Как рассчитать сопротивление провода?

Как рассчитать сопротивление провода — инструкция с таблицами и формулами

Правила расчета сечения проводника. Формулы и таблицы, без которых не обойтись.

В своей работе электрик часто сталкивается с вычислением различных величин и преобразований. Так для корректного подбора кабеля приходится подбирать нужное сечение. Логика выбора сечения основана на зависимости сопротивления от длины линии и площади сечения проводника. В этой статье мы рассмотрим, как выполняется расчет сопротивления провода по его геометрическим размерам. Содержание:

  • Формула для расчета
  • Удельное сопротивление
  • Расчет по диаметру
  • Обязательны ли расчеты?

Формула для расчета

Любые вычисления начинаются с формулы. Основной формулой для расчета сопротивления проводника является:

Где R – сопротивление в Омах, ρ – удельное сопротивление, l – длина в м, S – площадь поперечного сечения провода в мм 2 .

Эта формула подходит для расчета сопротивления провода по сечению и длине. Из неё следует, что в зависимости от длины изменяется сопротивление, чем длиннее – тем больше. И от площади сечения – наоборот, чем толще провод (большое сечение), тем меньше сопротивление. Однако непонятной остаётся величина, обозначенная буквой ρ (Ро).

Удельное сопротивление

Удельное сопротивление – это табличная величина, для каждого металла она своя. Она нужна для расчета и зависит от кристаллической решетки металла и структуры атомов.

Из таблицы видно, что самое меньшее сопротивление у серебра, для медного кабеля оно равняется 1,68*10 -8 Ом*мм 2 /м. Такая размерность говорит нам, сколько приходится Ом при сечении в 1 миллиметр квадратный и длине в 1 метр.

Кстати, серебряное покрытие используется в контактах коммутационных аппаратов, автоматических выключателей, реле и прочего. Это снижает переходное контактное сопротивление, повышает срок службы и уменьшает нагрев контактов. При этом в контактах измерительной и точной аппаратуры используют позолоченные контакты из-за того, что они слабо окисляются или вообще не окисляются.

У алюминия, который часто использовался в электропроводке раньше, сопротивление в 1,8 раза больше чем у меди, равняется 2,82*10 -8 Ом*мм 2 /м. Чем больше сопротивление проводника, тем сильнее он греется. Поэтому при одинаковом сечении алюминиевый кабель может передать меньший ток, чем медный, это и стало основной причиной почему все современные электрики используют медную электропроводку. У нихрома, который используется в нагревательных приборах оно в 100 раз больше чем у меди 1,1*10 -6 Ом*мм 2 /м.

Расчет по диаметру

На практике часто бывает так, что площадь поперечного сечения жилы не известна. Без этого значения ничего рассчитать не получится. Чтобы узнать её, нужно измерить диаметр. Если жила тонка, можно взять гвоздь или любой другой стержень, намотать на него 10 витков провода, обычной линейкой измерить длину получившейся спирали и разделить на 10, так вы узнаете диаметр.

Ну, или просто замерить штангенциркулем. Расчет сечения выполняется по формуле:

Обязательны ли расчеты?

Как мы уже сказали, сечение провода выбирают исходя из предполагаемого тока и сопротивления металла, из которого изготовлены жилы. Логика выбора заключается в следующем: сечение подбирают таким способом, чтобы сопротивление при заданной длине не приводило к значительным просадкам напряжения. Чтобы не проводить ряд расчетов, для коротких линий (до 10-20 метров) есть достаточно точные таблицы:

В этой таблице указаны типовые значения сечения медных и алюминиевых жил и номинальные токи через них. Для удобства указана мощность нагрузки, которую выдержит эта линия. Обратите внимание на разницу в токах и мощности при напряжении 380В, естественно, что это предполагается трёхфазная электросеть.

Напоследок рекомендуем просмотреть видео, на котором подробно рассказывается, как рассчитать сечение проводника, а также предоставлены примеры расчетных работ:

Расчет сопротивления провода сводится к использованию пары формул, при этом вы можете скачать готовые калькуляторы из Плэй Маркета для своего смартфона, например, «Electrodroid» или «Мобильный электрик». Эти знания пригодятся для расчетов нагревательных приборов, кабельных линий, предохранителей и даже популярных на сегодняшний день спиралей для электронных сигарет.

Материалы по теме:

  • Программы для расчета сечения кабеля
  • Как зависит сопротивление проводника от температуры
  • Закон Ома простыми словами

Определение активных и индуктивных сопротивлений проводов

Доброго времени суток. В данной статье речь пойдет о расчете активных и индуктивных сопротивлений для воздушных и кабельных линий из цветных металлов, таких как медь и алюминий. Данные расчеты обычно приходится выполнять, когда нужно выполнить расчет токов короткого замыкания в распределительных сетях.

Определение активного сопротивления проводов

Активное сопротивлении проводов проще всего определять по справочным данным, составленным на основании ГОСТ 839-80 – «Провода неизолированные для воздушных линий электропередач» таблицы 1 – 4. Данные таблицы вы сможете найти непосредственно в самом ГОСТ, приведу лишь не которые.

Читайте также:  Светодиоды большой яркости

Пользоваться всеми известными формулами по определению активного сопротивления — не рекомендуется [Л1. с.18],связано это с тем, что действительное сечение отличается от номинального сечения, провода выпускались в разное время, по разным ГОСТ и ТУ и величины удельной проводимости (ρ) и удельного сопротивления (γ) у них разные:

  • γ – значение удельной проводимости для медных и алюминиевых проводов при температуре 20 °С принимается: для медных проводов – 53 м/Ом*мм2; для алюминиевых проводов – 31,7 м/Ом*мм2;
  • s – номинальное сечение провода(кабеля),мм2;
  • l – длина линии, м;
  • ρ – значение удельного сопротивления принимается: для медных проводов — 0,017-0,018 Ом*мм2/м; для алюминиевых проводов – 0,026 — 0,028 Ом*мм2/м, см. таблицу 1.14 [Л2. с.30].

Активные сопротивления стальных проводов математическому расчету не поддаются. Поэтому рекомендую для определения активного сопротивления использовать приложения П23 – П25 [Л1. с.80,81].

Определение индуктивного сопротивления проводов

Индуктивное сопротивление воздушных линий для стандартной частоты f = 50 Гц и относительной магнитной проницаемости для цветных металлов µ = 1, определяется по известной всем формуле [Л1.с.19]:

  • Dср. – среднее геометрическое расстояние между проводами, мм;
  • dр – расчетный диаметр провода (мм2), определяется по ГОСТ 839-80, таблицы 1 -4;

Среднее геометрическое расстояние между проводами определяется по формуле [Л1.с.19]:

  • D1-2 — расстояние между проводами первой и второй фазы;
  • D2-3 — расстояние между проводами второй и третей фазой;
  • D1-3 — расстояние между первой и третей фазой.

Данные значения определяются по чертежам опор линий электропередачи.

Для упрощения расчетов индуктивного сопротивления проводов рекомендуется использовать приложения П28-П31 [Л1.с.83-85], предварительно определив значение Dср.

Если же нужно выполнить приближенный расчет, то можно использовать в расчетах средние значения сопротивлений:

  • для линий 0,4 – 10 кВ х = 0,3 Ом/км;
  • для линий 35 кВ х = 0,4 Ом/км;
  • для стальных проводов использовать приложение П6 [Л1.с.70];

Индуктивное сопротивление кабелей рассчитать довольно сложно, из-за различной их конструкции. Поэтому активные и индуктивные сопротивления кабелей рекомендуется принимать по справочникам, приложение П7 [Л1.с.70].

Если же нужно выполнить приближенный расчет, можно принять индуктивные сопротивления:

  • для кабелей сечением 16 – 240 мм2 х = 0,06 Ом/км для напряжения до 1000 В;
  • для кабелей сечением 16 – 240 мм2 х = 0,08 Ом/км для напряжения 6 – 10 кВ;
  • для проводов проложенных на роликах х = 0,20 Ом/км;
  • для проводов проложенных на изоляторах х = 0,25 Ом/км;

1. Расчет токов короткого замыкания в электросетях 0,4-35 кВ, Голубев М.Л. 1980 г.
2. Справочная книга электрика. Григорьева В.И. 2004 г.

Метод расчета активного сопротивления цилиндрического провода с учетом поверхностного эффекта

Рубрика: Технические науки

Дата публикации: 04.06.2016 2016-06-04

Статья просмотрена: 925 раз

Библиографическое описание:

Аронов, Л. В. Метод расчета активного сопротивления цилиндрического провода с учетом поверхностного эффекта / Л. В. Аронов. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2016. — № 12 (116). — С. 202-205. — URL: https://moluch.ru/archive/116/31269/ (дата обращения: 09.06.2020).

В данной статье рассматривается вопрос влияния высших гармоник тока на активное сопротивление цилиндрического провода в диапазоне частот от 50 до 2000 Гц. Выведена расчетная формула для активного сопротивления цилиндрического провода на произвольной частоте. Проанализированы закономерности изменения активного сопротивления медных и алюминиевых проводов в зависимости от частоты и площади поперечного сечения.

Ключевые слова: поверхностный эффект, несинусоидальность, активное сопротивления медного провода, активное сопротивление алюминиевого провода

This article has shown the problem of high-harmonics influence on cylindrical wire resistance according to the frequency range from 50 to 2000 Hz. Cylindrical wire resistance estimation for any frequency has been deduced.We have also analyzed cylindrical wire resistance dependence of copper and aluminum wires due to the frequency and cross section area.

Keywords: skin effect, high-harmonics, copper wire resistance, aluminum wire resistance

В Российской Федерации системы электроснабжения общего назначения работают на фиксированной частоте 50 Гц. Кроме основной гармоники, в сетях присутствуют также высшие гармоники токов и напряжений [1]. Исследования указывают на то, что при наличии в сети нелинейных нагрузок, наибольшим искажениям подвергается форма кривой тока, в то время как кривая напряжения практически не изменяется [5, 6]. Это объясняется тем, что реальные генераторы по своим свойствам близки к идеальным источникам ЭДС. Высшие гармоники тока приводят к дополнительному нагреву проводников линии электропередачи, в результате чего, с одной стороны возникают дополнительные потери мощности, с другой происходит ускоренный износ изоляции, изоляторов, растяжение проводов и другие негативные последствия [2]. По мере увеличения частоты, начинает проявляться поверхностный эффект, приводящий к перераспределению плотности тока в сечении проводника, от центра к поверхности, в результате изменяется его сопротивление, что в свою очередь влияет на потери мощности и энергии в линиях электропередачи электрической распределительной сети.

Задача данного исследования: определить степень изменения плотности тока в сечении провода и его сопротивления в зависимости от частоты гармоники тока протекающего по проводнику. Это позволит более точно рассчитать дополнительные потери мощности на нагрев проводов, обусловленные несинусоидальностью питающего напряжения электрической распределительной сети.

Читайте также:  Драйвер для лампы дневного света

Провод можно приближенно представить в виде цилиндрического проводника, длина которого многократно превышает радиус. Для нахождения плотности тока используют уравнения Максвелла, решение которых производится в цилиндрической системе координат [3]. В результате выражения для плотности тока и напряженности магнитного поля в любой точке сечения цилиндрического проводника:

(1)

(2)

где — комплексная плотность тока, А/м 2 ; — напряженность магнитного поля, А/м; — комплексный ток, А; J — функция Бесселя 1-го рода 0-го порядка; J1 — функция Бесселя 1-го рода 1-го порядка; r — радиус текущей поверхности тока в проводе, м; a — радиус провода, м; — комплексное волновое число, м -1 ; — круговая частота, рад/с; f — циклическая частота, Гц; — абсолютная магнитная проницаемость, Гн/м; µ — относительная магнитная проницаемость; µ = 4·π·10– 7 Гн/м — магнитная постоянная.

Формулы (1), (2) не учитывают «эффект близости», т. к. для этого необходимо точно знать пространственное расположение проводников. При расстоянии между проводами многократно превышающем радиус и невысоких значениях тока «эффектом близости» можно пренебречь.

Мощность рассеиваемую цилиндрическим проводом определяют по закону Джоуля-Ленца в комплексной форме:

(3)

С другой стороны рассеиваемую мощность находим, используя теорему Умова-Пойнтинга [3]:

(4)

Приравнивая выражения (3) и (4) получаем:

(5)

В результате комплексное сопротивление выражаем формулой:

(6)

Вектор напряженности электрического поля вычисляем по формуле:

(7)

где σ — удельная проводимость, См/м.

Учитывая, что площадь боковой поверхности цилиндрического проводника равна S=2·π·a·lи радиус поверхности равен радиусу провода r=a получаем:

где l — длина проводника, м.

Таким образом, окончательное выражение для комплексного сопротивления цилиндрического провода приняло вид:

Активное сопротивление при этом определяем, как действительную часть полного комплексного сопротивления:

(8)

Рассчитаем сопротивления медных проводов и алюминиевых проводов марок А, АКП, АН, АНКП, АЖ, АЖКП. Сечения выберем самые распространенные: 16, 25, 35, 50, 70, 95, 120, 150, 185 мм 2 [4], хотя каких-либо ограничений по сечению проводов нет. Единственное условие данного метода: длина должна быть много больше радиуса l>>a. Удельная проводимость меди σCu=56·10 6 См/м, а удельная проводимость алюминия σAl=37·10 6 См/м. Относительная магнитная проницаемость обоих материалов приблизительно равна µ=1 (медь является диамагнетиком, а алюминий парамагнетиком). Радиус провода выражаем из формулы площади круга:

,

где s — площадь сечения провода, мм 2 .

Расчета активного сопротивления медных проводов различных сечений, выполнен в диапазоне частот 0–2 кГц (рисунок 1.). Аналогичный расчет проведен для алюминиевых проводов (рисунок 2.). Выбор диапазона обосновывается тем, что согласно ГОСТ Р54149–2010, гармоники нормируются до 40-й включительно, что соответствует наибольшему значению частоты 2кГц [1].

Рис. 1. Зависимость активного сопротивления медных проводов различных сечений от частоты

Семейства графиков (рисунки 1, 2) показывает зависимость погонного сопротивления проводов как от их сечения, так и от частоты. В полосе частот от 0 до 2000 Гц (рисунок 1.) величина возрастания сопротивления от 10,4 % до 183,9 %, в зависимости от сечения провода. Причем наибольший, в процентном отношении, прирост сопротивления наблюдается на больших сечениях. Например, при сечении 16 мм 2 погонное сопротивление увеличивается с 1,08 до 1,19 Ом/км, что составляет 10,4 %, а при наибольшем сечении 185 мм 2 погонное сопротивление увеличивается с 0,09 до 0,27 Ом/км, что в пересчете на проценты составляет 183,9 %. Это объясняется большей неравномерностью плотности тока при большем радиусе сечений проводов.

Рис. 2. Зависимость активного сопротивления алюминиевых проводов различных сечений от частоты

Результаты, полученные для алюминиевых проводов (рисунок 2.), аналогичны результатам для медных проводов. Сопротивление возрастает на величину от 4,4 % до 133,8 %, в зависимости от сечения провода, наименьший прирост погонного сопротивления наблюдается при сечении 16 мм 2 , в этом случае погонное сопротивление увеличивается с 1,69 до 1,76 Ом/км, что составляет 4,4 %, а при наибольшем приведенном на графике сечении 185 мм 2 погонное сопротивление увеличивается с 0,15 до 0, 34 Ом/км, что в пересчете на проценты составляет 133,8 %.

Таким образом для проводников большего сечения поверхностный эффект оказывает более выраженное влияние на сопротивление (для меди сопротивление возросло на 183,9 %, а для алюминия на 133,8 %, в полосе частот от 0 до 2000 Гц), уменьшение же сечения приводит к существенному возрастанию активного сопротивления (рисунки 1,2.). Проводники с большей удельной проводимостью более подвержены влиянию поверхностного эффекта. При равном сечении, по мере увеличения частоты, активное сопротивление медного провода возрастает быстрее, чем активное сопротивление алюминиевого провода.

  1. ГОСТ 32144–2013 Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. [Текст] — М.: Стандартинформ — 2014г. — 38 с.
  2. Григорьев О. Высшие гармоники в сетях электроснабжения 0,4 кВ/ О. Григорьев, В. Петухов, В. Соколов, И. Красилов [Текст] //«Новости электротехники», № 6(18) 2002–1(19) 2003.
  3. Бессонов Л. А. Теоретические основы электротехники [Текст] — М.: Высшая школа — 1964г. — 750 с.
  4. Будзко И. А. Элетроснабжение сельского хозяйства/ И. А. Будзко, Т. Б. Лещинская, В. И. Сукманов [Текст] — М: Колос — 2000 г. — 536 с.
  5. Бессонов Л. А. Линейные электрические цепи / Л. А. Бессонов. — М: Высшая школа, 1983. — 336 с.
  6. Лосев А. К. Теория Линейных электрических цепей / А. К. Лосев. — М: Высшая школа, 1987. — 512 с.
Читайте также:  Автоматическое парное соединение

Сопротивление медного провода

При проектировании электросхем важно правильно выбрать материал и сечение проводов. Чаще всего для этих целей применяется медь, обладающая меньшим сопротивлением.

От чего зависит сопротивление металла

Электрический ток – это направленное движение заряженных частиц. В металлах это свободные электроны. Они двигаются между атомами кристаллической решётки. Сопротивление их движению зависит от металла или сплава, а также его температуры – при её повышении сопротивление провода электрическому току растёт.

Исключение составляют специальные сплавы, применяемые в измерительных приборах. Из них изготавливаются резисторы, не меняющие своих параметров при изменении температуры. Кроме того, для подключения термопар применяются двухжильные провода, сопротивление одного из которых при повышении температуры растёт, а другого – уменьшается. В результате параметры кабеля не меняется.

Удельное сопротивление различных металлов

Разные металлы обладают различными свойствами и используются для разных целей.

Медь и алюминий

Самыми распространёнными проводами являются медные и алюминиевые. У меди ниже электросопротивление, чем сопротивление алюминиевого провода, кабеля из неё имеют меньшее сечение. Она прочнее, это позволяет сделать кабеля тоньше, а также гибкими и многожильными. Кроме того, медь паяется оловянными припоями.

Но у алюминия есть одно преимущество: он намного дешевле. Поэтому его используют для намотки трансформаторов и прокладки проводки, при эксплуатации которой отсутствуют изгибы, движение или вибрация.

Другие металлы

  • Золото. Имеет самое малое электросопротивление, но из-за его цены используется только в отдельных местах в военной и космической технике;
  • Серебро. Обладает лучшим соотношением цена/качество, чем золото, но также применяется ограниченно, в основном для изготовления контактов и разъёмов – оно не окисляется;
  • Нихром (сплав никеля и хрома) и фехраль (железо, хром и алюминий). Обладают высокой температурой плавления. Сопротивление нихрома и нихромовой проволоки достаточно большое для изготовления нагревателей и проволочных сопротивлений;
  • Вольфрам. Имеет высокое удельное сопротивление и очень тугоплавкий – 3422 градуса. Из него изготавливаются нити накала в электролампочках;
  • Константан. Сплав из меди, никеля и марганца, не меняющий своих свойств при изменениях температуры. Применяется для изготовления резисторов в измерительных приборах;
  • Компенсационные. Из этих сплавов изготавливаются кабеля для подключения термопар и других датчиков. При повышении температуры электросопротивление одного проводника увеличивается, а другого – уменьшается. В результате общее значение остаётся неизменным.

Интересно. В 50-е годы проектировались трансформаторы для высоковольтных подстанций с серебряными обмотками. С учётом пониженных потерь это было выгодно. Но из-за повышения цены на серебро на мировом рынке эти проекты не были реализованы.

Выбор сечения кабелей

При расчёте сечения токопроводящей жилы учитываются нагрев и падение напряжения в кабелях большой длины. Выполнить расчет сопротивления провода можно по специальным таблицам или при помощи онлайн-калькуляторов.

Сечение, рассчитанное по потерям, может быть больше или меньше рассчитанного по нагреву. Это зависит от длины кабеля. Для прокладки выбирается большее значение.

Выбор сечения проводника по допустимому нагреву

При протекании электрического тока по кабелю он греется. Этот нагрев может расплавить изоляцию, что приведёт к её разрушению и замыканию рядом расположенных проводов между собой или на заземлённые детали конструкций.

Важно! Разрушение изоляции и К.З. (короткое замыкание) могут привести к пожару.

Для того чтобы предотвратить подобную ситуацию, сечение кабеля должно соответствовать току нагрузки, типу изоляции и условиям прокладки. По проводам, проложенным открыто, или с термостойкой изоляцией можно пропускать больший ток, чем по кабелю, проложенному по трубам в виниловой или резиновой оболочке.

Выбор сечения по нагреву

Выбор сечения по потерям напряжения

При протекании электрического тока по кабелю происходит уменьшение напряжения возле нагрузки. Это связано с тем, что, хотя и сопротивление небольшого куска провода, и падение напряжения на нём невелико, на большой длине оно может достичь значительной величины.

Например, удельное сопротивление медного провода – 0,017 Ом•мм²/м. Но в одножильном кабеле длиной 100 м сечением 10 мм² оно составит 0,17Ом. При токе 80А (допустимому по нагреву) падение напряжения в сети 220В составит 27В (100 м фазного провода и 100 м нулевого с падением 13В в каждом проводнике). Поэтому при допустимом падении напряжения 2% или 5В сечение кабеля должно быть не меньше, чем 66 мм², или ближайшее большее стандартное значение – 75 мм².

Если расчет сечения по нагреву производится по рабочему току электродвигателя и на участке от вводного автомата до устройства, то расчёт по потерям необходимо производить по пусковому току с учётом всей длины кабелей: от магистрали до электромашины.

Выбор сечения провода по допустимому падению напряжения

Сопротивление медного провода – это величина, влияющая на выбор кабелей и проводов для намотки катушек при проектировании электросхем, а также электродвигателей и трансформаторов. Знание того, как выполняется расчет сопротивления проводника, и необходимых формул поможет правильно спроектировать электропроводку и избежать аварийных ситуаций.

Видео

Рейтинг
( Пока оценок нет )
Загрузка ...
Adblock
detector