Що таке падіння напруги у дротах?

Відомо, що у передачі електроенергії від джерела до споживача деяка її частина втрачається. При цьому абсолютно неважливим є масштаб ланок ланцюга: така картина спостерігається як між блоком живлення та контуром світлодіодного підсвічування у квартирі, так і між найближчою трансформаторною підстанцією та будинком. Сьогодні ми поговоримо про те, наскільки важливим є дане явище для побутового використання електрики, та яким чином знижують подібні втрати.

У цілому, мова далі піде про досить знайомі більшості факти – просто не усі раніше замислювалися про їхній зв'язок. Наприклад, прямою вказівкою на те, що у дротах та кабелях під час їх роботи під навантаженням спостерігаються втрати, є нагрівання провідників. Температура зовнішніх оболонок зростає через те, що деяка частина енергії при проходженні струму витрачається на подолання опору металу дротів. У результаті виходить найпростіша залежність: що вищим є струм, то товщий потрібен дріт, а тому тим більше на ньому буде втрата напруги. При цьому важливо не забувати, що величина сили струму не закріплена за джерелом – вона завжди визначається споживачем. Тому напрошується логічний висновок: якщо перетин кабелю не було коректно підібрано для комутації певного навантаження, метал грітиметься, а втрати зростуть настільки, що корисну роботу у повному обсязі струм здійснювати перестане. Справедливо й інше: провідники значної довжини здатні виявитися непридатними для підключення якоїсь потужності, яка змогла б нормально працювати при тому ж перетині кабелю, якби не було надлишкової протяжності.

Таким чином, втрати безпосередньо зав'язані на тому, якою є величина опору у системі, а він, у свою чергу, залежить від матеріалу жил, їх перетину та довжини провідника. Неправильний розрахунок кабельних елементів завжди призводить до невиправданих втрат, а тому підвищує ймовірність неефективної роботи устаткування. Чи небезпечно це? Давайте розбиратися.

Занепокоєння про втрати

Найчастіше люди починають турбуватися про наявність втрат у системі не з технічних причин, а з експлуатаційних та матеріальних. Слово «втрати» безпосередньо асоціюється у них із невиправданими фінансовими витратами. Тобто, втрати у мережах взагалі, у глобальному розумінні, мало кого цікавлять, але у власній квартирі, на відрізку між ввідним щитом та розеткою – вже питання з матеріальними наслідками для сімейного бюджету. Ніхто не хоче платити за нараховані лічильником кіловат-години, якщо вони не були використані корисно, а просто розсіялися у навколишнє середовище у вигляді тепла.

У основі усіх теплових втрат лежить закон Джоуля-Ленца. Він говорить, що кількість теплоти, яка виділяється при проходженні струму, буде пропорційною добутку квадрата сили цього струму, опору дроту та часу роботи:

Q = I^{^2} * R * t.

На жаль чи на щастя, людина не може відчути масштаб цього явища за однією лише формулою, тому розглянемо наближений до життя приклад. Візьмемо звичайний бойлер із паспортною потужністю 2 кВт та підключимо його до мережі. Якщо за кілька хвилин помацати шнур живлення, він виявиться відчутно теплим. Це пояснюється тим, що через провідник біжить струм силою близько 9 А. Припустимо, кабель має перетин 1,5 кв. мм, тоді один метр його довжини має опір 0,024 Ом. Розрахувавши втрати, виявимо, що під час роботи бойлера у вигляді тепла розсіюється майже 2 Вт енергії. І так відбувається на кожному потужному приладі: прасці, обігрівачі, електрочайнику та ін. Чим довший у них кабель живлення, тим вищими є втрати. А якщо у системі є подовжувач або мережевий фільтр низької якості, дріт грітиметься ще більше, і втрати зростуть.

Також слід розуміти, що будь-який провідник, який з'єднує собою декілька точок, має невелику власну потужність, що також враховується лічильником. Якщо проводка виконана з дешевих матеріалів, є ризик, що її реальний перетин є заниженим у порівнянні з номінальним, а тому під час роботи неминуче нагрівання та втрати. Наприклад розрахуємо якийсь справжній провідник. Формула для обчислення його опору така:

R = (ρ * l) / S,

де R – опір провідника, ρ – питомий опір металу, l – довжина дроту, а S – його площа.

Для чистої міді значення ρ відоме з довідників – 0,0175 Ом*м/кв. мм. У електротехнічних цілях метал такої чистоти не застосовується, тому для розрахунків прийнято використовувати величину 0,018 Ом*м/ кв. мм. Знаючи її, можна обчислити повний опір відрізка кабелю будь-якої довжини та перетину. Спростимо завдання та дізнаємося про цю величину для одного метра дроту перетином 1 кв. мм: R = (0,018 Ом*м/кв. мм * 1000 мм) / 1 кв. мм = 18 Ом. Виходить, що один метр навіть досить тонкого провідника має опір 18 Ом. Відповідно, у метрі двожильного при тому самому перетині буде вже 36 Ом. Й саме такими дротами часто підключають люстри та світлодіодні світильники у наших будинках.

Продовжимо розрахунки. Падіння напруги на ділянці ланцюга можна легко визначити із закону Ома, добре знайомого нам ще зі школи:

U = R * I.

Помножуючи отримане падіння напруги на номінальний струм того пристрою, який підключений даним дротом, отримаємо величину потужності, яка розсіюється на провіднику:

Q_піт= P_піт= U_піт* I.

Неважко простежити загальну залежність: при малому перетині кабелю – великі втрати, при надмірній довжині – теж великі втрати. Це призводить до думки, що провідники повинні завжди мати правильний перетин та оптимальну довжину.

Найяскравіше втрати проявляють себе там, де провідники від самого початку дуже тонкі, а вольтаж низький. Наприклад, при проектуванні підсвічування зі світлодіодної стрічки не можна підключати її відрізками більше п'яти метрів, оскільки виріб має власний опір. Проте не завжди споживачам кажуть, що дроти живлення не слід тягнути здалеку. Оптимальна відстань складає ті ж 5 метрів, і, якщо у ці величини не вдається вкластися, має сенс задуматися про те, щоб помістити блок живлення ближче до контуру підсвічування.

Звичайно, обмеження у п'ять метрів не можна називати універсальним. У низці ситуацій верхня межа може бути переглянута після оцінки тієї самої величини падіння напруги. Але тут важливо розуміти, що потрібне значення не може бути абсолютним – навпаки, воно досить відносно. Наприклад, візьмемо звичайний стельовий світильник. За паспортом його номінальний вольтаж становить 220-230 В. Таким чином, втрата перших десяти вольт буде взагалі непомітною, а наступних десяти-п'ятнадцяти просто не матиме суттєвого впливу. Тут довірчий інтервал може становити близько 20-25 В. Тепер візьмемо інший випадок – серію точкових світильників, які потребують живлення 12 В. Тут навіть один вольт буде вкрай помітним, а втрата пари вольт може бути критичною для роботи. Тобто, у цій ситуації максимально припустиме значення падіння напруги, яке не вплине на роботу пристрою, становитиме менше 0,5 В.

Усього фахівці виділяють чотири основні негативні наслідки падіння вольтажу у проводці.

1. Перегрів струмопровідних жил. Через те, що дроти постійно працюють на межі своїх технічних можливостей, відбувається нагрівання металу, а потім ізоляції та оболонки кабелю. З часом або у результаті різкого сильного нагріву це може призвести до пошкодження діелектричного шару, що потенційно спровокує коротке замикання або пожежу.
2. Зайві витрати. Як уже було роз'яснено вище, частина енергії, що надходить із мережі живлення, просто витрачається вхолосту, збільшуючи витрати мешканців на комунальні послуги. Якась частка від загального обсягу споживання, зафіксованого лічильником, ніколи не була і не буде задіяна у господарській діяльності, але сплатити за нїї доведеться.
3. Зниження ефективності приладу. Зниження напруги, яке доходить до кінцевого споживача, означає пропорційне зниження корисної потужності. У низці випадків при неприпустимому рівні падіння вольтажу пристрій може взагалі не працювати.
4. Зниження експлуатаційного ресурсу приладів. Комплекс тих процесів, що тут описані, неминуче призводить до підвищеного зношування, певної деградації електронних компонентів у приладах. Перегрів трапляється не тільки у дротах, але й у самих пристроях – особливо, якщо у них є вбудовані імпульсні БЖ, дуже чутливі до вольтажу. По суті, через нестачу напруги, виріб змушений для роботи почати споживати більше струму, що приводить усі вузли до незапланованого зносу.

Підбиваючи певний підсумок, можна сміливо стверджувати: економія на площі перетину провідників, якими Ви підключаєте у своєму будинку прилади або саму електрофурнітуру, обов'язково позначиться на якості та довговічності обладнання. Стандартний двожильний дріт для електроточок, що має перетин 2,5 кв. мм. при довжині вже п'ять метрів даватиме понад 7 Вт теплової енергії, виходячи на силу струму у 10 А.

Як уникнути падіння напруги під час вибору кабелів?

Вочевидь, у тому, щоб розрахувати найкращі параметри усіх елементів електричної мережі, необхідно володіти максимальним обсягом інформації про її структур у та передбачуване навантаженні. У реальному житті домогтися стовідсоткової ймовірності, що до конкретних розеток завжди вмикатимуться визначені прилади неможливо. Так само не можна сказати з повною впевненістю, що у будинку не буде перестановок, що лампочки у люстрах ніхто ніколи не змінить на більш потужні та ін. Щоб нівелювати вплив такої непередбачуваності, майстрами прийнято закладати певний запас у окремі характеристики вузлів та комунікацій побутових мереж.

При виборі кабелів для зниження відсотка втрат прийнято шукати той самий баланс, у якому розрахунковий опір буде відповідати передбачуваній силі струму. Безумовно, споживач може розщедритися на товстий кабель, який забезпечить величезний експлуатаційний запас з точки зору аварійного досягнення точки перегріву, але чи це розумно? Однозначно, ні: по-перше, таке рішення – безпідставна переплата за зайвий метал, по-друге, через кабелі великого перетину може почати некоректно працювати захисна автоматика. При цьому весь корисний ефект від зниженого опору у великому перетині провідника виявиться компенсованим надмірною площею розсіювання тепла.

Найчастіше живляча побутова електромережа видає трохи більше 220 В, які ми вважаємо орієнтиром. Згідно із вимірами, у звичайній українській розетці ховається 224-226 В, якщо поряд із житловим будинком немає жодних промислових об'єктів. У той самий час відомо, що у коректно спроектованих побутових мережах при довжині дротів до десяти метрів втратами можна знехтувати. Саме ті зайві чотири-шість вольт встигають розвіятися, перетворившись на теплову енергію дротів, завдяки чому до приладів доходить заповітні 220 В.

Звертаємо увагу, що ми тут не враховуємо зовнішні фактори падіння напруги – погану якість постачання, перевантаження підстанцій та ін. Усе, що знаходятьсяна боці постачальника, зовсім поза владою кінцевого споживача, а тому при заниженому вольтажі у мережі вже неважливо, які кабелі знаходяться у будинку. Якщо зниження напруги спостерігається системно, слід просто ставити підвищувальні трансформатори або стабілізатори.

Окремо слід сказати й про те, як напруга губиться на ланках – у неправильно виконаних з'єднаннях. Найчастіше таке трапляється у зоні скручування через недостатню площу контакту провідників. Сьогодні ця проблема вирішується швидко та недорого: сучасні клемні колодки та клеми швидкого монтажу забезпечують відмінний притиск жили та дають відсоток зниження напруги у точці розриву менше 0,5% від вхідного номіналу. У крайніх випадках, коли падіння вольтажу спостерігається у мережі, яка до сих пір нормально працювала, й за відсутності проблем з боку постачальника енергії, слід починати турбуватися. Можливо, десь у мережі з'явився витік струму. Не безпосередньо знайти, але хоча б зафіксувати його наявність допоможе ПЗВ чи диференційний автомат.