Для большинства небольших потребителей aльтернативной электрической энергии достаточно сделать упрощённый расчёт питающей линии. Для этого достаточно выбрать кабель по длительно допустимому току нагрузки с учётом потерь в линии. Поэтому предлагаю ознакомиться с вариантами расчёта обычного кабеля для ветрогенератора.

Обычно выбирают оборудование, в том числе и кабельное, в зависимости от энергетических потребностей. Поэтому, исходя из заранее рассчитанных потребностей, попробуем выбрать питающий кабель от ветрогенератора до потребителя электрической энергии, определить потери в нём, а значит и необходимую мощность генератора. Расчёт питающего кабеля будем делать по реальным усреднённым справочным техническим характеристикам кабелей, которые в разных справочниках могут немного различаться. Например, сопротивление меди и медных жил в разных справочниках немного разное. Длительный допустимый ток нагрузки питающего кабеля на каждый квадратный миллиметр сечения также может быть различным в зависимости конструкции кабеля и условий прокладки.

Дано: потребитель имеющий мощность нагрузки 1 кВт, должен получать напряжение 12,5 В. Чтобы соединить ветрогенератор с потребителем энергии, нужен двухпроводный кабель длиной 50 м.

Необходимо найти: сечение кабеля, потери в нём и определить необходимые выходные электротехнические характеристики ветрогенератора с учётом потерь.

Определяем ток нагрузки у потребителя.

 Сопротивление потребителя энергии будет равно:

Определяем сопротивление проводов при p = 0,0175 и L = 100 м (для двух проводов) и из справочных таблиц выбираем допустимое сечение медного кабеля для тока 80 А, равное 10 мм².

Находим сопротивление кабеля по удельному сопротивлению кабеля из справочника, а также по выбранному допустимому сечению кабеля и его длине.

Зная или измерив диаметр жилы кабеля, при необходимости можно определить площадь сечения кабеля по форуле :

S = 0,78d

Или можно использовать другую формулу, в которой вместо площади поперечного сечения провода используется диаметр проводника.

Для жилы, состоящей из нескольких проводников, вводится коэффициент заполнения, определяемый по справочнику для выбранного типа кабеля.

Определяем падение напряжения на проводах при этом сопротивлении и при токе 80 А.

 

Значит, напряжение на выходе ветрогенератора при заданных условиях должно быть:

Кроме того, часть энергии тратится на внутреннем сопротивлении ветрогенератора. Внутреннее сопротивление можно измерить или принять для расчёта, например, равным 0,1 Ом. При токе 80 А, внутреннее падение напряжения составит 8 В, а ЭДС ветрогенератора должна быть равной:

 

При заданных условиях для того, чтобы потребитель получал мощность 1 кВт, мощность, вырабатываемая ветрогенератором должна составлять:

По уже известной формуле мощности, умножая ток в цепи на падение напряжения на проводах и на внутреннем сопротивлении, определяем потери, которые выделяются в виде тепла на генераторе и на проводах.

На внутреннем сопротивлении обмотки генератора потери составят 649 Вт, а потери на проводах 1,12 кВт.

Провода и кабели, которые работают в режимах близких к предельным, как правило, заметно нагреваются. Металлические проводники при нагревании увеличивают сопротивление. Увеличение сопротивления приводит увеличению падения напряжения на кабеле, а значит и к увеличению потерь.

Зависимость сопротивления от температуры определяется формулой :

Чтобы не запутаться в нулях и лучше ориентироваться при расчётах, необходимо знать, что температурный коэффициент для меди при изменении температуры на один градус составляет 0,0043, что соответствует увеличению сопротивления почти на пол процента. Температурный коэффициент для алюминия 0,0042.

Например, если в расчётах применяем значения сопротивления медного кабеля при температуре 20 градусов, то при повышении температуры на 50 градусов, до вполне допустимых 70 градусов, сопротивление питающего кабеля увеличится на 21,5%. Соответственно увеличатся падение напряжения и потери при передаче электроэнергии.

Общие потери электрической энергии в кабеле пропорциональны сопротивлению, квадрату тока в линии и времени работы.

Немного поменяем условия задачи.

Предположим, что нам также необходимо получать 1 кВт мощности при напряжении 12,5 В, но имеется ветрогенератор, который при имеющейся силе ветра на выходе выдаёт напряжение 24 В. Необходимо выбрать кабель, чтобы получить прежние характеристики у потребителя. Напряжение на выходе ветрогенератора мы имеем уже с учётом внутреннего падения напряжения на нём. Поэтому падение напряжения на проводах должно составлять выходное напряжение ветрогенератора (под нагрузкой) минус падение напряжения на нагрузке потребителя.

Отсюда сопротивление проводов должно быть равно:

Нужную площадь сечения провода, которая удовлетворяет ранее заданным параметрам находим по формуле:

Из выпускаемых промышленностью проводов или кабелей по сечению провода выбираем наиболее близкое из стандартных равное 16 мм², которое должно удовлетворять заданным характеристикам. Дальше по этой методике расчёта можно самостоятельно просчитать, имеет ли смысл ещё больше увеличивать сечение кабеля, какие в этом случае будут потери при передаче энергии. Для уменьшения потерь, кроме увеличения сечения токоgроводящих жил, желательно по возможности уменьшать длину кабеля или использовать ветрогенератор и потребитель электрической энергии на большее напряжение. Это позволяет передавать такое же количество энергии при меньшей силе тока, а значит и с меньшими потерями. Марку кабеля или провода выбирают в зависимости от условий прокладки.

Эти расчёты делались для постоянного тока, а для переменного тока будем рассматривать при расчёте энергопотребителей переменного тока.

 Для систем энергоснабжения с несколькими различными по характеристикам потребителями применяются довольно сложные методики расчёта мощности потребляемой нагрузки, а также питающих их электрических кабелей и проводов. Это связано с тем, что величина токовой нагрузки у потребителей может сильно меняться в зависимости от количества одновременно работающих потребителей, их характеристик. Для таких расчётов вводится довольно много поправочных коэффициентов зависимости от характеристик и режима работы потребителей: коэффициент включения группы электрических приёмников, коэффициент максимума, эффективное (приведённое) число приёмников, коэффициент спроса, коэффициент использования мощности, коэффициент загрузки, коэффициент максимума и другие. Такие расчёты лучше поручить специалистам или долго и упорно изучать несколько книг (не Интернет).

При выборе кабеля вводятся поправочные коэффициенты в зависимости от того, проложен кабель в земле, или находится в воздухе. Если в кабельных лотках или каналах находится много нагруженных кабелей, то условия охлаждения будут хуже, что тоже учитывается введением соответствующего коэффициента. Силовые кабели при превышении нагрузки нагреваются не сразу, поэтому могут допускать кратковременные перегрузки, величина которой также зависит от многих других параметров. Например, учитывается насколько был нагружен кабель до наступления перегрузки. Для разных кабелей и проводов вводятся различные допустимые рабочие и предельные температуры. Тип кабеля выбирается и по условиям прокладки, например, в земле, где возможны механические повреждения, целесообразно применять бронированные кабели, иногда могут понадобиться кабели с повышенной влагостойкостью. Воздушные кабели при большом расстоянии между креплениями прокладываются закреплёнными на тросе или имеют тросовую жилу.