Obliczanie strat i spadków napięcia oraz dobór przekroju przewodów i kabli

W czasach studenckich jak również w pracy inżynierskiej wymagana jest znajomość wzorów do obliczenia spadków i strat napięcia oraz do obliczeń przekroju przewodów. W poniższym wpisie prezentuję owe zagadnienia.

Stratą napięcia nazywamy geometryczną różnicę napięć na początku i na końcu omawianej gałęzi sieci.

Dla linii lub transformatora stratę napięcia wyznacza się ze wzoru:

ΔU=√3I·Z=√3(I_c - jI_b)·(R + jX) [V]

Gdzie

I_c, I_b - prąd czynny i bierny

R,X - rezystancja i reaktancja

Spadkiem napięcia nazywa się algebraiczną różnicę w początku i końcu zacisków lub linii. Przybliżone wartości spadku napięcia można dla elementu trójfazowego wyznaczyć z poniższego wzoru:

ΔU≈√3(I_cR - I_bX) [V] 

ΔU≈(PR - QX)/U_N

Przy doborze przekroju przewodów i kabli w sieciach elektroenergetycznych należy przede wszystkim kierować się kryteriami:

1. Obciążalnością prądową w warunkach nagrzewania prądem roboczym.

2. Wytrzymałością na nagrzewanie prądem zwarciowym.

3. Nieprzekraczalnością dopuszczalnego spadku napięcia.

4. Zapewnieniem wytrzymałości mechanicznej.

5. Zapewnieniem skuteczności ochrony przeciwporażeniowej.

6. Zapewnieniem selektywności zabezpieczeń przetężeniowych.

Najbardziej uniwersalne znaczenie ma kryterium obciążalności prądowej długotrwałej, które często decyduje o doborze przekroju przewodów linii napowietrzynych i kabli. Oprócz tego w sieciach SN o doborze przekroju w liniach kablowych może decydować wytrzymałość zwarciowa, a w linii napowietrznej dodatkowo wytrzymałość mechaniczna. Podane powyżej w punkcie 3. kryterium dopuszczalnego spadku napięcia odgrywa podstawowe znaczenie w instalacjach i sieciach na napięcie do 1 kV, natomiast kryteria 5 i 6 brane są pod uwagę przy doborze przekroju przewodów i kabli w instalacjach elektrycznych do 1 kV.

W liniach kablowych SN przekroje kabli dobiera się głównie w oparciu o kryterium 1 i 2 , natomiast przekroje przewodów przeznaczonych do pracy w liniach napowietrznych SN dobiera się na podstawie 1 i 3. Te kryteria mają również znaczenie przy doborze przekroju przewodów dla linii napowietrzynych WN.

Kryterium obciążalności prądowej to spełnienie poniższego warunku:

I_Z≥I_B

gdzie

I_Z - dopuszczalny prąd obciążenia długotrwałego

I_B - prąd roboczy linii

W tabelach podano obciążalności długotrwałe dla kabli SN napięć 6kV i 15kV ułożonych w ziemi i prowadzonych w powietrzu  żyłach aluminiowych i miedzianych.

Tabela 1: Obciążalność długotrwała w amperach kabli elektroenergetycznych trójżyłowych o izolacji papierowej rdzeniowej o napięciu znamionowym 6 kV i o polu elektrycznym promieniowym o napięciu znamionowym 15 kV

Tabela 2: Obciążalność prądowa długotrwała w amperach trójkątnych wiązek kabli jednożyłowych o żyłach aluminiowych na napięcie 6/10 kV, 8,7/15 kV oraz 12/20 kV

Tabela 3: Obciążalność długotrwała przewodów gołych aluminiowych (AL) i stalowo-aluminiowych (AFL) zastosowanych w przestrzeniach zewnętrznych

Tabela 4: Obciążalność długotrwała przewodów gołych aluminiowych (AL) i stalowo-aluminowych (AFL) zastosowanych w przestrzeniach zewnętrznych

Przy ustaleniu obciążalności długotrwałej należy wziąć pod uwagę współczynniki poprawkowe uwzględniające odstępstwa występujących w praktyce warunków ułożenia kabli i przewodów od warunków obliczeniowych.

Tabela 5: Współczynniki poprawkowe dla tabel 1 i 2przy ułożeniu kabli pojedynczo w rurach z dowolnego materiału lub przepustach kablowych umieszczonych w powietrzu o temperaturze obliczeniowej +25^oC

Tabela 6: Współczynniki poprawkowe do tabel 1 i 2 obowiązujące przy ułożeniu równoległym kabli bez sztucznej wentylacji