Prenos energie po drôte

Elektrický obvod pozostáva najmenej z troch prvkov: generátora, ktorý je zdrojom elektrickej energie, prijímač energie a vodiče spájajúce generátor a prijímač.

Elektrárne sa často nachádzajú ďaleko od miest, kde sa spotrebúva elektrina. Medzi elektrárňou a miestom spotreby energie sa tiahne nadzemné elektrické vedenie desiatky až stovky kilometrov. Vodiče elektrického vedenia sú upevnené na stĺpoch s izolátormi vyrobenými z dielektrika, najčastejšie porcelánu.

Pomocou nadzemných vedení, ktoré tvoria elektrickú sieť, sa elektrina dodáva do obytných a priemyselných budov, kde sa nachádzajú spotrebitelia energie. Vo vnútri budov sú elektrické rozvody vyrobené z izolovaných medených drôtov a káblov a nazývajú sa vnútorné rozvody.

Pri prenose elektriny cez drôty sa pozoruje množstvo nežiaducich javov súvisiacich s odporom drôtov voči elektrickému prúdu. Medzi tieto javy patrí strata napätia, straty napájania v sieti, vykurovacie drôty.

Strata sieťového napätia

Keď prúd tečie, na odpore vedenia sa vytvorí pokles napätia. Odpor vedenia Rl možno vypočítať, ak je známa dĺžka vedenia l (v metroch), prierez vodiča S (v štvorcových milimetroch) a odpor materiálu drôtu ρ:

Rl = ρ (2 l / S)

(vzorec obsahuje číslo 2, pretože treba brať do úvahy oba drôty).

Ak vedením preteká prúd l, potom sa úbytok napätia vo vedení ΔUl podľa Ohmovho zákona rovná: ΔUl = IRl.

Keďže sa stratí časť napätia vo vedení, tak na konci vedenia (pri prijímači) bude vždy menšie ako na začiatku vedenia (nie na svorkách generátora). Pokles napätia prijímača v dôsledku poklesu sieťového napätia môže brániť normálnemu fungovaniu prijímača.

Predpokladajme napríklad, že žiarovky bežne horia pri 220 V a sú pripojené ku generátoru poskytujúcemu 220 V. Predpokladajme, že vedenie má dĺžku l = 92 m, prierez vodiča S = 4 mm2 a odpor ρ = 0 , 0175.

Odpor vedenia: Rl = ρ (2l / S) = 0,0175 (2 x 92) / 4 = 0,8 ohmov.

Ak prúd prechádza cez lampy Az = 10 A, potom bude úbytok napätia vo vedení: ΔUl = IRl = 10 x 0,8 = 8 V... Preto bude napätie v lampách o 2,4 V menšie ako na generátore. napätie : Ulampy = 220 — 8 = 212 V. Lampy budú hŕstka nedostatočne osvetlené. Zmena prúdu pretekajúceho cez prijímače spôsobí zmenu úbytku napätia na vedení, čo má za následok zmenu napätia na prijímačoch.

V tomto príklade nechajte jednu z lámp zhasnúť a prúd vo vedení sa zníži na 5 A. V tomto prípade sa pokles napätia vo vedení zníži: ΔUl = IRl = 5 x 0,8 = 4 V.

Na zapnutej lampe stúpne napätie, čo spôsobí citeľný nárast jej jasu. Príklad ukazuje, že zapnutie alebo vypnutie jednotlivého prijímača spôsobí zmenu napätia ostatných prijímačov v dôsledku zmeny úbytku napätia vo vedení. Tieto javy vysvetľujú kolísanie napätia, ktoré sa často pozoruje v elektrických sieťach.

Vplyv odporu vedenia na hodnotu sieťového napätia je charakterizovaný relatívnou stratou napätia. Pomer poklesu napätia vo vedení k normálnemu napätiu, vyjadrený ako percentuálna relatívna strata napätia (označená ΔU%), sa nazýva:

ΔU% = (ΔUl /U)x100%

Podľa existujúcich noriem musia byť vodiče vedenia navrhnuté tak, aby strata napätia nepresiahla 5% a pri svetelnom zaťažení nepresiahla 2 — 3%.

Strata energie

Časť elektrickej energie generovanej generátorom prechádza na teplo a je premrhaná vo vápne, čo spôsobuje ohrev vedením. Výsledkom je, že energia prijatá prijímačom je vždy menšia ako energia poskytovaná generátorom. Podobne aj výkon spotrebovaný v prijímači je vždy menší ako výkon vyvinutý generátorom.

Stratu výkonu vo vedení možno vypočítať na základe znalosti aktuálnej sily a odporu vedenia: Plosses = Az2Rl

Na charakterizáciu účinnosti prenosu výkonu definujte účinnosť vedenia, ktorá sa chápe ako pomer výkonu prijatého prijímačom k výkonu vyvinutému generátorom.

Pretože výkon generovaný generátorom je väčší ako výkon prijímača o veľkosť straty výkonu vo vedení, účinnosť (označená gréckym písmenom η - toto) sa vypočíta ako: η = Puseful / (Puseful + Plosses)

kde Ppolzn je výkon spotrebovaný v prijímači, Ploss je strata výkonu vo vedení.

Z vyššie uvedeného príkladu s prúdovou silou Az = 10 Strata výkonu vo vedení (Rl = 0,8 ohmu):

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

Užitočný výkon P užitočný = Ulamps x I = 212x 10 = 2120 W.

Účinnosť η = 2120 / (2120 + 80) = 0,96 (alebo 96 %), t.j. prijímače prijímajú iba 96 % energie generovanej generátorom.

Vykurovanie drôtom

Zahrievanie drôtov a káblov teplom generovaným elektrickým prúdom je škodlivý jav. Pri dlhšej prevádzke pri zvýšených teplotách izolácia drôtov a káblov starne, krehne a zrúti sa. Zničenie izolácie je neprijateľné, pretože to vytvára možnosť vzájomného kontaktu holých častí drôtov a takzvaného skratu.

Dotyk s odkrytými vodičmi môže spôsobiť úraz elektrickým prúdom. Nakoniec nadmerné zahrievanie drôtu môže zapáliť jeho izoláciu a spôsobiť požiar.

Aby ste zabezpečili, že vykurovanie neprekročí prípustnú hodnotu, musíte zvoliť správny prierez drôtu. Čím väčší je prúd, tým väčší musí byť prierez drôtu, pretože so zväčšujúcim sa prierezom sa odpor zmenšuje, a teda aj množstvo vytvoreného tepla.

Výber prierezu vykurovacích drôtov sa vykonáva podľa tabuliek, ktoré ukazujú, koľko prúdu môže prejsť drôtom bez toho, aby došlo k neprípustnému prehriatiu.va. Niekedy označujú prípustnú hustotu prúdu, to znamená množstvo prúdu na štvorcový milimeter prierezu drôtu.

Prúdová hustota Ј sa rovná sile prúdu (v ampéroch) delenej prierezom vodiča (v štvorcových milimetroch): Ј = I / S а / mm2

Keď poznáte povolenú hustotu prúdu Јdodatočne, môžete nájsť potrebný prierez vodiča: S = I /Јadop

Pre vnútorné vedenie je prípustná prúdová hustota v priemere 6A/mm2.

Príklad. Je potrebné určiť prierez drôtu, ak je známe, že prúd, ktorý ním prechádza, by sa mal rovnať I = 15A a prípustná hustota prúdu Јadop — 6Аmm2.

rozhodnutie. Požadovaný prierez vodiča S = I /Јadop = 15/6 = 2,5 mm2