10
Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение городского округа Балашиха «Средняя общеобразовательная школа №9 имени Героя Российской Федерации А.В.Крестьянинова».
Научный проект на тему:
«Изучение электроснабжения квартиры»
Выполнил: ученик 8 «А» Макаров Д.Н.
Руководитель: учитель физики Лопатина Н.Б
Балашиха 2019г.
Цель работы:
Изучить электроснабжение в квартире.
Задачи:
1. Выяснить что такое электричество
Выяснить историю познания электричество человеком
Выяснить каким образом осуществляется электропитание многоэтажного дома
Изучить электроснабжение отдельной квартиры.
Попытаться создать прибор для экономии электроэнергии.
СОДЕРЖАНИЕ:
ИСТОРИЯ ПОЗНАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСТВА ЧЕЛОВЕКОМ.
ЭЛЕКТРОПИТАНИЕ МНОГОЭТАЖНОГО ДОМА
ОТКУДА ПОСТУПАЕТ ЭЛЕКТРИЧЕСТВО В КВАРТИРУ
ЭЛЕКТРОПРОВОДКА В КВАРТИРЕ
1.ИСТОРИЯ ПОЗНАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСТВА ЧЕЛОВЕКОМ.
Жизнь современного человека невозможно себе представить без электричества. До сих пор многие не понимают, как когда-то люди жили без электрического тока. В наших домах есть свет, вся бытовая техника, начиная от телефона и заканчивая компьютером, работает от электрического напряжения. Кто изобрёл электричество и в каком году это произошло, знают далеко не все. А между прочим, это открытие положило начало новому периоду в истории человечества.
Слово «электричество» греческого происхождения. Произошло от слова «электрон» — ЯНТАРЬ. Еще живший в 7 веке до нашей эры, древнегреческий философ Фалес (рис.1), выяснил, что если потереть янтарь о шерсть, то к камню начнут притягиваться мелкие предметы.
Только по прошествии многих лет, в 1600 году, английский физик Уильям Гилберт (рис.2) ввел термин «электричество». С этого момента ученые стали уделять ему внимание и проводить исследования в этой области.
В 1729 Стивен Грей (рис.3) доказал, что электричество можно передавать на расстоянии.
Бенджамин Франклин (рис.4) был первым, кто попробовал объяснить, что такое электричество. Он считал, что все вещества в природе имели «особую жидкость». В 1785 был открыт закон Кулона.
Большой шаг на пути к изучению электричества сделал в 1800 году итальянским физиком Алессандро Вольта (рис.5), который придумал и изобрел гальванический элемент — источник постоянного тока.
В 1831 году англичанин Майкл Фарадей (рис.6) изобрел электрический генератор, работавший на основе электромагнитной индукции.
Огромный вклад в развитие электричества внес выдающийся ученый и изобретатель Никола Тесла (рис.7). Он создал приборы, которые до сих пор используются в быту. Одна из самых известных его работ — двигатель переменного тока, на основе которого был создан генератор переменного тока. Также он проводил работы в области магнитных полей. Они позволяли использовать переменный ток в электродвигателях.
Еще одним ученым внесшим вклад в развитие электричества, был Георг Ом (рис.8), который экспериментальным путем вывел закон электрической цепи. Другим выдающимся ученым был Андре-Мари Ампер (рис.9). Он изобрел конструкцию усилителя, которая представляла собой катушку с витками.
Также важную роль в изобретении электричества сыграли: Пьер Кюри, Эрнест Резерфорд, Д. К. Максвелл, Генрих Рудольф Герц.
В 1870-х годах русский ученым Александр Николаевич Лодыгин (рис.10) изобрел лампу накаливания. Он, предварительно откачав из сосуда воздух, заставил светиться угольный стержень. Чуть позже он предложил заменить угольный стержень на вольфрамовый.
Однако запустить лампочку в массовое производство смог другой ученый — американец Томас Эдисон (рис.11). Поначалу в качестве нити в лампе он использовал обугленную стружку, полученную из китайского бамбука. Его модель получилась недорогой, качественной и могла прослужить относительно долгое время. Значительно позже Эдисон заменил нить на вольфрамовую.
Никто не знает, в каком году изобрели электричество, но начиная с XIX века оно активно вошло в жизнь человека. Поначалу это было просто освещение, затем электрический ток начали применять и для других сфер жизни (транспорта, средств передачи информации, бытовой техники).
Когда открыли электричество, между Томасом Эдисоном и Никола Теслой разгорелся спор, какой ток использовать в качестве основного, переменный или постоянный. Противостояние между учёными даже было прозвано «Войной токов». В этой борьбе победил переменный ток, так как он: легко передается на большие расстояния и не несет огромных потерь, передаваясь на расстоянии.
В повседневной жизни постоянный ток применяется довольно часто. От него работают различные бытовые приборы, генераторы и зарядные устройства. В промышленности его используют в аккумуляторах и двигателях. В некоторых странах им оснащаются линии электропередач.
Переменный ток способен меняться по направлению и величине в течение определенного промежутка времени. Он применяется чаще постоянного. В наших домах его источником служат розетки, к ним подключают различные бытовые приборы под разным напряжением. Переменный ток часто применяется в промышленности и при освещении улиц.
Сегодня без электричества трудно представить существование человечества. К тому же с ростом технологических мощностей одним из актуальных вопросов становится ‒ откуда брать электричество. Поэтому в мире строятся и работают множество различных электростанций. Не считая солнечные, все остальные производят электрический ток с помощью генераторов, а вот вращаются эти генераторы благодаря различным силам.
Принцип работы различных видов электростанций:
Гидроэлектростанция – вращение происходит за счет прохождения потока воды через турбину (лопасти);
Ветряная электростанция – вращение происходит за счет ветра, раскручивающего лопасти пропеллера;
Теплоэлектростанция – сжигается топливо, нагревая воду и превращая ее в пар. В свою очередь, пар под давлением проходит через турбину и вращает лопасти, а вращение передается генератору;
Атомная электростанция – принцип тот же, что и у тепловой, только вода нагревается не сгоранием топлива, а замедленной ядерной реакцией.
Вот откуда в наш дом приходит электричество. Правда на своем пути стремительные электроны проходят еще много различных установок, электрических станций и подстанций, где преобразовывается напряжение, распределяется мощность и др. (рис.12)
2. ЭЛЕКТРОПИТАНИЕ МНОГОЭТАЖНОГО ДОМА
Теперь рассмотрим — как электричество подводится к самому многоэтажному дому.
Наверняка многие из вас видели у себя во дворах странные кирпичные домики, всё время закрытыми на замок и в которых никто не живёт. Некоторые из вас задавались вопросом — а что там внутри. Надписи на самих домиках выглядят довольно угрожающе. Это делается специально для того, чтобы любопытные не пытались проникнуть внутрь. А нельзя им туда потому, что нахождение в таких домиках очень опасно для жизни.
Такой домик называется — «трансформаторная подстанция» (ТП). (рис.13)
И вот через неё ваша многоэтажка как раз и получает всю электроэнергию. Трансформаторные подстанции устанавливают не только во дворах, но и непосредственно возле дома. Трансформаторные подстанции для питания многоквартирного дома так же по-другому называются КТП (комплектная трансформаторная подстанция). К дому электроэнергия от ТП подводится чаще всего под землёй с помощью кабельных линий (КЛ). В некоторых случаях, особенно в частных домах, кабель от ТП может быть проложен по воздушной линии.
В трансформаторную подстанцию подается трехфазный ток напряжением 6 или 10 киловольт (кВ). В ТП обязательно есть трансформатор напряжения, который преобразует высокое напряжение 6 или 10кВ в более низкое 380В. Трансформаторная подстанция обычно располагается в непосредственной близости от дома, чтобы сократить длину кабеля, идущего от ТП к ВРУ. Трансформаторные подстанции в большинстве случаев не объединяют с ВРУ, т.к. ТП не рекомендуется устанавливать в непосредственной близости к зданиям или встраивать в здания, в которых находится много людей.
Есть ещё двухтрансформаторные подстанции. Они в своем составе имеют два трансформатора и два ввода. Второй ввод служит для подключения второй питающей линии. Это обеспечивает беспрерывную подачу электроэнергии. При выходе из строя одной линии, питание в ТП продолжает поступать со второй линии.
ОТКУДА ПОСТУПАЕТ ЭЛЕКТРИЧЕСТВО В КВАРТИРУ
Многим из вас наверняка уже приходилось иметь дело с ситуацией, когда «выбивает пробки» или срабатывают автоматы защиты, расположенные возле счётчика электрической энергии в подъезде. Но никто не задумывался — а откуда электричество приходит в подъезд? Всё правильно, об этом знают немногие, т.к. всё, что находится по ту сторону электросчётчика, закрыто в специальных помещениях и допуск в них имеет только специально обученный персонал.
Итак, представим себе обычный многоэтажный дом. На каждом этаже установлен щит, за которым находятся наши квартирные счётчики (если они не установлены в квартире). Если учесть — какую мощность потребляет одна квартира, то можете себе представить какой мощности должно быть оборудование, которое поставляет электричество в целую многоэтажку. Такое оборудование — это толстые провода с большим сечением, массивные выключатели, предохранители и все это спрятано в силовых шахтах и силовых шкафах для того, чтобы никто из посторонних случайно не попал под напряжение.
Такие шкафы установлены в домах в недоступном месте, как правило, в подвалах. Называется такой силовой шкаф — вводное распределительное устройство (ВРУ). (рис.14)
Электроэнергия, которая подведена к дому, сначала поступает в ВРУ, а затем распределяется по подъездам. В отличие от квартиры, в ВРУ поступает трехфазный ток, напряжением 380В. При этом напряжение каждой фазы составляет 220В. Нагрузка между фазами должна быть распределена примерно одинаково, поэтому к каждой фазе подключают одинаковое количество квартир. Например, к первой фазе подключают первый подъезд, ко второй — второй подъезд, к третьей — третий подъезд. Или могут подключить по-другому — к первой фазе квартиры на нижних этажах, ко второй — квартиры на средних этажах, к третьей — квартиры на верхних этажах.
На ввод ВРУ подаётся трёхфазное напряжение 380В от трансформаторной подстанции. Дальше на каждой фазе подключены предохранители (1), трансформаторы тока (это устройства необходимы для подключения счетчика) (2), счетчик для общего учета нагрузок (3). После счётчика так же устанавливаются предохранители на каждую фазу. ВРУ может содержать два ввода — основной и резервный, переключатель между вводами. Потребители могут быть распределены на группы. Например, одна группа линий — это электроприборы общедомового назначения (освещение в подъездах, лифты), другая группа линий — электроприборы в квартирах.
Вводное распределительное устройство иногда называют главным распределительным щитом.
Кабели, по которым поступает ток от ВРУ в квартиры, подводятся к электрическим щитам, расположенным на каждом этаже в подъезде. Такой щиток носит название – «групповой щит» или «щит этажный». (рис.15)
Как правило, для меньшего числа соединений, силовые кабели стараются прокладывать вдоль этажей без разрывов. Просто в том месте, где кабель проходит мимо подъездного щита, он зачищается от изоляции и к нему с помощью специальных креплений прикручиваются провода, которые идут в распределительную колодку. От распределительной колодки провода идут к выключателям, к которым, в свою очередь, подключены электрические счётчики.
Перед электрическим счётчиком должен быть обязательно установлен коммутационный аппарат или предохранитель. После счётчика подключены автоматические выключатели. От автоматических выключателей провода заводятся в квартиры.
Кабели, которые идут от ВРУ к групповым (этажным) щитам, как правило, пятижильные — 3 фазы, 1 нулевая жила и одна жила заземления. В старых домах нулевая жила выполняла роль заземления и кабель использовался четырёх-жильный, но сейчас такой вид заземления при монтаже новой электропроводки запрещён, так как использование нулевого провода в качестве заземления считается небезопасным.
4. ЭЛЕКТРОПРОВОДКА В КВАРТИРЕ
В квартире электроэнергия — наш незаменимый друг и помощник. Трудно представить себе квартиру без электричества. Мы уже так зависим от него, что отключение «света» на несколько минут вызывает дискомфорт, а отключение на несколько часов — огромные неудобства не только для людей, но и для некоторых электроприборов, например — холодильников. Отключение холодильника на несколько часов может привести к порче продуктов. Исходя из этого можно сделать вывод, что электропроводка, в первую очередь в квартире, должна быть надежной и качественной. Кроме этого, она должна быть безопасной для людей.
Итак, рассмотрим простейшую схему электропроводки в квартире. (рис.16)
В квартиру приходит электричество напряжением 220 вольт (В). Откуда – рассмотрим позже. Обратите внимание, что такое электричество опасно для жизни и прикасаться к оголённым проводам нельзя ни в коем случае!
На схеме показаны: Счётчик электрической энергии, автоматические выключатели («автоматы»), а также лампочки, выключатели и розетки.
По показаниям счётчика организация, которая предоставляет электричество, выставляет нам счёт за количество использованной электроэнергии за месяц.
Автоматический выключатель («автомат») автоматически выключает подачу электроэнергии в квартиру в случае короткого замыкания или перегрузке. Короткое замыкание возникает, когда провод «фазы» и провод «нуля» соприкасаются между собой. В этом случае сила тока становится огромной, что может привести к расплавлению элементов электропроводки и пожару. Чтобы это предотвратить, автоматический выключатель прекращает подачу электроэнергии при коротком замыкании.
Вторая его функция автомата — это защита от перегрузки. Дело в том, что элементы электропроводки рассчитаны на определенную мощность нагрузки. Если она выше, то так же может произойти их повреждение или даже пожар. Когда в квартире потребляемая мощность превышает допустимую норму срабатывает автоматический выключатель и размыкает цепь.
Дальше после автоматов провода прокладываются по квартире и распределяются на светильники, розетки и другие электроприборы (электроплиту, стиральную машину и т.д.).
На практике провода в квартире делятся на группы линий (рис.17)
К примеру, первая группа линий питает кухню, вторая группа линий ванную комнату, остальные гостиную, коридор и т.д.
Разделение на группы линий удобно по многим причинам. Во-первых — это сужает круг поиска неисправности при повреждении электропроводки.
Во-вторых — при повреждении одной группы линий, вторая группа линий остается в работе и это позволяет временно переключить электроприборы на исправную группу линий, чтобы совсем не оставаться без электричества.
В соответствии с вышесказанным, каждая группа линий подключена к электрическому счётчику через свой автоматический выключатель. На схеме мы обозначили провода одной линией, но на самом деле провода состоят из нескольких жил. Жила — это металлические провода, обёрнутые в ток непроводящую оболочку.
Как минимум, провод должен содержать две жилы, т.к. электрический ток всегда идёт по двум проводам.
Чаще всего в квартире электроприборы питаются однофазным переменным током напряжением 220В. Однофазный — значит в квартиру заходит одна фаза переменного тока. Пока нам важно понять, что ток идет по двум жилам или двум проводам.
Первая жила при этом называется — «фаза», вторая — «ноль». Провод фазы отличается от нулевого провода тем, провод «фаза» считается активным, а провод «ноль» — пассивным. На проводе «фаза» всегда есть потенциал электричества, а на проводе «ноль» его, как правило, нет. Поэтому для разрыва цепи отключать рекомендуется в первую очередь «фазу».
К проводу «фаза» прикасаться опасно, т.к. человеческое тело — это проводник электрического тока. Если, к примеру, человек одной рукой прикоснется к фазе, а второй рукой — к батарее отопления, то его может «ударить» током, т.к. электрический потенциал, может уйти через человеческое тело, через батарею в землю.
Такую же опасность представляют собой электроприборы, имеющие металлический корпус. Если случайно или по причине неисправности внутри такого прибора фаза соприкоснется с корпусом, то корпус электроприбора фактически сам становится «фазой». Если человек, к примеру, рукой прикоснется к корпусу электроприбора, а ногой или рукой к батарее отопления или металлической ванне, то через его тело может пройти электрический ток и последствия могут быть разные.
Чтобы этого не случилось, используется третий провод — провод заземления. Раньше в старых квартирах и домах проводка выполнялась двужильным проводом. Но в настоящее время для подключения розеток применяется ещё и провод заземления. Этот провод подключается к металлическому корпусу электроприбора и если фаза попадёт на корпус, то электрический ток уйдет через провод заземления в землю. Если человек прикоснется в этом случае к корпусу электроприбора, то ток через его тело идти не будет.
Количество групп линий может быть больше двух. Например, в квартире с электрической плитой, плита подключается по третьей группе линий, которая подключена к электрическому счётчику по более мощному кабелю через более мощный автоматический выключатель. Таким же образом, по отдельной линии подключают стиральную машину, т.к. она является потребителем высокой мощности.
Провода вдоль стен прокладываются двумя способами. Первый способ — под штукатуркой. Такая проводка называется «скрытой». Так же провода могут прокладываться над штукатуркой. Такая проводка называется «открытой». В этом случае её визуально видно на стенах. Ещё можно отметить то, что провода в местах разветвлений соединятся не скрутками и не паяльником, а с помощью распределительных колодок, которые при скрытой проводке, так же, как и кабель, углубляются в стену. В некоторых помещениях вы можете увидеть такие колодки на стенах, углубленные внутрь, но снаружи остается крышка колодки. Такие крышки иногда специально не замазывают штукатуркой или обоями, чтобы при поиске неисправности иметь доступ к местам соединений проводов.
Постоянно растущие цены на электричество породили большое количество «чудо-приборов», обещающих уменьшение расхода энергии чуть ли не вдвое. Их действие основывается на преобразовании в активную реактивной энергии. Однако, схема таких приборов настолько проста, что практически любой не чуждый технике человек способен сделать экономитель электроэнергии своими руками.
Начало формы
Конец формы
Самодельное устройство для экономии электроэнергии, принцип действия
Основополагающим принципом является то, что любая электрическая мощность состоит из реактивной и активной энергии. Активная полезна в быту, она приводит в действие все механизмы. Реактивная же, наоборот, бесполезна и даже снижает эффективность энергосистемы. Приборы учета (механические и электрические счетчики) определяют только количество использованной активной энергии, за которую платят бытовые потребители.
В быту источники реактивной энергии – это обычные механизмы с электродвигателями (кухонный комбайн, фен, пылесос, холодильник, дрель). С другой стороны, есть устройства, которым нужен постоянный ток (телевизоры и компьютерные мониторы). Поэтому стали разрабатывать приспособление для экономии электроэнергии, схема которого позволила бы уменьшить потребление электричества путем преобразования в активную реактивной энергии.
Теоретическое обоснование и принципиальная схема самодельного экономителя
Суть экономии состоит в том, что нагрузка питается не от сети с переменным током, а от подключенного конденсатора, заряд коего производится импульсами высокой частоты, при этом соответствуя синусоиде напряжения в сети. Электросчетчики комплектуются входным индукционным преобразователем с низкой чувствительностью к высокочастотным токам. По причине этого импульсное энергопотребление счетчиком учитывается со значительной отрицательной погрешностью.
Для создания прибора необходимы такие детали:
микросхема (К155 ЛАЗ),
стабилитрон (D2 -КС156А),
диоды (D1 — Д226Б; Вr2 — Д242Б; Br1 — Д232А),
транзисторы (ТЗ — КТ315, Т2 — КТ815В,Т1 — КТ848А),
высокочастотные конденсаторы (С2, СЗ — 0.1 мкФ, С1- 1мкФ х 400В),
электролитические конденсаторы (С5 — 1000 мкФ х 16В, С4 — 1000 мкФ х 50Б),
маломощный трансформатор 220/36 В,
резисторы (RЗ — 56 Ом; R1, R2 — 27 кОм; R5 -22 кОм; R4 — 3 кОм; R6 — 10 Ом; R7, R9 — 560 Ом; R8 — 1.5 кОм).
Сборка проводится согласно схемы 1. Транзисторы устанавливаются с использованием изолирующих прокладок на радиатор 150 кв.см. Обязательно применять плавкие предохранители. Собранный блок питания низковольтный должен давать на выходе 36 В ток 2 А и 5 В для питания генератора, который формирует импульсы ориентировочной частотой 2 кГц и с амплитудой 5 В. Во время сборки схемы нужно проверять режим работы при помощи осциллографа. После этого подключается конденсатор.
Собранное устройство рассчитывалось на нагрузку 1 кВт. Рекомендуется нагружать прибор по номиналу или отключать при снятии нагрузки, поскольку ненагруженное устройство потребляет значительную мощность, которая счетчиком учитывается.
Устройство рассчитано на питание переменным током бытовых потребителей. Мощность – 1 кВт/ч, напряжение – 220 В. Собранное устройство подключается к розетке и питает нагрузку, при этом заземление не требуется. По расчетам, при подключении такого самодельного экономителя счетчик учитывает лишь 25% потребленного электричества.
Разработана также схема 2, позволяющая питать потребителей, работающих как на постоянном, так и на переменном токе (камины, электроплиты, освещение, водонагреватели). Главным предостережением является отсутствие в таких приборах элементов, которые рассчитаны на переменный ток (трансформаторы, электродвигатели).
Приборы для экономии электроэнергии своими руками, отзывы специалистов
Специалисты обращают внимание на то, что попытка применить в домашних условиях принцип действия промышленных конденсаторных установок, накапливающих реактивную энергию, обречена на неудачу. Компенсаторы для реактивной мощности промышленные – это достаточно громоздкие устройства, рассчитанные изначально на определенную нагрузку и учитывающие целый ряд дополнительных параметров. Кроме того, в большинстве мощных домашних устройств конструктивно уже заложены достаточные по мощности улавливатели-конденсаторы реактивной энергии.
Большое количество комментаторов и специалистов указывают на то, что такого рода устройства, даже собранные сознанием дела и качественно, способны обманывать только счетчики старого индукционного типа. Электронные приборы учета энергии довольно капризные устройства и часто не выдерживают такого обхождения с собой, в них сгорают микросхемы. Это ведет к необходимости замены прибора и неприятной беседе со специалистами энергосбыта, что чревато штрафом со многими нулями.
Выводы
Работая над данным исследовательским проектом, ознакомился с понятием «электричество» и историей познания электричества человеком, с видами электростанций и их работой. Изучил электропитание многоэтажного дома и отдельной квартиры. Понял, чтобы смонтировать электропроводку своего дома, необходимы специальные знания в области электротехники. Не имея этих знаний, нельзя самостоятельно приступать к электротехническим работам.
\
ЛИТЕРАТУРА:
1. http://interneturok.ru/ — Сайт «Интернет уроки», уроки физики по теме «Электричество».
2. http://www.online-electric.ru – Сайт «Онлайн электрик».
3. http://electric-tolk.ru – Он-лайн журнал «Толковый электрик».
4. http://kiev-elektro.ru/category/shemu — полезные статьи по электричеству.
5. Я.Перельман «Физика на каждом шагу», Москва Издательство АСТ,2015г.
