistenza dei conduttori quando la corrente scorre attraverso di essi provoca una caduta e una perdita di tensione nel cavo, riduce il suo valore di ingresso e, a causa del componente reattivo, si flette anche in angolo. Tutto ciò è mostrato schematicamente in un diagramma vettoriale.
La tensione U2 agisce sull'uscita del cavo, che è deviata dal vettore corrente di un angolo φ e ridotta dell'intensità della caduta I ∙ z dal valore di ingresso U1. In altre parole, il vettore di caduta di tensione nel cavo è formato dal passaggio di corrente attraverso la resistenza complessa del conduttore ed è uguale al valore della differenza geometrica dei vettori di ingresso e uscita.
Per chiarezza, è mostrato in scala ingrandita ed è indicato dal segmento ac o dall'ipotenusa del triangolo rettangolare ack. Le sue gambe ak e kc indicano la caduta di tensione attraverso il componente attivo e reattivo della resistenza del cavo.
Continuiamo mentalmente la direzione del vettore U2 all'intersezione con la linea circolare formata dal vettore U1 dal centro nel punto O. Abbiamo un vettore ab, con un angolo che ripete la direzione di U2 e una lunghezza uguale alla differenza aritmetica dei valori U1-U2. Questa quantità scalare è chiamata perdita di tensione.
Viene calcolato durante la creazione del progetto e misurato durante il funzionamento del cavo per monitorare la sicurezza delle sue caratteristiche tecniche.
Il principio di misurazione delle perdite di tensione nel cavo
Per l'esperimento, è necessario eseguire due misurazioni con un voltmetro a estremità diverse: l'ingresso e il carico. Poiché la differenza tra loro sarà minima, è necessario utilizzare un dispositivo ad alta precisione, preferibilmente di classe 0.2.
La lunghezza del cavo può essere grande, il che richiederà un tempo considerevole per il passaggio da un luogo all'altro. Durante questo periodo, la tensione nella rete può cambiare per vari motivi, il che distorcerà il risultato finale. Pertanto, è consuetudine effettuare tali misurazioni su entrambi i lati contemporaneamente, coinvolgere un assistente con apparecchiature di comunicazione e un secondo dispositivo di misurazione ad alta precisione.
Poiché i voltmetri misurano il valore effettivo della tensione, la differenza nelle loro letture indicherà la quantità di perdita formata dalla sottrazione aritmetica dei moduli vettoriali all'ingresso e all'uscita del cavo.
Ad esempio, consideriamo i circuiti del trasformatore di tensione mostrati nelle foto in alto. Supponiamo che il valore lineare all'ingresso del cavo sia misurato al decimo più vicino e pari a 100,0 volt, e ai terminali di uscita collegati al carico, fosse 99,5 volt. Ciò significa che le perdite di tensione sono definite come 100,0-99,5 = 0,5 V. Se convertite in percentuali, sono state pari allo 0,5%.
Il principio del calcolo delle perdite di tensione
Ritorniamo al diagramma vettoriale dei vettori di caduta e caduta di tensione. Quando il design del cavo è noto, la sua resistività viene calcolata dalla resistività, dallo spessore e dalla lunghezza del metallo del nucleo portante corrente.
La reattanza e la lunghezza specifiche determinano la reattanza totale del cavo. Spesso, per il calcolo, è abbastanza prendere una directory con tabelle e secondo la marca del cavo con determinate caratteristiche tecniche calcola entrambi i tipi di resistenze (attiva e reattiva).
Conoscendo le due gambe di un triangolo rettangolo, viene calcolato l'ipotenusa: il valore della resistenza complessa.
Viene creato un cavo per trasmettere una corrente nominale. Moltiplicando il suo valore numerico per la resistenza complessa, scopriamo l'entità della caduta di tensione - lato ac. Entrambe le gambe sono calcolate in modo simile: ak (I ∙ R) e kс (I ∙ X).
Successivamente, vengono eseguiti semplici calcoli trigonometrici. Nel triangolo ake, la gamba ae è definita moltiplicando I ∙ R per cos φ, e in Δ сkf la lunghezza del lato cf (I ∙ X è moltiplicata per sin φ). Si noti che il segmento cf è uguale alla lunghezza del segmento ed, come il lato opposto del rettangolo.
Aggiungi le lunghezze ottenute ae ed ed. Scopriamo la lunghezza dell'annuncio del segmento, che è leggermente inferiore a ab o alla perdita di tensione. A causa del piccolo valore di bd, questo valore è più facile da trascurare che cercare di tenerne conto nei calcoli, cosa che quasi sempre viene fatta.
Questo semplice algoritmo è la base per il calcolo di un cavo a due conduttori quando viene fornito con una corrente sinusoidale alternata. La tecnica funziona con piccole regolazioni per i circuiti CC.
Nelle linee trifase che operano su cavi a tre o quattro fili, per ogni fase viene utilizzata una procedura di calcolo simile. Per questo motivo, è molto più complicato.
Come viene eseguito il calcolo in pratica
I tempi in cui tali calcoli sono stati eseguiti manualmente da formule sono passati da tempo. Le organizzazioni di progettazione utilizzano da tempo tabelle speciali, grafici e diagrammi riassunti in manuali tecnici. Eliminano il lavoro di routine nell'esecuzione di numerose operazioni matematiche e gli errori dell'operatore associati.
Ad esempio, possiamo citare le tecniche esposte in directory accessibili al pubblico:
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La fornitura di elettricità di Fedorov nel 1986;
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sulla progettazione per l'alimentazione di linee elettriche e reti elettriche a cura di Bolshman, Krupovich e Samover.
Con la massiccia introduzione di computer nelle nostre vite, iniziarono a essere sviluppati programmi per il calcolo delle perdite di tensione, il che facilitò notevolmente questo processo. Vengono creati sia per l'esecuzione di calcoli complessi delle reti di alimentazione da parte delle organizzazioni di progettazione, sia per una valutazione approssimativa dei risultati preliminari dell'utilizzo di un cavo separato.
I proprietari di siti elettrici per questi scopi pongono vari calcolatori sulle loro risorse che consentono di valutare rapidamente le capacità dei cavi di marche diverse. Per trovarli è sufficiente nella ricerca di Google inserire la query corrispondente e selezionare uno dei servizi.
Ad esempio, si consideri il funzionamento di una calcolatrice di questo tipo.
Faremo un test di prova per lui e inseriremo i dati iniziali negli appositi campi:
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corrente alternata;
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alluminio;
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lunghezza della linea - 400 m;
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sezione del cavo - 16 mm quadrati (molto probabilmente non è un cavo, ma un nucleo);
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calcolo della potenza - 100 W;
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numero di fasi - 3;
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tensione di rete - 100 volt;
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fattore di potenza - 0,92;
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la temperatura è di 20 gradi.
Premiamo il pulsante "Calcolo delle perdite di tensione nel cavo" e osserviamo il risultato del servizio.
Il risultato è stato abbastanza plausibile: 0,714 volt o 0,714%.
Proviamo a ricontrollarlo su un altro sito. Per fare ciò, vai a un servizio concorrente e inserisci gli stessi valori.
Di conseguenza, otteniamo un rapido calcolo.
Ora puoi confrontare i risultati eseguiti da diversi servizi. 0,714-0,699373 = 0,021 volt.
L'accuratezza del calcolo in entrambi i casi è abbastanza accettabile non solo per una rapida analisi delle prestazioni dei cavi, ma anche per altri scopi.
Un metodo per confrontare il lavoro di due servizi online ha mostrato la loro efficienza e l'assenza di errori di immissione dei dati che una persona può commettere per disattenzione.
Tuttavia, dopo aver eseguito un calcolo del genere, è troppo presto per calmarsi. È necessario concludere che il cavo selezionato è adatto al funzionamento in condizioni operative specifiche. Per questo, ci sono requisiti tecnici per le deviazioni di tensione consentite dalla norma.
Documenti normativi sulla deviazione della tensione dal valore nominale
A seconda della nazionalità, utilizzare uno dei seguenti.
TKP 45-4.04—149—2009 (RB)
Il documento è valido nel territorio della Repubblica di Bielorussia. Quando si riceve il risultato, prestare attenzione alla clausola 9.23.
SP 31-110-2003 (RF)
Gli standard attuali sono previsti per l'uso negli impianti di alimentazione della Federazione Russa. Considera la clausola 7.23.
GOST 13109
Sostituito il 1 gennaio 1999, lo standard interstatale, GOST 13109 del 1987. Analizzare secondo il paragrafo 5.3.2.
Modi per ridurre la perdita dei cavi
Quando viene effettuato il calcolo delle perdite di tensione nel cavo e il risultato viene confrontato con i requisiti dei documenti normativi, possiamo concludere che il cavo è adatto al lavoro.
Se il risultato ha mostrato che gli errori sono sopravvalutati, è necessario scegliere un altro cavo o specificare le condizioni per il suo funzionamento. In pratica, un caso tipico si riscontra spesso quando il cavo di lavoro già rivelato, tramite metodi di misurazione, rivela che le perdite di tensione in esso superano le norme consentite. A causa di ciò, la qualità delle strutture di alimentazione è ridotta.
In tale situazione, è necessario adottare ulteriori misure tecniche per ridurre i costi del materiale necessari per una sostituzione completa del cavo a causa di:
1. restrizioni sul carico che perde;
2. aumentare l'area della sezione trasversale dei conduttori conduttivi;
3. ridurre la lunghezza del cavo di lavoro;
4. temperatura di funzionamento più bassa.
L'effetto dell'alimentazione del cavo sulla perdita di tensione
Il flusso di corrente attraverso un conduttore è sempre accompagnato dal rilascio di calore in esso, e il riscaldamento influisce sulla sua conduttività.Quando una maggiore potenza viene trasmessa attraverso il cavo, essi, creando una temperatura elevata, aumentano le perdite di tensione.
Per ridurli a volte, è abbastanza per alcuni consumatori che ricevono elettricità via cavo semplicemente spegnere e riavviare su un'altra catena di bypass.
Questo metodo è accettabile per i circuiti ramificati con un gran numero di utenti e linee ridondanti per la loro connessione.
Aumento della sezione trasversale del nucleo del cavo
Questo metodo viene spesso utilizzato per ridurre le perdite nei circuiti dei trasformatori di misurazione della tensione. Se si collega un altro cavo a un cavo funzionante e si collegano i loro nuclei in parallelo, le correnti si spacceranno e ridurranno il carico in ciascun filo. Anche le perdite di tensione vengono ridotte e viene ripristinata la precisione del sistema di misurazione.
Utilizzando questo metodo, è importante non dimenticare di apportare modifiche alla documentazione esecutiva e in particolare agli schemi di installazione utilizzati dal personale di riparazione e manutenzione per eseguire la manutenzione periodica. Ciò impedirà ai lavoratori di commettere errori.
Lunghezza del cavo ridotta
Il metodo non è tipico, ma in alcuni casi può essere utilizzato. Il fatto è che gli schemi di instradamento dei cavi in molte imprese energetiche sviluppate vengono costantemente sviluppati e migliorati in relazione alle apparecchiature fornite.
A causa di ciò, vengono create opportunità per spostare il cavo con una riduzione della sua lunghezza, che ridurrà la perdita di tensione risultante.
Influenza della temperatura ambiente
Il lavoro del cavo in ambienti con riscaldamento aumentato porta a una violazione del bilancio termico, un aumento degli errori delle sue caratteristiche tecniche. La posa lungo altre autostrade o l'utilizzo di uno strato di isolamento termico può ridurre le perdite di tensione.
Di norma, è possibile migliorare efficacemente le caratteristiche dei cavi in uno o più modi con la loro complessa applicazione. Pertanto, quando si presenta tale necessità, è importante considerare tutte le possibili soluzioni al problema e scegliere l'opzione più adatta alle condizioni locali.
Va tenuto presente che la gestione competente dell'economia elettrica richiede un'analisi costante della situazione operativa, l'anticipazione dello sviluppo degli eventi e la capacità di calcolare varie situazioni. Queste qualità distinguono un buon elettricista dalla massa generale dei lavoratori ordinari.
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