Transmiterea energiei printr-un fir

Un circuit electric este format din cel puțin trei elemente: un generator, care este o sursă de energie electrică, receptor de energie și fire care conectează generatorul și receptorul.

Centralele electrice sunt adesea situate departe de locul unde se consumă energie electrică. O linie electrică aeriană se întinde pe zeci și chiar sute de kilometri între centrală și locul de consum de energie. Conductoarele liniei de alimentare sunt fixate pe stâlpi cu izolatori din dielectric, cel mai adesea porțelan.

Cu ajutorul liniilor aeriene care alcătuiesc rețeaua electrică, electricitatea este furnizată clădirilor rezidențiale și industriale în care se află consumatorii de energie. În interiorul clădirilor, cablarea electrică este realizată din fire și cabluri izolate de cupru și se numește cablaj interior.

Când electricitatea este transmisă prin fire, se observă o serie de fenomene nedorite legate de rezistența firelor la curentul electric. Aceste fenomene includ pierdere de tensiune, pierderi de putere pe linie, fire de încălzire.

Pierderea tensiunii de linie

Când curge curent, se creează o cădere de tensiune pe rezistența liniei. Rezistența liniei Rl poate fi calculată dacă se cunosc lungimea liniei l (în metri), secțiunea transversală a conductorului S (în milimetri pătrați) și rezistența materialului firului ρ:

Rl = ρ (2l / S)

(formula conține cifra 2 pentru că trebuie luate în considerare ambele fire).

Dacă prin linie trece un curent l, atunci căderea de tensiune în linie ΔUl conform legii lui Ohm este egală cu: ΔUl = IRl.

Deoarece o parte din tensiunea din linie se pierde, atunci la sfârșitul liniei (la receptor) va fi întotdeauna mai mică decât la începutul liniei (nu la bornele generatorului). O scădere a tensiunii la receptor din cauza unei căderi de tensiune de linie poate împiedica receptorul să funcționeze normal.

Să presupunem, de exemplu, că lămpile cu incandescență ard în mod normal la 220 V și sunt conectate la un generator care furnizează 220 V. Să presupunem că linia are o lungime l = 92 m, o secțiune transversală a firului S = 4 mm2 și o rezistență ρ = 0 , 0175.

Rezistență de linie: Rl = ρ (2l / S) = 0,0175 (2 x 92) / 4 = 0,8 ohmi.

Dacă curentul trece prin lămpi Az = 10 A, atunci căderea de tensiune în linie va fi: ΔUl = IRl = 10 x 0,8 = 8 V... Prin urmare, tensiunea din lămpi va fi cu 2,4 V mai mică decât generatorul tensiune : Ulamps = 220 — 8 = 212 V. Lămpile vor fi o mână insuficient aprinse. O modificare a curentului care curge prin receptori determină o modificare a căderii de tensiune pe linie, ducând la o schimbare a tensiunii la receptori.

Lăsați una dintre lămpi să se stingă în acest exemplu și curentul din linie va scădea la 5 A. În acest caz, căderea de tensiune în linie va scădea: ΔUl = IRl = 5 x 0,8 = 4 V.

La lampa aprinsă, tensiunea va crește, ceea ce va determina o creștere vizibilă a luminozității. Exemplul arată că pornirea sau oprirea unui receptor individual provoacă o modificare a tensiunii altor receptoare din cauza unei modificări a căderii de tensiune în linie. Aceste fenomene explică fluctuațiile de tensiune care se observă adesea în rețelele electrice.

Efectul rezistenței liniei asupra valorii tensiunii rețelei este caracterizat de pierderea relativă de tensiune. Raportul dintre scăderea tensiunii din linie și tensiunea normală, exprimat ca pierdere de tensiune relativă procentuală (notat cu ΔU%), se numește:

ΔU% = (ΔUl /U)x100%

Conform standardelor existente, conductoarele liniei trebuie proiectate astfel încât pierderea de tensiune să nu depășească 5%, iar sarcina sub iluminare să nu depășească 2 - 3%.

Pierderea energiei

O parte din energia electrică generată de generator trece în căldură și este irosită în var, provocând încălzire prin conducție. Ca urmare, energia primită de receptor este întotdeauna mai mică decât energia dată de generator. La fel, puterea consumată în receptor este întotdeauna mai mică decât puterea dezvoltată de generator.

Pierderea de putere în linie poate fi calculată cunoscând puterea curentului și rezistența liniei: Plosses = Az2Rl

Pentru a caracteriza eficiența transmisiei de putere, definiți eficiența liniei, care este înțeleasă ca raportul dintre puterea primită de receptor și puterea dezvoltată de generator.

Deoarece puterea dezvoltată de generator este mai mare decât puterea receptorului cu cantitatea de putere pierdută în linie, eficiența (notată cu litera greacă η — aceasta) se calculează astfel: η = Puseful / (Puseful + Plosses)

unde, Ppolzn este puterea consumată în receptor, Ploss este puterea pierdută în linii.

Din exemplul discutat mai devreme cu puterea curentului Az = 10 Pierderea de putere în linie (Rl = 0,8 ohmi):

Pierdere = Az2Rl = 102NS0, 8 = 80 W.

Putere utilă P utilă = Ulamps x I = 212x 10 = 2120 W.

Eficiență η = 2120 / (2120 + 80) = 0,96 (sau 96%), adică receptoarele primesc doar 96% din puterea generată de generator.

Incalzire cu fir

Încălzirea firelor și cablurilor datorită căldurii generate de curentul electric este un fenomen dăunător. Cu funcționarea prelungită la temperaturi ridicate, izolația firelor și cablurilor îmbătrânește, devine casantă și se prăbușește. Distrugerea izolației este inacceptabilă, deoarece aceasta creează posibilitatea contactului părților goale ale firelor între ele și așa-numitul scurtcircuit.

Atingerea firelor expuse poate provoca electrocutare. În cele din urmă, încălzirea excesivă a firului poate aprinde izolația acestuia și poate provoca un incendiu.

Pentru a vă asigura că încălzirea nu depășește valoarea admisă, trebuie să alegeți secțiunea transversală corectă a firului. Cu cât curentul este mai mare, cu atât secțiunea transversală trebuie să aibă un fir, deoarece pe măsură ce crește secțiunea transversală, rezistența scade și, în consecință, cantitatea de căldură generată scade.

Selectarea secțiunii transversale a firelor de încălzire se efectuează conform tabelelor care arată cât de mult curent poate trece prin fir fără a provoca o supraîncălzire inacceptabilă.va. Uneori, ele indică densitatea de curent admisibilă, adică cantitatea de curent pe milimetru pătrat al secțiunii transversale a firului.

Densitatea curentului Ј este egală cu puterea curentului (în amperi) împărțită la secțiunea transversală a conductorului (în milimetri pătrați): Ј = I / S а / mm2

Cunoscând densitatea de curent admisibilă, în plus, puteți găsi secțiunea conductorului necesară: S = I /Јadop

Pentru cablarea internă, densitatea de curent admisă este în medie de 6A/mm2.

Un exemplu. Este necesar să se determine secțiunea transversală a firului, dacă se știe că curentul care trece prin acesta ar trebui să fie egal cu I = 15A, iar densitatea de curent admisibilă Јadop - 6Аmm2.

Decizie. Secțiunea transversală necesară a firului S = I /Јadop = 15/6 = 2,5 mm2