Некачественное электропитание в Вашей сети

Отдел образования Свислочского райисполкома
Вердомичский учебно - педагогический комплекс
детский сад – общеобразовательная средняя школа
Исследовательская работа
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК В БЫТУ
Автор: Скибицкий Дмитрий Сергеевич
ученик 11 класса
Вердомичского УПК
детский сад –средняя школа
Руководитель: Грунюшкин Олег Николаевич
учитель Вердомичского УПК
детский сад – средняя школа
2010 г.
1
Вердомичский УПК детский сад – средняя школа, 231972,
Свислочский район, Гродненская область, тел. 8-01513-29331.
2
Содержание
Введение
4 стр.
Влияние неполадок электропитания на работу компьютера
5
Влияние отклонения напряжения на работу электрооборудования
5
Некачественное электропитание в сети
7
Исследование падения напряжения в зависимости от расстояния
8
Исследование напряжения в зависимости от дня недели
12
Исследование напряжения в зависимости от времени суток
13
Исследование напряжения в зависимости от нагрузки
14
Заключение
15
Литература
16
Приложение
17
3
Введение
Электрическая энергия – самый распространённый вид энергии, которым
пользуется человечество в наше время. Она широко используется в промышленности,
сельском хозяйстве, в транспорте, быту. Без её применения невозможна была бы
современная служба связи, у нас не было бы телевидения, кроме того, она играет
важную роль в благоустройстве сёл и городов. Успехи в области электричества
позволили разработать электротехнические устройства, без которых, в современных
условиях, невозможно получать и передавать сигналы или информацию, регулировать
температуру, давление и т.д. Работа электрических приборов для контроля, управления и
автоматического регулирования производственных процессов, полный цикл которых
длится доли секунды, работа компьютера невозможна без надёжного электроснабжения.
Поддерживать стандартные параметры напряжения, частоты и т.д. не удается по
многим причинам. Эта проблема актуальна и для самых развитых стран. Развитие
энергетики не успевает за развитием других отраслей промышленности и
энергопотреблением. Непредсказуемые всплески и падения напряжения во время
включения и выключения мощных потребителей, удары молний, различные аварии - все
это приводит к выходу из строя компьютерной и другой чувствительной техники.
4
Влияние неполадок электропитания на работу компьютера
Типичные случаи нарушения электроснабжения:
1. Кратковременное падение напряжения. По данным исследований, эта самая
распространенная проблема питания составляет 87% всех сетевых помех. Возникает при
включении мощных энергопотребителей (промышленное оборудование, лифты,
сварочные аппараты), при перегрузках электросети. Падение напряжения может вызвать
зависание клавиатуры, системные сбои, нарушения в работе принтера, сильно влияют на
долговечность электрооборудования, особенно электродвигателей.
2. Отключение. В это время напряжение в сети падает до нуля и может отсутствовать
продолжительное время. Чаще всего отключения бывают без предупреждения, т.к.
происходят из-за различных аварий, но часто этим занимаются предприятия электросети.
Это может вызвать потерю текущих данных в оперативной памяти, нарушить структуру
файловой системы, что ведет к полной потере информации.
3. Импульсное перенапряжение - это мгновенное увеличение напряжения до очень
больших величин . Импульс такого напряжения может полностью разрушить компьютер и
другое оборудование. Обычно импульсное перенапряжение возникает при близком ударе
молнии или при восстановлении обрыва линий электропередачи.
4. Всплеск - это быстрое повышение напряжения продолжительностью до 1/120 секунды .
Возникает при отключении мощных электродвигателей и другого энергоемкого
оборудования. Может вывести из строя чувствительные элементы оборудования повреждение жесткого диска.
5. Электромагнитные и радиошумы вызываются многими причинами. Молнии, работа
некоторых видов промышленного оборудования, генераторов, радиопередатчиков
приводят к нарушениям синусоидальной формы напряжения в сети. Очень нежелательное
явление для компьютерной техники. Работа оборудования становится неустойчивой,
возникают сбои в работе программ, и происходит потеря данных.
6. Пониженное или повышенное напряжение в сети. Противопоказано компьютерному
оборудованию, т.к. оно рассчитано на работу в определенном интервале напряжения.
Вывод: нарушения в системе электроснабжения могут вывести персональный компьютер
из строя. Ущерб, нанесенный, например, банковской сети или сети научного учреждения,
даже трудно подсчитать. Дело не в стоимости оборудования, а в потере ценнейших
данных.
Для борьбы с этими проблемами разработано специальное оборудование.
Влияние отклонения напряжения на работу электрооборудования
Отклонение напряжения — отличие фактического напряжения в установившемся
режиме работы системы электроснабжения от его номинального значения.
Технологические установки:
 При снижении напряжения существенно ухудшается технологический процесс,
увеличивается его длительность. Следовательно, увеличивается себестоимость
производства.
5

При повышении напряжения снижается срок службы оборудования,
повышается вероятность аварий.
 При значительных отклонениях напряжения происходит срыв
технологического процесса.
Освещение:
 Снижается срок службы ламп освещения, так при величине напряжения
1,1·Uном срок службы ламп накаливания снижается в 4 раза.
 При величине напряжения 0,9·Uном снижается световой поток ламп накаливания
на 40 % и люминесцентных ламп на 15 %.
 При величине напряжения менее 0,9·Uном люминесцентные лампы мерцают, а
при 0,8·Uном просто не загораются.
Электропривод:
 При снижении напряжения на зажимах асинхронного электродвигателя на 15 %
момент снижается на 25 %. Двигатель может не запуститься или
остановиться.
 При снижении напряжения увеличивается потребляемый от сети ток, что влечёт
разогрев обмоток и снижение срока службы двигателя. При длительной работе
на напряжении 0,9·Uном срок службы двигателя снижается вдвое.
 При повышении напряжения на 1 % увеличивается потребляемая двигателем
реактивная мощность на 3...7 %. Снижается эффективность работы привода и
сети.
Поэтому, ГОСТ 13109-97 устанавливает нормально и предельно допустимые значения
установившегося отклонения напряжения на зажимах электроприёмников в пределах
∆Uнор= ± 5 % от стандартных 220 В и ∆Uпред= ± 10 % номинального напряжения сети в
аварийном режиме. Подобные случаи обычно возникают при коротких замыканиях.
Сгорает предохранитель, и через доли секунды напряжение нормализуется.
Обеспечить эти требования можно двумя способами: снижением потерь напряжения и
регулированием напряжения.
Снижение потерь напряжения (ΔU) достигается выбором сечения проводников
линий электропередач по условиям потерь напряжения.
Регулирование напряжения:
1. В центре питания регулирование напряжения осуществляется с помощью
трансформаторов, оснащённых устройством автоматического регулирования
коэффициента трансформации в зависимости от величины нагрузки. Такими
устройствами оснащены 10 % трансформаторов.
2. Напряжение может регулироваться на промежуточных трансформаторных
подстанциях с помощью трансформаторов, оснащённых устройством переключения
отпаек на обмотках с различными коэффициентами трансформации (переключение с
отключением от сети).
Ответственность за поддержание напряжения в пределах, установленных ГОСТ
13109-97, возлагается на энергоснабжающую организацию.
6
Некачественное электропитание в сети
На картинке представлена типичная электросеть поселка
Как видно из рисунка, все сети последовательного исполнения. И чем дальше от
распределительной точки, тем меньше напряжения доходит до потребителя. Так делается
для существенной экономии кабелей. Все сечения рассчитаны с таким учетам, что бы ко
всем потребителям приходило одинаковое напряжение. И когда сеть новая, то так и
происходит. Но со временем сети изнашиваются, ухудшается проводимость проводов,
появляются скрутки, перегрузка сети. И в конечном итоге получаем сильное падение
напряжения.
На трансформаторной подстанции начинают повышать напряжение. Чтобы
последним потребителям дошло хоть что то. При этом у первых потребителей начинают
выходить из строя электроприборы из-за высокого напряжения. В таких ситуациях может
помочь только стабилизатор напряжения.
Почему происходит падение напряжения в электросети:
•1. Воздушные электросети прокладываются из алюминиевого провода без изоляции. С
течением времени у алюминия, если по нему пропускают ток, ухудшаются проводимые
свойства, разрушается кристаллическая решетка, увеличивается сопротивление.
•2. Электрики, как правило, при соединении проводов используют обычную скрутку, а
не болтовое крепление, что добавляет сопротивление току.
•3. При перегрузке сети. Сечение проводов ограничивает ток который по ним можно
пускать:
Медные жилы проводов и кабелей
Алюминиевые жилы проводов и кабелей
В случае превышения допустимого тока, провода начинают греться. При повышении
температуры металла его сопротивление току увеличивается. Всё это приводит к падению
напряжения. С учетом того, что на трансформаторной подстанции выходное напряжение
настраивают 240В – 260В, то даже если потребитель находится за 2 км от неё, доходит
7
нормальное напряжение 220В, если все соединения проводов выполнены качественно. Но
как только сеть перегружают сопротивление проводов резко увеличивается. Особенно это
сильно заметно в посёлках, где стоят маломощные трансформаторные подстанции, а
потребителей огромное количество. Днем напряжение в сети может опускаться до 100В у
конечных потребителей, а ночь подниматься до 260В.
Для приборов где есть электронные схемы такое напряжение губительно. Для
современных электромоторов, насосов, компрессоров, холодильников такое напряжение
так же не допустимо. С целью экономии материалов они выполняются рассчитанными на
напряжение 220-230В ± 5%, без двойного запаса прочности, как раньше. И в условиях
плохого напряжения они просто сгорают. Иногда не помогает даже стабилизатор
напряжения.
Исследование падения напряжения в зависимости от расстояния
На рисунке представлена схема подключения дома к трансформаторной
подстанции.
Условно её можно представить так:
Сопротивление скруток
R1= 1 Ом
Трансформаторная
подстанция
Uтп=260 В
Сопротивление проводов
R2= ? Ом
Вольтметр
R3= 2,5 кОм
V
8
Согласно закона Ома
U=I*R
Сила тока во всей цепи рассчитывается по формуле: I = Uтр/(R1+R2+R3)
Сопротивление квартирной электропроводки не учитываем, т.к. она имеет малую длину и
изготовлена из меди, а значит имеет малое сопротивление.
Сопротивление скруток зависит от их качества и количества. В расчётах сопротивление
одной скрутки принимается равным 1 Ом. В нашем случае их 30.
R1= 1 Ом * 30 = 30 Ом
Сопротивление проводов R2 зависит от их длины и температуры.
2  l
R2  t , т.к. электрический ток подводится по двум проводам.
S
l – длина подводящего ток провода
S – площадь сечения подводящего ток провода
ρ t – удельное электрическое сопротивление
ρ t= ρ 0(1+α∆T) –удельное сопротивление проводника при температуре Т
ρ 0 – удельное сопротивление при температуре 20 0С
α- температурный коэффициент сопротивления металла
Удельное сопротивление алюминия при 20о С ρ0 = 0,028 Ом*мм2/м
α=4,9 * 10-3 К-1
∆T=Т-Т0 Т=270,15 К Т0=293,15 К, т.к. температура окружающего воздуха составляла
t= -30С
∆T=270,15 К - 293,15 К = -13
ρ t= 0,028 (1+0,0049 *(-13))=0,026 Ом
Длина провода в нашем случае составила l =570 м
Подключение произведено проводом АВВГ-16, площадь сечения S = 16 мм2
Получим сопротивление провода от трансформаторной подстанции до потребителя.
2 * 0.026 * 570
R2 
 1.85Ом
16
Находим силу тока в цепи
260
I
 0,10269 A
30  1.85  2500
Падение напряжения на скрутках
U1 = I * R1 = 0,10269 *30=3,08В
Падение напряжения в подводящих проводах U2 = I * R2 = 0,10269 *1,85=0,1899В
Напряжение на вольтметре
U = I * R3 = 0,10269 *2500=256,7 В
Как видим падение напряжения из-за скруток и сопротивления проводов, в данном случае
составило примерно 3,3 В. Из расчётов видно, что падение напряжения на проводах
незначительное и на 1000 м составляет примерно 0,3В. Так как в деревне находится три
трансформаторные подстанции, то длина поводящих электрический ток проводов не
превышает 1 км, то расчётами падения напряжения в подводящих проводах можно
пренебречь, в основном принимается во внимание падение напряжения на скрутках.
Измерения напряжения проводились цифровым вольтметром, т.к. он имеет малые
погрешности измерения (0,1 – 0,001%). Исследование показало показало, что напряжение
составляет - 236 В. При этом необходимо иметь ввиду, что существует падение
напряжения на вольтметре, всвязи с использованием диодов.
Если измерять напряжение в сети переменного тока вольтметром для постоянного
тока, то такой вольтметр покажет 0. Нужно последовательно включить в цепь диод,
9
пропускающий ток только в одном направлении (верхняя часть синусоиды), тогда
вольтметр покажет приблизительно 110 В. Если включить в цепь "мостик" из 4 диодов, то
через вольтметр будет течь ток и верхней части синусоиды и нижней, но - в одном
направлении, а вольтметр покажет приблизительно 220 В. Конденсатор сгладит пики,
если измеритель имеет малую инерцию.
При включении последовательного диода вольтметр средних значений, т.е.
Um
 U
магнитоэлектрической системы покажет не 110 В, всего лишь Uср 

311
 1  98В , где Um~311В-амплитудное значение напряжения бытовой сети,
3,14
ΔU~1В - прямое падение напряжения на выпрямляющем диоде. Что же до второй, 2-х
полупериодной мостовой схемы выпрямления, то тут формула будет иметь вид
2Um
2 * 311
Uср 
 2U Uср 
 2 *1  196 В

3,14
Uср 
В нашем случае вольтметр должен показать напряжение Uср
Um  U 2 Um  256,7 2  363,02 В
Uср 
2 * 363,02
 2 *1  231,2 В
3,14
Исследовав напряжение в домах, находящимся на различном расстоянии получили
данные:
№ дома
10
46
13
9Б
70
24
91
41
22
44
Расстояние
150
220
250
340
520
570
620
630
730
880
Напряжение 236
240
237
236
232
236
233
240
230
244
В доме № 44 значение напряжения выше нормы на 2В.
10
Исследовав напряжение в различных домах, находящимся на разном расстоянии от
трансформаторной подстанции, получаем график зависимости падения напряжения от
длины подводящих проводов
№ дома
10
46
13
9Б
70
24
91
41
22
44
Расстояние
150
220
250
340
520
570
620
630
730
880
1,72
1,41
1,99
2,84
3,27
3,41
3,49
4,1
4,83
23
23
24
28
24
27
20
30
16
Падение
напряжения
0,88
(расчётное)
Падение
24
напряжения
(эксперимент)
35
30
U,В
25
20
расчёт
эксперимент
15
10
5
50
10
0
15
0
20
0
25
0
30
0
35
0
40
0
45
0
50
0
55
0
60
0
65
0
70
0
75
0
80
0
85
0
90
0
0
L,м
Данные, полученные в эксперименте, отличаются от расчётных тем, что сопротивление
подводящих проводов больше чем в теоретических расчётах (старая линия). Так же не
учитывалась мощность потребителей.
11
Исследование напряжения в зависимости от дня недели
День
недели
Пн
Вт
Ср
Чт
Пт
Сб
Вс
Напряжение 241
232
238
237
236
241
233
Падение
напряжения
28
22
23
24
19
27
19
Исследования проводились в феврале, на протяжении недели, в 16 часов.
35
30
U,В
25
20
15
10
5
0
пн
вт
ср
чт
пт
сб
Из графика видно, что падение напряжения, а значит и максимальное использование
энергии во вторник и воскресение, и уменьшается в понедельник и субботу.
12
вс
Исследование напряжения в зависимости от времени суток
Время
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
Напряжение
234
236
242
241
241
243
241
237
235
237
239
235
226
234
234
234
Падение
напряжения
26
24
18
19
19
17
19
23
25
23
21
25
34
26
26
26
10
11
12
13
14
15
16
17
35
30
U,В
25
20
15
10
5
0
7
8
9
18
19
20
Время
Падение напряжения наблюдается утром, около 15 часов и вечером. Максимальное
использование электроэнергии в 19 часов.
13
21
22
Исследование напряжения в зависимости от нагрузки
Напряжение без нагрузки составляет 237 В.
Мощность
нагрузки
Печка
Р=1000Вт
Чайник
Р=1900Вт
Чайник +
печка
Р=2900Вт
Сварочный
аппарат
(холостой
ход)
Сварочный
аппарат
(рабочий ход)
Напряжение 224
220
214
230
206
Падение
напряжения
17
23
7
31
13
При проведении исследований со сварочным аппаратом показало, что напряжение
постоянно менялось, особенно при рабочем ходе. Включение электроприборов в такую
цепь может привести к неисправности. Наблюдения за лампочкой накаливания выявили,
что постоянно меняется яркость горения, а значит напряжение и сила тока.
35
30
U, В
25
20
15
10
5
0
1000
1900
мощность, Вт
14
2900
Заключение
В данной работе рассмотрено изменение напряжения переменного тока в быту. Из
исследований выявлено, что напряжение в доме, где я проживаю, а так же в деревне
соответствует нормам. Однако, при использовании потребителей большой мощности,
возникает падение напряжения, а при электросварке – большие скачки напряжения. Всё
это негативно влияет на работу электроприборов, в частности компьютера. Поэтому для
компьютера был приобретён
Литература
1. Жылко В.У., Марковіч Л.Р. Фізіка :вучэб. дапам. для 11 кл. агульнаадукац. устаноў
з беларус. мовай навучання – Мінск: Нар. асвета,2009. – 255с.
2. Шихин А.Я. Электротехника: Учеб. Для ПТУ – М.:Высш.шк.,1991. – 336с.
3. Ланге В. Эффективное напряжение в сети переменного тока .Ж-л Квант, №3,2001.
15
Исследование напряжения
№ дома _____________________Включенные приборы_____________________________
Расстояние,l __________________
Количество скруток, N__________
Температура воздуха,t __________ Время______
Измеренное напряжение на вольтметре_______В
1.U = I * R
2.Сила тока во всей цепи: I = Uтр/(R1+R2+R3)
3.Сопротивление скруток.
R1= 1 Ом * N = 1 Ом * ____= ____ Ом
4.Сопротивление проводов R2
2  l
R2  t , т.к. электрический ток подводится по двум проводам.
S
l – длина подводящего ток провода
S – площадь сечения подводящего ток провода
ρ t= ρ 0(1+α∆T) –удельное сопротивление проводника при температуре Т
α- температурный коэффициент сопротивления металла α=4,9 * 10-3 К-1
Удельное сопротивление алюминия при 20о С ρ0 = 0,028 Ом*мм2/м
∆T=Т-Т0, Т=______ К, Т0=293К, ∆T=_____К - 293К = ____
ρ t= 0,028 (1+0,0049 *_____)=______ Ом
Площадь сечения S = 16 мм2
Сопротивление провода от трансформаторной подстанции до потребителя:
2 * ____* ____
R2 
 ____ Ом
16
R3= 2500 Ом-сопротивление вольтметра
5.Сила тока в цепи
250
I
 ______ A
___  ___  2500
6.Падение напряжения на скрутках
U1 = I * R1 = _____ *____=______В
7.Падение напряжения в подводящих проводах U2 = I * R2 = _____ *____=______В
8.Напряжение на вольтметре
U = I * R3 = _____ *2500=______В
9. Падение напряжения из-за скруток и сопротивления проводов
Uп=U1+U2=_____В +_____В=____В
10.Расчётное напряжение
16
17
U2
Измеренное
напряжене
Uср
Расчётное
напряжение,
Падение
напряжения,
Uп
Напряжение на
вольтметре U
проводах
Падение
напряжения в
U1
Uср 
скрутках
Падение
напряжения на
Сила тока в
цепи,I
Сопротивление
проводов R2
Сопротивление
скруток. R1
Температура
воздуха,t
Количество
скруток, N
Расстояние,lм
Um  U 2 Um  ______ 2  _____ В
2 * ______
 2 *1  _____ В
3,14