Přenos energie po drátu

Elektrický obvod se skládá minimálně ze tří prvků: generátoru, který je zdrojem elektrické energie, přijímač energie a vodiče spojující generátor a přijímač.

Elektrárny se často nacházejí daleko od míst, kde se spotřebovává elektřina. Mezi elektrárnou a místem spotřeby energie se táhne nadzemní elektrické vedení desítky i stovky kilometrů. Vodiče elektrického vedení jsou upevněny na sloupech s izolátory z dielektrika, nejčastěji porcelánu.

Pomocí venkovního vedení, které tvoří elektrickou síť, je elektřina dodávána do obytných a průmyslových budov, kde se nacházejí spotřebitelé energie. Uvnitř budov je elektrické vedení vyrobeno z izolovaných měděných drátů a kabelů a nazývá se vnitřní vedení.

Když je elektřina přenášena dráty, je pozorována řada nežádoucích jevů souvisejících s odporem drátů vůči elektrickému proudu. Mezi tyto jevy patří ztráta napětí, ztráty ve vedení, topné dráty.

Ztráta síťového napětí

Při protékání proudu vzniká na odporu vedení úbytek napětí. Odpor vedení Rl lze vypočítat, pokud je známa délka vedení l (v metrech), průřez vodiče S (v milimetrech čtverečních) a odpor materiálu drátu ρ:

Rl = ρ (2l / S)

(vzorec obsahuje číslo 2, protože je třeba vzít v úvahu oba dráty).

Protéká-li vedením proud l, je úbytek napětí ve vedení ΔUl podle Ohmova zákona roven: ΔUl = IRl.

Protože se část napětí ve vedení ztratí, pak na konci vedení (u přijímače) bude vždy menší než na začátku vedení (ne na svorkách generátoru). Pokles napětí přijímače v důsledku poklesu síťového napětí může způsobit, že přijímač nebude fungovat normálně.

Předpokládejme například, že žárovky běžně hoří na 220 V a jsou připojeny ke generátoru poskytujícímu 220 V. Předpokládejme, že vedení má délku l = 92 m, průřez vodiče S = 4 mm2 a odpor ρ = 0 , 0175.

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

Prochází-li proud výbojkami Az = 10 A, pak úbytek napětí ve vedení bude: ΔUl = IRl = 10 x 0,8 = 8 V... Proto bude napětí ve výbojkách o 2,4 V menší než u generátoru. napětí : Ulampy = 220 — 8 = 212 V. Lampy budou hrstka nedostatečně svítit. Změna proudu protékajícího přijímači způsobí změnu úbytku napětí na vedení, což má za následek změnu napětí na přijímačích.

Nechte v tomto příkladu jednu z lamp zhasnout a proud ve vedení se sníží na 5 A. V tomto případě poklesne úbytek napětí ve vedení: ΔUl = IRl = 5 x 0,8 = 4 V.

Na rozsvícené lampě vzroste napětí, což způsobí znatelné zvýšení její svítivosti. Příklad ukazuje, že zapnutí nebo vypnutí jednotlivého přijímače způsobí změnu napětí ostatních přijímačů v důsledku změny úbytku napětí ve vedení. Tyto jevy vysvětlují kolísání napětí, které je často pozorováno v elektrických sítích.

Vliv odporu vedení na hodnotu síťového napětí je charakterizován relativní ztrátou napětí. Poměr poklesu napětí ve vedení k normálnímu napětí, vyjádřený jako procento relativní ztráty napětí (označené ΔU %), se nazývá:

ΔU% = (ΔUl /U)x100%

Podle stávajících norem musí být vodiče vedení navrženy tak, aby úbytek napětí nepřesáhl 5 % a při světelném zatížení nepřesáhl 2 — 3 %.

Ztráta energie

Část elektrické energie generované generátorem přechází na teplo a je plýtvána ve vápně, což způsobuje ohřev vedením. Výsledkem je, že energie přijímaná přijímačem je vždy menší než energie dodávaná generátorem. Stejně tak výkon spotřebovaný v přijímači je vždy menší než výkon vyvíjený generátorem.

Ztrátu výkonu ve vedení lze vypočítat na základě znalosti proudové síly a odporu vedení: Plosses = Az2Rl

Pro charakterizaci účinnosti přenosu energie definujte účinnost vedení, která je chápána jako poměr výkonu přijatého přijímačem k výkonu vyvinutému generátorem.

Protože výkon generovaný generátorem je větší než výkon přijímače o velikost ztráty výkonu ve vedení, účinnost (označená řeckým písmenem η — toto) se vypočítá jako: η = Puseful / (Puseful + Plosses)

kde Ppolzn je výkon spotřebovaný v přijímači, Ploss je ztráta výkonu ve vedení.

Z výše uvedeného příkladu s proudovou silou Az = 10 Ztráta výkonu ve vedení (Rl = 0,8 ohmu):

Ztráta = Az2Rl = 102NS0, 8 = 80 W.

Užitečný výkon P užitečný = Ulamps x I = 212x 10 = 2120 W.

Účinnost η = 2120 / (2120 + 80) = 0,96 (nebo 96 %), tzn. přijímače přijímají pouze 96 % energie generované generátorem.

Vytápění drátem

Zahřívání vodičů a kabelů teplem generovaným elektrickým proudem je škodlivý jev. Při dlouhodobém provozu při zvýšených teplotách izolace vodičů a kabelů stárne, křehne a kolabuje. Zničení izolace je nepřijatelné, protože tím vzniká možnost vzájemného kontaktu holých částí vodičů a tzv. zkratu.

Dotyk obnažených vodičů může způsobit úraz elektrickým proudem. Konečně nadměrné zahřívání drátu může zapálit jeho izolaci a způsobit požár.

Abyste zajistili, že ohřev nepřekročí přípustnou hodnotu, musíte zvolit správný průřez drátu. Čím větší je proud, tím větší musí být průřez vodiče, protože se zvětšujícím se průřezem se odpor snižuje a v souladu s tím se snižuje množství generovaného tepla.

Výběr průřezu topných drátů se provádí podle tabulek, které ukazují, kolik proudu může drátem projít, aniž by došlo k nepřijatelnému přehřátí.va. Někdy označují přípustnou hustotu proudu, to znamená množství proudu na čtvereční milimetr průřezu drátu.

Hustota proudu Ј se rovná síle proudu (v ampérech) dělené průřezem vodiče (v milimetrech čtverečních): Ј = I / S а / mm2

Znáte-li přípustnou hustotu proudu Јdodatečně, můžete najít potřebný průřez vodiče: S = I /Јadop

Pro vnitřní rozvody je přípustná proudová hustota v průměru 6A/mm2.

Příklad. Je nutné určit průřez vodiče, pokud je známo, že proud, který jím prochází, by měl být roven I = 15A a přípustná hustota proudu Јadop — 6Аmm2.

Rozhodnutí. Požadovaný průřez vodiče S = I /Јadop = 15/6 = 2,5 mm2