Что такое падение напряжения в проводах?

Известно, что в процессе передачи электроэнергии от источника к потребителю некоторая её часть теряется. При этом совершенно неважен масштаб звеньев цепи: такая картина наблюдается как между блоком питания и контуром светодиодной подсветки в квартире, так и между ближайшей трансформаторной подстанцией и домом. Сегодня мы поговорим о том, насколько значимо данное явление для бытового использования электрики, и каким образом снижают подобные потери.

В целом, речь далее пойдёт о достаточно знакомых большинству фактах – просто не все ранее задумывались о их связи. Например, прямым указанием на то, что в проводах и кабелях при их работе под нагрузкой наблюдаются потери, является нагрев проводников. Температура наружных оболочек растёт из-за того, что некоторая часть энергии при прохождении тока расходуется на преодоление сопротивления металла проводов. В результате получается простейшая зависимость: чем выше ток, тем толще нужен провод, а потому тем больше на нём будет потеря напряжения. При этом важно не забывать, что величина силы тока не является закреплённой за источником – она всегда определяется потребителем. Потому напрашивается логичный вывод: если сечение кабеля не было корректно подобрано для коммутации определённой нагрузки, металл будет греться, а потери вырастут до такой степени, что полезную работу в полном объёме ток совершать перестанет. Справедливо и другое: проводники значительной длины способны оказаться непригодны для подключения некой мощности, которая смогла бы нормально работать при том же сечении кабеля, не будь у него избыточной протяжённости.

Таким образом, потери напрямую завязаны на том, какова величина сопротивления в системе, а оно, в свою очередь, зависит от материала жил, их сечения и длины проводника. Неправильный расчёт кабельных элементов всегда ведёт к неоправданным потерям, а потому повышает вероятность неэффективной работы оборудования. Опасно ли это? Давайте разбираться.

Беспокойство о потерях

Зачастую люди начинают беспокоиться о присутствии потерь в системе не по техническим причинам, а по эксплуатационным и материальным. Слово «потери» напрямую ассоциируется у них с неоправданными финансовыми тратами. То есть, потери в сетях вообще, в глобальном понимании, мало кого интересуют, но вот в собственной квартире, на отрезке между вводным щитом и розеткой – уже вопрос с материальными последствиями для семейного бюджета. Никто не хочет платить за насчитанные счётчиком киловатт-часы, если они не были использованы полезно, а просто рассеялись в окружающую среду в виде тепла.

В основе всех тепловых потерь лежит закон Джоуля-Ленца. Он гласит, что количество теплоты, которое выделяется при прохождении тока, будет пропорционально произведению квадрата силы этого тока, сопротивления провода и времени работы:

Q = I^² * R* t.

К сожалению или к счастью, человек не может ощутить масштаб этого явления по одной только формуле, потому рассмотрим приближенный к жизни пример. Возьмём обычный бойлер с паспортной мощностью 2 кВт и подключим его к сети. Если через несколько минут потрогать шнур питания, он окажется ощутимо тёплым. Это объясняется тем, что через проводник бежит ток силой около 9 А. Предположим, кабель имеет сечение в 1,5 кв. мм, тогда один метр его длины имеет сопротивление 0,024 Ом. Рассчитав потери, обнаружим, что при работе бойлера в виде тепла рассеивается почти 2 Вт энергии. И так происходит на каждом мощном приборе: утюге, обогревателе, электрочайнике и пр. Чем длиннее у них кабель питания, тем выше потери. А если в системе присутствует удлинитель или сетевой фильтр низкого качества, провод будет греться ещё больше, и потери возрастут.

Также следует понимать, что любой проводник, который соединяет собой несколько точек, имеет небольшую собственную мощность, что также учитывается счётчиком. Если проводка выполнена из дешёвых материалов, есть риск, что её реальное сечение занижено в сравнении с номинальным, а потому при работе неминуем нагрев и потери. Для примера рассчитаем некий реальный проводник. Формула для вычисления его сопротивления такова:

R = (ρ * l) / S,

где R – искомое сопротивление проводника, ρ – удельное сопротивление металла, l– длина провода, а S – его площадь.

Для чистой меди значение ρ известно из справочников – 0,0175 Ом*м/кв. мм. В электротехнических целях металл такой чистоты не применяется, потому для расчётов принято использовать величину 0,018 Ом*м/кв. мм. Зная её, можно вычислить полное сопротивление отрезка кабеля любой длины и сечения. Упростим задачу и узнаем эту величину для одного метра провода сечением 1 кв. мм: R = (0,018 Ом*м/кв. мм * 1000 мм) / 1 кв. мм = 18 Ом. Получается, что один метр даже довольно тонкого проводника имеет сопротивление в 18 Ом. Соответственно, в метре двужильного при том же сечении будет уже 36 Ом. А ведь именно такими проводами часто подключают люстры и светодиодные светильники в наших домах.

Продолжим расчёты. Падение напряжения на участке цепи можно легко определить из закона Ома, хорошо знакомого нам ещё со школы:

U = R * I.

Умножая полученное падение напряжения на номинальный ток того устройства, которое подключено данным проводом, получим величину мощности, которая рассеивается на проводнике:

Q_пот = P_пот = U_пот * I.

Нетрудно проследить общую зависимость: при малом сечении кабеля – большие потери, при избыточной длине – тоже большие потери. Это приводит нас к мысли, что проводники должны всегда иметь правильное сечение и оптимальную длину.

Наиболее ярко потери проявляют себя там, где проводники с самого начала чересчур тонкие, а вольтаж низкий. Например, при проектировании подсветки из светодиодной ленты нельзя подключать её отрезками более пяти метров, поскольку у изделия имеется собственное сопротивление. Однако не всегда потребителям говорят, что провода питания не следует тянуть издалека. Оптимальное расстояние составляет всё те же 5 метров, и, если в эти величины не удаётся вложиться, имеет смысл задуматься о том, чтобы поместить блок питания поближе к контуру подсветки.

Разумеется, ограничение в пять метров нельзя называть универсальным. В ряде ситуаций верхняя граница может быть пересмотрена после оценки той самой величины падения напряжения. Но здесь важно понимать, что искомое значение не может быть абсолютным – напротив, оно весьма относительно. К примеру, возьмём обычный потолочный светильник. По паспорту его номинальный вольтаж составляет 220-230 В. Таким образом, потеря первых десяти вольт будет вообще незаметна, а следующих десяти-пятнадцати просто не окажет существенного влияния. Здесь доверительный интервал может составить около 20-25 В. Теперь возьмём другой случай – серию точечных светильников, которые требуют питания 12 В. Здесь даже один вольт будет крайне заметен, а потеря пары вольт может быть критичной для самой работы. То есть, в данной ситуации максимально допустимое значение падения напряжения, которое не повлияет на работу устройства, составит менее 0,5 В.

Всего специалисты выделяют четыре основных негативных последствия падения вольтажа в проводке.

1. Перегрев токоведущих жил. Из-за того, что провода постоянно работают на пределе своих технических возможностей, происходит нагрев металла, а затем изоляции и оболочки кабеля. Со временем или в результате резкого сильного нагрева это может привести к повреждению диэлектрического слоя, что однажды потенциально спровоцирует короткое замыкание или пожар.
2. Лишние траты. Как уже было разъяснено выше, часть энергии, поступающая из сети питания, попросту расходуется вхолостую, увеличивая затраты жильцов на коммунальные услуги. Некая доля от общего объёма потребления, зафиксированного счётчиком, никогда не была и не будет задействована в хозяйственной деятельности, но оплатить её придётся.
3. Снижение эффективности прибора. Снижение напряжения, доходящего до конечного электрического потребителя, означает пропорциональное снижение полезной мощности. В ряде случаев при недопустимом уровне падения вольтажа устройство может вообще не работать.
4. Снижение эксплуатационного ресурса приборов. Комплекс тех процессов, что здесь описаны, неминуемо приводит к повышенному износу, определённой деградации электронных компонент в приборах. Перегрев случается не только в проводах, но и в самих устройствах – особенно, если внутри них имеются встроенные импульсные БП, очень чувствительные к вольтажу. В сущности, из-за недостатка напряжения, изделие вынуждено для работы начать потреблять больше тока, что и приводит все узлы к незапланированному износу.

Подводя определённый итог, можно смело утверждать: экономия на площади сечения проводников, которыми Вы подключаете в своём доме приборы или саму электрофурнитуру, обязательно скажется на качестве и долговечности работы оборудования. Стандартный двужильный провод для электроточек, имеющий сечение 2,5 кв. мм. при длине уже в пять метров будет давать более 7 Вт тепловой энергии, выходя на силу тока в 10 А.

Как избежать падения напряжения при выборе кабелей?

Разумеется, для того, чтобы рассчитать наилучшие параметры всех элементов электрической сети, необходимо владеть максимальным объёмом информации о её структуре и предполагаемой нагрузке. В реальной жизни добиться стопроцентной вероятности, что в конкретные розетки всегда будут включаться определённые приборы невозможно. Точно так же нельзя сказать с полной уверенностью, что в доме не будет перестановок, что лампочки в люстрах никто никогда не поменяет на более мощные и пр. Дабы нивелировать влияние такой непредсказуемости, мастерами принято закладывать некоторый запас в отдельные характеристики узлов и коммуникаций бытовых сетей.

При выборе кабелей для снижения процента потерь принято искать тот самый баланс, при котором расчётное сопротивление будет соответствовать предполагаемой силе тока. Безусловно, потребитель может раскошелиться на толстый кабель, который обеспечит огромный эксплуатационный запас с точки зрения аварийного достижения точки перегрева, но разумно ли это? Однозначно, нет: во-первых, такое решение – беспочвенная переплата за лишний металл, во-вторых, из-за кабелей большого сечения может начать некорректно работать защитная автоматика. При этом весь полезный эффект от пониженного сопротивления в большом сечении проводника окажется скомпенсирован избыточной площадью рассеивания тепла.

Зачастую питающая бытовая электросеть выдаёт чуть больше 220 В, которые мы считаем ориентиром. Согласно замерам, в обычной украинской розетке скрывается 224-226 В, если рядом с жилым домом нет никаких промышленных объектов. В то же время, известно, что в корректно спроектированных бытовых сетях при длине проводов до десяти метров потерями можно пренебречь. Как раз те лишние четыре-шесть вольт успевают рассеяться, превратившись в тепловую энергию проводов, благодаря чему до приборов доходит заветные 220 В.

Обращаем внимание, что мы здесь не учитываем внешние факторы падения напряжения – плохое качество снабжения, перегрузка подстанций и пр. Всё то, что находится на стороне поставщика, совершенно вне власти конечного потребителя, а потому при изначально заниженном вольтаже в сети уже неважно, какие кабели находятся в доме. Если снижение напряжения наблюдается системно, следует просто ставить повышающие трансформаторы или стабилизаторы.

Отдельно нужно сказать и о том, как напряжение теряется на звеньях – в неверно выполненных соединениях. Чаще всего такое случается в зоне скруток из-за недостаточной площади контакта проводников. Сегодня эта проблема решается быстро и недорого: современные клеммные колодки и клеммы быстрого монтажа обеспечивают отличный прижим жилы и дают процент снижения напряжения в точке разрыва менее 0,5% от входного номинала. В самых крайних случаях, когда падение вольтажа наблюдается в доселе нормально работавшей сети и при отсутствии проблем со стороны поставщика энергии, следует начинать беспокоиться. Возможно, где-то в сети появилась утечка тока. Не непосредственно найти, но хотя бы зафиксировать её наличие поможет УЗО или дифференциальный автомат.