Πώς λειτουργεί ένα ηλεκτρικό σύστημα

Έχουν περάσει περισσότερα από 100 χρόνια από τότε που κυκλοφόρησε ο πρώτος σταθμός εναλλασσόμενου ρεύματος στους καταρράκτες του Νιαγάρα. Από τότε, οι Ηνωμένες Πολιτείες και τελικά ο κόσμος έχουν μεταμορφωθεί από το ηλεκτρικό δίκτυο. Πύργοι που φέρουν καλώδια υψηλής τάσης και πόλοι ρεύματος που διανέμουν ηλεκτρική ενέργεια σε σπίτια και επιχειρήσεις κυριαρχούν στο τοπίο σε κάθε ανεπτυγμένη χώρα. Κάθε περιοχή έχει τη δική της εταιρεία ηλεκτρισμού για τη συντήρηση και την επισκευή του δικτύου.

Κάθε σπίτι έχει το δικό του ηλεκτρικό σύστημα, ωστόσο, και όταν συμβαίνουν προβλήματα εκεί, η εταιρεία ηλεκτρισμού δεν θα τα διορθώσει. Για να ξέρουν ποιον να καλέσουν όταν προκύπτουν προβλήματα, οι ιδιοκτήτες σπιτιού πρέπει να καταλάβουν πού τελειώνει η ευθύνη της εταιρείας ηλεκτρικής ενέργειας και αρχίζει η δική τους— καθώς και η κατανόηση του τρόπου με τον οποίο η δύναμη εισέρχεται στο σπίτι και διανέμεται σε όλα τα κυκλώματα.

Ο ηλεκτρισμός είναι συναρπαστικός, αλλά ηλεκτρικά συστήματα μπορεί να είναι περίπλοκα και οι εξηγήσεις σχετικά με τον τρόπο λειτουργίας τους μπορεί να βυθιστούν σε τεχνικές λεπτομέρειες. Αυτή η περιγραφή (μέσα από τα μάτια ενός οικοδόμου, όχι ενός ηλεκτρολόγου) προσπαθεί να κρατήσει τα πράγματα όσο πιο απλά γίνεται.

Ο ρόλος του μετασχηματιστή γραμμής

Οικογενειακός πολυτεχνίτης

Παρά τις ηλιακές γεννήτριες, τα ηλεκτρικά δίκτυα στις ανεπτυγμένες χώρες τροφοδοτούνται σε μεγάλο βαθμό από ατμούς, νερό ή ανεμογεννήτριες. Αυτοί οι στρόβιλοι παράγουν εναλλασσόμενο ρεύμα (AC) — το οποίο αλλάζει κατεύθυνση 60 φορές το δευτερόλεπτο (60 Hertz ή 60 Hz.) στη Βόρεια Αμερική — και την τροφοδοτούν μέσω γραμμών μετάδοσης που υποστηρίζονται από γιγάντιους πύργους και ηλεκτρική ενέργεια πόλων.

Σκεφτείτε την τάση ως τη δύναμη που ωθεί την ηλεκτρική ενέργεια μέσω των καλωδίων. Η τάση πρέπει να είναι πολύ υψηλή (της τάξης των εκατοντάδων χιλιάδων βολτ) για να είναι δυνατή η μετάδοση σε μεγάλες αποστάσεις αποτελεσματικά και με το χαμηλότερο δυνατό κόστος. Αυτή η τάση είναι πολύ υψηλή για πρακτική χρήση, επομένως ένας μετασχηματιστής γραμμής πρέπει να μειώσει την τάση (τη μειώσει) σε μια χρησιμοποιήσιμη τιμή.

Αν κοιτάξετε έναν πόλο τροφοδοσίας, θα εντοπίσετε έναν μεγάλο μεταλλικό κύλινδρο στην κορυφή. Αυτός είναι ο μετασχηματιστής γραμμής και μειώνει την τάση στα 120/240 -volt περίπου για οικιακή χρήση. Αυτή είναι η τυπική τάση που παρέχεται σε σπίτια μιας και δύο οικογενειών στη Βόρεια Αμερική. Άλλες διαμορφώσεις τάσης χρησιμοποιούνται για εμπορικά και βιομηχανικά κτίρια.

Σε πολλές περιοχές, λέει ο κύριος ηλεκτρολόγος John Williamson, το τοπικό σύστημα διανομής κοινής ωφέλειας είναι θαμμένο υπόγειο, έτσι οι μετασχηματιστές κοινής ωφέλειας βρίσκονται στα γνωστά πράσινα κουτιά που είναι τοποθετημένα σε μαξιλαράκια που βλέπετε σε ορισμένες κατοικίες γειτονιές.

«Οι περιφερειακοί φορείς εκμετάλλευσης του δικτύου ηλεκτρικής ενέργειας εργάζονται ακούραστα και αθόρυβα όλο το εικοσιτετράωρο για να βεβαιωθούν ότι η τάση και η συχνότητα των 60 Hz του δικτύου είναι σταθερές και συνεπείς», λέει. «Αυτό είναι κάτι που όλοι θεωρούμε δεδομένο».

Από τον Μετασχηματιστή στο Μετρητή

Η τυπική πτώση της εναέριας υπηρεσίας που εκτελείται από τον μετασχηματιστή στο σπίτι μεταφέρει τρία καλώδια: δύο θερμά καλώδια και ένα ουδέτερο καλώδιο. Η μετρούμενη τάση είναι 240 βολτ από ζεστό σε ζεστό και 120 βολτ μεταξύ του ουδέτερου και κάθε θερμού καλωδίου. Βρίσκετε την ίδια βασική διαμόρφωση τριών μονωμένων καλωδίων σε υπόγειες εγκαταστάσεις.

Πρώτον, περνούν μέσα από την κεφαλή του καιρού, η οποία είναι ένα μήκος αγωγού σταθερά συνδεδεμένο με την οροφή ή με ένα άνοιγμα με λαιμό χήνας για να κρατήσει τη βροχή έξω. Στη συνέχεια, η επόμενη στάση για τα καλώδια σέρβις-εισόδου είναι ο ηλεκτρικός μετρητής, ο οποίος είναι συνήθως στερεωμένος στο πλάι του σπιτιού ακριβώς κάτω από τον καιρό. Τα καλώδια συνδέονται με τους ακροδέκτες Line του μετρητή, κάτι που επιτρέπει στον μετρητή να παρακολουθεί τη ροή του ρεύματος στο σπίτι.

Οι περισσότεροι μετρητές σήμερα είναι έξυπνοι μετρητές και αναμεταδίδουν αυτόματα αυτές τις πληροφορίες στην εταιρεία παροχής ενέργειας μέσω ασύρματων ραδιοφωνικών σημάτων. Αυτό εξαλείφει την ανάγκη για αναγνώστες βοηθητικών μετρητών να επισκέπτονται κάθε σπίτι. Ο μετρητής γυάλινης βατώρας ανήκει στην εταιρεία ηλεκτρισμού, αλλά το περίβλημα της πρίζας του μετρητή και όλα τα εξαρτήματα του ηλεκτρικού συστήματος του χώρου που ακολουθούν ανήκουν στον ιδιοκτήτη του σπιτιού.

Από τον μετρητή στον πίνακα εξυπηρέτησης

Από τους ακροδέκτες φόρτωσης, που βρίσκονται στην αντίθετη πλευρά του μετρητή από τους ακροδέκτες γραμμής, τα καλώδια εισόδου σέρβις μεταβαίνουν στη συνέχεια στον κύριο πίνακα σέρβις. Πριν φτάσουν εκεί, συνήθως πρέπει να περάσουν μέσα από έναν τοίχο. Σε αυτό το σημείο, υπάρχει συνήθως ένα κουτί διακλάδωσης ή εξάρτημα αγωγού (με αφαιρούμενο κάλυμμα) προσαρτημένο στο πλάι του σπιτιού. Θα μπορούσαν επίσης να περάσουν από έναν εξωτερικό διακόπτη αποσύνδεσης υπηρεσιών, τον οποίο απαιτεί ο Εθνικός Ηλεκτρικός Κώδικας (NEC) από το 2023, αλλά τα παλαιότερα σπίτια μπορεί να μην έχουν.

«Το NEC απαιτεί τώρα έναν εξωτερικό διακόπτη διακοπής έκτακτης ανάγκης για τους πρώτους ανταποκριτές», εξηγεί ο Williamson, «αλλά ένα εξωτερικό Η Αποσύνδεση Υπηρεσίας μπορεί να ικανοποιεί δύο κανόνες κώδικα ταυτόχρονα: χρησιμεύει τόσο ως Διακοπή έκτακτης ανάγκης όσο και ως Υπηρεσία Αποσυνδέω. Οι πρώτες ανταποκρίσεις έκτακτης ανάγκης μπορούν να χρησιμοποιήσουν τον εξωτερικό διακόπτη αποσύνδεσης για να κόψουν το ρεύμα στο σπίτι πριν εισέλθουν».

Ο κύριος πίνακας σέρβις βρίσκεται σε εσωτερικούς χώρους, συνήθως στο υπόγειο, ένα βοηθητικό δωμάτιο ή ένα γκαράζ. Τα καλώδια περνούν από τον τοίχο και εισέρχονται από το πάνω ή το κάτω μέρος του πίνακα. Κάθε καλώδιο συνδέεται με έναν κύριο διακόπτη κυκλώματος και στη συνέχεια με χάλκινες ή κράμα ράβδους διαύλου, οι οποίες είναι σχεδιασμένες να συνδυάζονται με διακόπτες κυκλώματος. ο διακόπτες κυκλώματος απλά «συνδέστε» στις μπάρες διαύλου του πίνακα.

Ο ΚΥΡΙΟΣ διακόπτης, όπως συχνά επισημαίνεται, μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί ως κύριος διακόπτης αποσύνδεσης σε σπίτια πριν από το 2023. Έχει σχεδιαστεί για να ανοίγει και να απενεργοποιείται όταν το τρέχον φορτίο υπερβαίνει την ονομαστική του τιμή. Για νέες κατασκευές, το NEC απαιτεί ελάχιστη ονομαστική ισχύ 100 αμπέρ για μια μονάδα κατοικίας, αλλά μεγαλύτερα σπίτια μπορεί να χρειάζονται σέρβις 200 αμπέρ ή περισσότερο.

Μέσα στο Πάνελ

Οικογενειακός πολυτεχνίτης

Οι δύο ράβδοι διαύλου από χαλκό ή κράμα είναι γνωστές ως "hot bus bars" και η τάση μεταξύ τους είναι 240 volt. Εκτός από αυτές, υπάρχουν δύο άλλες ράβδοι ακροδεκτών, η ουδέτερη ράβδος και η ράβδος γείωσης του εξοπλισμού.

Η ουδέτερη ράβδος ακροδεκτών

Η ουδέτερη τερματική ράβδος είναι συνήθως επινικελωμένη και έχει ασημί χρωματισμό για να τη διακρίνει από την χαλκός ζεστά μπαρ λεωφορείων. Τα λευκά ουδέτερα καλώδια για κυκλώματα διακλάδωσης 120 βολτ τερματίζουν στη ράβδο ακροδεκτών του ουδέτερου, η οποία, με τη σειρά της, συνδέεται με τον μετασχηματιστή μέσω ενός λευκού ουδέτερου καλωδίου εισόδου σέρβις. Αυτό παρέχει έναν τρόπο για την ηλεκτρική ενέργεια που προέρχεται από οποιοδήποτε ζεστό λεωφορείο να επιστρέψει στον μετασχηματιστή και να σχηματίσει ένα πλήρες κύκλωμα.

Η μπάρα γείωσης του εξοπλισμού

Τα περισσότερα πάνελ έχουν μια επιπλέον ράβδο ακροδεκτών που συνδέεται απευθείας με τη γείωση (γείωση), συχνά μέσω μιας ράβδου γείωσης που σφυροκοπείται στο έδαφος ακριβώς έξω από το σπίτι, αλλά το NEC έχει πολλές επιλογές για αυτά τα «ηλεκτρόδια γείωσης». Μπορούν να συνδεθούν με τους υπόγειους δημοτικούς μεταλλικούς σωλήνες παροχής νερού που τροφοδοτούν το σπίτι ή — σε νέα κατασκευή — με οπλισμό χάλυβα στο σκυρόδεμα του σπιτιού βάσεις.

Όλα τα καλώδια κυκλώματος διακλάδωσης στο σπίτι έχουν ένα γυμνό (ή πράσινο) καλώδιο γείωσης εξοπλισμού που συνδέεται με αυτήν τη ράβδο ακροδεκτών. Ο αγωγός γείωσης παρέχει μια άμεση διαδρομή χαμηλής αντίστασης για το ρεύμα σφάλματος γείωσης πίσω στον ηλεκτρικό πίνακα, όπου φυσά μια ασφάλεια ή ενεργοποιεί έναν διακόπτη κυκλώματος. Ο αγωγός γείωσης διατρέχει συνεχώς το κύκλωμα, συνδέοντας κάθε υποδοχή, διακόπτη φώτων και εξάρτημα και κάθε μεταλλικό ηλεκτρικό κουτί.

Αυτόματοι διακόπτες και κυκλώματα διακλάδωσης

Όλο το κύκλωμα σύρματα που τροφοδοτούν ηλεκτρικές συσκευές στο σπίτι, όπως φώτα, δοχεία και συσκευές, προέρχονται από τον κύριο πίνακα σέρβις. Αν και υπάρχουν εξαιρέσεις, τα καλώδια κυκλώματος έχουν ένα λευκό καλώδιο που συνδέεται με τη ουδέτερη ράβδο, ένα γυμνό ή πράσινο καλώδιο γείωσης που συνδέεται με τη ράβδο γείωσης και ένα ή δύο ζεστά καλώδια (μαύρο ή/και κόκκινο), ανάλογα με το αν το κύκλωμα λειτουργεί στους 120 ή 240 βολτ.

Αντί να συνδεθεί απευθείας στο hot bus, το ζεστό καλώδιο για κάθε κύκλωμα διακλάδωσης συνδέεται σε ένα κύκλωμα θραύστης που διακόπτει και διακόπτει το ρεύμα στο κύκλωμα όταν το ρεύμα υπερβαίνει την ονομαστική του τιμή. Οι μονοπολικοί διακόπτες που ελέγχουν τα κυκλώματα 120 volt έχουν συνήθως ισχύ 15 ή 20 αμπέρ και ο καθένας κουμπώνει σε μια υποδοχή που τον συνδέει αυτόματα σε μία από τις ράβδους διαύλου. Οι διπολικοί διακόπτες για κυκλώματα 240 volt πρέπει να έρχονται σε επαφή με τις δύο ράβδους διαύλου.

Όλη η καλωδίωση του πίνακα κρύβεται από μια πόρτα και — πίσω από αυτήν — ένα νεκρό μπροστινό κάλυμμα που βιδώνει στο μπροστινό μέρος του πίνακα και αφήνει εκτεθειμένους μόνο τους διακόπτες κυκλώματος. Το περίβλημα του μεταλλικού πάνελ έχει σχεδιαστεί για να περιέχει τυχόν τυχαίο τόξο ή σπινθήρες και εμποδίζει τους ανθρώπους να κολλήσουν τα χέρια και τα δάχτυλά τους εκεί που δεν ανήκουν. Οι ετικέτες ή ένα ευρετήριο πίνακα στην πόρτα ή το κάλυμμα υποδεικνύουν ποιο κύκλωμα στο σπίτι ελέγχει κάθε διακόπτης.

Ο Chris Deziel δραστηριοποιείται στο χώρο του οικοδομικού κλάδου για περισσότερα από 30 χρόνια. Βοήθησε να χτιστεί μια μικρή πόλη στην έρημο του Όρεγκον από την αρχή και βοήθησε στην ίδρυση δύο εταιρειών εξωραϊσμού. Έχει εργαστεί ως ξυλουργός, υδραυλικός και φανοποιός επίπλων. Ο Deziel γράφει άρθρα DIY από το 2010 και έχει εργαστεί ως διαδικτυακός σύμβουλος, πιο πρόσφατα με την υπηρεσία Pro Referral της Home Depot. Η δουλειά του έχει δημοσιευτεί στα Landlordology, Apartments.com και Hunker. Ο Deziel έχει επίσης δημοσιεύσει επιστημονικό περιεχόμενο και είναι μανιώδης μουσικός.