استكشاف أسباب حدوث قطع الجهد المنخفض (LVC) غير المقصود في أنظمة نقل التيار المستمر على المسافات الطويلة

مقدمة إلى التحديات المرتبطة بنقل التيار المستمر

في تطبيقات الطاقة التجارية عن بُعد، مثل أبراج الاتصالات خارج الشبكة، ومحطات مراقبة النفط والغاز، وأنظمة الري الزراعي، والمضخات العميقة، فإن التخطيط المادي للنظام الكهربائي يتأثر عادةً بالعوامل الجغرافية. وفي كثير من الأحيان، يجب تركيب نظام تخزين الطاقة (مجموعة البطاريات) على مسافة كبيرة من المحول أو من الأحمال النشطة للتيار المستمر.

في هذه الترتيبات الطويلة المدى للتيار المستمر (DC)، يواجه مُدمِّجو الأنظمة غالبًا عقبة محustrating في استكشاف الأخطاء وإصلاحها: حيث يُطفَأ العاكس فجأةً، ويعطي تقريرًا عن خطأ 'انقطاع الجهد المنخفض' (LVC) أو 'انخفاض جهد البطارية'. ويحدث هذا الإطفاء حتى عندما تكون مجموعة البطاريات نفسها مشحونة بالكامل وتعمل عند مستوى جهدٍ سليم. وتُعرف هذه الظاهرة باسم التشغيل غير الضروري للمقاطعات.

تقدم هذه المقالة تحليلًا تقنيًّا لأسباب حدوث التشغيل غير الضروري للمقاطعات الناتجة عن انقطاع الجهد المنخفض (LVC) في ترتيبات نقل التيار المستمر على المسافات الطويلة، وتوضح حلول الهندسة المحددة اللازمة لمعالجتها.

السؤال: لماذا يحدث التشغيل غير الضروري للمقاطعات الناتجة عن انقطاع الجهد المنخفض (LVC) في تركيبات التيار المستمر على المسافات الطويلة، وكيف يمكن للمهندسين معالجته؟

يحدث انقطاع غير مقصود لدائرة التحكم المنخفضة الجهد (LVC) بسبب المقاومة الكهربائية الأصلية في كابلات الطاقة المستمرة الطويلة. وعند سحب تيار عالٍ أثناء بدء تشغيل العاكس أو عند تحميله بشدة، تؤدي هذه المقاومة إلى هبوط كبير في الجهد على طول الكابل وفقًا لقانون أوم. ونتيجةً لذلك، ينخفض الجهد المقاس عند طرفي دخل العاكس دون عتبة التحكم المنخفضة الجهد (LVC)، رغم أن بنك البطاريات لا يزال مشحونًا. ولحل هذه المشكلة، يجب على المهندسين حساب مقاومة كابلات التيار المستمر وتقليلها قدر الإمكان، أو رفع جهد النظام، أو معايرة معلمتي تأخير وعتبة التحكم المنخفضة الجهد (LVC) الخاصة بالعاكس، أو استخدام خطوط استشعار الجهد عن بُعد.

الفيزياء الكامنة وراء هبوط جهد التيار المستمر ومقاومة الكابلات

وخلافًا لنقل التيار المتناوب، الذي يمكن فيه التخفيف من هبوط الجهد بسهولة باستخدام المحولات، فإن نقل التيار المستمر شديد الحساسية تجاه طول الكابل وسماكة مقطعه العرضي. فكل موصل كهربائي، حتى النحاس عالي النقاء، يمتلك مقاومة محددة (ρ).

وفقًا لقانون أوم، فإن انخفاض الجهد (V_drop) عبر زوج من الموصلات يتناسب طرديًّا مع التيار (I) المار في الدائرة ومع مقاومة السلك الكلية للمسار ذهابًا وإيابًا (R):

V_drop = I R

تُحسب مقاومة السلك بالمعادلة التالية:

R = rho ( 2 L ) / A

حيث:

• rho هي المقاومة النوعية للمادة (وللنحاس، تكون rho تقريبًا 1.72 × 10^-8 أوم·متر).
• L هي المسافة الأحادية الاتجاه بين البطارية والمحول.
• A هي المساحة المقطعية للسلك.
• المعامل 2 يأخذ بعين الاعتبار المسافة الكلية للمسار ذهابًا وإيابًا (الموصل الموجب والموصل السالب).

في نظام تيار مستمر منخفض الجهد، يكون التيار مرتفعًا جدًّا. فعلى سبيل المثال، يسحب محول يعمل على جهد 12 فولت وبقدرة 2 كيلوواط عند الحمل الكامل تيارًا قدره حوالي 166 أمبير. وقد يرتفع هذا التيار أثناء قمة تيار بدء تشغيل المحرك إلى 400 أمبير أو أكثر.

إذا كان العاكس يقع على بُعد ١٠ أمتار (٣٣ قدمًا) فقط عن بنك البطاريات، وتم توصيله باستخدام سلك نحاسي قياسي مقاس ٢ AWG (ما يعادل تقريبًا ٣٣,٦ ملم²)، فإن مقاومة الكابل في المسار ذي الاتجاهين البالغ طوله ٢٠ مترًا تبلغ حوالي ٠,٠١٠ أوم.

عند سحب تيار مستمر بمقدار ١٦٦ أمبير، يكون انخفاض الجهد كالتالي:

V_drop = ١٦٦ أ × ٠,٠١٠ أوم = ١,٦٦ فولت

إذا كانت حالة بنك البطاريات جيدة وقيمة جهده ١٢,٦ فولت، فإن الجهد الواصل إلى طرفي الدخل المستمر للعاكس يكون فقط:

١٢,٦ فولت - ١,٦٦ فولت = ١٠,٩٤ فولت

وهذا قريبٌ من عتبة الجهد الأدنى المعيارية البالغة ١٠,٥ فولت. ومع ذلك، إذا بدأ المحرك وارتفع التيار فجأةً إلى ٣٥٠ أمبير، فإن انخفاض الجهد يزداد فورًا ليصل إلى:

V_drop_surge = ٣٥٠ أ × ٠,٠١٠ أوم = ٣,٥٠ فولت

ويصبح الجهد عند طرفي العاكس:

١٢,٦ فولت - ٣,٥٠ فولت = ٩,١٠ فولت

بما أن الجهد 9.10 فولت أقل بكثير من حد جهد انخفاض الجهد المسموح (LVC) البالغ 10.5 فولت، فإن دائرة الحماية الخاصة بالعاكس تُفعَّل فورًا وتؤدي إلى قطع التيار بسبب انخفاض الجهد، مما يؤدي إلى إيقاف الإخراج التيار المتناوب (AC). وعند لحظة إيقاف العاكس، ينخفض استهلاك التيار إلى الصفر، ويختفي انخفاض الجهد، فيعود جهد أطراف العاكس تلقائيًّا إلى 12.6 فولت. ومن منظور الفني، يبدو أن مجموعة البطاريات مشحونة بالكامل، ويبدو أن الإيقاف عطلٌ ميكانيكي. وهذه هي تعريف ظاهرة تشغيل حماية انخفاض الجهد (LVC) بشكل غير مرغوب.

عملية التشخيص خطوة بخطوة لاستكشاف الأعطال

لتشخيص وإثبات أن تشغيل حماية انخفاض الجهد (LVC) ناتج عن مقاومة الكابلات وليس عن عطل في البطارية أو العاكس، اتبع إجراء القياس التالي:

• الخطوة 1: قياس جهد البطارية في حالة السكون

باستخدام جهاز قياس رقمي متعدد الوظائف (DMM)، قِس الجهد المستمر (DC) مباشرةً عبر أطراف مجموعة البطاريات في ظل ظروف عدم التحميل. سجِّل هذه القيمة (مثل: 51.2 فولت لنظام 48 فولت).

• الخطوة 2: قياس جهد العاكس في حالة السكون

قسّم الجهد مباشرةً عند وحدات الطرفية لتيار التيار المستمر (DC) الخاصة بالمحول. وفي حالة عدم وجود حمل، يجب أن تكون القراءتان متطابقتين.

• الخطوة 3: قياس الجهد تحت الحمل الفعّال

شغّل أثقل حمل في النظام. وعندما يكون الحمل شاغلاً (أو يحاول التشغيل)، قِس الجهد عند طرفي بنك البطاريات ثم قِس فوراً الجهد عند وحدات الطرفية الخاصة بالمحول.

• الخطوة 4: تحليل الفرق

إذا بقي جهد بنك البطاريات مرتفعاً (مثلاً: انخفض من ٥١,٢ فولت إلى ٤٩,٨ فولت) بينما انخفض جهد طرفي المحول بشكل كبير (مثلاً: انخفض من ٥١,٢ فولت إلى ٤١,٥ فولت)، فهذا يؤكد وجود مشكلة في مقاومة الكابلات. والفرق (٨,٣ فولت) هو هبوط الجهد عبر كابلات التيار المستمر.

الحلول الهندسية لإزالة قطع الجهد المنخفض (LVC) غير المبرَّر

وبعد التأكيد، ينبغي لمُجمِّعي الأنظمة تطبيق واحدة أو أكثر من التقنيات التصحيحية التالية:

• ١. زيادـة الجهد الاسمي للنظام

إن أكثر الطرق فعاليةً للحد من التيار (وبالتالي انخفاض الجهد) هي تصميم النظام بجهد تيار مستمر اسمي أعلى. فالطاقة (بالواط) تساوي حاصل ضرب الجهد في التيار (P = V × I). فإذا زاد الجهد الاسمي من ١٢ فولت إلى ٤٨ فولت، فإن التيار المطلوب لتوصيل نفس الحمل البالغ ٢ كيلوواط ينخفض بنسبة ٧٥٪ (من ١٦٦ أمبير إلى ٤١,٥ أمبير فقط). ووفقًا لقانون أوم، فإن خفض التيار بأربع مرات يقلل انخفاض الجهد بنسبة ٧٥٪. ولذلك، يُفضَّل عند الإمكان اختيار هياكل تيار مستمر بجهد ٤٨ فولت للمسافات الطويلة.

• ٢. زيادة مقاس موصل التيار المستمر

إذا كان لا يمكن تغيير جهد النظام، فيجب عليك خفض مقاومة السلك عن طريق زيادة مساحته العرضية (A). لذا، قم بترقية الكابلات إلى مقاسات نحاسية سميكة مثل مقاس ٤\/٠ AWG (٩٥ ملم²) أو استخدم عدة كابلات متوازية لكل قطب. وتأكد من أن الموصلات مصنوعة من نحاس عالي الجودة، ذي خيوط دقيقة وخالٍ من الأكسجين، إذ يوفِّر أقل مقاومة كهربائية عملية.

• ٣. ضبط إعدادات معلَّمة الجهد المنخفض للعاكس

محولات أداء عالي، مثل سلسلة JYINS القابلة للبرمجة، تتيح للمهندسين تخصيص إعدادات قطع الجهد المنخفض (LVC) عبر برنامج التحكم الرقمي. ويمكن ضبط معاملين اثنين:

• خفض عتبة قطع الجهد المنخفض (LVC): يمكن خفض جهد القطع قليلًا (مثلًا من 10.5 فولت إلى 10.0 فولت) إذا كانت كيمياء البطارية الخاصة بك تسمح بتحمل الانخفاض المؤقت في الجهد دون أن تتعرض للضرر.
• إضافة مؤقِّت تأخير لقطع الجهد المنخفض (LVC): تتميز معظم وحدات JYINS بميزة التأخير القابلة للبرمجة (مثلًا من ٠ إلى ١٠ ثوانٍ). وبتعيين تأخير مقداره ٣ ثوانٍ، سيتجاهل المحول الانخفاضات القصيرة في الجهد الناتجة عن قمم التيارات عند بدء تشغيل المحرك، ما يسمح للمحرك بالبدء واستعادة الجهد قبل أن يُفعَّل دائرة الحماية.
• ٤. تنفيذ استشعار الجهد عن بُعد

يمكن للأنظمة الصناعية المتقدمة الاستفادة من استشعار الجهد عن بُعد. ويتم توصيل زوج من الأسلاك الرقيقة ذات التيار المنخفض مباشرةً من طرفي البطارية إلى لوحة تحكم العاكس. ويستخدم العاكس هذه الأسلاك المخصصة للاستشعار لقياس حالة شحن البطارية الفعلية، مع تجاوز خطوط الطاقة عالية التيار. وسوف ينفذ العاكس إيقاف التشغيل بسبب انخفاض الجهد (LVC) فقط إذا انخفض جهد البطارية الفعلي، متجاهلاً تماماً انخفاض جهد الكابل.

الخاتمة

يُعَدّ انقطاع الجهد المنخفض (LVC) غير المقصود في أنظمة التيار المستمر لمسافات طويلة مشكلة كلاسيكية في هندسة الكهرباء ناتجة عن مقاومة الكابلات وطلب التيار العالي. ويمكن لمُدمِجي الأنظمة، باستخدام قانون أوم، حساب الانخفاض الدقيق في الجهد وتحديد مقاسات الموصلات النحاسية وفقًا لذلك. وباستبدال النظام بجهد اسمي أعلى (مثل 48 فولت)، وزيادة مقاس الكابلات إلى مقاسات ثقيلة، واستخدام تأخيرات LVC القابلة للبرمجة ومدخلات الاستشعار عن بُعد من شركة JYINS، يمكن القضاء على حالات الإيقاف غير المقصودة. وتضمن هذه الخطوات توفير طاقة مستقرة ومستمرة للبنية التحتية الحرجة خارج الشبكة، بغض النظر عن القيود المفروضة من تخطيط الموقع الفعلي.