Определение сопротивления кабелей на напряжение 6 — 35 кВ
В данной статье приводятся таблицы активного и индуктивного сопротивления кабелей на напряжение 6 — 35 кВ взятые из различных справочников по проектированию электрических сетей и руководящих указаний.
Значения активного и индуктивного сопротивления кабелей необходимы при расчете токов короткого замыкания и проверки кабеля на потери напряжения.
Сопротивление кабелей с бумажной, резиновой и поливинилхлоридной изоляцией на напряжение 6 — 35 кВ
1. РД 153-34.0-20.527-98 – Руководящие указания по расчету токов короткого замыкания и выбору электрооборудования. 2002 г. Таблица П.8, страница 145.
2. Проектирование кабельных сетей и проводок. Хромченко Г.Е. 1980 г. Таблица 2-5, страница 48.
3. Справочник по проектированию электроснабжению. Ю.Г. Барыбина. 1990 г. Таблица 2.63, страницы 175-176.
4. Справочная книга электрика. Григорьева В.И. 2004г. Таблицы 3.9.7; 3.9.11; страницы 448-449
Если значения активных и реактивных сопротивлений кабелей, вы не нашли в приведенных таблицах. В этом случае, сопротивление кабеля можно определить по приведенным формулам с подстановкой в них фактических параметров кабелей.
Методика расчета представлена в книге: «Проектирование кабельных сетей и проводок. Хромченко Г.Е. 1980 г, страницы 45-48».
Активное сопротивление кабеля
1. Активное сопротивление однопроволочной жилы, определяется по формуле 2-1, Ом:
- l — длина жилы, м;
- s – поперечное сечение жилы, мм2, определяется по формуле: π*d 2 /4;
- d – диаметр жилы кабеля;
- α20 – температурный коэффициент сопротивления, равный при 20 °С:
- 0,00393 1/град – для меди;
- 0,00403 1/град – для алюминия;
- ρ20 – удельное сопротивление материала жилы при 20 °С (температура изготовления жилы), можно принять согласно книги «Справочная книга электрика. Григорьева В.И. 2004г.» Таблица 1.14, страница 30.
- tж – допустимая температура нагрева жилы, согласно ПУЭ п.1.3.10 и 1.3.12.
2. Активное сопротивление многопроволочной жилы определяется также по формуле 2-1, но из-за конструктивных особенностей многопроволочной жилы, вместо значений ρ20 вводиться в формулу ρр равное:
- 0,0184 Ом*мм2/м – для медных жил;
- 0,031 Ом*мм2/м – для алюминиевых жил.
3. Удельное активное сопротивление жилы, отнесенное к единице длины линии 1 км, определяется из следующих зависимостей, Ом/км:
Индуктивное сопротивление кабеля
1. Удельное реактивное (индуктивное) сопротивление кабеля определяется по формуле 2-8, Ом/км:
- d – диаметр жилы кабеля.
- lср – среднее геометрическое расстояние между центрами жил кабеля определяется по формуле [Л1.с.19]:
- lА-В — расстояние между центрами жил фаз А и В;
- lВ-С — расстояние между центрами жил фаз В и С;
- lС-А — расстояние между центрами жил фаз С и А.
Определить активное и индуктивное сопротивление кабеля марки АВВГнг(А)-LS 3х120 на напряжение 6 кВ производства «Электрокабель» Кольчугинский завод». Длина кабельной линии L = 300 м.
1. Определяем поперечное сечение токопроводящей жилы кабеля имеющую круглую форму:
S = π*d 2 /4 = 3,14*13,5 2 /4 = 143 мм 2
Расчет поперечного сечение секторной жилы, а также размеры секторных жил на напряжение 0,4 — 10 кВ представлен в статье: «Расчет поперечного сечения секторной жилы кабеля«.
где: d = 13,5 мм – диаметр жилы кабеля (многопроволочные уплотненные жилы), определяется по ГОСТ 22483— 2012 таблица С.3 для кабеля с токопроводящей жилой класса 2. Класс токопроводящей жилы указывается в каталоге завода-изготовителя кабельной продукции.
Ниже представлена классификация жил кабелей, согласно ГОСТ 22483— 2012:
2. Определяем удельное активное сопротивление кабеля марки АВВГнг(А)-LS 3х120, отнесенное к единице длины линии 1 км, Ом/км:
- l = 1000 м – длина жилы, м;
- α20 – температурный коэффициент сопротивления, равный при 20 °С:
- 0, 00393 1/град – для меди;
- 0,00403 1/град – для алюминия;
- ρр – удельное сопротивление материала многопроволочной жилы, равное:
- 0,0184 Ом*мм2/м – для медных жил;
- 0,031 Ом*мм2/м – для алюминиевых жил;
- tж = 65 °С — допустимая температура нагрева жилы, для кабеля напряжением 6 кВ, согласно ПУЭ п.1.3.10.
3. Определяем удельное активное сопротивление кабеля, исходя из длины кабельной трассы:
где: L = 0,3 км – длина кабельной трассы, км;
4. Определяем среднее геометрическое расстояние между центрами жил кабеля, учитывая что жилы кабеля расположены в виде треугольника.
- lА-В = 20,3 мм — расстояние между центрами жил фаз А и В;
- lВ-С = 20,3 мм — расстояние между центрами жил фаз В и С;
- lС-А = 20,3 мм — расстояние между центрами жил фаз С и А.
Что бы определить расстояние между центрами жил кабеля, нужно знать диаметр жил кабеля d = 13,5 мм и толщину изоляции жил из поливинилхлоридного пластиката dи.ж = 3,4 мм, согласно ГОСТ 16442-80 таблица 4. Определяем расстояние между центрами жил фаз равное 20,3 мм (см.рис.1).
5. Определяем удельное реактивное (индуктивное) сопротивление кабеля марки АВВГнг(А)-LS 3х120, Ом/км:
где: d = 13,5 мм – диаметр жилы кабеля;
6. Определяем удельное реактивное сопротивление кабеля, исходя из длины кабельной трассы:
Сопротивление кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена на напряжение 6 — 35 кВ
Значения активного и реактивного (индуктивного) сопротивления кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена приводятся в каталогах завода-изготовителя. Для ознакомления приведу лишь некоторых производителей кабельной продукции.
«Электрокабель» Кольчугинский завод» – Каталог кабельной продукции.
В таблице 12 – приводятся значения активного сопротивления кабелей согласно ГОСТ 22483-2012
Компания «Estralin» — Каталог силовые кабели и кабельные системы 6 – 220 кВ.
Компания «Камкабель» — Настольная книга проектировщика. Кабели с изоляцией из сшитого полиэтилена на напряжение 6-35 кВ.
Справочники по проектированию электрических сетей и руководящие указания, которые упомянуты в данной статье, вы сможете найти, скачав архив.
1. Расчет токов короткого замыкания в электросетях 0,4-35 кВ, Голубев М.Л. 1980 г.
Активное и реактивное сопротивление кабеля
Передача электроэнергии от источника до электроустановок осуществляется с помощью проводов и кабелей. Неизбежные потери энергии связаны с наличием сопротивления протекающему электрическому току, что характерно для всех металлических токопроводящих жил. При использовании постоянного тока сопротивление кабелей имеет только активную (омическую) компоненту. В случае переменного тока необходимо учитывать как активную, так и реактивную составляющие сопротивлений.
Кабель и провод
Часто оба эти термина используются как синонимичные для обозначения похожих видов электротехнической продукции. Однако некоторая разница всё-таки имеется. На картинке ниже продемонстрировано, чем отличаются кабеля и изолированные провода друг от друга.
Провод состоит из одной токопроводящей жилы, которая может быть моножилой, либо набором тонких жил, сплетённых в одно целое. Провод имеет защитное, диэлектрическое покрытие. Кабель — это несколько проводов, сгруппированных под общей изоляционной оболочкой.
Общепринятая терминология приведена в разделе 2 ПУЭ (данная аббревиатура означает «Правила устройства электроустановок»). Она касается:
- проводов;
- токопроводов;
- кабельных линий напряжением от 0 до 220 кВ;
- воздушных линий электропередач до 1 кВ и выше 1 кВ.
Активное сопротивление
В качестве исходных проводников для изготовления токопроводящих жил могут использоваться различные металлы. При производстве массовой кабельной продукции чаще всего применяются:
- Медь.
- Алюминий.
- Сталеалюминевые комбинации.
Однонаправленный ток в металлах создаётся свободными электронами под действием приложенного электрического поля. Беспрепятственное движение электронов ограничивается атомами и ионами кристаллической решётки, которые непрерывно совершают тепловые колебания. Дополнительное сопротивление могут оказывать структурные дефекты и примеси. Потеря электрической энергии электронами приводит к тепловому нагреву металла.
Активное или омическое сопротивление проводов определяется по формуле:
- ρ — удельное сопротивление металла (Ом*мм 2 /м);
- l — длина провода (м);
- S — сечение провода (мм 2 ).
Удельное сопротивление металлических проводников можно узнать из справочной литературы.
Полезной величиной, используемой на практике, является удельное активное сопротивление равное сопротивлению 1.0 км кабеля. Для некоторых часто применяемых марок этот параметр равен:
- Провод АС 70 (одна стальная жила, обвитая алюминиевой проволокой) —0.42 Ом/км.
- Провод АПвП (алюминиевая токопроводящая жила) — 0.160 Ом/км.
- Кабель 1х70 (медная жила) — 0.28 Ом/км.
- Провод СИП-3 1х50 (самонесущий изолированный провод с сечением 50 мм 2 ) — 0.923 Ом/км.
Определение индуктивного сопротивления
Полное сопротивление электрического кабеля при его использовании в электроцепях постоянного тока складывается из омических сопротивлений проводов, входящих в его состав. При работе с переменным током возникает реактивное сопротивление, которое разделяется на емкостное и индуктивное. Полное сопротивление — это корень квадратный из суммы квадратов этих составляющих. Графически оно отображается гипотенузой прямоугольного треугольника, катетами которого являются активное и реактивное сопротивление кабелей.
Для кабелей существенно индуктивное сопротивление. Физический механизм его возникновения заключается в том, что движущиеся электроны создают магнитное поле. При постоянном токе магнитное поле не меняется. Но как только происходит периодическое изменение тока, возникает эффект самоиндукции, открытый английским физиком М. Фарадеем. Самоиндукция тормозит ток, то есть, появляется дополнительная составляющая сопротивления.
Значение индуктивного сопротивления зависит от нескольких параметров:
- Расстояния между электропроводами.
- Диаметра электропровода (жилы).
- Величины тока.
- Частоты.
Определить величину реактивного сопротивления кабельной линии можно с помощью формул, учитывающих данные факторы. Чтобы быстро определить активное и реактивное сопротивление провода или кабеля, понадобится таблица с указанием основных характеристик самых распространенных видов электрокабелей.
Зачастую возникает необходимость в определении индуктивного сопротивления кабельной линии определенной протяженности. В данном случае следует воспользоваться довольно простой формулой:
ХL определяется с помощью такой формулы:
Чтобы самому не напрягаться с расчетом сопротивления, можно воспользоваться онлайн-калькулятором.
Греющий кабель
Интересной разновидностью кабельной продукции является греющий кабель (ГК). Его целевое назначение — эффективное преобразование электрической энергии в тепловую. Ток, проходя по всей длине кабеля, равномерно нагревает кабельное пространство. Примеры применения ГК:
- Тёплые полы.
- Системы подогрева бетона в осенне-зимний период.
- Антиоблединительные системы, предотвращающие сходы льда и снега в жилищно-коммунальном хозяйстве.
- Подогрев почвы в теплицах.
Сопротивление греющего кабеля можно легко измерить обычным мультиметром, имеющим такую опцию. Одним из паспортных параметров ГК является выделяемая тепловая мощность на погонный метр. Зная общую длину уложенного ГК, можно вычислить общую выделяемую мощность Р по общеизвестной формуле:
Из этой формулы можно найти сопротивление:
Если измеренное сопротивление ГК близко к тому, что рассчитано с помощью формулы, то в целостности и работоспособности кабеля можно не сомневаться.
Пользуясь формулой сопротивления, можно рассчитать сечение кабеля. Такой расчет необходим в связи с тем, что электропроводка является наиболее уязвимым местом в системе, обеспечивающей электроэнергией дома. Если сечение кабеля не будет соответствовать мощности электроприборов, то это может стать причиной довольно серьезных последствий. Ведь чем меньше диаметр провода, тем выше его сопротивление и, следовательно, провод будет нагреваться сильнее. Выделяемое тепло спровоцирует повреждение изоляции, что в свою очередь может стать причиной выхода из строя домашней проводки и даже пожара.
Активные и индуктивные сопротивления линии
Активное сопротивление проводов и кабелей из цветных металлов определяется по одной из следующих формул:
где r — расчетное удельное сопротивление провода или жилы кабеля, ом⋅мм 2 / м;
g — расчетная удельная проводимость провода или жилы кабеля, м / ом⋅мм 2 ;
F — номинальное сечение провода или кабеля, мм 2 .
Значения удельного сопротивления и удельной проводимости для медных проводов и кабелей:
для алюминиевых проводов и кабелей
| Таблица 5-1 Активные сопротивления проводов и кабелей, ом/км | |||
|---|---|---|---|
| Сечение провода, мм кв. | Медные провода и кабели | Алюминиевые провода и кабели | Сталеалюминиевые провода |
| 1 | 18,9 | — | — |
| 1.5 | 12,6 | — | — |
| 2,5 | 7,55 | 12,6 | — |
| 4 | 4,65 | 7,90 | — |
| 6 | 3,06 | 5,26 | — |
| 10 | 1,84 | 3,16 | 3,12 |
| 16 | 1,20 | 1,98 | 2,06 |
| 25 | 0,74 | 1,28 | 1,38 |
| 35 | 0,54 | 0,92 | 0,85 |
| 50 | 0,39 | 0,64 | 0,65 |
| 70 | 0,28 | 0,46 | 0,46 |
| 95 | 0,20 | 0,34 | 0,33 |
| 120 | 0,158 | 0,27 | 0,27 |
| 150 | 0,123 | 0,21 | 0,21 |
| 185 | 0,103 | 0,17 | 0,17 |
| 240 | 0,078 | 0,132 | 0,132 |
| 300 | 0,062 | 0,106 | 0,107 |
| 400 | 0,047 | 0,08 | 0,08 |
Индуктивное сопротивление трехфазной линии с проводами из цветных металлов при частоте переменного тока 50 Гц определяется по формуле
где d — внешний диаметр провода, мм;
D — среднее геометрическое расстояние между проводами линии, вычисляемое по формуле
где D — расстояния между проводами у каждой пары проводов трехфазной линии, мм.
Активные сопротивления 1 км провода или жилы кабеля приведены в табл. 5-1, индуктивные сопротивления 1 км линии — в табл. 5-2 и 5-4.
Для стальных проводов активное и внутреннее индуктивное сопротивления зависят от протекающего по проводу переменного тока. Общее индуктивное сопротивление воздушной линии, выполненной стальными проводами, определяется как сумма внешнего х’ и внутреннего х» индуктивных сопротивлений:
| Таблица 5-2 Индуктивные сопротивления воздушных лм/км | |||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Среднее геометрическое расстояние между проводами, мм | Сечение проводов, мм2 | ||||||||||
| 6 | 10 | 16 | 25 | 35 | 50 | 70 | 95 | 120 | 150 | 185 | |
| Медные провода | |||||||||||
| 400 | 0,371 | 0,355 | 0,333 | 0,319 | 0,308 | 0,297 | 0,283 | 0,274 | — | — | — |
| 600 | 0,397 | 0,381 | 0,358 | 0,345 | 0,336 | 0,325 | 0,309 | 0,300 | 0,292 | 0,287 | 0,280 |
| 800 | 0,413 | 0,399 | 0,377 | 0,363 | 0,352 | 0,341 | 0,327 | 0,318 | 0,310 | 0,305 | 0,298 |
| 1000 | 0,429 | 0,413 | 0,391 | 0,377 | 0,366 | 0,355 | 0,341 | 0,332 | 0,324 | 0,319 | 0,313 |
| 1250 | 0,443 | 0,427 | 0,405 | 0,391 | 0,380 | 0,369 | 0,355 | 0,346 | 0,338 | 0,333 | 0,327 |
| 1500 | — | 0,438 | 0,416 | 0,402 | 0,391 | 0,380 | 0,366 | 0,357 | 0,349 | 0,344 | 0,338 |
| 2000 | — | 0,457 | 0,435 | 0,421 | 0,410 | 0,398 | 0,385 | 0,376 | 0,368 | 0,363 | 0,357 |
| 2500 | — | — | 0,449 | 0,435 | 0,424 | 0,413 | 0,399 | 0,390 | 0,382 | 0,377 | 0,371 |
| 3000 | — | — | 0,460 | 0,445 | 0,435 | 0,423 | 0,410 | 0,401 | 0,393 | 0,388 | 0,382 |
| Алюминиевые провода | |||||||||||
| 600 | — | — | 0,358 | 0,345 | 0,336 | 0,325 | 0,315 | 0,303 | 0,297 | 0,288 | 0,279 |
| 800 | — | — | 0,377 | 0,363 | 0,352 | 0,341 | 0,331 | 0,319 | 0,313 | 0,305 | 0,298 |
| 1000 | — | — | 0,391 | 0,377 | 0,366 | 0,355 | 0,345 | 0,334 | 0,327 | 0,319 | 0,311 |
| 1250 | — | — | 0,405 | 0,391 | 0,380 | 0,369 | 0,359 | 0,347 | 0,341 | 0,333 | 0,328 |
| 1500 | — | — | — | 0,402 | 0,391 | 0,380 | 0,370 | 0,358 | 0,352 | 0,344 | 0,339 |
| 2000 | — | — | — | 0,421 | 0.410 | 0,398 | 0,388 | 0,377 | 0,371 | 0,363 | 0,355 |
| Сталеалюминиевые провода | |||||||||||
| 2000 | — | — | — | — | 0,403 | 0,392 | 0,382 | 0,371 | 0,365 | 0,358 | — |
| 2500 | — | — | — | — | 0,417 | 0,405 | 0,396 | 0,385 | 0,379 | 0,272 | — |
| 3000 | — | — | — | — | 0,429 | 0,413 | 0,403 | 0,397 | 0,391 | 0,384 | 0,377 |
| Таблица 5-4 Индуктивные сопротивления трехжильных кабелей и изолированных проводов, проложенных на роликах и изоляторах, ом/км | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| Сечение, мм кв. | Трехжильные кабели с медными жилами | Изолированные провода | ||||
| до 1 кв | 3 кв | 6 кв | 10 кв | на роликах | на изоляторах | |
| 1,5 | — | — | — | 0,28 | 0,32 | |
| 2,5 | — | — | — | — | 0,26 | 0,30 |
| 4 | 0,095 | 0,111 | — | — | 0,25 | 0,29 |
| 6 | 0,090 | 0,104 | — | — | 0,23 | 0,28 |
| 10 | 0,073 | 0,0825 | 0,11 | 0,122 | 0,22 | 0,26 |
| 16 | 0,0675 | 0,0757 | 0,102 | 0,113 | 0,22 | 0,24 |
| 25 | 0,0662 | 0,0714 | 0,091 | 0,099 | 0,20 | 0,24 |
| 35 | 0,0637 | 0,0688 | 0,087 | 0,095 | 0,19 | 0,24 |
| 50 | 0,0625 | 0,0670 | 0,083 | 0,09 | 0,19 | 0,23 |
| 70 | 0,0612 | 0,0650 | 0,08 | 0,086 | 0,19 | 0,23 |
| 95 | 0,0602 | 0,0636 | 0,078 | 0,083 | 0,18 | 0,23 |
| 120 | 0,0602 | 0,0626 | 0,076 | 0,081 | 0,18 | 0,22 |
| 150 | 0,0596 | 0,0610 | 0,074 | 0,079 | — | — |
| 185 | 0,0596 | 0,0605 | 0,073 | 0,077 | — | — |
| 240 | 0,0587 | 0,0595 | 0,071 | 0,075 | — | — |
| Таблица 5-6 Активные (омические) и индуктивные сопротивления шин прямоугольного сечения из алюминия и меди | |||||
|---|---|---|---|---|---|
| Размеры шин, мм | Активное (омическое) сопротивление при температуре шины +30° С, ом/км | Индуктивное сопротивление при расстоянии между центрами шин 250 мм, ом/км | |||
| Алюминиевые шины | Медные шины | ||||
| при постоянном токе | при переменном токе | при постоянном токе | при переменном токе | ||
| 25X3 | 0,410 | 0,413 | 0,248 | 0,263 | 0,253 |
| 30X4 | 0,256 | 0,269 | 0,156 | 0,175 | 0,240 |
| 40X4 | 0,192 | 0,211 | 0,117 | 0,138 | 0,224 |
| 40X5 | 0,154 | 0,173 | 0,0935 | 0,112 | 0,222 |
| 50X5 | 0,123 | 0,140 | 0,0749 | 0,0913 | 0,210 |
| 50X6 | 0,102 | 0,119 | 0,0624 | 0,0780 | 0,208 |
| 60X6 | 0,0855 | 0,102 | 0,0520 | 0,0671 | 0,198 |
| 80X6 | 0,0640 | 0,0772 | 0,0390 | 0,0507 | 0,182 |
| 100X6 | 0,0510 | 0,0635 | 0,0312 | 0,0411 | 0,169 |
| 60X8 | 0,0640 | 0,0772 | 0,0390 | 0,0507 | 0,196 |
| 80X8 | 0,0481 | 0,0595 | 0,0293 | 0,0395 | 0,179 |
| 100X8 | 0,0385 | 0,0488 | 0,0234 | 0,0321 | 0,168 |
| 120X8 | 0,0320 | 0,0410 | 0,0195 | 0,0271 | 0,156 |
| 80X10 | 0,0385 | 0,0495 | 0,0234 | 0,0323 | 0,179 |
| 100X10 | 0,0308 | 0,0398 | 0,0187 | 0,0260 | 0,165 |
| 120X10 | 0,0255 | 0,0331 | 0,0156 | 0,0218 | 0,156 |
Активное и реактивное сопротивление. Треугольник сопротивлений
В электротехнической практике понятия «активное и реактивное сопротивление» используются для того, чтобы различать тип нагрузки в цепях трехфазного переменного тока. Первое из них вводится для оценки величины энергии, превращающейся в полезную мощность (в механическую, химическую или тепловую).
Реактивное сопротивление (в отличие от активного) определяет способность цепей препятствовать действию переменного тока при наличии в них индуктивной и емкостной составляющих. Оно обусловлено свойствами магнитных и электрических полей, создаваемых элементами с реактивными свойствами (катушками и конденсаторами, в частности).
Как образуются два вида сопротивления
Чтобы понять, чем отличаются активное и реактивное сопротивление – потребуется разобраться в том, каким образом они проявляются в электротехнических цепях. Первое представляет собой искусственное препятствие для прохождения переменного/постоянного тока, приводящее к рассеянию электрической энергии источника. Чаще всего она выделяется в виде тепла, но возможны и другие варианты трансформации (например, в форме светового излучения).
Активным сопротивлением обладают не только потребители энергии; но оно имеет отношение и к подводящим ток медным, стальным или алюминиевым проводникам. При проектировании систем электропитания эту часть рассеяния мощности стараются минимизировать, для чего при прокладке трасс используются провода как можно большего сечения (насколько это позволяют условия).
Реактивное сопротивление или импеданс образуется вследствие установки в рабочих цепях специальных электротехнических элементов, а именно – конденсаторов и дросселей. Собственным индуктивным и емкостным импедансом также обладают простые провода и дорожки печатных плат, укладываемые по определенному рисунку (не по прямой линии).
В этом случае в витках из проводников при прохождении переменного тока формируется магнитное поле. А на конденсаторах, образующихся за счет разноса печатных дорожек, появляется его электрический аналог. Действие таких искусственных образований приводит к торможению движения зарядов, проявляющемуся в виде реактивных сопротивлений.
Особенности протекания переменного тока по проводникам
Для более полного понимания сути происходящих в проводниках явлений необходимо обратить внимание на следующий факт, позволяющий отличать активное и реактивное сопротивление. В ходе измерений обнаружилось, что при прохождении по медному или алюминиевому проводу переменного тока сопротивление увеличивается в сравнении с тем же показателем для постоянного. Причина этого кроется в явлении, называемом поверхностным или скин-эффектом.
Его суть состоит в следующих проявлениях. При прохождении тока определенной частоты по закону Ленца в проводнике индуцируется переменное магнитное поле, силовые линии которого пересекают металлическую структуру. В результате внутри провода наводится ЭДС, распределяемая неравномерно по всему сечению. Это объясняется тем, что центральные точки пересекаются большим числом магнитных линий, а периферийная часть – меньшим. Описанное явление приводит к искусственному уменьшению рабочего сечения проводника, т. е. к увеличению сопротивления протекающему по нему переменному току.
Активное и реактивное сопротивление, используемое в качестве нагрузки
Любой потребитель электрической энергии, схема которого не содержит в себе индуктивных или емкостных элементов, согласно определению, относится к активной нагрузке.
Под эту категорию подпадают следующие электротехнические приборы:
- Лампочки накаливания.
- Спирали электрических нагревателей (печей).
- Нагревательные кабели и подобные им изделия.
В ряде случаев активное сопротивление состоит из сочетания разнородных нагрузок (например, нагревательные лампы).
К реактивным принято относить приборы и агрегаты, содержащие катушки и конденсаторы (это электродвигатели, конденсаторные компенсаторы и подобные им устройства). При их наличии нагрузка приобретает собственный импеданс, значение которого выражается физическим соотношением.
Для индуктивности оно выглядит так:
Rl – импеданс (Омы);
L – индуктивность (Гн);
ω – угловая частота.
Емкостная составляющая выражается следующим соотношением:
Rс = 1/ωС
Здесь Rс – емкостное сопротивление (Омы);
ω – угловая частота;
С – емкость нагрузочного элемента в фарадах.
Если учесть, что любая нагрузка обладает и активным сопротивлением – закономерен вопрос о соотношении этих составляющих общего импеданса. Для его графического представления вводится понятие «треугольник сопротивлений».
Для чего нужен треугольник сопротивлений
Чтобы понять, чем отличаются активное и реактивное сопротивление – потребуется исследовать электрическую цепочку, состоящую из последовательно включенных элементов (R, L, C).
Переменный ток и напряжение указаны на схеме условно.
Полное сопротивление цепочки рассчитывается по следующей формуле:
Графически это можно представить в виде треугольника сопротивлений.
Его гипотенуза по длине соответствует величине полного сопротивления комплексной цепи, а катеты – активной и реактивной составляющей. Если одна из них намного больше другой – меньшей компонентой обычно пренебрегают, считая цепь чисто активной или чисто емкостной/индуктивной.
Активное и реактивное сопротивление как источники потерь мощности
Реактивная мощность «Q» определяется энергией, рассеиваемой на индуктивных и емкостных элементах, включенных в цепь переменного тока 220 В. Она считается бесполезной и даже «вредной», поскольку непроизводительно перекачивается от источника в нагрузку и обратно в сеть. Из-за бесполезности этой составляющей полной мощности от нее стараются избавиться путем компенсации непроизводительных потерь.
Коэффициент мощности (обозначается как cosφ)
С понятием реактивной составляющей неразрывно связано ее скалярное представление в виде коэффициента мощности. Этот показатель вводится для того, чтобы можно было оценить эффективность потребления электроэнергии в сетях переменного тока. Если в них присутствуют активное и реактивное сопротивление, то коэффициент cosφ указывает на процентное соотношение этих составляющих мощности. Обычно он высчитывается как частное от деления активной компоненты на значение полной потребляемой мощности «S».
При такой методике подсчета величина коэффициента cosφ изменяется в пределах от 0 до 1 (от 0 до 100%). Из определения этого показателя следует, что чем он больше – тем значительнее по величине активная составляющая, что означает высокую эффективность передачи энергии подключенному прибору.
Особенности вычисления полной мощности
Если активное и реактивное сопротивление входят в состав обследуемой электрической цепи – можно найти полную мощность «S», рассеиваемую всеми элементами (включая провода и нагрузку). Этот показатель определяется как скалярная величина, равная корню из суммы активной и реактивной составляющей, взятых в квадрате. С другой стороны, полная мощность вычисляется как произведение действующих в ней напряжения и тока:
S = U⋅I (вольт-амперы).
Характер распределения отдельных составляющих полной мощности в нагрузке может быть представлен и в векторном виде.
Треугольник мощностей
Векторная форма – очень удобный инструмент, позволяющий наглядно продемонстрировать соотношения между составляющими рассматриваемого показателя (рисунок справа). Катеты треугольника соответствуют реактивной и активной компонентам, а гипотенуза представляет полную рабочую мощность в нагрузке.
Из школьного курса геометрии известно, что косинус угла φ выражает соотношение величин активной и полной составляющих. При переводе в скалярную размерность это и будет уже знакомый нам коэффициент мощности.
Практическое измерение cosφ
Как правило, величина коэффициента cosφ указывается на бирках электрических агрегатов и приборов, эксплуатируемых в цепях переменного тока. Но возможны ситуации, когда этот показатель требуется измерить практическим путем. Для этих целей применяются особые приборы, называемые фазометрами. Если такого прибора под рукой не оказалось – с поставленной задачей сможет справиться аналоговый или цифровой ваттметр.
В ситуации, когда полученный коэффициент оказался очень низким – его можно скорректировать практическим путем. Сделать это удается за счет включения в нагрузочную цепь дополнительных элементов с заранее известным импедансом.
Если требуется скорректировать реактивную составляющую общего сопротивления – в нее вводится элемент, действие которого приводит к противоположному эффекту. То есть при преобладании емкостного импеданса в цепь нагрузки устанавливается дополнительный дроссель. Когда же в ней преобладает индуктивная составляющая – в качестве вспомогательного элемента используется конденсаторный блок.
Типичный пример корректировки коэффициента мощности – использование в цепи включения обмоток асинхронного электродвигателя корректирующих конденсаторов. С их помощью удается компенсировать индуктивный характер нагрузки в трехфазной сети.
Похожие темы:
- Последовательное и параллельное соединение. Применение и схемы
- Активная и реактивная мощность. За что платим и работа
- Закон Ома. Для цепей и тока. Формулы и применение
- Магнитное поле. Источники и свойства. Правила и применение
- Индуктивность. Виды катушек и контур. Работа и особенности
- Измерение сопротивления изоляции. Методика, приборы, порядок
- Фильтры ВЧ. Виды и работа. Применение и особенности
- Фильтры СЧ. Виды и применение. Работа и особенности
- Фильтры НЧ. Виды и применение. Работа и особенности
- Закон Джоуля-Ленца. работа и применение. Особенности
- Сопротивление изоляции. Составляющие и особенности
- Электрическая прочность. Виды диэлектриков. Особенности
- Внутреннее сопротивление аккумулятора. Особенности
- Магнитное сопротивление. Применение и особенности