Truyền năng lượng qua dây dẫn

Một mạch điện bao gồm ít nhất ba phần tử: máy phát điện, là nguồn năng lượng điện, người nhận năng lượng và dây kết nối máy phát và máy thu.

Các nhà máy điện thường được đặt xa nơi tiêu thụ điện năng. Một đường dây điện trên không trải dài hàng chục, thậm chí hàng trăm km giữa nhà máy điện và nơi tiêu thụ năng lượng. Các dây dẫn của đường dây điện được cố định trên các cột bằng chất cách điện làm bằng chất điện môi, thường là sứ.

Với sự trợ giúp của các đường dây trên không tạo nên lưới điện, điện được cung cấp cho các tòa nhà dân cư và công nghiệp nơi có người tiêu dùng năng lượng. Bên trong các tòa nhà, hệ thống dây điện được làm bằng dây và cáp đồng cách điện và được gọi là hệ thống dây điện trong nhà.

Khi dòng điện được truyền qua dây dẫn, một số hiện tượng không mong muốn được quan sát thấy liên quan đến điện trở của dây dẫn đối với dòng điện. Những hiện tượng này bao gồm mất điện áp, tổn thất điện năng đường dây, dây sưởi ấm.

Mất điện áp đường dây

Khi dòng điện chạy qua, điện áp rơi được tạo ra trên điện trở của đường dây. Điện trở đường dây Rl có thể được tính nếu chiều dài của đường dây l (tính bằng mét), tiết diện của dây dẫn S (tính bằng milimét vuông) và điện trở của vật liệu dây ρ được biết:

Rl = ρ (2l/S)

(công thức chứa số 2 vì phải tính đến cả hai dây).

Nếu có dòng điện l chạy qua đường dây thì hiệu điện thế giảm trên đường dây ΔUl theo định luật Ôm bằng: ΔUl = IRl.

Vì một số điện áp trên đường dây bị mất nên ở cuối đường dây (ở máy thu) sẽ luôn nhỏ hơn ở đầu đường dây (không phải ở các cực của máy phát). Việc giảm điện áp máy thu do sụt áp đường dây có thể khiến máy thu không hoạt động bình thường.

Ví dụ, giả sử đèn sợi đốt thường cháy ở 220 V và được nối với máy phát cung cấp 220 V. Giả sử rằng đường dây có chiều dài l = 92 m, tiết diện dây S = 4 mm2 và điện trở ρ = 0 , 0175.

Điện trở đường dây: Rl = ρ (2l/S) = 0,0175 (2 x 92)/4 = 0,8 ôm.

Nếu dòng điện chạy qua các đèn Az = 10 A thì hiệu điện thế giảm trên đường dây sẽ là: ΔUl = IRl = 10 x 0,8 = 8 V... Do đó, hiệu điện thế ở các đèn sẽ nhỏ hơn hiệu điện thế ở máy phát điện 2,4 V điện áp : Ulamps = 220 — 8 = 212 V. Một số ít đèn sẽ không đủ sáng. Sự thay đổi dòng điện chạy qua máy thu gây ra sự thay đổi điện áp rơi trên đường dây, dẫn đến thay đổi điện áp trên máy thu.

Giả sử một trong các đèn tắt trong ví dụ này và cường độ dòng điện trên đường dây sẽ giảm xuống còn 5 A. Trong trường hợp này, hiệu điện thế giảm trên đường dây sẽ giảm: ΔUl = IRl = 5 x 0,8 = 4 V.

Trên đèn bật, điện áp sẽ tăng lên, điều này sẽ làm tăng độ sáng của nó lên rõ rệt. Ví dụ cho thấy việc bật hoặc tắt một máy thu riêng lẻ sẽ gây ra sự thay đổi điện áp của các máy thu khác do sự thay đổi điện áp rơi trên đường dây. Những hiện tượng này giải thích sự dao động điện áp thường được quan sát thấy trong các mạng điện.

Ảnh hưởng của điện trở đường dây đến giá trị điện áp mạng được đặc trưng bởi tổn thất điện áp tương đối. Tỷ lệ điện áp rơi trên đường dây so với điện áp bình thường, được biểu thị bằng phần trăm tổn thất điện áp tương đối (ký hiệu là ΔU%), được gọi là:

ΔU% = (ΔUl /U)x100%

Theo các tiêu chuẩn hiện hành, dây dẫn của đường dây phải được thiết kế sao cho tổn thất điện áp không vượt quá 5% và dưới tải chiếu sáng không vượt quá 2 - 3%.

Mất năng lượng

Một phần năng lượng điện do máy phát điện tạo ra chuyển thành nhiệt và bị lãng phí trong vôi, gây ra sự nóng lên do dẫn nhiệt. Kết quả là năng lượng mà máy thu nhận được luôn nhỏ hơn năng lượng mà máy phát cung cấp. Tương tự như vậy, công suất tiêu thụ trong máy thu luôn nhỏ hơn công suất do máy phát tạo ra.

Tổn thất điện năng trên đường dây có thể được tính bằng cách biết cường độ dòng điện và điện trở của đường dây: Plosses = Az2Rl

Để mô tả hiệu quả của việc truyền tải điện năng, hãy xác định hiệu suất của đường dây, được hiểu là tỷ lệ giữa công suất mà máy thu nhận được với công suất do máy phát tạo ra.

Vì công suất do máy phát tạo ra lớn hơn công suất của máy thu theo mức tổn thất điện năng trên đường dây nên hiệu suất (ký hiệu bằng chữ cái Hy Lạp η — cái này) được tính như sau: η = Puseful / (Puseful + Plosses)

trong đó, Ppolzn là công suất tiêu thụ ở máy thu, Ploss là công suất tiêu thụ trên đường dây.

Từ ví dụ đã thảo luận trước đó với cường độ dòng điện Az = 10 Công suất tổn thất trên đường dây (Rl = 0,8 ôm):

Tổn thất = Az2Rl = 102NS0, 8 = 80 W.

Công suất hữu ích P hữu ích = Uđèn x I = 212x 10 = 2120 W.

Hiệu quả η = 2120 / (2120 + 80) = 0,96 (hoặc 96%), tức là máy thu chỉ nhận được 96% năng lượng do máy phát tạo ra.

Sưởi ấm bằng dây điện

Sự nóng lên của dây và cáp do nhiệt sinh ra từ dòng điện là một hiện tượng có hại. Với hoạt động kéo dài ở nhiệt độ cao, lớp cách điện của dây và cáp bị lão hóa, trở nên giòn và sụp đổ. Việc phá hủy lớp cách điện là không thể chấp nhận được, vì điều này tạo ra khả năng tiếp xúc giữa các phần trần của dây dẫn với nhau và cái gọi là đoản mạch.

Chạm vào dây điện hở có thể gây điện giật. Cuối cùng, dây điện bị đốt nóng quá mức có thể đốt cháy lớp cách điện của nó và gây ra hỏa hoạn.

Để đảm bảo độ nóng không vượt quá giá trị cho phép, bạn phải chọn đúng tiết diện dây. Dòng điện càng lớn thì dây phải có tiết diện càng lớn, vì khi tiết diện tăng thì điện trở giảm và theo đó, lượng nhiệt sinh ra giảm.

Việc lựa chọn mặt cắt ngang của dây đốt nóng được thực hiện theo các bảng cho biết cường độ dòng điện có thể đi qua dây mà không gây ra hiện tượng quá nhiệt không thể chấp nhận được.va. Đôi khi, chúng chỉ ra mật độ dòng điện cho phép, nghĩa là lượng dòng điện trên một milimet vuông của mặt cắt ngang của dây.

Mật độ dòng điện Ј bằng cường độ dòng điện (tính bằng ampe) chia cho tiết diện của dây dẫn (tính bằng milimét vuông): Ј = I / S а / mm2

Biết mật độ dòng điện cho phép Јngoài ra, bạn có thể tìm thấy tiết diện dây dẫn cần thiết: S = I /Јadop

Đối với hệ thống dây điện bên trong, mật độ dòng điện cho phép trung bình là 6A/mm2.

Một ví dụ. Cần xác định tiết diện của dây nếu biết cường độ dòng điện chạy qua nó phải bằng I = 15A và mật độ dòng điện cho phép Јadop — 6Аmm2.

Phán quyết. Tiết diện dây yêu cầu S = I /Јadop = 15/6 = 2,5 mm2