Отстраняване на причините за неоснователно задействане на функцията 'отрязване при ниско напрежение' (LVC) в системи за дългосрочно предаване на постоянен ток

Въведение в предизвикателствата при предаване на постоянен ток

В отдалечени B2B енергийни приложения, като например автономни телекомуникационни кули, станции за мониторинг на нефт и газ, системи за напояване в селското стопанство и дълбоки кладенци с помпи, физическото разположение на електрическата система често е ограничено от географските условия. Често енергийната акумулаторна система (акумулаторната батерия) трябва да се намира на значително разстояние от инвертора или от активните постояннотокови товари.

В тези далечни DC конфигурации системните интегратори често се изправят пред досадно препятствие при диагностика: инверторът неочаквано се изключва, като съобщава за грешка „Отрязване при ниско напрежение“ (LVC) или „Ниско напрежение на батерията“. Това изключване се случва дори когато самата батерийна банка е напълно заредена и работи при здраво ниво на напрежение. Този феномен е известен като лъжливо задействане.

Тази статия представя технически анализ на причините за лъжливото задействане на LVC в конфигурациите за далечно предаване на постоянен ток и излага конкретни инженерни решения за отстраняването му.

Въпрос: Защо възниква лъжливо задействане на отрязване при ниско напрежение (LVC) в инсталациите с далечно предаване на постоянен ток и как инженерите могат да го отстранят?

Нежеланото задействане на LVC се дължи на естественото електрическо съпротивление на дългите постоянни токови захранващи кабели. Когато инверторите стартират или при тежки натоварвания се изтегля висок ток, това съпротивление предизвиква значително падане на напрежението по цялата дължина на кабела, според закона на Ом. В резултат на това напрежението, измерено на входните терминали на инвертора, пада под прага на LVC, въпреки че батерийната банка остава заредена. За отстраняване на този проблем инженерите трябва да изчислят и минимизират съпротивлението на постояннотоковите кабели, да модернизират системното напрежение, да калибрират параметрите за забавяне и праг на LVC на инвертора или да използват линии за дистанционно измерване на напрежението.

Физиката на падането на постояннотоковото напрежение и кабелното съпротивление

За разлика от променливотоковата трансмисия, при която трансформаторното стъпенуване лесно компенсира падането на напрежението, постояннотоковата трансмисия е изключително чувствителна към дължината и напречното сечение на кабелите. Всеки електрически проводник, дори мед с висока чистота, има определено специфично съпротивление (ро).

Според закона на Ом падът на напрежението (V_drop) върху двойка проводници е директно пропорционален на тока (I), протичащ през веригата, и на общото съпротивление на цялата верига (R) на жицата:

V_drop = I R

Съпротивлението на жицата се определя от формулата:

R = rho ( 2 L ) / A

Където:

• rho е удълженото специфично съпротивление на материала (за мед rho е приблизително 1,72 × 10^-8 ом-метра).
• L е разстоянието в една посока между батерията и инвертора.
• A е напречното сечение на жицата.
• Множителят 2 отчита цялото разстояние на двупосочната верига (положителен и отрицателен проводник).

В нисковолтовата постоянна ток система токът е изключително висок. Например инвертор с напрежение 12 V и мощност 2 kW при пълна товарна мощност ще изтегли приблизително 166 ампера ток. При силни върхове на тока по време на стартиране на двигател този ток може да достигне 400 А или повече.

Ако инверторът е разположен само на 10 метра (33 фута) от батерийната банка и е свързан с обикновен меден кабел с напречно сечение 2 AWG (около 33,6 кв. мм), общото съпротивление на 20-метровия кабелен участък е приблизително 0,010 ома.

При непрекъснат ток от 166 А падът на напрежението е:

V_drop = 166 А × 0,010 ома = 1,66 V

Ако батерийната банка има здраво напрежение от 12,6 V, напрежението, достигнало до постояннотоковите входни терминали на инвертора, е само:

12,6 V – 1,66 V = 10,94 V

Това е близо до стандартния праг за ниско напрежение (LVC) от 10,5 V. В случай че стартира двигател и токът нарасне до 350 А, падът на напрежението моментално се увеличава до:

V_drop_surge = 350 А × 0,010 ома = 3,50 V

Напрежението на терминалите на инвертора спада до:

12,6 V – 3,50 V = 9,10 V

Тъй като 9,10 V е значително по-ниско от границата за ниско напрежение (LVC) от 10,5 V, защитната верига на инвертора незабавно активира изключване при ниско напрежение, което спира изхода на променлив ток (AC). В момента, в който инверторът се изключи, токът, който се отнема, пада до нула, падът на напрежението изчезва и напрежението на терминалите на инвертора се връща обратно на 12,6 V. За техника батерийният блок изглежда пълен, а изключването изглежда като хардуерна неизправност. Това е определението на досадно изключване поради LVC.

Поетапен диагностичен процес за установяване на причината

За да диагностицирате и потвърдите, че изключването поради LVC се дължи на съпротивлението на кабелите, а не на повредена батерия или инвертор, следвайте тази процедура за измерване:

• Стъпка 1: Измерване на статичното напрежение на батерията

Използвайки цифров мултиметър, измерете постоянното напрежение (DC) директно между терминалите на батерийния блок при липса на натоварване. Запишете тази стойност (напр. 51,2 V за система 48 V).

• Стъпка 2: Измерване на статичното напрежение на инвертора

Измерете напрежението директно в клемите за DC вход на инвертора. При липса на натоварване двете показания трябва да са идентични.

• Стъпка 3: Измерване на напрежението при активно натоварване

Включете най-тежкото натоварване в системата. Докато натоварването работи (или се опитва да стартира), измерете напрежението на клемите на батерийния блок, а след това незабавно измерете напрежението на клемите на инвертора.

• Стъпка 4: Анализ на разликата

Ако напрежението на батерийния блок остава високо (напр. спада от 51,2 V до 49,8 V), но напрежението на клемите на инвертора рязко намалява (напр. спада от 51,2 V до 41,5 V), вие сте потвърдили проблем със съпротивлението на кабелите. Разликата (8,3 V) е падът на напрежението върху DC кабелите.

Инженерни решения за елиминиране на неправилното изключване поради ниско напрежение (LVC)

След потвърждение системните интегратори трябва да приложат едно или повече от следните коригиращи методи:

• 1. Увеличаване на номиналното напрежение на системата

Най-ефективният начин за намаляване на тока (и съответно на падането на напрежение) е проектирането на системата при по-високо номинално постоянно напрежение (DC). Мощността (във ватове) е произведението на напрежението и тока (P = V × I). Ако номиналното напрежение се увеличи от 12 V до 48 V, токът, необходим за доставяне на същата товарна мощност от 2 kW, намалява с 75 % (от 166 A до само 41,5 A). Според закона на Ом намаляването на тока четирикратно води до 75 % намаляване на падането на напрежение. Когато е възможно, избирайте архитектури с 48 V DC за дълги разстояния.

• 2. Увеличете калибъра на постояннотоковия проводник

Ако напрежението на системата не може да бъде променено, трябва да се намали съпротивлението на кабела чрез увеличаване на неговата напречна площ (A). Подобрете кабелите до по-дебели медни калибри, като например 4/0 AWG (95 кв. мм), или използвайте няколко успоредни кабела за всеки полюс. Уверете се, че проводниците са от висококачествен финозърнест безкислороден мед, който осигурява най-ниското практически възможно електрическо съпротивление.

• 3. Настройте параметрите на LVC на инвертора

Инвертори с висока производителност, като програмируемата серия JYINS, позволяват на инженерите да персонализират настройките за LVC чрез цифровото контролно софтуерно решение. Могат да се коригират два параметъра:

• Намаляване на прага за LVC: Можете леко да намалите напрежението за прекъсване (например от 10,5 V на 10,0 V), ако химическият състав на вашата батерия може безопасно да поеме кратковременното спадане, без да бъде повредена.
• Добавяне на таймер за забавяне на LVC: Повечето устройства JYINS разполагат с програмирано забавяне (например от 0 до 10 секунди). При задаване на забавяне от 3 секунди инверторът ще игнорира краткотрайните спадове в напрежението, предизвикани от пусковите върхове на двигателя, което позволява на двигателя да стартира и напрежението да се възстанови, преди да се активира защитната верига.
• 4. Прилагане на дистанционно измерване на напрежението

Напредналите индустриални системи могат да използват дистанционно измерване на напрежението. Двойка тънки жици с нисък ток се прокарват директно от клемите на батерията до контролния модул на инвертора. Инверторът използва тези специални сензорни жици, за да измери истинското състояние на зареждане на батерията, заобикаляйки силовите кабели с висок ток. Инверторът ще изпълни изключване при ниско напрежение на батерията (LVC) само ако истинското напрежение на батерията спадне, напълно игнорирайки падането на напрежението по кабелите.

Заключение

Често срещаната проблемна активация на функцията за отрязване при ниско напрежение (LVC) в далечни постоянен ток (DC) инсталации е класически проблем от областта на електротехниката, предизвикан от съпротивлението на кабелите и високата токова консумация. Като приложат закона на Ом, системните интегратори могат да изчислят точно падането на напрежението и да подберат медни проводници с подходящо сечение. Превключването към по-високо номинално напрежение на системата (например 48 V), увеличаването на сечението на кабелите до тежки типове и използването на програмируемите забавяния за LVC и входовете за дистанционно измерване на JYINS ще елиминират нежеланите изключвания. Тези стъпки гарантират стабилно и непрекъснато захранване на критичната инфраструктура извън мрежата, независимо от ограниченията, наложени от физическото разположение на обекта.