Режими роботи електричного ланцюга
Для електричного ланцюга найбільш характерними є режими роботи: навантажувальний, холостого ходу та короткого замикання.
Навантажувальний режим роботи (рис. 19, а). Розглянемо роботу електричного кола при підключенні до джерела будь-якого приймача з опором R (резистора, електричної лампи тощо).
З закону Ома е. д. с. джерела дорівнює сумі напр-
Мал. 19. Схеми, що пояснюють навантажувальний режим роботи (а) та режим холостого ходу (б)
IR на зовнішньому ділянці ланцюга і IRo на внутрішньому опорі джерела:
E = IR + IR0 (12)
Враховуючи, що напруга Uі на затискачах джерела дорівнює падінню напруги IR у зовнішньому ланцюзі, отримаємо:
E =Uі +IR0 (13)
Ця формула показує, що е. д. с. джерела більше напруги на його затисканнях на значення падіння напруги всередині джерела. Падіння напруги IRo всередині джерела залежить від струму в ланцюгу I (струму навантаження), який визначається опором приймача R. Чим більшим буде струм навантаження, тим менша напруга на затискачах джерела:
Uі= E – IR0 (13′)
Падіння напруги у джерелі залежить також і від внутрішнього опору Ro. Відповідно до рівняння (13′) залежність напруги Uі від струму I зображується прямою лінією (рис. 20). Цю залежність називають зовнішньою характеристикою джерела.
З усіх можливих режимів навантаження найбільш важливим є номінальний. Номінальним називається режим роботи, встановлений заводом-виробником для даного електротехнічного пристрою відповідно до технічних вимог, що до нього пред'являються. Він характеризується номінальною напругою, струмом (точка Н на рис. 20) та потужністю. Цівеличини зазвичай вказують у паспорті цього пристрою. Від номінального напруги залежить якість електричної ізоляції електротехнічних установок, як від номінального струму — температура їх нагрівання, що визначає площу поперечного перерізу провідників, теплостійкість застосовуваної ізоляції та інтенсивність охолодження установки. Перевищення номінального струму протягом тривалого часу може призвести до виходу з експлуатації установки.Режим холостого ходу (рис. 19, б). При цьому режимі приєднаний до джерела електричний ланцюг розімкнений, тобто струму в ланцюзі немає. У цьому випадку внутрішнє падіння напруги IRo дорівнюватиме нулю і формула (13) набуде вигляду
E =Uі (14)
Таким чином, в режимі холостого ходу напруга на затискачах джерела електричної енергії дорівнює його е. д. с. (Точка X на рис. 20). Цю обставину можна використовуватиме виміру е. д. с. джерел електроенергіїРежим короткого замикання (рис. 21). Коротким замиканням (к. з.) називають такий режим роботи джерела, коли його затискачі замкнуті провідником, опір якого можна вважати рівним нулю. Практично к. з. виникає при з'єднанні один з одним проводів, що зв'язують джерело з приймачем, так як ці дроти мають зазвичай незна-
Мал. 20. Зовнішня характеристика джерела
Читальний опір і його можна прийняти рівним нулю. К. з. може відбуватися внаслідок неправильних дій персоналу, який обслуговує електротехнічні установки (рис. 22, а), або при пошкодженні ізоляції проводів (рис. 22, б, в); в останньому випадку ці дроти можуть з'єднуватися через землю, що має дуже малий опір, або через металеві деталі, що оточують (корпусу електричних машин і апаратів, елементи кузова локомотива тощо). При короткому замиканні струм
Iк.з=E / R0 (15)
Зважаючи на те, що внутрішній опір джерела Ro зазвичай дуже мало, струм, що проходить через нього, зростає до дуже великих значень. Напруга ж у місці к. з. стає рівним нулю (точка До на рис. 20), тобто електрична енергія на ділянку електричного ланцюга, розташований за місцем к. з., надходити не буде.
Коротке замикання є аварійним режимом, так як великий струм може привести в непридатність як саме джерело, так і включені в ланцюг прилади, апарати і проводи. Лише для деяких спеціальних генераторів, наприклад зварювальних, коротке замикання не становить небезпеки та є робочим режимом. В електричному ланцюзі струм проходить завжди від точок ланцюга, що знаходяться під великим потенціалом, до точок, що знаходяться під меншим потенціалом. Якщо якась точка ланцюга з'єднана із землею, то потенціал її приймається рівним нулю; у цьому випадку потен-
Мал. 21. Схема короткого замикання в ланцюзі джерела електричної енергії
ціали всіх інших точок ланцюга дорівнюватимуть напругам, що діють між цими точками і землею. У міру наближення до заземленої точки зменшуються потенціали різних точок ланцюга, тобто напруги, що діють між цими точками та землею. З цієї причини обмотки збудження тягових двигунів і допоміжних машин, у яких при різких змінах струму можуть виникати великі перенапруги, намагаються включати в силовий ланцюг ближче до «землі» (за обмоткою якоря). У цьому випадку на ізоляцію цих обмоток буде діяти менша напруга, ніж якщо вони були включені ближче до контактної мережі на електровозах постійного струму або до незаземленого полюса випрямної установки наелектровози змінного струму (тобто знаходилися б під вищим потенціалом). Так само точки електричного ланцюга, що знаходяться під більш високим потенціалом, є більш небезпечними для людини, що стикається з струмопровідними частинами електричних установок. При цьому він потрапляє під вищу напругу по відношенню до землі. Слід зазначити, що з заземленні однієї точки електричної ланцюга розподіл струмів у ній не змінюється, оскільки утворюється ніяких нових гілок, якими могли б протікати струми. Якщо заземлити дві (або більше) точки ланцюга, що мають різні потенціали, то через землю утворюються додаткова струмопровідна гілка (або гілки) і розподіл струму в ланцюзі змінюється.
Отже, порушення або пробій ізоляції електричної установки, одна з точок якої заземлена, створює контур, яким проходить струм, що являє собою, по суті, струм короткого замикання. Те саме відбувається в незаземленій електричній установці при замиканні на землю двох її точок. При розриві електричної ланцюга всі її точки до місця розриву виявляються під тим самим потенціалом.
Мал. 22. Можливі причини короткого замикання в електричних установках