Trasmissione di energia su un filo

Un circuito elettrico è costituito da almeno tre elementi: un generatore, che è una fonte di energia elettrica, ricevitore di energia e fili che collegano il generatore e il ricevitore.

Le centrali elettriche sono spesso situate lontano da dove viene consumata l'elettricità. Una linea elettrica aerea si estende per decine e persino centinaia di chilometri tra la centrale elettrica e il luogo di consumo di energia. I conduttori della linea elettrica sono fissati su pali con isolanti realizzati con un dielettrico, il più delle volte porcellana.

Con l'aiuto delle linee aeree che compongono la rete elettrica, l'elettricità viene fornita agli edifici residenziali e industriali in cui si trovano i consumatori di energia. All'interno degli edifici, il cablaggio elettrico è costituito da fili e cavi di rame isolati ed è chiamato cablaggio interno.

Quando l'elettricità viene trasmessa attraverso i fili, si osservano numerosi fenomeni indesiderati legati alla resistenza dei fili alla corrente elettrica. Questi fenomeni includono perdita di tensione, perdite di potenza di linea, fili di riscaldamento.

Perdita di tensione di linea

Quando la corrente scorre, si crea una caduta di tensione attraverso la resistenza di linea. La resistenza di linea Rl può essere calcolata se sono note la lunghezza della linea l (in metri), la sezione del conduttore S (in millimetri quadrati) e la resistenza del materiale del filo ρ:

Rl = ρ (2l / S)

(la formula contiene il numero 2 perché devono essere presi in considerazione entrambi i fili).

Se nella linea scorre una corrente l, allora la caduta di tensione nella linea ΔUl secondo la legge di Ohm è pari a: ΔUl = IRl.

Poiché parte della tensione nella linea viene persa, alla fine della linea (al ricevitore) sarà sempre inferiore rispetto all'inizio della linea (non ai terminali del generatore). Un calo della tensione del ricevitore dovuto a una caduta della tensione di linea può impedire il normale funzionamento del ricevitore.

Supponiamo, ad esempio, che le lampade ad incandescenza brucino normalmente a 220 V e siano collegate ad un generatore che fornisce 220 V. Supponiamo che la linea abbia una lunghezza l = 92 m, una sezione del filo S = 4 mm2 e una resistenza ρ = 0 , 0175.

Resistenza di linea: Rl = ρ (2l / S) = 0,0175 (2 x 92) / 4 = 0,8 ohm.

Se la corrente passa attraverso le lampade Az = 10 A, la caduta di tensione nella linea sarà: ΔUl = IRl = 10 x 0,8 = 8 V... Pertanto, la tensione nelle lampade sarà inferiore di 2,4 V rispetto al generatore voltaggio : Ulamps = 220 — 8 = 212 V. Le lampade saranno una manciata insufficientemente illuminate. Un cambiamento nella corrente che fluisce attraverso i ricevitori provoca un cambiamento nella caduta di tensione attraverso la linea, con conseguente cambiamento nella tensione attraverso i ricevitori.

Lascia che una delle lampade si spenga in questo esempio e la corrente nella linea diminuirà a 5 A. In questo caso, la caduta di tensione nella linea diminuirà: ΔUl = IRl = 5 x 0,8 = 4 V.

Sulla lampada accesa, la tensione aumenterà, il che causerà un notevole aumento della sua luminosità. L'esempio mostra che l'accensione o lo spegnimento di un singolo ricevitore provoca una variazione della tensione di altri ricevitori a causa di una variazione della caduta di tensione nella linea. Questi fenomeni spiegano le fluttuazioni di tensione che si osservano spesso nelle reti elettriche.

L'effetto della resistenza di linea sul valore della tensione di rete è caratterizzato dalla relativa perdita di tensione. Il rapporto tra la caduta di tensione nella linea e la tensione normale, espresso come percentuale di perdita di tensione relativa (indicata con ΔU%), è chiamato:

ΔU% = (ΔUl /U)x100%

Secondo gli standard esistenti, i conduttori della linea devono essere progettati in modo tale che la perdita di tensione non superi il 5% e sotto il carico di illuminazione non superi il 2-3%.

Perdita di energia

Parte dell'energia elettrica generata dal generatore passa in calore e viene sprecata in calce, provocando il riscaldamento per conduzione. Di conseguenza, l'energia ricevuta dal ricevitore è sempre inferiore all'energia fornita dal generatore. Allo stesso modo, la potenza consumata nel ricevitore è sempre inferiore alla potenza sviluppata dal generatore.

La perdita di potenza nella linea può essere calcolata conoscendo la forza attuale e la resistenza della linea: Plosses = Az2Rl

Per caratterizzare l'efficienza della trasmissione di potenza, definire l'efficienza di linea, intesa come il rapporto tra la potenza ricevuta dal ricevitore e la potenza sviluppata dal generatore.

Poiché la potenza sviluppata dal generatore è maggiore della potenza del ricevitore per la quantità di perdita di potenza nella linea, l'efficienza (indicata dalla lettera greca η — this) è calcolata come: η = Puseful / (Puseful + Plosses)

dove Ppolzn è la potenza consumata nel ricevitore, Ploss è la potenza dissipata nelle linee.

Dall'esempio discusso in precedenza con intensità di corrente Az = 10 Perdita di potenza nella linea (Rl = 0,8 ohm):

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

Potenza utile P utile = Ulamps x I = 212x 10 = 2120 W.

Efficienza η = 2120 / (2120 + 80) = 0,96 (o 96%), cioè i ricevitori ricevono solo il 96% della potenza generata dal generatore.

Riscaldamento con filo

Il riscaldamento di fili e cavi dovuto al calore generato dalla corrente elettrica è un fenomeno dannoso. Con il funzionamento prolungato a temperature elevate, l'isolamento di fili e cavi invecchia, diventa fragile e collassa. La distruzione dell'isolamento è inaccettabile, poiché ciò crea la possibilità di contatto tra le parti scoperte dei fili e il cosiddetto cortocircuito.

Toccare i fili scoperti può causare scosse elettriche. Infine, un riscaldamento eccessivo del filo può incendiare il suo isolamento e provocare un incendio.

Per garantire che il riscaldamento non superi il valore consentito, è necessario scegliere la corretta sezione trasversale del filo. Maggiore è la corrente, maggiore deve essere la sezione che deve avere un filo, perché all'aumentare della sezione diminuisce la resistenza e, di conseguenza, diminuisce la quantità di calore generata.

La selezione della sezione trasversale dei fili di riscaldamento viene effettuata secondo le tabelle che mostrano quanta corrente può passare attraverso il filo senza causare un surriscaldamento inaccettabile.va. A volte indicano la densità di corrente consentita, ovvero la quantità di corrente per millimetro quadrato della sezione trasversale del filo.

La densità di corrente Ј è uguale alla forza della corrente (in ampere) divisa per la sezione trasversale del conduttore (in millimetri quadrati): Ј = I / S а / mm2

Conoscendo la densità di corrente ammissibile Јinoltre, è possibile trovare la sezione del conduttore necessaria: S = I /Јadop

Per il cablaggio interno, la densità di corrente consentita è in media di 6 A/mm2.

Un esempio. È necessario determinare la sezione trasversale del filo, se è noto che la corrente che lo attraversa dovrebbe essere uguale a I = 15A e la densità di corrente consentita Јadop - 6Аmm2.

Decisione. Sezione del cavo richiesta S = I /Јadop = 15/6 = 2,5 mm2