Передача электроэнергии по проводам
Электрическая цепь состоит по меньшей мере из трех элементов: генератора, являющегося источником электрической энергии, приемника энергии и проводов, соединяющих генератор и приемник.
Электрические станции зачастую расположены вдали от мест потребления электроэнергии. На десятки и даже сотни километров между электростанцией и местом потребления энергии протягивается воздушная линия передачи. Провода линии передачи укрепляются на столбах изоляторами, изготовленными из диэлектрика, чаще всего из фарфора.
С помощью воздушных линий, составляющих электрическую сеть, ток подводится к жилым и промышленным зданиям, в которых расположены потребители энергии. Внутри зданий электрическая проводка выполняется из изолированных медных проводов и кабелей и называется внутренней электропроводкой.
При передаче электроэнергии по проводам наблюдается ряд нежелательных явлений, связанных с сопротивлением проводов электрическому току. К этим явлениям относятся потери напряжения, потери мощности в линии, нагрев проводов.
Потери напряжения в линии
При прохождении тока на сопротивлении линии создается падение напряжения. Сопротивление линии R л можно вычислить, если известны длина линии l (в метрах), поперечное сечение провода S (в квадратных миллиметрах) и удельное сопротивление материала провода ρ :
(в формуле стоит цифра 2, так как нужно учесть оба провода).
Если по линии проходит ток l , то падение напряжения в линии Δ U л по закону Ома равно: Δ U л = IR л .
Так как в линии часть напряжения теряется, то в конце линии (в приемнике) оно будет всегда меньшим, чем вначале линии (ни зажимах генератора). Уменьшение напряжения на приемнике за счет падения напряжения в линии может нарушить нормальную работу приемника.
Пусть, например, лампы накаливания нормально горят при напряжении 220 В и подключены к генератору, дающему напряжение 220 В. Предположим, что линия имеет длину l = 9 2 м, сечение провода S = 4 мм 2 и удельное сопротивление ρ=0,0175.
Сопротивление линии: R л = ρ( 2l/S) = 0,0175(2 х 92)/4 = 0,8 ом.
Если через лампы проходит ток I = 10 А, то падение напряжения в линии составит: Δ U л = IR л = 10 х 0,8 = 8 В . Следовательно, на лампах напряжение будет меньше напряжения генератора на 2,4 В: U ламп = 220 — 8 = 212 В. Лампы будут горсть с недокалом. Изменение тока, проходящего через приемники, вызывает изменение падения напряжении в линии, в результате чего меняется и напряжении на приемниках.
Пусть в рассмотренном примере отключается одна из ламп, и ток в линии уменьшится до 5 А. При этом падение напряжения в линии уменьшится: ΔUл = IRл = 5 х 0,8 = 4 В.
На включенной лампе напряжение повысится до что вызовет заметное увеличение ее накала. Из примера видно, что включение или отключение отдельных приемником вызывает изменение напряжении па других приемниках за счет изменении падении напряжения в линии. Рассмотренными явлениями объясняются колебания напряжении, часто наблюдаемые в электрических сетях.
Влияние сопротивления линии на величину напряжения сети характеризуют относительной потерей напряжения. Выраженное в процентах отношение падении напряжения в линии к нормальному напряжению называется относительной потерей напряжения (обозначается Δ U %):
Δ U % = (Δ U л/ U) х100%
По существующим нормам провода линии должны быть рассчитаны так, чтобы потери напряжения но превосходили 5%, а при осветительной нагрузке не превышали 2 — 3%.
Часть электрической энергии, вырабатываемой генератором, переходит в тепловую и бесполезно затрачивается в липни, вызывая нагрев проводив. В результате энергия, получаемая приемником, всегда меньше энергии, отдаваемой генератором. Точно так же мощность, затрачиваемая в приемнике, всегда меньше мощности, развиваемой генератором.
Потери мощности в линии можно вычислить, зная силу тока и сопротивление линии: P потерь = I 2 R л
Чтобы характеризовать экономичность передачи энергии, определяют коэффициент полезного действия линии , под которым понимают отношение мощности, полученном приемником, к мощности, развиваемой генератором.
Так как мощность, развиваемая генератором, больше мощности приемника на величину мощности потерь в линии, то коэффициент полезного действия (обозначается греческой буквой η — эта) вычисляется, как: η = P полезн/( P полезн + P потерь)
где, Рполезн — мощность, затрачиваемая в приемнике, Рпотерь — потери мощности в линий.
Из ранее рассмотренном примере при силе тока I = 10 А потери мощности в линии ( R л = 0,8 Ом):
Рпотерь = I 2 R л = 10 2 х 0 ,8 = 80 Вт.
Полезная мощность Рполезн = U ламп х I = 212 х 10 = 2120 Вт.
Коэффициент полезного действия η = 2120/(2120 + 80) = 0,96 (или 96%), т.е. приемники получают лишь 96% энергии, вырабатываемой генератором.
Нагрев проводов и кабелей за счет тепла, выделяемого электрическим током,— вредное явление. При длительной работе в условиях повышенной температуры изоляция проводов и кабелей стареет, становится хрупкой и крошится. Разрушение изоляции недопустимо, так как при этом создается возможность соприкосновения оголенных частей проводов друг с другом и так называемого короткого замыкания.
Прикосновение к оголенным проводам может вызвать поражение электрическим током. Наконец, чрезмерное повышение температуры провода может привести к воспламенению его изоляции и к пожару.
Чтобы нагрев не превосходил допустимой величины, нужно правильно выбирать сечение проводов. Чем больше сила тока , тем большее сечение должен иметь провод, так как с увеличением сечения уменьшается сопротивление, а следовательно, уменьшается количество выделяемого тепла.
Выбор сечения проводов по нагреву производится по таблицам, в которых указано, какой силы ток может проходить по проводу, не вызывая недопустимого перегре в а. Иногда указывают допустимую плотность тока, т. е. величину тока, приходящуюся на один квадратный миллиметр поперечного сечения провода.
Плотность тока Ј равна силе тока (в амперах), деленной на поперечное сечение провода (в квадратных миллиметрах): Ј = I/S а/мм 2
Зная допустимую плотность тока Ј доп, можно найти необходимое сечение провода: S = I/ Јдоп
Для внутренней электропроводки допустимая плотность тока составляет в среднем 6 А /мм2.
Пример . Необходимо определить сечение провода, если известно, что ток, проходящий через него, должен быть равен I = 15 А , а допустимая плотность тока Јдоп — 6 А мм 2 .
Решен ие . Необходимое сечение провода S = I/ Јдоп = 15/6 = 2,5 мм 2
Источник
Про электричество понятным языком.
Сейчас я попытаюсь дать ответ на два вопроса, которые неизбежно возникают в постах, где упоминаются электросети.
Что убивает: напряжение или ток?
Почему в паре проводов один из них «фаза», а второй «ноль», если ток в сети переменный?
Объяснять буду просто, «на пальцах», чтобы все поняли, так что профессионалы, не пинайте за профанские аналогии.
Итак, на первый вопрос ответ короткий — убивает ток. Причем очень небольшой, порядка 300mA для постоянного тока и 100mA для переменного. Но сразу возникает вполне резонный вопрос: почему человека не убивают, скажем, блоки питания мобильных телефонов, или простые батарейки, ведь они выдают и более высокий ток. Дело в том, что в электрической цепи ток — величина производная. Чтобы определить его величину, нужно напряжение разделить на сопротивление. Электрическое сопротивление человеческой кожи довольно велико, так что при небольших напряжениях и ток получается очень незначительный. Сопротивление может меняться в больших пределах, это зависит от состояния кожи, влажности, температуры, и т.д. Оно может достигать десятков и сотен тысяч Ом. При анализе опасности поражения человека током, принимается условное значение в 1000 Ом. (на самом деле, среднее значение выше, но раз уж так заведено)
Теперь к практике. Берем большой и страшный аккумулятор от автомобиля, который может обеспечивать ток в сотни А (в тысячи раз выше смертельного!) и. хватаемся за контакты голыми руками. Умерли? Нет. Даже ничего не почувствовали. Потому что напряжение всего 12v, соответственно ток 12/1000=0,012А.
Вот так и получается, что убивает ток, но без напряжения он существовать не может.
А что же тогда за страшные цифры указываются на блоках питания и аккумуляторах? Это максимальный ток, который они способны обеспечить. Предположим, у нас компьютерный блок питания, обеспечивающий ток 10 А при напряжении 12 V. Если мы подключаем нагрузку 10 Ом, получаем ток 12/10=1.2 А. С нагрузкой 5 Ом, ток получается 2,4 А. Подключаем нагрузку 1 Ом (ток соответственно должен быть 12 А) и блок питания либо выключается, если там есть защитная схема, либо начинает перегреваться, просаживать напряжение и т.д. Потому что сопротивление нагрузки требует больший ток, чем питальник может обеспечить.
Теперь второй вопрос: почему в паре проводов один из них «фаза», а второй «ноль», если ток в сети переменный?
Для начала нужно в полной мере осмыслить, что такое напряжение. Напряжение — разность электрических потенциалов. Напряжение не может быть на одном проводе. Это разница, а разница может быть как минимум между двумя точками.
Допустим, у нас есть батарейка на 1,5 вольта. Это значит, что электрический потенциал одного контакта на 1,5V выше, чем у другого. Можно сказать, что у нее с одной стороны ноль, а с другой +1,5V. А можно сказать, что у нее со стороны плюса ноль, а со стороны минуса -1,5V. Это не важно, за ноль можно принять любую часть схемы. А теперь соединим последовательно две такие батарейки, на краях этой конструкции получается разница потенциалов 3V. Но, опять же, это не «абсолютное» напряжение (такового вообще быть не может) а именно напряжение одного полюса, относительно другого. И за ноль можно принять любую точку — как один из полюсов, так и контакт в центре между батарейками. Ноль это лишь условность — точка отсчета. Неизменно одно — там где электрический потенциал выше — там плюс.
Теперь вернемся к бытовой электрической сети. Один из ее проводников — ноль. Его электрический потенциал равен земле, это точка равновесия, от нее идут все отсчеты. А вот фаза — второй проводник, обладающий электрическим потенциалом, относительно этого нуля. Причем как положительным, так и отрицательным, в этом и заключается суть переменного тока. То есть, в определенный момент времени у нас фаза +220V, а ноль это ноль, получается, что фаза это плюс, а ноль — минус. Но проходит доля секунды и фаза становится -220V. То есть, потенциал фазы ниже нуля — фаза становится минусом, а ноль плюсом. Ноль остается на месте, а фаза 100 раз в секунду (50 полных циклов) меняет свое состояние [+220] [-220] [+220] [-220]. Так и получается, что в системе ноль и фаза постоянны, а минус и плюс меняются местами.
Источник
