Что такое номинальное напряжение и как его найти

Непосредственное применение закона Ома для вычисления напряжения U возможно только для простой электрической сети (преимущественно постоянного тока). В большинстве прочих ситуаций перед расчётом необходимо уточнить, о каком именно U пойдёт речь, каков тип потребителя и в какой сети он функционирует. Особенно много путаницы возникает с терминами «среднее номинальное напряжение» и «номинальное допускаемое напряжение».

О терминологии

Базу энергетической системы составляют трехфазные сети, в которых используются 2 типа напряжений:

• Линейное, присутствующее между двумя жилами электрического кабеля.
• Фазное напряжение проявляется в ходе измерений потенциала между нулевым проводом и находящимся под током.

Если подключение к электросети происходит по схеме «треугольник», то линейные и фазные напряжения имеют одинаковые значения. Если же подсоединение производится с помощью «звезды», количественные показатели линейного напряжения становятся выше фазного в 1.733. Значение напряжения, присутствующего в трехфазной сети, записывают в виде дроби, например, 220/380. Числитель обозначает фазную, а знаменатель линейную величину.

В электротехнике часто приходится иметь дело со следующими тремя обозначениями, связанными с электрооборудованием и системой питания:

• Номинальное (линейное) напряжение сети или системы электрического питания.
• Номинальное напряжение отдельной единицы оборудования.
• Рабочее или допустимое напряжение.

Первое для сети переменного тока определяется как предельное значение данного параметра, присвоенное электрической цепи или системе для обозначения её класса. Такую характеристику часто обозначают как системное напряжение U_c.  Например, для России действует следующий ряд U_c, соответствующий нормам ГОСТ Р 57382–2017:                                      110→330→500→750 кВ. При этом минимальное значение U_c не может быть меньше 6 кВ (ГОСТ 721–77).

Принятое в конкретном регионе значение номинального напряжения системы определяется пиковой потребляемой мощностью и протяжённостью линий электропередачи. При проектировании любого электрооборудования разработчик в первую очередь учитывает условия той системы, в которой будет работать это оборудование.

Производители электрооборудования в обязательном порядке указывают на своих устройствах главные характеристики: силу тока в А, мощность в Вт, а также номинальное фазное напряжение, являющееся базисным в стандартизованном ряду потенциалов. Для зон безопасности обычно принимается допуск ± 10 % или выше.

Однако номинальное напряжение не является точным рабочим показателем для работающего оборудования. Оно представляет собой значение параметра, по которому электрическое устройство названо или упоминается. Таким образом, фактическое напряжение, при котором работает устройство, может отличаться от номинального в пределах диапазона, обеспечивающего удовлетворительную работу оборудования.

Поэтому на практике рассматриваемый параметр чаще используется в качестве эталона для описания фактических возможностей электрических устройств и систем. Он характеризует возможности той сети, к которой может быть подключено устройство с сохранением условий для его безопасной и надёжной работы. Следовательно, допустимо рассматривать данный показатель лишь как приблизительную оценку уровня работы конкретной электрической системы. Предельные значения выбираются таким образом, чтобы они находились в границах диапазона номинального напряжения.

Следует отметить, что реальная разница между входным и номинальным U_c всегда присутствует, но она не должна превышать допуск безопасности. С другой стороны, расхождение между этими параметрами должно быть достаточно большим, чтобы можно было легко подкорректировать изменение номинального напряжения в линии электропередачи.

Рабочее напряжение — это фактическое значение характеристик питания, которое подаётся на клеммы оборудования. Параметр измеряется при помощи таких приборов как вольтметры, мультиметры. Если разница показателей, измеренных в ходе тестирования, выходит за пределы заявленного диапазона, то работоспособность этой единицы оборудования не будет обеспечена.

Как определяется НП

Проще всего дело обстоит с выяснением данного номинала применительно к электрооборудованию. Например, для однофазного асинхронного двигателя на паспортной табличке указано, что значение данного показателя составляет 240 В ± 10 %. Это означает, что двигатель может безопасно работать в диапазоне от 216 В до 264 В. Учитывается, что паспортная мощность двигателя и прочие проектные характеристики соответствуют нормам стандарта.

Чтобы рассчитать номинальные напряжения сложных или составных электрических сетей, поступают иначе. Например, если нужно выяснить указанный параметр для региональной сети электропотребления, каждая из составляющих которой рассчитана на собственные, различающиеся от ветви к ветви параметры, используют следующую последовательность действий:

1. Пользуясь законом Ома для составной цепи, определяем значение номинального напряжения на выходе.

2. Если мощность потребителей неизвестна, но зато есть фактическое значение U_ф, то искомый параметр для каждого i-того потребителя определяется по формуле:

3. Полученные значения Р_i складываются.

При проведении таких расчётов необходимо различать номинал на каждом i-том элементе. Первый из параметров является предельным значением, которое может непрерывно подаваться к потребителю. Он применяется только к тем характеристикам сопротивления, которые лежат в области выше допустимой.

При вычислении номинального напряжения с помощью формулы Ома следует принимать во внимание то, что конечный результат может оказаться слишком высоким. Это может привести к выходу из строя элемента при длительном воздействии на него повышенной разности потенциалов. Поэтому итог расчётов сравнивается с максимальным (критическим) значением сопротивления, которое разрешено для данного элемента. Меньшее значение и будет действительным, указываемым отдельно для каждой серии и типоразмера изделия.

Примеры расчётов

Рассмотрим несколько примеров расчета номинального напряжения

Пример 1

Для номинальной мощности энергопотребителя в 1 Вт и его сопротивлении 100 кОм нужно определить номинал U_ном, приняв, что верхняя граница параметра (U_max) равна 200 В.

Воспользовавшись формулой закона Ома для участка цепи, получим:

Однако максимально допустимое U_max на элементе только 200 В, поэтому подавать на элемент 316 В нельзя. Отсюда следует, что U_ном = 200 В.

Пример 2

В стабильном режиме эксплуатации энергосистема выдаёт 11 кВ с допустимым колебанием ± 10 %. Какими будут наибольшие колебания, при которых такая система ещё сохранит свою работоспособность?

С учётом ранее указанного допуска безопасности 11 кВ ± 10 % данные значения будут составлять от 9.9 кВ до 12.1 кВ.

Пример 3

Автоматический выключатель, установленный для обслуживания энергосистемы 132 кВ, должен сохранять свою работоспособность в диапазоне U_ном ±10 %. Следовательно, потенциал, подаваемый на автоматический выключатель,  может находиться в пределах, не превышающих 118.8 … 145.2 кВ.

Образец более сложного расчёта

Определить номинальный ток генератора мощностью 48000 Вт при напряжении 110 В, учитывая, что U_ном = 220 В, угол сдвига между фазами cosφ = 0.85. Обмотки трёхфазной схемы генератора соединены звездой. Расстояние между смежными пазами в статоре соответствует паспортной мощности двигателя.

Сначала находим фазное напряжение при соединении в звезду:

Определяем значение полной номинальной мощности генератора:

Искомое значение номинального тока генератора:

Поскольку расчётное фазное напряжение больше фактического, то длительная работоспособность генератора полностью обеспечится. Все прочие параметры системы следует рассчитывать с учетом тока I_н не менее 150 А.

Описанная методика действий с определёнными эксплуатационными факторами электрооборудования и энергосистем позволяет уточнять условия надёжной работы устройств, не допускать перегрузки их отдельных элементов, осуществлять более точный подбор типоразмеров трансформаторов, генераторов, электродвигателей и прочего электрооборудования.

Видео по теме