انتقال الطاقة عبر سلك

تتكون الدائرة الكهربائية من ثلاثة عناصر على الأقل: المولد ، وهو مصدر للطاقة الكهربائية ، مستقبل الطاقة وأسلاك تربط المولد وجهاز الاستقبال.

غالبًا ما توجد محطات الطاقة بعيدًا عن مكان استهلاك الكهرباء. يمتد خط كهرباء علوي عشرات وحتى مئات الكيلومترات بين محطة الطاقة ومكان استهلاك الطاقة. يتم تثبيت موصلات خط الطاقة على أعمدة بعوازل مصنوعة من مادة عازلة ، وغالبًا ما تكون من البورسلين.

بمساعدة الخطوط العلوية التي تشكل الشبكة الكهربائية ، يتم توفير الكهرباء للمباني السكنية والصناعية حيث يوجد مستهلكو الطاقة. داخل المباني ، تتكون الأسلاك الكهربائية من الأسلاك والكابلات النحاسية المعزولة وتسمى الأسلاك الداخلية.

عندما تنتقل الكهرباء عبر الأسلاك ، لوحظ عدد من الظواهر غير المرغوب فيها المتعلقة بمقاومة الأسلاك للتيار الكهربائي. وتشمل هذه الظواهر فقدان الجهد، خسائر طاقة الخط ، أسلاك تسخين.

فقدان جهد الخط

عندما يتدفق التيار ، يتم إنشاء انخفاض الجهد عبر مقاومة الخط. يمكن حساب مقاومة الخط Rl إذا كان طول الخط l (بالأمتار) والمقطع العرضي للموصل S (بالمليمتر المربع) ومقاومة مادة السلك ρ معروفة:

Rl = ρ (2l / S)

(تحتوي الصيغة على الرقم 2 لأنه يجب مراعاة كلا السلكين).

إذا كان التيار l يتدفق عبر الخط ، فإن انخفاض الجهد في الخط ΔUl وفقًا لقانون أوم يساوي: ΔUl = IRl.

نظرًا لضياع بعض الجهد في الخط ، فسيكون دائمًا عند نهاية الخط (عند المستقبل) أقل مما كان عليه في بداية الخط (وليس عند أطراف المولد). قد يؤدي انخفاض جهد المستقبل بسبب انخفاض جهد الخط إلى منع جهاز الاستقبال من العمل بشكل طبيعي.

لنفترض ، على سبيل المثال ، أن المصابيح المتوهجة تحترق عادةً عند 220 فولت ومتصلة بمولد يوفر 220 فولت. افترض أن الخط بطول l = 92 م ، مقطع سلكي S = 4 مم 2 ومقاومة ρ = 0 ، 0175.

مقاومة الخط: Rl = ρ (2l / S) = 0.0175 (2 × 92) / 4 = 0.8 أوم.

إذا كان التيار يمر عبر المصابيح Az = 10 A ، فسيكون انخفاض الجهد في الخط: ΔUl = IRl = 10 x 0.8 = 8 V ... لذلك ، سيكون الجهد في المصابيح 2.4 فولت أقل من المولد الجهد الكهربي: Ulamps = 220 - 8 = 212 فولت. ستكون المصابيح قليلة الإضاءة غير كافية. يؤدي التغيير في التيار المتدفق عبر المستقبلات إلى حدوث تغيير في انخفاض الجهد عبر الخط ، مما يؤدي إلى تغيير الجهد عبر أجهزة الاستقبال.

دع أحد المصابيح ينطفئ في هذا المثال وسوف ينخفض ​​التيار في الخط إلى 5 أ. في هذه الحالة ، سينخفض ​​انخفاض الجهد في الخط: ΔUl = IRl = 5 x 0.8 = 4 V.

في المصباح المشغل ، سيرتفع الجهد ، مما يؤدي إلى زيادة ملحوظة في سطوعه. يوضح المثال أن تشغيل أو إيقاف تشغيل جهاز استقبال فردي يؤدي إلى تغيير في جهد أجهزة الاستقبال الأخرى بسبب تغيير في انخفاض الجهد في الخط. تفسر هذه الظواهر تقلبات الجهد التي يتم ملاحظتها غالبًا في الشبكات الكهربائية.

يتميز تأثير مقاومة الخط على قيمة جهد الشبكة بفقدان الجهد النسبي. نسبة انخفاض الجهد في الخط إلى الجهد العادي ، معبراً عنها كنسبة مئوية من فقدان الجهد النسبي (يُشار إليها بـ ΔU٪) ، تسمى:

ΔU٪ = (ΔUl / U) x100٪

وفقًا للمعايير الحالية ، يجب تصميم موصلات الخط بحيث لا يتجاوز فقد الجهد 5٪ ، وتحت حمل الإضاءة لا يتجاوز 2 - 3٪.

فقدان الطاقة

بعض الطاقة الكهربائية التي يولدها المولد تنتقل إلى حرارة وتضيع في الجير ، مما يتسبب في التسخين عن طريق التوصيل. نتيجة لذلك ، تكون الطاقة التي يتلقاها المستقبِل دائمًا أقل من الطاقة التي يعطيها المولد. وبالمثل ، فإن الطاقة المستهلكة في جهاز الاستقبال تكون دائمًا أقل من الطاقة التي يولدها المولد.

يمكن حساب فقد الطاقة في الخط من خلال معرفة القوة الحالية ومقاومة الخط: Plosses = Az2Rl

لتوصيف كفاءة نقل الطاقة ، حدد كفاءة الخط ، والتي تُفهم على أنها نسبة الطاقة التي يتلقاها المستقبِل إلى القدرة التي يطورها المولد.

نظرًا لأن الطاقة التي يولدها المولد أكبر من طاقة جهاز الاستقبال بمقدار فقد الطاقة في الخط ، يتم حساب الكفاءة (المشار إليها بالحرف اليوناني η - هذا) على النحو التالي: η = Puseful / (Puseful + Plosses)

حيث ، Ppolzn هي الطاقة المستهلكة في جهاز الاستقبال ، بلوس هو فقدان الطاقة في الخطوط.

من المثال الذي تمت مناقشته سابقًا مع القوة الحالية Az = 10 فقد الطاقة في الخط (R = 0.8 أوم):

الخسارة = Az2Rl = 102NS0 ، 8 = 80 وات.

قوة مفيدة P مفيدة = Ulamps x I = 212x 10 = 2120 W.

الكفاءة η = 2120 / (2120 + 80) = 0.96 (أو 96٪) أي لا تتلقى أجهزة الاستقبال سوى 96٪ من الطاقة التي يولدها المولد.

تسخين بالأسلاك

يعد تسخين الأسلاك والكابلات بسبب الحرارة الناتجة عن التيار الكهربائي ظاهرة ضارة. مع التشغيل المطول في درجات حرارة مرتفعة ، يصبح عزل الأسلاك والكابلات هشًا وينهار. تدمير العزل غير مقبول ، لأن هذا يخلق إمكانية ملامسة الأجزاء العارية من الأسلاك مع بعضها البعض وما يسمى بالدائرة القصيرة.

قد يؤدي لمس الأسلاك المكشوفة إلى حدوث صدمة كهربائية. أخيرًا ، يمكن أن يؤدي التسخين المفرط للسلك إلى إشعال العزل والتسبب في نشوب حريق.

للتأكد من أن التسخين لا يتجاوز القيمة المسموح بها ، يجب عليك اختيار المقطع العرضي الصحيح للسلك. كلما زاد التيار ، زاد المقطع العرضي للسلك ، لأنه كلما زاد المقطع العرضي ، تقل المقاومة ، وبالتالي تقل كمية الحرارة المتولدة.

يتم اختيار المقطع العرضي لأسلاك التسخين وفقًا للجداول التي توضح مقدار التيار الذي يمكن أن يمر عبر السلك دون التسبب في ارتفاع درجة الحرارة بشكل غير مقبول. في بعض الأحيان تشير إلى كثافة التيار المسموح بها ، أي مقدار التيار لكل مليمتر مربع من المقطع العرضي للسلك.

كثافة التيار Ј تساوي قوة التيار (بالأمبير) مقسومة على المقطع العرضي للموصل (بالمليمتر المربع): Ј = I / S а / مم 2

معرفة كثافة التيار المسموح بها Ј بالإضافة إلى ذلك ، يمكنك العثور على قسم الموصل الضروري: S = I / Јadop

بالنسبة للأسلاك الداخلية ، تكون كثافة التيار المسموح بها في المتوسط ​​6A / مم 2.

مثال. من الضروري تحديد المقطع العرضي للسلك ، إذا كان معروفًا أن التيار المار فيه يجب أن يكون مساويًا لـ I = 15A ، وكثافة التيار المسموح بها Јadop - 6Amm2.

قرار. المقطع العرضي للسلك المطلوب S = I / Јadop = 15/6 = 2.5 مم 2