نقش سیم و کابل در تلفات برق

آیا مشخصات فنی سیم و کابل برق میتواند نقشی در تلفات توان و مقدار مصرف انرژی الکتریکی داشته باشد؟ در این مقاله پیرامون تأثیر سیم یا کابل بر تلفات توان و افزایش مصرف انرژی الکتریکی خواهیم گفت.

تلفات توان در سیم و کابل برق

تلفات توان الکتریکی، نوعی مصرف برق است؛ اما مصرفی که فقط هزینۀ آن را میپردازیم و سودی برای ما ندارد. این تلفات ممکن است در بخشهای مختلف سیستم تولید، انتقال و توزیع نیرو رخ دهد. در اینجا هدف ما بررسی تلفات در سیم و کابلهای برق است.

انتظار ما از سیم و کابلهای برق این است که حامل جریان الکتریسیته باشند، نه مصرف کنندۀ آن. اما در عمل چیزی رخ میدهد که مطلوب ما نیست.

تلفات توان و انرژی در سیم و کابل برق

همان طور که میدانید، همه فلزاتی که به عنوان هادی یا رسانای برق به کار میروند، در دمای معمولی مقداری مقاومت الکتریکی از خود نشان میدهند. با توجه به جنس فلز، این مقاومت متفاوت خواهد بود. مثلاً، مقاومت الکتریکی نقره کمتر از دیگر فلزات است. هدایت الکتریکی مس کمتر از نقره و بیشتر از آلومینیوم است. مقاومت الکتریکی برنج، آهن و فولاد نیز بسیار بیشتر از مس و آلومینیوم میباشد.

بنابراین، حتی مقاومت نقره هم در برابر عبور جریان برق، صفر نیست. همین مقدار اندک مقاومت در رساناهایی مانند مس و آلومینیوم، سبب میگردد بخشی از انرژی الکتریسیته در سیم و کابلها تلف شود. مصرف برق در سیم و کابلها به این شکل است که مقاومت الکتریکی آنها موجب ایستادگی در برابر عبور آمپر میگردد و نتیجۀ آن تبدیل انرژی الکتریسیته به گرماست.

آن مقدار از انرژی را که در طول سیم و کابل ها به انرژی گرمایی تبدیل میشود، تلفات مینامیم.

پس سیم یا کابل برق با توجه به جریان عبوری از آن و مقدار مقاومتی که در برابر عبور این جریان نشان میدهد، بخشی از انرژی برق را مصرف میکند. هزینۀ این انرژی تلف شده با توجه به این که کابل در کدام بخش شبکه قرار گرفته، یا توسط بهره برداران خطوط توزیع برق پرداخت خواهد شد و یا بر دوش مشترکان و مصرف کنندگان برق خواهد افتاد.

فرمول محاسبه تلفات انرژی در کابل برق

حال که متوجه نقش سیم و کابل در تلفات برق شدیم، بهتر است ببینیم این تلفات توان و تلفات انرژی الکتریکی چگونه محاسبه میشوند.

به روابط ریاضی سادۀ زیر توجه بفرمایید:

فرمول تلفات توان و انرژی برق

حروف مندرج در دو فرمول بالا، شناسانندۀ مفاهیم زیر هستند:

  • P : توان الکتریکی تلف شده به صورت گرما در یک هادی از سیم یا کابل برق با واحد وات
  • R : مقاومت الکتریکی یک هادی کابل یا سیم با یکای اُهم در واحد طول
  • I : جریان برق عبوری از سیم یا کابل با واحد آمپر
  • E : انرژی الکتریکی مصرف شده که در اینجا مقصود انرژی تلف شده است؛ با یکای وات.ساعت
  • t : زمان با واحد ساعت

همان طور که گفتیم و در فرمول ملاحظه میفرمایید، تلفات توان در رسانای برق با مقاومت الکتریکی آن و مربع جریان عبوری، رابطۀ مستقیم دارد.

مقایسۀ تلفات توان در دو کابل با سایز یکسان و کیفیت ساخت متفاوت

در بخشی از مقالۀ «تولید سیم و کابل غیر استاندارد؛ اتوبانی بدون پلیس» به قلم مهندس محمدباقر پورعبدالله که در شمارۀ 66 نشریۀ داخلی صنعت سیم و کابل (سال 1396) چاپ شده بود، میخوانیم:

«اخیراً طی نمونه برداری 30 قلم از سیم و کابلهای موجود در بازار از چند واحد تولیدی که همگی دارای مجوز کاربرد علامت استاندارد بر روی محصولات خود بوده اند، مشاهده شد که همۀ این اقلام از نظر مقاومت الکتریکی مردودند. به عنوان مثال، برای سیم انعطاف پذیر 2.5 که مقاومت الکتریکی آن باید حداکثر 7.98 Ω/Km در دمای 20 درجۀ سلسیوس باشد، مقاومتی برابر با 11.376 ثبت گردید. یعنی 42% بیشتر!»

کابل 6×2 مسی مفتولی یکی از سایزهای پر کاربرد در برق رسانی به مصرف کنندگان برق تکفاز است. همین کابل را از دیدگاه تلفات توان و انرژی تحلیل خواهیم نمود.

حداکثر مقاومت الکتریکی قابل قبول در استاندارد IEC 60228 و INSO 3084 برای هادی مسی مفتولی سایز 6 میلیمتر مربع در دمای 20 C° برابر با 3.08 اُهم بر کیلومتر است. یعنی یک متر این رسانا مقاومتش 0.00308 اُهم خواهد بود.

فرض میکنیم که یک کابل 2 در 6 استاندارد، همین مقاومت جدول را در دمای 20 سلسیوس از خود نشان میدهد. طول کابل را هم 20 متر در نظر میگیریم. مقاومت دو رشتۀ این کابل که شامل فاز و نول هستند، در دمای 20 C° برابر خواهد بود با 0.1232 اُهم. اگر جریانی به مقدار 20 آمپر از این کابل عبور کند، توان تلف شده در آن مساوی 49.28 وات میشود.

حال، سراغ یک کابل غیر استاندارد میرویم. این کابلها به عللی مانند کمتر بودن سایز واقعی یا تولید شدن با مفتول غیر استاندارد و ناخالص، مقاومت الکتریکی بیشتری دارند. مطابق آن بررسیها، فرض میکنیم مقاومت الکتریکی کابل دو در شش مفتولی مسی غیر استاندارد، 40% بیشتر باشد؛ یعنی 4.31 Ω/Km. همین کابل در شرایط مشابه کابل قبلی، 68.96 وات تلفات توان خواهد داشت.

چگونه تلفات توان و انرژی را در کابل برق کاهش دهیم؟

آثار کابل برق نامرغوب

اگر کابل نامرغوب مثال با همان طول در 5 میلیون خانۀ ایرانی نصب گردد و در یک ساعت از شبانه روز، 20 آمپر از آن عبور کند، نزدیک به 345 مگاوات ساعت انرژی تلف میشود. هزینه های این اسراف برق و تلفات انرژی الکتریسیته، به اقتصاد جامعه تحمیل میگردد.

برای کاهش تلفات برق در سیم و کابل ها، توجه به دو نکتۀ زیر بسیار تأثیرگذار خواهد بود:

  1. انتخاب درست نوع و سایز کابل با توجه به محل نصب، مقدار توان مصرفی و مسافت (طول کابل)
  2. استفاده از سیم و کابلهای استاندارد واقعی و مرغوب

حاصل این دو، سیم و کابلهایی خواهند بود که عمر مفید بیشتری دارند و موجب کاهش تلفات خواهند شد. به عبارت دیگر، تأثیر کابل و سیم بر تلفات و مصرف برق بسیار کمرنگ میگردد و نقش اصلی آنها در انتقال و توزیع کم تلفات و پایدار انرژی الکتریسیته، بیشتر نمایان میشود.

روش دیگر، استفاده از کابلهای ابر رساناست. این کابلها با ساختاری که دارند (مثلاً استفاده از نیتروژن مایع)، دمای اطراف هادی را بسیار پایین نگاه میدارند. در دماهایی مثل 200- سلسیوس، عملاً مقاومت الکتریکی رسانای کابل صفر یا بسیار نزدیک به صفر خواهد بود. این یعنی تلفات توان و انرژی و افت ولتاژ در این کابلها وجود ندارد. کابلهای ابر رسانا هنوز در بخش کوچکی از خطوط انتقال برق برخی از کشورها استفاده شده اند. در نتیجه نمیتوان اثر آنها را در این مورد چندان قابل توجه دانست.

پس آنچه که مورد تأکید است و مهمترین نقش را در کاهش تلفات انرژی الکتریکی در همۀ سیم و کابلها دارد، انتخاب درست و استفاده از سیم و کابلهای واقعاً استاندارد و مطمئن است.