Överföring av energi över en tråd

En elektrisk krets består av minst tre element: en generator, som är en källa till elektrisk energi, mottagare av energi och ledningar som förbinder generatorn och mottagaren.

Kraftverk är ofta belägna långt från där el förbrukas. En luftledning sträcker sig tiotals och till och med hundratals kilometer mellan kraftverket och platsen för energiförbrukningen. Ledarna i kraftledningen är fixerade på stolpar med isolatorer gjorda av ett dielektrikum, oftast porslin.

Med hjälp av luftledningar som utgör elnätet tillförs el till bostads- och industribyggnader där energikonsumenter finns. Inuti byggnader är elektriska ledningar gjorda av isolerade koppartrådar och kablar och kallas inomhusledningar.

När elektricitet överförs genom ledningar observeras ett antal oönskade fenomen relaterade till ledningarnas motstånd mot elektrisk ström. Dessa fenomen inkluderar spänningsförlust, linjeströmförluster, värmetrådar.

Förlust av nätspänning

När ström flyter skapas ett spänningsfall över ledningsmotståndet. Linjemotstånd Rl kan beräknas om längden på linjen l (i meter), tvärsnittet av ledaren S (i kvadratmillimeter) och motståndet för trådmaterialet ρ är kända:

Rl = ρ (2l/S)

(formeln innehåller siffran 2 eftersom båda ledningarna måste beaktas).

Om en ström l flyter genom ledningen så är spänningsfallet i ledningen ΔUl enligt Ohms lag lika med: ΔUl = IRl.

Eftersom en del av spänningen i ledningen går förlorad, kommer den i slutet av linjen (vid mottagaren) alltid att vara mindre än i början av linjen (inte vid generatorterminalerna). Ett fall i mottagarens spänning på grund av ett nätspänningsfall kan hindra mottagaren från att fungera normalt.

Antag till exempel att glödlampor normalt brinner vid 220 V och är anslutna till en generator som ger 220 V. Antag att ledningen har en längd l = 92 m, ett trådtvärsnitt S = 4 mm2 och ett motstånd ρ = 0 , 0175.

Linjemotstånd: Rl = ρ (2l / S) = 0,0175 (2 x 92) / 4 = 0,8 ohm.

Om strömmen passerar genom lamporna Az = 10 A, så blir spänningsfallet i ledningen: ΔUl = IRl = 10 x 0,8 = 8 V... Därför blir spänningen i lamporna 2,4 V mindre än generatorn spänning : Ulamps = 220 — 8 = 212 V. Lamporna kommer att vara en handfull otillräckligt tända. En förändring i strömmen som flyter genom mottagarna orsakar en förändring i spänningsfallet över linjen, vilket resulterar i en förändring i spänningen över mottagarna.

Låt en av lamporna släckas i detta exempel och strömmen i ledningen kommer att minska till 5 A. I detta fall kommer spänningsfallet i ledningen att minska: ΔUl = IRl = 5 x 0,8 = 4 V.

På den påslagna lampan kommer spänningen att stiga, vilket kommer att orsaka en märkbar ökning av dess ljusstyrka. Exemplet visar att på- eller avstängning av en enskild mottagare orsakar en förändring av spänningen hos andra mottagare på grund av en förändring av spänningsfallet i ledningen. Dessa fenomen förklarar de spänningsfluktuationer som ofta observeras i elektriska nätverk.

Effekten av linjeresistans på nätspänningsvärdet kännetecknas av den relativa spänningsförlusten. Förhållandet mellan spänningsfallet i ledningen och den normala spänningen, uttryckt som en procentuell relativ spänningsförlust (betecknad med ΔU%), kallas:

ΔU% = (ΔUl /U)x100%

Enligt befintliga standarder måste ledningens ledare utformas så att spänningsförlusten inte överstiger 5% och under belysningsbelastning inte överstiger 2 - 3%.

Förlust av energi

En del av den elektriska energin som genereras av generatorn går över till värme och går till spillo i kalk, vilket orsakar uppvärmning genom ledning. Som ett resultat är den energi som tas emot av mottagaren alltid mindre än den energi som ges av generatorn. Likaså är den effekt som förbrukas i mottagaren alltid mindre än den effekt som utvecklas av generatorn.

Effektförlusten i ledningen kan beräknas genom att känna till ledningens strömstyrka och motstånd: Plossar = Az2Rl

För att karakterisera effektiviteten av kraftöverföring, definiera linjeeffektivitet, vilket förstås som förhållandet mellan den effekt som tas emot av mottagaren och den effekt som utvecklas av generatorn.

Eftersom effekten som utvecklas av generatorn är större än mottagarens effekt med mängden effektförlust i linjen, beräknas verkningsgraden (betecknad med den grekiska bokstaven η - detta) som: η = Pusful / (Puseful + Plosses)

där Ppolzn är den effekt som förbrukas i mottagaren, Ploss är effektförlusten i ledningarna.

Från exemplet som diskuterades tidigare med strömstyrka Az = 10 Effektförlust i ledningen (Rl = 0,8 ohm):

Förlust = Az2Rl = 102NS0, 8 = 80 W.

Användbar effekt P användbar = Ulamps x I = 212x 10 = 2120 W.

Verkningsgrad η = 2120 / (2120 + 80) = 0,96 (eller 96%), dvs. Mottagarna får endast 96 % av den effekt som genereras av generatorn.

Uppvärmning med tråd

Uppvärmning av ledningar och kablar på grund av värmen som genereras av elektrisk ström är ett skadligt fenomen. Vid långvarig drift vid förhöjda temperaturer åldras isoleringen av ledningar och kablar, blir spröda och kollapsar. Förstörelse av isoleringen är oacceptabelt, eftersom detta skapar möjligheten för kontakt mellan de nakna delarna av ledningarna med varandra och den så kallade kortslutningen.

Beröring av exponerade ledningar kan orsaka elektriska stötar. Slutligen kan överdriven uppvärmning av tråden antända dess isolering och orsaka brand.

För att säkerställa att uppvärmningen inte överstiger det tillåtna värdet måste du välja rätt tvärsnitt av tråden. Ju större strömmen är, desto större tvärsnitt måste en tråd ha, för när tvärsnittet ökar minskar motståndet och följaktligen minskar mängden värme som genereras.

Valet av värmetrådarnas tvärsnitt utförs enligt tabellerna som visar hur mycket ström som kan passera genom tråden utan att orsaka oacceptabel överhettning.va. Ibland indikerar de den tillåtna strömtätheten, det vill säga mängden ström per kvadratmillimeter av trådens tvärsnitt.

Strömtätheten Ј är lika med strömstyrkan (i ampere) dividerat med ledarens tvärsnitt (i kvadratmillimeter): Ј = I / S а / mm2

Att känna till den tillåtna strömtätheten ЈDessutom kan du hitta den nödvändiga ledarsektionen: S = I /Јadop

För intern kabeldragning är den tillåtna strömtätheten i genomsnitt 6A/mm2.

Ett exempel. Det är nödvändigt att bestämma trådens tvärsnitt, om det är känt att strömmen som passerar genom den ska vara lika med I = 15A, och den tillåtna strömtätheten Јadop — 6Аmm2.

Beslut. Erforderligt trådtvärsnitt S = I /Јadop = 15/6 = 2,5 mm2