Kabelspanningsval Calculator | AWG & mm² Draadformaat Gereedschap

Een spanningsvalcalculator voor kabels berekent hoeveel spanning verloren gaat wanneer elektrische stroom door een stuk draad loopt. De calculator gebruikt de weerstand, lengte en stroomsterkte van de draad om de spanningsval, het als warmte verloren vermogen en de spanning die de belasting daadwerkelijk bereikt te bepalen.

Elke draad heeft enige weerstand. Wanneer stroom door die weerstand loopt, wordt een deel van de voedingsspanning verbruikt voordat de stroom het apparaat aan het uiteinde bereikt. Een korte, dikke draad veroorzaakt zeer weinig spanningsverlies. Een lange, dunne draad kan zoveel spanning verliezen dat motoren oververhit raken, lampen dimmen of accu's niet volledig worden opgeladen.

Zo berekent u de spanningsval

De calculator heeft zes invoergegevens nodig: kabellengte, de lengte-eenheid (voet of meter), de draaddikte, het draaddiktesysteem (AWG of mm²), de belastingsstroom in ampère en de voedingsspanning in volt. Vervolgens geeft de calculator de spanningsval, het spanningsvalpercentage, het als warmte verloren vermogen en de geleverde spanning.

De formule

Voor een standaard circuit met twee geleiders (één draad naar de belasting en één draad terug) is de spanningsval:

$V_{drop} = 2 \times I \times \frac{R}{1000} \times L$

• $I$ = belastingsstroom, in ampère
• $R$ = draadweerstand per 1000 voet (AWG) of per 1000 meter (mm²), dus gedeeld door 1000 om de weerstand per voet of per meter te verkrijgen
• $L$ = eenrichtingslengte van de kabel, in voet (AWG) of meter (mm²)
• De factor 2 houdt rekening met beide geleiders, omdat de stroom heen en terug moet lopen

Het in de draad als warmte verloren vermogen volgt uit:

$P_{loss} = I^2 \times R_{total}$

waarbij $R_{total}$ de gecombineerde weerstand van beide geleiders is ($R_{total} = 2 \times \frac{R}{1000} \times L$, met gebruik van consistente eenheden).

De spanning die de belasting bereikt is:

$V_{delivered} = V_{supply} - V_{drop}$

En de spanningsval als aandeel van de voeding is:

$\%_{drop} = \frac{V_{drop}}{V_{supply}} \times 100$

Waarden voor draadweerstand

Maten volgens American Wire Gauge (AWG) gebruiken weerstandswaarden uit NEC-hoofdstuk 9, tabel 8, uitgedrukt in ohm per 1000 voet bij 75 °C, de standaardbedrijfstemperatuur voor gangbare installatiedraad.

Maten in het metrische systeem (mm²) gaan uit van de weerstandslimieten voor geleiders volgens IEC 60.228, die zijn gepubliceerd bij 20 °C. De weerstand van koper neemt toe met de temperatuur, dus corrigeert de calculator elke waarde in mm² naar dezelfde basis van 75 °C voordat deze met AWG-waarden wordt vergeleken. De correctie gebruikt de temperatuurcoëfficiënt van de koperweerstand, ongeveer 0,00393 per °C:

$R_{75°C} = R_{20°C} \times [1 + 0.00393 \times (75 - 20)]$

Hierdoor wordt elke IEC-waarde verhoogd met een factor van ongeveer 1,216. Zo is draad van 6 mm² gespecificeerd op 3,08 ohm per 1000 meter bij 20 °C; dit wordt ongeveer 3,75 ohm per 1000 meter bij 75 °C. Het gebruik van de ongecorrigeerde waarde bij 20 °C zou de werkelijke spanningsval met ongeveer 18% onderschatten.

De lengte wordt automatisch omgerekend: voeten voor AWG-maten en meters voor mm²-maten, ongeacht welke eenheid is ingevoerd. De omrekening gebruikt de gedefinieerde internationale voet: 1 voet = precies 0,3048 meter.

Uitgewerkt voorbeeld

Huishoudelijk eindcircuit

Een circuit van 120 V loopt over 100 voet draad van 12 AWG (1,93 ohm per 1000 voet) en voert 15 A.

• Spanningsval: 5,79 V (4,82% van de voeding)
• Vermogensverlies: 86,85 W
• Geleverde spanning: 114,21 V

Dit overschrijdt de veelgebruikte richtwaarde van 3% voor eindcircuits. Overstappen op 10 AWG verlaagt de spanningsval tot 3,63 V (3,02%), nog steeds iets boven 3%. Met 8 AWG daalt de spanningsval tot 2,292 V (1,91%), ruim binnen de limiet.

Zonne-DC-circuit

Een 48 V-DC-systeem loopt over 50 meter draad van 6 mm² (3,08 ohm per 1000 meter bij 20 °C, ongeveer 3,75 ohm per 1000 meter na correctie naar 75 °C) en voert 20 A.

• Spanningsval: 7,491 V (15,61% van de voeding)
• Vermogensverlies: 149,83 W
• Geleverde spanning: 40,51 V

Een spanningsval van deze omvang zet een aanzienlijk deel van het systeemvermogen om in warmte en laat de omvormer of accubank met te weinig spanning achter. Met draad van 16 mm² daalt de spanningsval tot 2,797 V (5,83%) en het verlies tot ongeveer 56 W.

Industrieel circuit van 240 V

Een circuit van 240 V loopt over 200 voet draad van 6 AWG (0,491 ohm per 1000 voet) en voert 40 A.

• Spanningsval: 7,856 V (3,27% van de voeding)
• Vermogensverlies: 314,24 W
• Geleverde spanning: 232,14 V

Dit ligt slechts iets boven de richtwaarde van 3%. Overstappen op 4 AWG verlaagt de spanningsval tot 4,928 V (2,05%).

Effect van draaddikte op vermogensverlies

De draaddikte beïnvloedt het warmteverlies rechtstreeks, omdat het vermogensverlies toeneemt met het kwadraat van de stroom maar slechts lineair met de weerstand. Over een traject van 50 voet bij 20 A verliest draad van 10 AWG (1,21 ohm per 1000 voet) ongeveer 48,4 W als warmte, terwijl draad van 6 AWG (0,491 ohm per 1000 voet) bij dezelfde stroom ongeveer 19,6 W verliest. De dikkere draad bespaart bijna 29 W die anders verspild en niet aan de belasting geleverd zou worden.

Aanbevolen limieten voor spanningsval

De NEC (National Electrical Code, de bedradingsnorm die in de Verenigde Staten wordt gebruikt) geeft als informatieve opmerking en niet als strikte regel de veel aangehaalde limieten:

• 3% voor alleen een eindcircuit
• 5% voor een gecombineerde voedingsleiding en eindcircuit

Overschrijding van deze limieten is niet automatisch in strijd met de wet, maar kan gedimde lampen, warm lopende motoren en onregelmatig werkende elektronica veroorzaken. IEEE Std 141 geeft vergelijkbare richtlijnen voor industriële en commerciële elektriciteitsvoorzieningen.

AWG vergeleken met mm²

American Wire Gauge dateert uit 1857 en gebruikt een omgekeerde, logaritmische schaal: kleinere getallen betekenen dikkere draad. Een verschil van drie draaddiktematen verdubbelt ongeveer de doorsnede. Het systeem is standaard in Noord-Amerika.

Het mm²-systeem vermeldt de koperen dwarsdoorsnede rechtstreeks in vierkante millimeters, zodat draad van 2,5 mm² 2,5 vierkante millimeter koper heeft. Het wordt in het grootste deel van de rest van de wereld gebruikt.

Beperkingen

De calculator is alleen geschikt voor DC-circuits met twee geleiders of AC-circuits met één fase. De calculator is niet van toepassing op:

• Driefasencircuits, die een andere formule gebruiken met een factor √3 en doorgaans een lagere procentuele spanningsval hebben dan eenfasige circuits met hetzelfde vermogen.
• Grote AC-geleiders, boven ongeveer 1/0 AWG, waarbij inductieve reactantie naast de gewone weerstand optreedt. NEC-hoofdstuk 9, tabel 9 vermeldt voor die situatie impedantiewaarden.
• Vullen van kabelgoten en een omgevingstemperatuur boven 75 °C, die beide de werkelijke draadweerstand verhogen ten opzichte van de standaard tabelwaarden die hier worden gebruikt.

Als de berekende spanningsval gelijk is aan of groter is dan de voedingsspanning, kan het circuit de ingevoerde stroomsterkte helemaal niet leveren; de calculator markeert dit in plaats van een negatieve geleverde spanning weer te geven.

Veelgestelde vragen

Wat is spanningsval? Spanningsval is het spanningsverlies dat ontstaat wanneer stroom door de weerstand van een draad loopt, vergelijkbaar met de daling van de waterdruk over een lange tuinslang. Een deel van de voedingsspanning bereikt de belasting nooit.

Welk percentage spanningsval is aanvaardbaar? De veelgebruikte richtlijn van de NEC is 3% voor een eindcircuit en 5% voor een gecombineerde voedingsleiding en eindcircuit. Boven deze waarden kunnen motoren, lampen en elektronica slecht functioneren.

Hoe kan spanningsval worden verminderd? Gebruik een dikkere draad, verkort het kabeltraject, verlaag de belastingsstroom of verhoog waar praktisch mogelijk de voedingsspanning. Een dikkere draad is de meest gebruikelijke oplossing.

Waarom wordt de formule vermenigvuldigd met 2? De stroom loopt via één geleider naar de belasting en via een tweede geleider terug. Beide geleiders voegen weerstand toe en worden daarom meegerekend.

Verbruikt spanningsval energie? Ja. Dezelfde weerstand die de spanningsval veroorzaakt, zet ook een deel van de stroom om in warmte, volgens $P = I^2 \times R$. Die warmte is betaalde energie die nooit aan de belasting wordt geleverd.

Op welke temperatuur zijn de weerstandswaarden gebaseerd? 75 °C (167°F), de standaardwaarde voor gangbare typen installatiedraad zoals THHN en THWN. AWG-waarden komen rechtstreeks uit NEC-tabel 8 bij die temperatuur. Waarden in mm² worden omgerekend vanaf de bij 20 °C gepubliceerde waarden in IEC 60.228.

Werkt deze calculator voor driefasige elektriciteit? Nee. De calculator is bedoeld voor circuits met twee geleiders en één fase. Voor driefasige spanningsval is een afzonderlijke formule nodig met een factor √3.

Referenties

1. National Fire Protection Association, NFPA 70: National Electrical Code, editie 2023 — artikel 210,19(A) (spanningsval in eindcircuits), hoofdstuk 9, tabel 8 (geleiderweerstand), tabel 9 (AC-impedantie).
2. Institute of Electrical and Electronics Engineers, IEEE Std 141-1993 (Red Book), Recommended Practice for Electric Power Distribution for Industrial Plants.
3. International Electrotechnical Commission, IEC 60.228: Conductors of Insulated Cables.