Transmisja energii przewodem

Obwód elektryczny składa się z co najmniej trzech elementów: generatora, który jest źródłem energii elektrycznej, odbiorca energii oraz przewody łączące generator z odbiornikiem.

Elektrownie są często zlokalizowane daleko od miejsc, w których zużywana jest energia elektryczna. Napowietrzna linia energetyczna rozciąga się na dziesiątki, a nawet setki kilometrów między elektrownią a miejscem poboru energii. Przewody linii elektroenergetycznej mocowane są na słupach z izolatorami wykonanymi z dielektryka, najczęściej porcelany.

Za pomocą linii napowietrznych tworzących sieć elektryczną energia elektryczna jest dostarczana do budynków mieszkalnych i przemysłowych, w których znajdują się odbiorcy energii. Wewnątrz budynków okablowanie elektryczne składa się z izolowanych drutów i kabli miedzianych i nazywa się okablowaniem wewnętrznym.

Podczas przesyłania energii elektrycznej przewodami obserwuje się szereg niepożądanych zjawisk związanych z opornością przewodów na prąd elektryczny. Zjawiska te obejmują utrata napięcia, straty mocy linii, przewody grzejne.

Utrata napięcia sieciowego

Gdy płynie prąd, na rezystancji linii powstaje spadek napięcia. Rezystancję linii Rl można obliczyć, jeżeli znana jest długość linii l (w metrach), przekrój przewodu S (w milimetrach kwadratowych) oraz rezystancja materiału, z którego wykonany jest przewód ρ:

Rl = ρ (2l / S)

(wzór zawiera liczbę 2, ponieważ oba przewody muszą być wzięte pod uwagę).

Jeżeli przez linię płynie prąd l, to spadek napięcia w linii ΔUl zgodnie z prawem Ohma jest równy: ΔUl = IRl.

Ponieważ część napięcia w linii jest tracona, to na końcu linii (przy odbiorniku) będzie zawsze mniejsza niż na początku linii (nie na zaciskach generatora). Spadek napięcia odbiornika spowodowany spadkiem napięcia sieciowego może uniemożliwić normalne działanie odbiornika.

Załóżmy na przykład, że żarówki zwykle palą się pod napięciem 220 V i są podłączone do generatora dostarczającego napięcie 220 V. Załóżmy, że linia ma długość l = 92 m, przekrój przewodu S = 4 mm2 i rezystancję ρ = 0 , 0175.

Rezystancja linii: Rl = ρ (2l / S) = 0,0175 (2 x 92) / 4 = 0,8 oma.

Jeżeli prąd przepływa przez lampy Az = 10 A, to spadek napięcia w linii wyniesie: ΔUl = IRl = 10 x 0,8 = 8 V... Dlatego napięcie w lampach będzie o 2,4 V mniejsze niż w generatorze napięcie : Ulampy = 220 — 8 = 212 V. Lampy będą garściami niedostatecznie oświetlone. Zmiana prądu płynącego przez odbiorniki powoduje zmianę spadku napięcia na linii, co skutkuje zmianą napięcia na odbiornikach.

Niech jedna z lamp wyłączy się w tym przykładzie, a prąd w linii spadnie do 5 A. W tym przypadku spadek napięcia w linii zmniejszy się: ΔUl = IRl = 5 x 0,8 = 4 V.

Na włączonej lampie napięcie wzrośnie, co spowoduje zauważalny wzrost jej jasności. Z przykładu wynika, że ​​włączenie lub wyłączenie pojedynczego odbiornika powoduje zmianę napięcia pozostałych odbiorników na skutek zmiany spadku napięcia w linii. Zjawiska te wyjaśniają wahania napięcia, które często obserwuje się w sieciach elektrycznych.

Wpływ rezystancji linii na wartość napięcia sieci charakteryzuje się względnym spadkiem napięcia. Stosunek spadku napięcia w linii do napięcia normalnego, wyrażony jako procentowy względny spadek napięcia (oznaczony jako ΔU%), nazywa się:

ΔU% = (ΔUl /U)x100%

Zgodnie z obowiązującymi normami przewody linii muszą być tak zaprojektowane, aby straty napięcia nie przekraczały 5%, a pod obciążeniem oświetleniowym nie przekraczały 2 — 3%.

Utrata energii

Część energii elektrycznej wytwarzanej przez generator zamienia się w ciepło i jest tracona na wapno, powodując ogrzewanie przez przewodzenie. W rezultacie energia odbierana przez odbiornik jest zawsze mniejsza niż energia dostarczana przez generator. Podobnie moc pobierana w odbiorniku jest zawsze mniejsza niż moc wytwarzana przez generator.

Straty mocy w linii można obliczyć znając natężenie prądu i rezystancję linii: Plosses = Az2Rl

Aby scharakteryzować sprawność przesyłu mocy, należy zdefiniować sprawność linii, rozumianą jako stosunek mocy odbieranej przez odbiornik do mocy wytwarzanej przez generator.

Ponieważ moc wytwarzana przez generator jest większa od mocy odbiornika o wielkość strat mocy w linii, sprawność (oznaczoną grecką literą η — this) oblicza się w następujący sposób: η = Puseful / (Puseful + Plosses)

gdzie Ppolzn to moc pobierana w odbiorniku, Ploss to strata mocy w liniach.

Z omówionego wcześniej przykładu przy natężeniu prądu Az = 10 Straty mocy w linii (Rl = 0,8 oma):

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

Moc użyteczna P użyteczna = Ulampy x I = 212x 10 = 2120 W.

Sprawność η = 2120 / (2120 + 80) = 0,96 (lub 96%), tj. odbiorniki otrzymują tylko 96% mocy generowanej przez generator.

Ogrzewanie drutem

Nagrzewanie się przewodów i kabli pod wpływem ciepła wytwarzanego przez prąd elektryczny jest zjawiskiem szkodliwym. Przy długotrwałej pracy w podwyższonych temperaturach izolacja przewodów i kabli starzeje się, staje się krucha i zapada się. Niedopuszczalne jest niszczenie izolacji, gdyż stwarza to możliwość zetknięcia się ze sobą odsłoniętych części przewodów i tzw. zwarcia.

Dotknięcie odsłoniętych przewodów może spowodować porażenie prądem. Wreszcie nadmierne nagrzanie drutu może spowodować zapalenie się jego izolacji i spowodować pożar.

Aby ogrzewanie nie przekroczyło dopuszczalnej wartości, należy wybrać odpowiedni przekrój drutu. Im większy prąd, tym większy przekrój musi mieć przewód, ponieważ wraz ze wzrostem przekroju rezystancja maleje, a co za tym idzie, maleje ilość wytwarzanego ciepła.

Wybór przekroju przewodów grzejnych odbywa się zgodnie z tabelami, które pokazują, ile prądu może przepłynąć przez drut, nie powodując niedopuszczalnego przegrzania.va. Czasami wskazują dopuszczalną gęstość prądu, czyli ilość prądu na milimetr kwadratowy przekroju drutu.

Gęstość prądu Ј jest równa sile prądu (w amperach) podzielonej przez przekrój przewodu (w milimetrach kwadratowych): Ј = I / S а / mm2

Znając dopuszczalną gęstość prądu Јdodatkowo można znaleźć potrzebny przekrój przewodu: S = I /Јadop

Dla okablowania wewnętrznego dopuszczalna gęstość prądu wynosi średnio 6A/mm2.

Przykład. Konieczne jest określenie przekroju drutu, jeśli wiadomo, że przepływający przez niego prąd powinien być równy I = 15A, a dopuszczalna gęstość prądu Јadop — 6Аmm2.

Decyzja. Wymagany przekrój przewodu S = I /Јadop = 15/6 = 2,5 mm2