Transmissão de energia por um fio
Um circuito elétrico consiste em pelo menos três elementos: um gerador, que é uma fonte de energia elétrica, receptor de energia e fios conectando o gerador e o receptor.
As usinas de energia geralmente estão localizadas longe de onde a eletricidade é consumida. Uma linha de energia aérea se estende por dezenas e até centenas de quilômetros entre a usina e o local de consumo de energia. Os condutores da linha de energia são fixados em postes com isoladores feitos de um dielétrico, geralmente de porcelana.
Com a ajuda de linhas aéreas que compõem a rede elétrica, a eletricidade é fornecida a edifícios residenciais e industriais onde estão localizados os consumidores de energia. Dentro dos edifícios, a fiação elétrica é feita de fios e cabos de cobre isolados e é chamada de fiação interna.
Quando a eletricidade é transmitida através de fios, uma série de fenômenos indesejáveis são observados relacionados à resistência dos fios à corrente elétrica. Esses fenômenos incluem perda de tensão, perdas de energia na linha, fios de aquecimento.
Perda de tensão da linha
Quando a corrente flui, uma queda de tensão é criada na resistência da linha. A resistência da linha Rl pode ser calculada se o comprimento da linha l (em metros), a seção transversal do condutor S (em milímetros quadrados) e a resistência do material do fio ρ forem conhecidos:
Rl = ρ (2l / S)
(a fórmula contém o número 2 porque ambos os fios devem ser levados em consideração).
Se uma corrente l flui através da linha, então a queda de tensão na linha ΔUl de acordo com a lei de Ohm é igual a: ΔUl = IRl.
Como parte da tensão na linha é perdida, no final da linha (no receptor) sempre será menor do que no início da linha (não nos terminais do gerador). Uma queda na tensão do receptor devido a uma queda de tensão na linha pode impedir que o receptor funcione normalmente.
Suponha, por exemplo, que as lâmpadas incandescentes normalmente queimam a 220 V e estão conectadas a um gerador que fornece 220 V. Suponha que a linha tenha um comprimento l = 92 m, uma seção transversal do fio S = 4 mm2 e uma resistência ρ = 0 , 0175.
Resistência de linha: Rl = ρ (2l / S) = 0,0175 (2 x 92) / 4 = 0,8 ohms.
Se a corrente passar pelas lâmpadas Az = 10 A, então a queda de tensão na linha será: ΔUl = IRl = 10 x 0,8 = 8 V... Portanto, a tensão nas lâmpadas será 2,4 V menor que no gerador voltagem: Ulamps = 220 — 8 = 212 V. As lâmpadas serão um punhado insuficientemente acesas. Uma mudança na corrente que flui através dos receptores causa uma mudança na queda de tensão na linha, resultando em uma mudança na tensão nos receptores.
Deixe uma das lâmpadas apagar neste exemplo e a corrente na linha diminuirá para 5 A. Nesse caso, a queda de tensão na linha diminuirá: ΔUl = IRl = 5 x 0,8 = 4 V.
Na lâmpada acesa, a tensão aumentará, o que causará um aumento perceptível em seu brilho. O exemplo mostra que ligar ou desligar um receptor individual causa uma mudança na tensão de outros receptores devido a uma mudança na queda de tensão na linha. Esses fenômenos explicam as flutuações de tensão frequentemente observadas nas redes elétricas.
O efeito da resistência da linha no valor da tensão da rede é caracterizado pela perda de tensão relativa. A relação entre a queda de tensão na linha e a tensão normal, expressa como uma perda de tensão relativa percentual (denotada por ΔU%), é chamada:
ΔU% = (ΔUl /U)x100%
De acordo com os padrões existentes, os condutores da linha devem ser projetados para que a perda de tensão não exceda 5% e, sob carga de iluminação, não exceda 2 - 3%.
Perda de energia
Parte da energia elétrica gerada pelo gerador passa para o calor e é desperdiçada na cal, causando aquecimento por condução. Como resultado, a energia recebida pelo receptor é sempre menor que a energia fornecida pelo gerador. Da mesma forma, a potência consumida no receptor é sempre menor que a potência desenvolvida pelo gerador.
A perda de potência na linha pode ser calculada conhecendo a força e resistência atual da linha: Plosses = Az2Rl
Para caracterizar a eficiência da transmissão de potência, defina a eficiência da linha, que é entendida como a razão entre a potência recebida pelo receptor e a potência desenvolvida pelo gerador.
Como a potência desenvolvida pelo gerador é maior que a potência do receptor pela quantidade de perda de potência na linha, a eficiência (denotada pela letra grega η - isto) é calculada como: η = Puseful / (Puseful + Plosses)
onde, Ppolzn é a potência consumida no receptor, Ploss é a perda de potência nas linhas.
Do exemplo discutido anteriormente com intensidade de corrente Az = 10 Perda de potência na linha (Rl = 0,8 ohms):
Perda = Az2Rl = 102NS0, 8 = 80 W.
Potência útil P útil = Ulamps x I = 212x 10 = 2120 W.
Eficiência η = 2120 / (2120 + 80) = 0,96 (ou 96%), ou seja, os receptores recebem apenas 96% da energia gerada pelo gerador.
Aquecimento com fio
O aquecimento de fios e cabos devido ao calor gerado pela corrente elétrica é um fenômeno nocivo. Com operação prolongada em temperaturas elevadas, o isolamento de fios e cabos envelhece, torna-se quebradiço e colapsa. A destruição do isolamento é inaceitável, pois cria a possibilidade de contato das partes nuas dos fios entre si e o chamado curto-circuito.
Tocar em fios expostos pode causar choque elétrico. Finalmente, o aquecimento excessivo do fio pode inflamar seu isolamento e causar um incêndio.
Para garantir que o aquecimento não exceda o valor permitido, você deve escolher a seção transversal correta do fio. Quanto maior a corrente, maior deve ser a seção transversal do fio, pois à medida que a seção aumenta, a resistência diminui e, consequentemente, a quantidade de calor gerado diminui.
A seleção da seção transversal dos fios de aquecimento é realizada de acordo com as tabelas que mostram quanta corrente pode passar pelo fio sem causar superaquecimento inaceitável.va. Às vezes, eles indicam a densidade de corrente permitida, ou seja, a quantidade de corrente por milímetro quadrado da seção transversal do fio.
Densidade de corrente Ј é igual à força da corrente (em amperes) dividida pela seção transversal do condutor (em milímetros quadrados): Ј = I / S а / mm2
Conhecendo a densidade de corrente admissível Јadicionalmente, você pode encontrar a seção do condutor necessária: S = I /Јadop
Para fiação interna, a densidade de corrente permitida é em média 6A/mm2.
Um exemplo. É necessário determinar a seção transversal do fio, se for sabido que a corrente que passa por ele deve ser igual a I = 15A e a densidade de corrente permitida Јadop — 6Аmm2.
Decisão. Seção transversal necessária do fio S = I /Јadop = 15/6 = 2,5 mm2