Energia ülekanne juhtme kaudu

Elektriahel koosneb vähemalt kolmest elemendist: generaator, mis on elektrienergia allikas, energia vastuvõtja ning generaatorit ja vastuvõtjat ühendavad juhtmed.

Elektrijaamad asuvad sageli elektritarbimisest kaugel. Elektrijaama ja energiatarbimiskoha vahel ulatub kümneid ja isegi sadu kilomeetreid pikk elektriõhuliin. Elektriliini juhid kinnitatakse dielektrikust, enamasti portselanist, valmistatud isolaatoritega postidele.

Elektrivõrgu moodustavate õhuliinide abil varustatakse elektriga elamuid ja tööstushooneid, kus asuvad energiatarbijad. Hoonete sees on elektrijuhtmestik valmistatud isoleeritud vaskjuhtmetest ja -kaablitest ning seda nimetatakse sisejuhtmeteks.

Kui elektrit edastatakse juhtmete kaudu, täheldatakse mitmeid ebasoovitavaid nähtusi, mis on seotud juhtmete vastupidavusega elektrivoolule. Need nähtused hõlmavad pingekadu, liini võimsuskaod, küttejuhtmed.

Liinipinge kadu

Voolu voolamisel tekib liini takistusel pingelang. Liinitakistust Rl saab arvutada, kui on teada liini pikkus l (meetrites), juhi S ristlõige (ruutmillimeetrites) ja traadi materjali takistus ρ:

Rl = ρ (2l / S)

(valem sisaldab numbrit 2, sest mõlema juhtmega tuleb arvestada).

Kui liini läbib vool l, siis pingelang liinis ΔUl on Ohmi seaduse järgi võrdne: ΔUl = IRl.

Kuna osa liini pingest kaob, siis liini lõpus (vastuvõtjas) on see alati väiksem kui liini alguses (mitte generaatori klemmidel). Liinipinge langusest tulenev vastuvõtja pinge langus võib takistada vastuvõtja normaalset töötamist.

Oletame näiteks, et hõõglambid põlevad tavaliselt 220 V juures ja on ühendatud 220 V generaatoriga. Oletame, et liini pikkus on l = 92 m, juhtme ristlõige S = 4 mm2 ja takistus ρ = 0 , 0175.

Joone takistus: Rl = ρ (2l / S) = 0,0175 (2 x 92) / 4 = 0,8 oomi.

Kui vool läbib lampe Az = 10 A, siis pingelang liinis on: ΔUl = IRl = 10 x 0,8 = 8 V... Seetõttu on lampides pinge 2,4 V väiksem kui generaatoril pinge : Ulambid = 220 — 8 = 212 V. Lambid on peotäis ebapiisavalt valgustatud. Vastuvõtjaid läbiva voolu muutumine põhjustab liini pingelanguse muutuse, mille tulemusena muutub pinge vastuvõtjates.

Laske selles näites üks lampidest kustuda ja voolutugevus liinis väheneb 5 A-ni. Sel juhul pingelang liinis väheneb: ΔUl = IRl = 5 x 0,8 = 4 V.

Sisselülitatud lambil pinge tõuseb, mis põhjustab selle heleduse märgatava suurenemise. Näide näitab, et üksiku vastuvõtja sisse- või väljalülitamine põhjustab liini pingelanguse muutumise tõttu teiste vastuvõtjate pingemuutuse. Need nähtused selgitavad elektrivõrkudes sageli täheldatavaid pingekõikumisi.

Liinitakistuse mõju võrgu pinge väärtusele iseloomustab suhteline pingekadu. Liini pingelanguse ja normaalpinge suhet, väljendatuna suhtelise pingekadu protsentides (tähistatakse ΔU%), nimetatakse:

ΔU% = (ΔUl /U)x100%

Olemasolevate standardite kohaselt peavad liini juhtmed olema projekteeritud nii, et pingekadu ei ületaks 5% ja valgustuskoormusel ei ületaks 2 — 3%.

Energia kaotus

Osa generaatori toodetud elektrienergiast läheb soojuseks ja raisku lubjas, põhjustades kuumenemist juhtivuse tõttu. Selle tulemusena on vastuvõtjale saadav energia alati väiksem kui generaatori poolt antav energia. Samuti on vastuvõtjas tarbitav võimsus alati väiksem kui generaatori poolt toodetud võimsus.

Toitekadu liinis saab arvutada teades liini voolutugevust ja takistust: Plosses = Az2Rl

Jõuülekande efektiivsuse iseloomustamiseks defineerige liini kasutegur, mille all mõistetakse vastuvõtja poolt vastuvõetud võimsuse ja generaatori poolt arendatava võimsuse suhet.

Kuna generaatori arendatav võimsus on liini võimsuskao võrra suurem kui vastuvõtja võimsus, arvutatakse kasutegur (tähistatakse kreeka tähega η - see) järgmiselt: η = Puseful / (Puseful + Plosses)

kus Ppolzn on vastuvõtjas tarbitud võimsus, Ploss on liinide võimsuskadu.

Varem käsitletud näitest voolutugevusega Az = 10 Toitekadu liinis (Rl = 0,8 oomi):

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

Kasulik võimsus P kasulik = Ulamps x I = 212x 10 = 2120 W.

Kasutegur η = 2120 / (2120 + 80) = 0,96 (ehk 96%), s.o. vastuvõtjad saavad ainult 96% generaatori toodetud võimsusest.

Küte traadiga

Juhtmete ja kaablite kuumenemine elektrivoolu tekitatava soojuse tõttu on kahjulik nähtus. Pikaajalisel kasutamisel kõrgel temperatuuril juhtmete ja kaablite isolatsioon vananeb, muutub rabedaks ja variseb kokku. Isolatsiooni hävitamine on vastuvõetamatu, kuna see loob võimaluse juhtmete paljaste osade kokkupuutumiseks üksteisega ja nn lühise tekkeks.

Katmata juhtmete puudutamine võib põhjustada elektrilöögi. Lõpuks võib traadi liigne kuumenemine süüdata selle isolatsiooni ja põhjustada tulekahju.

Tagamaks, et küte ei ületaks lubatud väärtust, tuleb valida õige traadi ristlõige. Mida suurem on vool, seda suurem peab olema juhtme ristlõige, sest ristlõike suurenedes takistus väheneb ja vastavalt väheneb ka tekkiva soojuse hulk.

Küttejuhtmete ristlõike valik toimub tabelite järgi, mis näitavad, kui palju voolu võib läbida juhtmest ilma lubamatut ülekuumenemist põhjustamata.va. Mõnikord näitavad need lubatud voolutihedust, see tähendab voolu suurust traadi ristlõike ruutmillimeetri kohta.

Voolutihedus Ј võrdub voolu tugevusega (amprites) jagatud juhi ristlõikega (ruutmillimeetrites): Ј = I / S а / mm2

Teades lubatud voolutihedust Јlisaks, leiad vajaliku juhi lõigu: S = I /Јadop

Sisejuhtmestiku puhul on lubatud voolutihedus keskmiselt 6A/mm2.

Näide. Vajalik on määrata traadi ristlõige, kui on teada, et seda läbiv vool peaks olema võrdne I = 15A ja lubatud voolutihedus Јadop — 6Аmm2.

Otsus. Nõutav traadi ristlõige S = I /Јadop = 15/6 = 2,5 mm2