Розрахунковий струм для однофазної мережі. Підведення електрики до приватного будинку та розрахунок навантаження

Будь-який електроприлад характеризується декількома основними параметрами, серед яких струм та потужність. Іноді вказуються лише потужність і напруга, струм у цьому випадку легко знайти, скориставшись знаменитими формулами Ома (зрозуміло, з низкою застережень - наприклад, повинен бути відомий cos). Так само зворотне: знаючи струм і напругу, можна здійснити розрахунок потужності. У глобальній Мережі є багато матеріалів на цю тему, але більша їх частина розрахована на фахівців.

Давайте розглянемо, що розуміють під терміном «електрична потужність», які є її різновиди і як можна зробити розрахунок потужності. Фізичний сенс потужності показує, наскільки швидко в установці (приладі) відбувається перетворення електроенергії на той чи інший вид корисної роботи. Отак усе просто! Для неелектричних пристроїв цілком допустимо використовувати термін «продуктивність».

В електротехніці прийнято поділ, згідно з яким існує активна і реактивна потужність. Перша безпосередньо перетворюється на корисну роботутому вважається основним. Одиницею виміру служить Ватт і похідні - Кіловатт, Мегават та ін. побутових електроприладіввказується саме вона. Хоча це зовсім не означає, що реактивної складової немає. У свою чергу друга - небажана, тому що у виконанні роботи не бере участі, а витрачається на різні видивтрат. Вимірюється в «вар» (вольт-ампер реактивний) та похідних – кіловольт-ампер реактивний тощо. Сума активної та реактивної складових формують повну потужність (вольт-ампер, ВА).

Яскравий приклад споживача із чистою активним навантаженням- Електричний ТЕН. При проходженні електричним струмом генерується тепло, причому в прямій залежності. Так само діє споживач реактивної енергії - класичний трансформатор. При його роботі у витках обмотки створюється магнітне поле, яке саме по собі не потрібне (використовується властивість електромагнітної індукції). Магнітопровід намагнічується, відбуваються втрати. Іншими словами:

де sin Fi - синус кута між векторами струму та напруги. Його знак залежить від характеру навантаження (ємнісне або індуктивне).

Розрахунок потужності починають з визначення роду струму: постійний чи змінний, оскільки формули є універсальними.

У першому випадку використовується слідство із класичного закону Ома. Потужність P є добутком струму I на напругу U:

P = I * U (В = А * В).

При ланцюга з джерелом живлення враховується напрямок ЕРС: це необхідно для розрахунку опору самого джерела. Так, генератор або батарея, в яких струм тече від «-» до «+», видаючи енергію навантаження ланцюга, віддає потужність. Якщо перебіг струму протилежно прикладеному потенціалу (зарядка акумуляторної батареї), має місце поглинання потужності джерелом ЕРС.

Формула розрахунку потужності для ( однофазний ланцюг) враховує коефіцієнт – «косинус фі». Він є відношенням активної складової потужності до повної. Очевидно, що у випадку з ТЕНом косинус дорівнюватиме 1 (ідеальний варіант), тому що реактивної складової немає. Інакше зниження втрат за генератора застосовують різні компенсатори чи інші технічні рішення.

Таким чином:

Розрахунок потужності виконується для кожної фази, а отримані значення потім сумуються. Для змінного струмуПовна потужність розраховується як із суми квадратів активної та реактивної складових. Для генеруючих пристроїв (підстанції) більш важливо знати саме повну потужність, так як на основі цього підбираються решта елементів наступних ланцюгів. Вочевидь, що у більшості випадків не можна наперед дізнатися характер навантаження.

Під час проектування будь-яких електричних кіл виконується розрахунок потужності. На його основі проводиться вибір основних елементів та обчислюється допустиме навантаження. Якщо розрахунок для ланцюга постійного струмуне становить складності (відповідно до закону Ома, необхідно помножити силу струму на напругу – Р=U*I), то з обчисленням потужності змінного струму – не все так просто. Для пояснення потрібно звернутися до основ електротехніки, не вдаючись у подробиці, наведемо короткий виклад основних тез.

У ланцюгах змінного струму розрахунок потужності ведеться з урахуванням законів синусоїдальних змін напруги та струму. У зв'язку з цим запроваджено поняття повної потужності(S), яка включає дві складові: реактивну (Q) і активну (P). Графічний опис цих величин можна зробити через трикутник потужностей (див. рис.1).

Під активною складовою (Р) мається на увазі потужність корисного навантаження (безповоротне перетворення електроенергії на тепло, світло і т.д.). Вимірюється ця величина у ватах (Вт), на побутовому рівні прийнято вести розрахунок у кіловатах (кВт), у виробничій сфері – мегаватах (мВт).

Реактивна складова (Q) описує ємнісне та індуктивне електронавантаження в ланцюзі змінного струму, одиниця виміру цієї величини Вар.

Рис. 1. Трикутник потужностей (А) та напруг (В)

Відповідно до графічного представлення, співвідношення в трикутнику потужностей можна описати із застосуванням елементарних тригонометричних тотожностейщо дає можливість використовувати наступні формули:

• S = √P 2 +Q 2 - для повної потужності;
• і Q = U*I*cos⁡ φ і P = U*I*sin φ – для реактивної та активної складових.

Ці розрахунки застосовні для однофазної мережі(наприклад, побутовий 220 В), для обчислення потужності трифазної мережі(380 В) до формули необхідно додати множник – √3 (при симетричне навантаження) або підсумовувати потужності всіх фаз (якщо навантаження несиметричне).

Для кращого розуміння процесу впливу складових повної потужності розглянемо «чисте» прояв навантаження в активному, індуктивному та ємнісному вигляді.

Візьмемо гіпотетичну схему, в якій використовується «чистий» активний опір та відповідне джерело змінної напруги. Графічне опис роботи такого ланцюга продемонстровано малюнку 2, де відображаються основні параметри для певного часового діапазону (t).

Рисунок 2. Потужність ідеального активного навантаження

Ми можемо побачити, що напруга і струм синхронізовані як по фазі, так і частоті, потужність має подвоєну частоту. Зверніть увагу, що напрямок цієї величини позитивний, і вона постійно зростає.

Як видно на малюнку 3, графік характеристик ємнісного навантаження дещо відрізняється від активного.

Малюнок 3. Графік ідеального ємнісного навантаження

Частота коливань ємнісної потужності вдвічі перевищує частоту синусоїди зміни напруги. Щодо сумарного значення цього параметра, протягом одного періоду гармоніки воно дорівнює нулю. При цьому збільшення енергії (W) також не спостерігається. Такий результат вказує, що її переміщення відбувається в обох напрямках ланцюга. Тобто, коли напруга збільшується, відбувається накопичення заряду в ємності. При настанні негативного напівперіод накопичений заряд розряджається в контур ланцюга.

У процесі накопичення енергії в ємності навантаження та наступного розряду не виконується корисної роботи.

Поданий нижче графік демонструє характер «чистого» індуктивного навантаження. Як бачимо, змінилося лише напрямок потужності, що стосується нарощення, воно дорівнює нулю.

Негативний вплив реактивного навантаження

У наведених вище прикладах розглядалися варіанти, де є «чисте» реактивне навантаження. Чинник впливу активного опорудо уваги не приймався. У таких умовах реактивний вплив дорівнює нулю, а отже, можна не брати його до уваги. Як ви розумієте, у реальних умовах таке неможливе. Навіть якщо гіпотетично таке навантаження існувало б, не можна виключати опір мідних або алюмінієвих жил кабелю, необхідного для її підключення до джерела живлення.

Реактивна складова може проявлятися у вигляді нагрівання активних компонентів ланцюга, наприклад, двигуна, трансформатора, з'єднувальних проводів, кабелю живлення і т.д. На це витрачається певна кількість енергії, що призводить до зниження основних показників.

Реактивна потужність впливає на ланцюг так:

• не виробляє жодної корисної роботи;
• викликає серйозні втрати та позаштатні навантаження на електроприлади;
• може спровокувати виникнення серйозної аварії.

Саме тому, роблячи відповідні обчислення для електроланцюга, не можна виключати фактор впливу індуктивного та ємнісного навантаження і, якщо необхідно, передбачати використання технічних системдля її компенсації.

Розрахунок споживаної потужності

У побуті часто доводиться стикатися з обчисленням потужності, що споживається, наприклад, для перевірки допустимого навантаження на проводку перед підключенням ресурсоємного електроспоживача (кондиціонера, бойлера, електричної плитиі т.д.). Також у такому розрахунку є необхідність при виборі захисних автоматів розподільного щита, через який здійснюється підключення квартири до електропостачання

У таких випадках розрахунок потужності за струмом та напругою робити не обов'язково, достатньо підсумувати споживану енергію всіх приладів, які можуть бути включені одночасно. Не зв'язуючись з розрахунками, дізнатися про цю величину для кожного пристрою можна трьома способами:

При розрахунках слід враховувати, що пускова потужність деяких електроприладів може відрізнятися від номінальної. Для побутових пристроїв цей параметр практично ніколи не вказується в технічної документаціїтому необхідно звернутися до відповідної таблиці, де містяться середні значення параметрів стартової потужності для різних приладів (бажано вибирати максимальну величину).

Передмова

Правильне підведення електрики до приватного будинку може бути зроблено тільки після ретельного планування, що базується на даних, отриманих у ході попередніх розрахунків.

Зміст

Підведення електрики до будинку є одним із самих важливих моментівпідготовки будови до введення в експлуатацію. Правильне підведення електрики до приватного будинку може бути зроблено тільки після ретельного планування, що базується на даних, отриманих у ході попередніх розрахунків. У статті розказано про те, як проводиться розрахунок електричних навантажень у приватному будинку з метою покращення економічності та безпеки експлуатації приладів.

Індивідуальний будинок розташований у місцевості, де використовуються електричні повітряні лінії. В цьому випадку неізольовані дроти монтують на фарфорових або скляних ізоляторах, укріплених на дерев'яних, залізобетонних чи металевих опорах. Іноді вздовж лінії електропередач передбачають вуличне освітлення, у цьому випадку прокладають ще один провід, який монтують на тих самих опорах. Вуличне освітлення підключають до «фазного» та нульовим проводам, а для керування ставлять вимикач або магнітний пускач, до контактів якого приєднують дроти для освітлення.

У чотирипровідних електричних лініяхнульовий провід обов'язково заземлюють на трансформаторній підстанції, а потім через кожні 100-200 м трасою, для чого на опорах влаштовують повторні заземлення. Від чотирьох-або п'ятипровідної (з «ліхтарним» проводом) лінії, що проходить вздовж вулиці, роблять відведення до будинків, розподіляючи навантаження на кожну фазу більш менш рівномірно: при однофазних відгалуженнях чергують від кожної фази (від першої фази відведення до першого будинку, від другий – до другої, від третьої – до третьої, до четвертої – знову від першої тощо). Другий провід кожного двопровідного відведення приєднують до нульового дроту лінії.

Формула розрахунку навантаження, потужності та сили струму

Для проведення досліджень може застосовуватися формула розрахунку струму, яка повинна враховувати кілька параметрів. Розрахунок приблизний, тому що ще потрібно враховувати коефіцієнт потужності, що дорівнює більшості електроспоживачів 0,9-1. Якщо ви включаєте в мережу напругою 220 В електричну лампочку 100 Вт, то струм у проводах, що підводять 100 Вт/220 В, або 0,45 А (це при коефіцієнті потужності рівному 1). Якщо електроприймач має коефіцієнт потужності 0,9, то при потужності 100 Вт та напрузі 220 В сила струму розраховується наступним чином: I = W/KU = 100Вт/200Вх0,9 = 0,5А. Чим менший коефіцієнт потужності, тим більше струмі, отже, більше втратиенергії у дротах за рахунок їх нагрівання. Формула розрахунку навантаження може бути скоригована з огляду на зміни цих параметрів.

Формула потужності навантаження використовується, щоб підрахувати електричну потребу кількох електроприймачів, необхідно підсумовувати їх номінальні струмиіноді у всіх електроприймачів коефіцієнт потужності однаковий або досить близький до одиниці. При різних значеннях коефіцієнта потужності знаходять його усереднене значення, а частіше набувають цієї величини 0,8-0,9 і обчислюють силу струму, виходячи з суми номінальних потужностей. Навантаження на фазовий дріт від трифазного електроприймача підраховують, виходячи з того, що на кожну фазу припадає одна третина потужності і що фазова напруга в 1,73 рази менша за лінійну: потужність трифазного електроприймача ділять на номінальну лінійна напругаа коефіцієнт потужності на 1,73. Споживачі, які користуються трифазним струмом, Одну з фаз виділяють для живлення однофазних електроприймачів, силу струму в цьому фазовому дроті визначають, підсумовуючи навантаження всіх трьох-і однофазних електроприймачів. На струм в інших фазових проводах однофазні електроприймачі не впливають, але вони визначають струм нульовому дроті(При включенні тільки трифазних електроприймачів струму в нульовому дроті немає).

Формула розрахунку сили струму при правильному застосуванні дозволяє формувати стійку до перепадів напруги мережу. Практично всі електроприймачі у вашому будинку мають різний електричний опір, який визначається результатом розподілу величин електричної напругита сили електричного струму. Електричний опір(провідника, електропраски, телевізора тощо) в омах (Ом), дорівнює електричному напрузі у вольтах (В), поділеному на силу струму в амперах (А): R = U/I. Якщо до електроприймача прикладена напруга 220 В і при цьому протікає струм силою 0,5 А, то опір ланцюга становить 440 Ом. Якщо опір збільшити, то сила струму пропорційно зменшиться. Використовуючи наведені залежності: I = W/U та R = U/I, шляхом арифметичних дій отримаємо: WR = U2.

Звідси можна, знаючи величину електричної напруги і потужність електроспоживача, обчислити його опір. Або обчислити потужність, знаючи величини R і U. Наприклад, опір електроприймача потужністю 220 Вт становить 484 Ом, а опір електроприймача потужністю 1 кВт - 48,4 Ом.

Опір проводів електричної мережі зазвичай знаходиться в межах від часток Ома до 1-2 Ом, нагрівання проводів електричним струмомзалежить від опору та сили струму, тому якщо електричне з'єднання зроблено погано (недостатньо затягнуті гвинти, недбало скручені та зачищені дроти), його опір виявляється більшим і виникає небезпечний перегрів, з'являється можливість загоряння. При короткому замиканнінапруга мережі прикладено до замкнутих між собою дротів, опір мало, і сила струму зростає, перевищуючи допустимі значення. Якщо при цьому немає необхідних заходів захисту (наприклад, відсутні запобіжники), дроти можуть загорітися.

У домовласників виникає питання: яким дротом краще монтувати електропроводку - з мідною чи алюмінієвою житловою? Звичайно, питання коректне, якщо маються на увазі однакові дроти: переріз жили, тип ізоляції і т. п. Питомий опір міді в 1,6 рази менше, ніж питомий опіралюмінію. Для передачі однієї і тієї ж електричної потужностідо небезпечного нагрівання потрібно вибрати перетин алюмінієвої жили в 1,6 більше, порівняно з мідною.

Коефіцієнт теплопровідності міді 390 Вк/м х К, а й у алюмінію 209 X= Вк/м х К, тобто в міді в 1,7 більше. Це означає, що, якщо в одному місці мідної жили, наприклад, за рахунок поганого контакту, виник перегрів - температура підвищилася, то таке підвищення температури швидше розподілятиметься по мідній жилі порівняно з алюмінієвою. Отже, використання мідних провідниківмає безперечні переваги порівняно з алюмінієвими.

За визначенням потужність є енергія за одиницю часу, електрична енергія Е дорівнює: Е = Wt, де t - час.

Вимірюють величину Е за допомогою електролічильників. Якщо потужність електроприймачів сумарно становить 1 кВт, то за 1 годину роботи буде витрачено 1 кВт/годину, таку ж кількість електроенергії витратить за 4 години електроприймачі потужністю 250 Вт або електроламп потужністю 100 Вт за 10 годин.

Вам знадобиться: в будинку завжди включено багато електроспоживачів - електричні лампочки, холодильник, телевізор, електронагрівачі тощо. Зазвичай усі вони з'єднані паралельно, проте в рідкісних випадкахзустрічається і послідовне з'єднанняспоживачів. Вам, наприклад, необхідно розрахувати, купивши новий електроприлад (і знаючи його потужність та напругу, які повинні бути наведені в паспорті) не тільки силу струму через цей прилад, але і який автомат-запобіжник потрібно поставити в ланцюги приладу, якщо паралельно йому вже підключено інші. Тобто необхідні найкоротші дані для розрахунку електричних кіл.

Далі, якщо у вас є конкретна електричний ланцюг, підставляючи величини U, Rv R2 і т. д., ви отримаєте необхідні чисельні значення, тільки не забудьте всі величини записувати в Міжнародній системі одиниць СІ – вольтах, амперах, омах та ватах. Втім, якщо ви звикли до кінських сил (к. с.), то запам'ятайте, що 1 л. с. - 735,5 Вт.

Наведена інформація з електротехніки - той технічний мінімум, який вам необхідно знати, щоб грамотно експлуатувати електричні системи у своєму будинку.

Вказівки щодо визначення та розрахунку потужностей електричних навантажень електроприладів з прикладами

Далі наведено вказівки щодо розрахунку електричних навантажень у приватному домоволодінні для покращення продуктивності мережі. Проведений розрахунок потужності електроприладів дозволяє також скоротити фінансові витрати на оплату рахунків за електроенергію.

Виберемо для складання схеми досить типовий варіант двоповерхового будинку та послідовно розглянемо всі етапи складання електричної схемиелектропроводки.

Для того щоб провести визначення електричних навантажень, надійдемо наступним чином: розмістимо на плані будинку по приміщеннях всі електроспоживачі, які можуть бути включені в будинку. Далі подано практичні приклади розрахунку електричних мереж, які можна використовуватиме складання власного плану.

Перший поверх.

• Вітальня 30 м2. З електроспоживачів тут телевізор (60 Вт), музичний центр (50 Вт), відеоплеєр (10 Вт). Для освітлення використовуються люстри (5 лампочок по 60-300 Вт) і два бра по 100 Вт - разом 500 Вт.
• Коридор, ганок – освітлення електролампами по 100 Вт (всього 200 Вт).
• Кухня: електрична плита (1,5 кВт), пральна машина (1,8 кВт), електронагрівач (1,5 кВт), холодильник (400 Вт), освітлення - люстра (200 Вт) та бра (100 Вт), разом 300 Вт.

Другий поверх.

• Спальня – освітлення – бра (200 Вт).
• Туалетна кімната – освітлення (100 Вт).
• Хол – освітлення (200 Вт).

Для включення всіх зазначених споживачів монтують групову мережу. Групову мережу виконують, як правило, трьома групами. Перша група призначена для харчування освітлювальних приладів, друга служить для приєднання штепсельних розеток на 6А без захисних (занулюючих або заземлюючих) контактів, третя живить електроприймачі, що вимагають занулення корпусу приладу, наприклад, кухонну плиту. До цієї групи приєднують штепсельні розетки із захисним контактом.

Не можна об'єднувати нульові провідникирізних груп у провід, який служить для приєднання захисних контактів штепсельних розеток до нульових провідників, не можна вводити ні вимикачі, ні запобіжники. Допускається змішане живлення штепсельних розеток та освітлення.

Якщо вступити за всіма правилами, тобто об'єднаємо в одну групу освітлювальні прилади, в другу - штепсельні розетки на 6А, в третю - штепсельні розетки із захисним контактом, то в результаті отримаємо велику витрату проводів. Якщо проводячи розрахунок електричних навантажень, приклад взяти за основу, варто провести коригування потужностей відповідно до паспортних даних електроприладів.

Методи та формула розрахунку опору та напруги електричного навантаження

Опір навантаження формула дозволяє розраховувати максимально точно при плануванні найбільш ефективної роботимережі. Для того щоб дізнатися напругу навантаження, формула повинна включати всі параметри працюючих приладів. Методи розрахунку електричних навантажень у приватному домоволодінні можна переглянути на цій сторінці в прикладах проведення досліджень.

Група №1

Об'єднаємо штепсельні розетки та освітлювальні прилади у вітальні до групи № 1. Сумарна потужність усіх одночасно включених приладів дорівнює 620 Вт. Уявимо, що виникла потреба включити ще настільну лампу, фен для сушіння волосся, кавомолку, електропаяльник і т. п. - мало які виникають ситуації. Додамо на такі непередбачені витрати ще 300 Вт - нехай максимальна потужність всіх електроспоживачів, включених одночасно у вітальні, досягне 900 Вт. Не бійтеся в розумних межах завищити потужність електроспоживачів - невеликі додаткові витрати на електропроводку з лишком окупляться відсутністю небезпеки спалаху у вашому будинку. Максимальна сила струму ланцюга: I= (900Вт) /200В=4,1А.

Величина сили струму на підході до запобіжника ланцюга, а струм у проводах, що ведуть до бра, буде значно меншим. Якщо провід до бра через відгалужувальну коробку відходить від центральних жил, то сила струму в ньому: 100Вт/220В = 0,45 А.

До бра можна прокласти провід із значно меншим перетином.

Максимальне допустиме навантаження на штепсельну розеткубез заземлених контактів 1500 Вт, а кількість розеток на 30 м2 вітальні 3-5 штук (по БНіП - 1 розетка на 6-10 м2 житлової площі). Нарешті, загальний максимальний струм не перевищує 6 A, тобто можна використовувати запобіжник 6 A для цієї частини групової мережі. Зараз використовують автоматичні вимикачі, розчіплювачі яких розраховані на 16 A – освітлювальна мережа та мережа штепсельних розеток.

У нас є великий «запас міцності», близько 12 А (16 А – 4 А), тому до групи №1 можна включити освітлення кухні, коридору, ганку, туалетної кімнати та гаража. Тоді сумарна потужність всіх електроспоживачів у вітальні та освітлювальних приладів в інших кімнатах складе близько 1,6 кВт, сила струму не перевищить 7,3 А, і для цієї групи №1 розчіплювач автоматичного вимикача, розрахований на 16 А, нас цілком влаштує, оскільки 16 А, або 3,6 кВт – це потужність всіх одночасно включених споживачів.

Група №2

У групу № 2 виділимо розетки із захисним контактом для електричної плити, електронагрівача, холодильника та пральної машини. Сумарна потужність цих приладів 5,3 кВт, а сила струму ланцюга групи № 2 складе: I=5,3кВт/220В=24А.

Практично виключаються випадки одночасного включення всіх перелічених приладів, і для цієї групи можна використовувати автоматичний вимикачз розчіплювачем на силу струму 25 А.

Група №3

Нарешті, до групи № 3 увімкніть розетки та освітлення другого поверху. При вказаних вище споживачах встановіть автоматичний вимикач на 16 A.