Übertragung von Energie über ein Kabel

Ein Stromkreis besteht aus mindestens drei Elementen: einem Generator, der elektrische Energie liefert, Empfänger von Energie und Kabel, die den Generator und den Empfänger verbinden.

Kraftwerke liegen oft weit entfernt von den Orten, an denen Strom verbraucht wird. Eine Freileitung erstreckt sich über Dutzende oder sogar Hunderte Kilometer zwischen dem Kraftwerk und dem Ort des Energieverbrauchs. Die Leiter der Stromleitung sind mit Isolatoren aus einem Dielektrikum, meist Porzellan, an Masten befestigt.

Mit Hilfe von Freileitungen, die das Stromnetz bilden, werden Wohn- und Industriegebäude, in denen sich Energieverbraucher befinden, mit Strom versorgt. Innerhalb von Gebäuden besteht die elektrische Verkabelung aus isolierten Kupferdrähten und -kabeln und wird als Innenverkabelung bezeichnet.

Bei der Übertragung von Elektrizität durch Drähte werden eine Reihe unerwünschter Phänomene beobachtet, die mit dem Widerstand der Drähte gegenüber elektrischem Strom zusammenhängen. Zu diesen Phänomenen gehören Spannungsverlust, Leitungsleistungsverluste, Heizdrähte.

Verlust der Netzspannung

Wenn Strom fließt, entsteht am Leitungswiderstand ein Spannungsabfall. Der Leitungswiderstand Rl kann berechnet werden, wenn die Länge der Leitung l (in Metern), der Querschnitt des Leiters S (in Quadratmillimetern) und der Widerstand des Drahtmaterials ρ bekannt sind:

Rl = ρ (2l / S)

(Die Formel enthält die Zahl 2, da beide Drähte berücksichtigt werden müssen).

Fließt ein Strom l durch die Leitung, so ist der Spannungsabfall in der Leitung ΔUl nach dem Ohmschen Gesetz gleich: ΔUl = IRl.

Da ein Teil der Spannung in der Leitung verloren geht, ist sie am Ende der Leitung (am Empfänger) immer geringer als am Anfang der Leitung (nicht an den Generatorklemmen). Ein Abfall der Empfängerspannung aufgrund eines Netzspannungsabfalls kann dazu führen, dass der Empfänger nicht normal funktioniert.

Angenommen, Glühlampen brennen normalerweise mit 220 V und sind an einen Generator angeschlossen, der 220 V liefert. Angenommen, die Leitung hat eine Länge l = 92 m, einen Drahtquerschnitt S = 4 mm2 und einen Widerstand ρ = 0 , 0175.

Leitungswiderstand: Rl = ρ (2l / S) = 0,0175 (2 x 92) / 4 = 0,8 Ohm.

Wenn der Strom durch die Lampen fließt Az = 10 A, dann beträgt der Spannungsabfall in der Leitung: ΔUl = IRl = 10 x 0,8 = 8 V... Daher ist die Spannung in den Lampen 2,4 V geringer als die des Generators Spannung: Ulamps = 220 – 8 = 212 V. Die Lampen werden nur unzureichend beleuchtet. Eine Änderung des durch die Empfänger fließenden Stroms führt zu einer Änderung des Spannungsabfalls an der Leitung, was zu einer Änderung der Spannung an den Empfängern führt.

Wenn in diesem Beispiel eine der Lampen ausgeschaltet wird, sinkt der Strom in der Leitung auf 5 A. In diesem Fall verringert sich der Spannungsabfall in der Leitung: ΔUl = IRl = 5 x 0,8 = 4 V.

Bei eingeschalteter Lampe steigt die Spannung, was zu einer spürbaren Erhöhung der Helligkeit führt. Das Beispiel zeigt, dass das Ein- oder Ausschalten eines einzelnen Empfängers aufgrund einer Änderung des Spannungsabfalls in der Leitung zu einer Spannungsänderung anderer Empfänger führt. Diese Phänomene erklären die häufig in elektrischen Netzen beobachteten Spannungsschwankungen.

Der Einfluss des Leitungswiderstands auf den Netzspannungswert wird durch den relativen Spannungsverlust charakterisiert. Das Verhältnis des Spannungsabfalls in der Leitung zur Normalspannung, ausgedrückt als prozentualer relativer Spannungsverlust (bezeichnet mit ΔU %), wird genannt:

ΔU% = (ΔUl /U)x100%

Nach bestehenden Normen müssen die Leiter der Leitung so ausgelegt sein, dass der Spannungsverlust 5 % und unter Lichtlast 2–3 % nicht überschreitet.

Energieverlust

Ein Teil der vom Generator erzeugten elektrischen Energie wird in Wärme umgewandelt und in Form von Kalk verschwendet, wodurch es zu einer Erwärmung durch Wärmeleitung kommt. Dadurch ist die vom Empfänger empfangene Energie immer geringer als die vom Generator abgegebene Energie. Ebenso ist die im Empfänger verbrauchte Leistung immer geringer als die vom Generator entwickelte Leistung.

Der Leistungsverlust in der Leitung kann berechnet werden, indem man die Stromstärke und den Widerstand der Leitung kennt: Plosses = Az2Rl

Um den Wirkungsgrad der Leistungsübertragung zu charakterisieren, definieren Sie den Leitungswirkungsgrad, der als Verhältnis der vom Empfänger empfangenen Leistung zur vom Generator erzeugten Leistung verstanden wird.

Da die vom Generator entwickelte Leistung um den Leistungsverlust in der Leitung größer ist als die Leistung des Empfängers, wird der Wirkungsgrad (gekennzeichnet durch den griechischen Buchstaben η – this) wie folgt berechnet: η = Puseful / (Puseful + Plosses)

Dabei ist Ppolzn die im Empfänger verbrauchte Leistung und Ploss der Leistungsverlust in den Leitungen.

Aus dem zuvor besprochenen Beispiel mit Stromstärke Az = 10 Verlustleistung in der Leitung (Rl = 0,8 Ohm):

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

Nutzleistung P nützlich = Ulamps x I = 212x 10 = 2120 W.

Wirkungsgrad η = 2120 / (2120 + 80) = 0,96 (oder 96 %), d. h. Die Empfänger erhalten nur 96 % des vom Generator erzeugten Stroms.

Heizung mit Draht

Die Erwärmung von Drähten und Kabeln aufgrund der durch elektrischen Strom erzeugten Wärme ist ein schädliches Phänomen. Bei längerem Betrieb bei erhöhten Temperaturen altert die Isolierung von Drähten und Kabeln, wird spröde und bricht zusammen. Eine Zerstörung der Isolierung ist nicht akzeptabel, da dadurch die Möglichkeit einer Berührung der blanken Teile der Drähte untereinander und des sogenannten Kurzschlusses entsteht.

Das Berühren freiliegender Drähte kann zu einem Stromschlag führen. Schließlich kann eine übermäßige Erwärmung des Drahtes dessen Isolierung entzünden und einen Brand verursachen.

Um sicherzustellen, dass die Erwärmung den zulässigen Wert nicht überschreitet, müssen Sie den richtigen Drahtquerschnitt wählen. Je größer der Strom, desto größer muss der Querschnitt eines Drahtes sein, denn mit zunehmendem Querschnitt sinkt der Widerstand und damit auch die erzeugte Wärmemenge.

Die Auswahl des Querschnitts der Heizdrähte erfolgt gemäß den Tabellen, aus denen hervorgeht, wie viel Strom durch den Draht fließen kann, ohne dass es zu einer unzulässigen Überhitzung kommt.va. Manchmal geben sie die zulässige Stromdichte an, also die Strommenge pro Quadratmillimeter Drahtquerschnitt.

Die Stromdichte Ј ist gleich der Stromstärke (in Ampere) geteilt durch den Querschnitt des Leiters (in Quadratmillimetern): Ј = I / S à / mm2

Wenn Sie die zulässige Stromdichte kennen, können Sie außerdem den erforderlichen Leiterquerschnitt ermitteln: S = I / Јadop

Für die interne Verkabelung beträgt die zulässige Stromdichte durchschnittlich 6A/mm2.

Ein Beispiel. Es ist notwendig, den Querschnitt des Drahtes zu bestimmen, wenn bekannt ist, dass der durch ihn fließende Strom I = 15A und die zulässige Stromdichte Јadop 6Аmm2 betragen sollte.

Entscheidung. Erforderlicher Leitungsquerschnitt S = I /Јadop = 15/6 = 2,5 mm2