Como calcular a perda de tensão do cabo

A questão da qualidade da transmissão e recebimento de energia elétrica depende em grande parte do estado dos equipamentos envolvidos nesse complexo processo tecnológico. Como a energia enorme é transportada por longas distâncias no setor de energia, são colocadas demandas crescentes nas características das linhas de energia.

Além disso, é dada atenção à redução de perdas de tensão, não apenas em redes de alta tensão longas, mas também em circuitos secundários, por exemplo, transformadores de medição de tensão, como mostrado na fotografia.

Os cabos dos circuitos secundários do VT de cada fase são coletados em um único local - o gabinete de montagem do terminal. A partir deste quadro, localizado no mastro do meio do equipamento, os circuitos de tensão são alimentados por um cabo separado ao bloco de terminais do painel localizado na sala de retransmissão.

O equipamento primário de energia está localizado a uma distância considerável das proteções e dispositivos de medição montados nos painéis. O comprimento de um cabo desse tipo atinge 300 ~ 400 metros. Tais distâncias levam a perdas de tensão perceptíveis no circuito interno, o que pode subestimar seriamente as características metrológicas dos instrumentos de medição e do sistema como um todo.

Por esse motivo, a qualidade da conversão de um valor de tensão primária, por exemplo, 330 kV para um valor secundário de 100 volts com a classe de precisão necessária de 0,2 ou 0,5, pode não se encaixar nos limites aceitáveis ​​necessários para a operação confiável de complexos e proteções de medição.

Para eliminar esses erros durante a fase de operação, todos os cabos de medição são projetados para perdas de tensão, mesmo durante o projeto do circuito do equipamento elétrico.

Como são criadas as perdas de tensão

O cabo consiste em núcleos condutores, cada um dos quais cercado por uma camada dielétrica. Toda a estrutura é colocada em uma caixa dielétrica selada.

Os condutores de metal estão localizados bem próximos um do outro, pressionados firmemente pela bainha de proteção. Com uma longa extensão de rodovia, eles começam a trabalhar como um capacitor com placas de carga. Devido à sua ação, forma-se capacitância, parte integrante do reativo.

Como resultado de transformações nos enrolamentos de transformadores, reatores e outros elementos com indutâncias, a potência da energia elétrica adquire um caráter indutivo. A resistência resistiva do metal do núcleo forma o componente ativo da resistência total ou complexa Zï de cada fase.

Para operar sob tensão, o cabo é conectado à carga com uma resistência Zн completa em cada núcleo.

Durante a operação do cabo em um circuito trifásico em um modo de carga nominal, as correntes nas fases L1 ÷ L3 são simétricas e uma corrente de desequilíbrio muito próxima a zero flui no fio neutro N.

A resistência complexa dos condutores quando a corrente flui através deles causa uma queda e perda de tensão no cabo, reduz seu valor de entrada e, devido ao componente reativo, também desvia o ângulo. Tudo isso é mostrado esquematicamente em um diagrama vetorial.

A tensão U2 atua na saída do cabo, que é desviada do vetor de corrente em um ângulo φ e reduzida pelo valor da queda I ∙ z do valor de entrada U1. Em outras palavras, o vetor de queda de tensão no cabo é formado pela passagem de corrente através da resistência complexa do condutor e é igual ao valor da diferença geométrica dos vetores de entrada e saída.

Para maior clareza, é mostrado em uma escala ampliada e é indicado pelo segmento ac ou pela hipotenusa do triângulo retangular ack. Suas pernas ak e kc denotam a queda de tensão no componente ativo e reativo da resistência do cabo.

Continuamos mentalmente a direção do vetor U2 até a interseção com a linha do círculo formada pelo vetor U1 do centro no ponto O. Temos um vetor ab, com um ângulo repetindo a direção de U2 e um comprimento igual à diferença aritmética dos valores U1-U2. Essa quantidade escalar é chamada de perda de tensão.

É calculado durante a criação do projeto e medido durante a operação do cabo para monitorar a segurança de suas características técnicas.

O princípio de medir perdas de tensão no cabo

Para o experimento, é necessário realizar duas medições com um voltímetro em extremidades diferentes: a entrada e a carga. Como a diferença entre eles será pequena, é necessário usar um dispositivo de alta precisão, preferencialmente da classe 0.2.

O comprimento do cabo pode ser grande, o que exigirá um tempo considerável para a transição de um local para outro. Durante esse período, a tensão na rede pode mudar por vários motivos, o que distorcerá o resultado final. Portanto, é habitual realizar essas medições nos dois lados ao mesmo tempo, envolver um assistente com equipamento de comunicação e um segundo dispositivo de medição de alta precisão.

Como os voltímetros medem a magnitude efetiva da tensão, a diferença em suas leituras indicará a magnitude das perdas formadas pela subtração aritmética dos módulos vetoriais na entrada e na saída do cabo.

Como exemplo, consideramos os circuitos de transformadores de tensão mostrados nas fotos superiores. Suponha que o valor linear na entrada do cabo seja medido até o décimo mais próximo e igual a 100,0 volts, e nos terminais de saída conectados à carga seja de 99,5 volts. Isso significa que as perdas de tensão são definidas como 100,0-99,5 = 0,5 V. Quando convertidas em porcentagens, são de 0,5%.

O princípio do cálculo de perdas de tensão

Voltemos ao diagrama vetorial dos vetores de queda e perda de tensão. Quando o design do cabo é conhecido, sua resistividade é calculada a partir da resistividade, espessura e comprimento do metal do núcleo transportador de corrente.

A reatância e o comprimento específicos determinam a reatância total do cabo. Freqüentemente, para o cálculo, basta um diretório com tabelas e de acordo com a marca do cabo com certas características técnicas calcular os dois tipos de resistências (ativa e reativa).

Conhecendo as duas pernas de um triângulo retângulo, a hipotenusa é calculada - o valor da resistência complexa.

Um cabo é criado para transmitir uma corrente nominal. Multiplicando seu valor numérico pela resistência complexa, descobrimos a magnitude da queda de tensão CA. Ambas as pernas são calculadas da mesma forma: ak (I ∙ R) e kс (I ∙ X).

Em seguida, são realizados cálculos trigonométricos simples. No triângulo ake, a perna ae é definida multiplicando I ∙ R por cos φ, e em Δkf o comprimento do lado cf (I ∙ X é multiplicado pelo pecado φ). Observe que o segmento cf é igual ao comprimento do segmento ed, como o lado oposto do retângulo.

Adicione os comprimentos obtidos ae e ed. Descobrimos a duração do anúncio do segmento, que é um pouco menor que ab ou perda de tensão. Devido ao pequeno valor de bd, é mais fácil negligenciar esse valor do que tentar considerá-lo nos cálculos, o que quase sempre é feito.

Este algoritmo simples é a base para o cálculo de um cabo de dois núcleos quando é fornecido com uma corrente sinusoidal alternada. A técnica trabalha com pequenos ajustes para circuitos DC.

Nas linhas trifásicas operando em cabos de três ou quatro fios, um procedimento de cálculo semelhante é usado para cada fase. Devido a isso, é muito mais complicado.

Como o cálculo é realizado na prática

Os tempos em que esses cálculos foram realizados manualmente por fórmulas já passaram. As organizações de design usam há muito tempo tabelas, gráficos e diagramas especiais resumidos em manuais técnicos. Eles eliminam o trabalho rotineiro de executar inúmeras operações matemáticas e os erros associados do operador.

Como exemplo, podemos citar as técnicas estabelecidas em diretórios acessíveis ao público:

• Fornecimento de eletricidade de Fedorov em 1986;

• no trabalho de design para fornecimento de energia de linhas de energia e redes elétricas, editado por Bolshman, Krupovich e Samover.

Com a introdução maciça de computadores em nossas vidas, começaram a ser desenvolvidos programas para calcular perdas de tensão, o que facilitou bastante esse processo. Eles são criados para realizar cálculos complexos de redes de fornecimento de energia por organizações de design e para uma avaliação aproximada dos resultados preliminares do uso de um cabo separado.

Os proprietários de instalações elétricas para esses fins colocam várias calculadoras em seus recursos que permitem avaliar rapidamente os recursos de cabos de diferentes marcas. Para encontrá-los, basta pesquisar na Google para inserir a consulta correspondente e selecionar um dos serviços.

Como exemplo, considere a operação de uma calculadora desse tipo.

Faremos um teste para ele e inseriremos os dados iniciais nos campos apropriados:

• corrente alternada;

• alumínio

• comprimento da linha - 400 m;

• seção do cabo - quadrado de 16 mm (provavelmente não é um cabo, mas um núcleo);

• cálculo de potência - 100 W;

• número de fases - 3;

• tensão de rede - 100 volts;

• fator de potência - 0,92;

• a temperatura é de 20 graus.

Pressionamos o botão “Cálculo de perdas de tensão no cabo” e olhamos o resultado do serviço.

O resultado foi bastante plausível: 0,714 volts ou 0,714%.

Vamos tentar verificar novamente em outro site. Para fazer isso, acesse um serviço concorrente e insira os mesmos valores.

Como resultado, obtemos um cálculo rápido.

Agora você pode comparar os resultados realizados por diferentes serviços. 0,714-0,699373 = 0,021 volts.

A precisão do cálculo em ambos os casos é bastante aceitável não apenas para uma análise rápida do desempenho do cabo, mas também para outros fins.

Um método de comparar o trabalho de dois serviços online mostrou sua eficiência e a ausência de erros de entrada de dados que uma pessoa pode cometer por desatenção.

No entanto, tendo realizado esse cálculo, é muito cedo para se acalmar. É necessário concluir que o cabo selecionado é adequado para operação sob condições operacionais específicas. Para isso, existem requisitos técnicos para desvios de tensão permitidos da norma.

Documentos normativos sobre o desvio de tensão do valor nominal

Dependendo da nacionalidade, use um dos seguintes.

TKP 45-4.04—149-2009 (RB)

O documento é válido no território da República da Bielorrússia. Ao receber o resultado, preste atenção à cláusula 9.23.

SP 31-110-2003 (RF)

Os padrões atuais são fornecidos para uso em instalações de fornecimento de energia da Federação Russa. Considere a cláusula 7.23.

GOST 13109

Substituído em 1 de janeiro de 1999, o padrão interestadual GOST 13109 de 1987. Analisar de acordo com o parágrafo 5.3.2.

Maneiras de reduzir a perda de cabos

Quando o cálculo das perdas de tensão no cabo é feito e o resultado é comparado com os requisitos dos documentos regulamentares, podemos concluir que o cabo é adequado para o trabalho.

Se o resultado mostrou que os erros estão superestimados, você deve escolher outro cabo ou especificar as condições para sua operação. Na prática, um caso típico é frequentemente encontrado quando o cabo já está em funcionamento, revelado por métodos de medição que as perdas de tensão nele excedem as normas permitidas. Devido a isso, a qualidade das instalações de fornecimento de energia é reduzida.

Em tal situação, é necessário tomar medidas técnicas adicionais para reduzir os custos de material necessários para uma substituição completa do cabo devido a:

1. restrições de vazamento de carga;

2. aumentar a área de seção transversal dos condutores condutores;

3. reduza o comprimento do cabo de trabalho;

4. temperatura operacional mais baixa.

O efeito da alimentação do cabo na perda de tensão

O fluxo de corrente através do condutor é sempre acompanhado de calor nele, e o aquecimento afeta sua condutividade.Quando uma potência aumentada é transmitida através do cabo, eles, criando uma alta temperatura, aumentam as perdas de tensão.

Às vezes, para reduzi-los, basta que alguns consumidores que recebem eletricidade via cabo simplesmente desliguem e reiniciem em outra cadeia de derivação.

Este método é aceitável para circuitos ramificados com um grande número de consumidores e linhas redundantes para sua conexão.

O aumento da área da seção transversal do núcleo do cabo

Este método é frequentemente usado para reduzir perdas nos circuitos dos transformadores de medição de tensão. Se você conectar outro cabo a um cabo em funcionamento e conectar seus núcleos em paralelo, as correntes se dividirão e reduzirão a carga em cada fio. As perdas de tensão também são reduzidas e a precisão do sistema de medição é restaurada.

Usando esse método, é importante não esquecer de fazer alterações na documentação executiva e, especialmente, nos diagramas de instalação usados ​​pelo pessoal de reparo e manutenção para realizar manutenção periódica. Isso impedirá que os trabalhadores cometam erros.

Comprimento de cabo reduzido

O método não é típico, mas em alguns casos, pode ser usado. O fato é que os esquemas de roteamento de cabos em muitas empresas de energia desenvolvidas estão sendo constantemente desenvolvidos e aprimorados em relação aos equipamentos fornecidos.

Devido a isso, são criadas oportunidades para trocar o cabo com uma redução no seu comprimento, o que reduzirá a perda de tensão resultante.

Influência da temperatura ambiente

A operação do cabo em locais com aquecimento aumentado leva a uma violação do balanço de calor, a um aumento nos erros de suas características técnicas. Deitar ao longo de outras rodovias ou usar uma camada de isolamento térmico pode reduzir as perdas de tensão.

Como regra, é possível melhorar efetivamente as características dos cabos de uma ou mais maneiras com sua aplicação complexa. Portanto, quando surgir essa necessidade, é importante considerar todas as soluções possíveis para o problema e escolher a opção mais adequada para as condições locais.

Deve-se ter em mente que o gerenciamento competente da economia elétrica requer análise constante da situação operacional, antecipação do desenvolvimento de eventos e capacidade de calcular várias situações. Essas qualidades distinguem um bom eletricista da massa geral de trabalhadores comuns.