Transmisión de energía a través de un cable.

Un circuito eléctrico consta de al menos tres elementos: un generador, que es una fuente de energía eléctrica, receptor de energía y cables que conectan el generador y el receptor.

Las centrales eléctricas suelen estar ubicadas lejos de donde se consume la electricidad. Una línea eléctrica aérea se extiende decenas e incluso cientos de kilómetros entre la central eléctrica y el lugar de consumo de energía. Los conductores de la línea eléctrica se fijan en postes con aisladores hechos de un dieléctrico, la mayoría de las veces de porcelana.

Con la ayuda de las líneas aéreas que componen la red eléctrica, se suministra electricidad a los edificios residenciales e industriales donde se encuentran los consumidores de energía. Dentro de los edificios, el cableado eléctrico está hecho de alambres y cables de cobre aislados y se denomina cableado interior.

Cuando se transmite electricidad a través de cables, se observan una serie de fenómenos indeseables relacionados con la resistencia de los cables a la corriente eléctrica. Estos fenómenos incluyen pérdida de voltaje, pérdidas de potencia de línea, cables de calefacción.

Pérdida de voltaje de línea

Cuando fluye la corriente, se crea una caída de voltaje en la resistencia de la línea. La resistencia de línea Rl se puede calcular si se conocen la longitud de la línea l (en metros), la sección transversal del conductor S (en milímetros cuadrados) y la resistencia del material del cable ρ:

Rl = ρ (2l / S)

(la fórmula contiene el número 2 porque se deben tener en cuenta ambos cables).

Si por la línea circula una corriente l, entonces la caída de tensión en la línea ΔUl según la ley de Ohm es igual a: ΔUl = IRl.

Dado que parte del voltaje en la línea se pierde, al final de la línea (en el receptor) siempre será menor que al principio de la línea (no en las terminales del generador). Una caída en el voltaje del receptor debido a una caída en el voltaje de la línea puede impedir que el receptor funcione normalmente.

Suponga, por ejemplo, que las lámparas incandescentes normalmente funcionan a 220 V y están conectadas a un generador que proporciona 220 V. Suponga que la línea tiene una longitud l = 92 m, una sección transversal del cable S = 4 mm2 y una resistencia ρ = 0 , 0175.

Resistencia de línea: Rl = ρ (2l / S) = 0,0175 (2 x 92) / 4 = 0,8 ohmios.

Si por las lámparas pasa corriente Az = 10 A, entonces la caída de tensión en la línea será: ΔUl = IRl = 10 x 0,8 = 8 V... Por tanto, la tensión en las lámparas será 2,4 V menor que la del generador tensión : Ulamps = 220 — 8 = 212 V. Las lámparas serán un puñado insuficientemente encendidas. Un cambio en la corriente que fluye a través de los receptores provoca un cambio en la caída de voltaje en la línea, lo que resulta en un cambio en el voltaje en los receptores.

Deje que una de las lámparas se apague en este ejemplo y la corriente en la línea disminuirá a 5 A. En este caso, la caída de voltaje en la línea disminuirá: ΔUl = IRl = 5 x 0.8 = 4 V.

En la lámpara encendida, el voltaje aumentará, lo que provocará un aumento notable en su brillo. El ejemplo muestra que encender o apagar un receptor individual provoca un cambio en el voltaje de otros receptores debido a un cambio en la caída de voltaje en la línea. Estos fenómenos explican las fluctuaciones de voltaje que a menudo se observan en las redes eléctricas.

El efecto de la resistencia de línea sobre el valor de tensión de la red se caracteriza por la pérdida de tensión relativa. La relación entre la caída de tensión en la línea y la tensión normal, expresada como porcentaje de pérdida de tensión relativa (denotada por ΔU%), se denomina:

ΔU% = (ΔUl /U)x100%

De acuerdo con las normas existentes, los conductores de la línea deben diseñarse de modo que la pérdida de voltaje no exceda el 5% y la carga de iluminación no exceda el 2 - 3%.

Pérdida de energía

Parte de la energía eléctrica generada por el generador se convierte en calor y se desperdicia en cal, provocando el calentamiento por conducción. Como resultado, la energía recibida por el receptor es siempre menor que la energía entregada por el generador. Asimismo, la potencia consumida en el receptor es siempre menor que la potencia desarrollada por el generador.

La pérdida de potencia en la línea se puede calcular conociendo la intensidad y la resistencia actuales de la línea: Plosses = Az2Rl

Para caracterizar la eficiencia de transmisión de potencia, se define la eficiencia de línea, entendida como la relación entre la potencia recibida por el receptor y la potencia desarrollada por el generador.

Dado que la potencia desarrollada por el generador es mayor que la potencia del receptor por la cantidad de pérdida de potencia en la línea, la eficiencia (denotada por la letra griega η - this) se calcula como: η = Puseful / (Puseful + Plosses)

donde, Ppolzn es la potencia consumida en el receptor, Ploss es la potencia perdida en las líneas.

Del ejemplo discutido anteriormente con intensidad de corriente Az = 10 Pérdida de potencia en la línea (Rl = 0,8 ohmios):

Pérdida = Az2Rl = 102NS0, 8 = 80 W.

Potencia útil P útil = Ulamps x I = 212x 10 = 2120 W.

Eficiencia η = 2120 / (2120 + 80) = 0,96 (o 96%), es decir los receptores reciben sólo el 96% de la energía generada por el generador.

Calefacción con alambre

El calentamiento de alambres y cables debido al calor generado por la corriente eléctrica es un fenómeno nocivo. Con un funcionamiento prolongado a temperaturas elevadas, el aislamiento de los alambres y cables envejece, se vuelve quebradizo y colapsa. La destrucción del aislamiento es inaceptable, ya que esto crea la posibilidad de contacto de las partes desnudas de los cables entre sí y el llamado cortocircuito.

Tocar cables expuestos puede causar una descarga eléctrica. Finalmente, el calentamiento excesivo del cable puede encender su aislamiento y provocar un incendio.

Para asegurarse de que el calentamiento no exceda el valor permitido, debe elegir la sección transversal correcta del cable. Cuanto mayor sea la corriente, mayor será la sección transversal que debe tener un cable, porque a medida que aumenta la sección transversal, la resistencia disminuye y, en consecuencia, la cantidad de calor generado disminuye.

La selección de la sección transversal de los cables calefactores se realiza de acuerdo con las tablas que muestran cuánta corriente puede pasar a través del cable sin causar un sobrecalentamiento inaceptable.va. A veces indican la densidad de corriente permitida, es decir, la cantidad de corriente por milímetro cuadrado de la sección transversal del cable.

La densidad de corriente Ј es igual a la fuerza de la corriente (en amperios) dividida por la sección transversal del conductor (en milímetros cuadrados): Ј = I / S а / mm2

Conociendo la densidad de corriente admisible Јademás, puede encontrar la sección de conductor necesaria: S = I /Јadop

Para el cableado interno, la densidad de corriente admisible es de 6 A/mm2 de media.

Un ejemplo. Es necesario determinar la sección transversal del cable, si se sabe que la corriente que lo atraviesa debe ser igual a I = 15A, y la densidad de corriente permitida Јadop — 6Аmm2.

Decisión. Sección de cable necesaria S = I /Äadop = 15/6 = 2,5 mm2