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Cómo calcular la pérdida de voltaje del cable
La cuestión de la calidad de la transmisión y recepción de energía eléctrica depende en gran medida del estado del equipo involucrado en este complejo proceso tecnológico. Dado que se transporta una gran potencia a largas distancias en el sector de la energía, se plantean mayores demandas sobre las características de las líneas eléctricas.
Además, para reducir las pérdidas de voltaje, se presta constantemente atención no solo a las redes de alta tensión largas, sino también a los circuitos secundarios, por ejemplo, a los transformadores de medición de voltaje, como se muestra en la fotografía.
Los cables de los circuitos secundarios del VT de cada fase se recogen en un solo lugar: el gabinete de ensamblaje de terminales. Desde esta celda, ubicada en el mástil central del equipo, los circuitos de voltaje son alimentados por un cable separado al bloque de terminales del panel ubicado en la sala de relés.
El equipo primario de energía se encuentra a una distancia considerable de las protecciones y dispositivos de medición montados en paneles. La longitud de dicho cable alcanza 300 ÷ 400 metros. Dichas distancias conducen a pérdidas notables de voltaje en el circuito interno, lo que puede subestimar seriamente las características metrológicas de los instrumentos de medición y del sistema en su conjunto.
Por esta razón, la calidad de conversión de un valor de voltaje primario, por ejemplo, 330 kV a un valor secundario de 100 voltios con la clase de precisión requerida de 0.2 o 0.5, puede no ajustarse a los límites aceptables requeridos para la operación confiable de complejos de medición y protecciones.
Para eliminar tales errores durante la fase de operación, todos los cables de medición están diseñados para pérdidas de voltaje incluso durante el diseño del circuito del equipo eléctrico.
Cómo se crean las pérdidas de voltaje
El cable consta de núcleos conductores, cada uno de los cuales está rodeado por una capa dieléctrica. Toda la estructura se coloca en una carcasa dieléctrica sellada.
Los conductores de metal están ubicados bastante cerca uno del otro, presionados firmemente por la funda protectora. Con una gran longitud de la carretera, comienzan a trabajar. como un condensador con placas de carga. Debido a su acción, se forma capacitancia, que es una parte integral de reactivo.
Como resultado de transformaciones en los devanados de transformadores, reactores y otros elementos con inductancias, el poder de la energía eléctrica adquiere un carácter inductivo. La resistencia resistiva del núcleo metálico forma el componente activo de la resistencia total o compleja Z de cada fase.
Para operar bajo voltaje, el cable está conectado a la carga con una resistencia compleja completa Zн en cada núcleo.
Durante la operación del cable en un circuito trifásico en un modo de carga nominal, las corrientes en las fases L1 ÷ L3 son simétricas, y una corriente de desequilibrio muy cercana a cero fluye en el cable neutro N.
La resistencia compleja de los conductores cuando la corriente fluye a través de ellos causa una caída y pérdida de voltaje en el cable, reduce su valor de entrada y, debido al componente reactivo, también se desvía en ángulo. Todo esto se muestra esquemáticamente en un diagrama vectorial.
El voltaje U2 actúa en la salida del cable, que se desvía del vector actual en un ángulo φ y se reduce en la magnitud de la caída I ∙ z del valor de entrada U1. En otras palabras, el vector de caída de voltaje en el cable está formado por el paso de corriente a través de la resistencia compleja del conductor y es igual al valor de la diferencia geométrica de los vectores de entrada y salida.
Para mayor claridad, se muestra a escala ampliada y se indica mediante el segmento ac o la hipotenusa del triángulo rectangular ack. Sus patas ak y kc denotan la caída de voltaje a través del componente activo y reactivo de la resistencia del cable.
Continuamos mentalmente la dirección del vector U2 hacia la intersección con la línea circular formada por el vector U1 desde el centro en el punto O. Tenemos el vector ab, con un ángulo que repite la dirección de U2 y una longitud igual a la diferencia aritmética de las cantidades U1-U2. Esta cantidad escalar se llama pérdida de voltaje.
Se calcula durante la creación del proyecto y se mide durante la operación del cable para controlar la seguridad de sus características técnicas.
El principio de medir las pérdidas de tensión en el cable.
Para el experimento, es necesario realizar dos mediciones con un voltímetro en diferentes extremos: la entrada y la carga. Dado que la diferencia entre ellos será pequeña, es necesario utilizar un dispositivo de alta precisión, preferiblemente de la clase 0.2.
La longitud del cable puede ser grande, lo que requerirá un tiempo considerable para la transición de un lugar a otro. Durante este período, el voltaje en la red puede cambiar por varias razones, lo que distorsionará el resultado final. Por lo tanto, es habitual realizar tales mediciones en ambos lados simultáneamente, para involucrar a un asistente con facilidades de comunicación y un segundo dispositivo de medición de alta precisión.
Dado que los voltímetros miden el valor efectivo del voltaje, la diferencia en sus lecturas indicará la cantidad de pérdida formada por la sustracción aritmética de los módulos vectoriales en la entrada y salida del cable.
Como ejemplo, consideramos los circuitos del transformador de voltaje que se muestran en las fotos superiores. Suponga que el valor lineal en la entrada del cable se mide a la décima más cercana e igual a 100.0 voltios, y en los terminales de salida conectados a la carga, era de 99.5 voltios. Esto significa que las pérdidas de voltaje se definen como 100.0-99.5 = 0.5 V. Cuando se convierten en porcentajes, ascendieron a 0.5%.
El principio de calcular pérdidas de voltaje
Volvamos al diagrama vectorial de los vectores de caída y pérdida de voltaje. Cuando se conoce el diseño del cable, su resistividad se calcula a partir de la resistividad, el grosor y la longitud del metal del núcleo portador de corriente.
La reactancia y longitud específicas determinan la reactancia total del cable. A menudo, para el cálculo, es suficiente tomar un directorio con tablas y según la marca de cable con ciertas características técnicas Calcule ambos tipos de resistencias (activa y reactiva).
Conociendo las dos patas de un triángulo rectángulo, se calcula la hipotenusa, el valor de la resistencia compleja.
Se crea un cable para transmitir una corriente nominal. Multiplicando su valor numérico por la resistencia compleja, descubrimos la magnitud de la caída de voltaje ac. Ambas patas se calculan de manera similar: ak (I ∙ R) y kс (I ∙ X).
A continuación, se realizan cálculos trigonométricos simples. En el triángulo ake, la pata ae se define multiplicando I ∙ R por cos φ, y en Δ сkf la longitud del lado cf (I ∙ X se multiplica por sin φ). Tenga en cuenta que el segmento cf es igual a la longitud del segmento ed, como el lado opuesto del rectángulo.
Añadir las longitudes obtenidas ae y ed. Descubrimos la longitud del segmento de anuncio, que es ligeramente menor que ab o pérdida de voltaje. Debido al pequeño valor de bd, este valor es más fácil de descuidar que tratar de tenerlo en cuenta en los cálculos, que casi siempre se hace.
Este algoritmo simple es la base para calcular un cable de dos núcleos cuando se alimenta con una corriente sinusoidal alterna. La técnica funciona con ajustes menores para circuitos de CC.
En las líneas trifásicas que funcionan con cables de tres o cuatro hilos, se utiliza un procedimiento de cálculo similar para cada fase. Debido a esto, es mucho más complicado.
Cómo se realiza el cálculo en la práctica
Los tiempos en que dichos cálculos se realizaban manualmente mediante fórmulas han pasado mucho tiempo. Las organizaciones de diseño han usado tablas, gráficos y diagramas especiales resumidos en manuales técnicos. Eliminan el trabajo rutinario de realizar numerosas operaciones matemáticas y errores de operador asociados.
Como ejemplo, podemos citar las técnicas establecidas en directorios de acceso público:
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Suministro de electricidad de Fedorov en 1986;
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sobre el trabajo de diseño para el suministro de energía de líneas eléctricas y redes eléctricas editado por Bolshman, Krupovich y Samover.
Con la introducción masiva de computadoras en nuestras vidas, comenzaron a desarrollarse programas para calcular las pérdidas de voltaje, lo que facilitó enormemente este proceso. Se crean tanto para realizar cálculos complejos de redes de suministro de energía por parte de organizaciones de diseño, como para una evaluación aproximada de los resultados preliminares del uso de un cable separado.
Los propietarios de sitios eléctricos para estos fines colocan varias calculadoras en sus recursos que le permiten evaluar rápidamente las capacidades de los cables de diferentes marcas. Para encontrarlos es suficiente en la búsqueda de Google ingresar la consulta correspondiente y seleccionar uno de los servicios.
Como ejemplo, considere la operación de una calculadora de este tipo.
Haremos una prueba de prueba para él e ingresaremos los datos iniciales en los campos apropiados:
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corriente alterna
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aluminio
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longitud de línea - 400 m;
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sección del cable: cuadrado de 16 mm (lo más probable es que no sea un cable, sino un núcleo);
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cálculo de potencia - 100 W;
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número de fases - 3;
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voltaje de red - 100 voltios;
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factor de potencia - 0.92;
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La temperatura es de 20 grados.
Presionamos el botón "Cálculo de pérdidas de voltaje en el cable" y miramos el resultado del servicio.
El resultado fue bastante plausible: 0.714 voltios o 0.714%.
Intentemos verificarlo en otro sitio. Para hacer esto, vaya a un servicio de la competencia e ingrese los mismos valores.
Como resultado, obtenemos un cálculo rápido.
Ahora puede comparar los resultados realizados por diferentes servicios. 0.714-0.699373 = 0.021 voltios.
La precisión del cálculo en ambos casos es bastante aceptable no solo para un análisis rápido del rendimiento del cable, sino también para otros fines.
Un método para comparar el trabajo de dos servicios en línea mostró su eficacia y la ausencia de errores de entrada de datos que una persona puede cometer por falta de atención.
Sin embargo, habiendo realizado dicho cálculo, es demasiado temprano para calmarse. Es necesario concluir que el cable seleccionado es adecuado para operar bajo condiciones específicas de operación. Para esto, existen requisitos técnicos para las desviaciones de voltaje permisibles de la norma.
Documentos normativos sobre la desviación de la tensión del valor nominal.
Dependiendo de su nacionalidad, use uno de los siguientes.
TKP 45-4.04—149—2009 (RB)
El documento es válido en el territorio de la República de Bielorrusia. Al recibir el resultado, preste atención a la cláusula 9.23.
SP 31-110-2003 (RF)
Las normas actuales se proporcionan para su uso en instalaciones de suministro de energía de la Federación de Rusia. Considere la cláusula 7.23.
GOST 13109
Reemplazado el 1 de enero de 1999, el estándar interestatal, GOST 13109 de 1987. Analizar de acuerdo con el párrafo 5.3.2.
Formas de reducir la pérdida de cable
Cuando se realiza el cálculo de las pérdidas de voltaje en el cable y el resultado se compara con los requisitos de los documentos reglamentarios, podemos concluir que el cable es adecuado para el trabajo.
Si el resultado mostró que los errores están sobreestimados, entonces debe elegir otro cable o especificar las condiciones para su funcionamiento. En la práctica, a menudo se encuentra un caso típico cuando el cable ya funciona revela que al medir con métodos que las pérdidas de voltaje exceden las normas permitidas. Debido a esto, la calidad de las instalaciones de suministro de energía se reduce.
En tal situación, es necesario tomar medidas técnicas adicionales para reducir los costos de material necesarios para un reemplazo completo del cable debido a:
1. restricciones en la fuga de carga;
2. aumentar el área de la sección transversal de los conductores conductores;
3. reducir la longitud del cable de trabajo;
4. temperatura de funcionamiento más baja.
El efecto de la potencia del cable en la pérdida de voltaje.
El flujo de corriente a través del conductor siempre va acompañado de calor, y el calentamiento afecta su conductividad.Cuando se transmite una mayor potencia a través del cable, ellos, creando una temperatura alta, aumentan las pérdidas de voltaje.
Para reducirlos a veces, es suficiente que algunos consumidores que reciben electricidad por cable simplemente apaguen y reinicien en otra cadena de derivación.
Este método es aceptable para circuitos ramificados con una gran cantidad de consumidores y líneas redundantes para su conexión.
El aumento en el área de la sección transversal del núcleo del cable
Este método se usa a menudo para reducir las pérdidas en los circuitos de los transformadores de medición de voltaje. Si conecta otro cable a un cable de trabajo y conecta sus núcleos en paralelo, las corrientes se dividirán y reducirán la carga en cada cable. Las pérdidas de voltaje también se reducen y se restablece la precisión del sistema de medición.
Con este método, es importante no olvidar realizar cambios en la documentación ejecutiva y especialmente en los diagramas de instalación utilizados por el personal de reparación y mantenimiento para realizar el mantenimiento periódico. Esto evitará que los trabajadores cometan errores.
Longitud de cable reducida
El método no es típico, pero en algunos casos se puede usar. El hecho es que los esquemas de enrutamiento de cables en muchas empresas de energía desarrolladas se desarrollan y mejoran constantemente en relación con el equipo entregado.
Debido a esto, se crean oportunidades para cambiar el cable con una reducción en su longitud, lo que reducirá la pérdida de voltaje resultante.
Influencia de la temperatura ambiente.
La operación del cable en habitaciones con mayor calefacción conduce a una violación del equilibrio térmico, un aumento en los errores de sus características técnicas. La colocación a lo largo de otras carreteras o el uso de una capa de aislamiento térmico puede reducir las pérdidas de voltaje.
Como regla, es posible mejorar efectivamente las características del cable de una o más formas con su aplicación compleja. Por lo tanto, cuando surja tal necesidad, es importante considerar todas las soluciones posibles al problema y elegir la opción más adecuada para las condiciones locales.
Debe tenerse en cuenta que la gestión competente de la economía eléctrica requiere un análisis constante de la situación operativa, la anticipación del desarrollo de eventos y la capacidad de calcular diversas situaciones. Estas cualidades distinguen a un buen electricista de la masa general de trabajadores ordinarios.
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