Řešení potíží s rušivým vypnutím kvůli ‚nízkému napětí‘ (LVC) v DC přenosových systémech na dlouhé vzdálenosti

Úvod do výzev přenosu stejnosměrného proudu

V odlehlých B2B energetických aplikacích, jako jsou například mimo síť umístěné telekomunikační věže, monitorovací stanice pro těžbu ropy a zemního plynu, zavlažovací systémy v zemědělství nebo čerpadla pro hluboké studny, je fyzické uspořádání elektrického systému často omezeno geografickými podmínkami. Často musí být systém akumulace energie (bateriová banka) umístěn výrazně daleko od invertoru nebo aktivních stejnosměrných zátěží.

V těchto dálkových stejnosměrných (DC) zařízeních se systémoví integrátoři často potýkají s frustrujícím problémem při odstraňování závad: střídač se neočekávaně vypne a hlásí chybu „Vypnutí při nízkém napětí“ (LVC) nebo „Napětí baterie pod mezní hodnotou“. Toto vypnutí nastane i v případě, že samotná bateriová banka je plně nabita a funguje při zdravé úrovni napětí. Tento jev je znám jako nežádoucí vypnutí.

Tento článek poskytuje technickou analýzu příčin nežádoucího vypnutí při nízkém napětí (LVC) v uspořádáních dálkového stejnosměrného přenosu a popisuje konkrétní inženýrská řešení pro jeho odstranění.

Otázka: Proč dochází k nežádoucímu vypnutí při nízkém napětí (LVC) v dálkových stejnosměrných instalacích a jak mohou inženýři tento problém vyřešit?

Nepříjemné vypínání z důvodu nízkého napětí (LVC) vzniká, protože dlouhé stejnosměrné napájecí kabely mají vlastní elektrický odpor. Při startování invertoru nebo při vysokém zatížení dochází k odběru velkého proudu, což podle Ohmova zákona způsobuje významný úbytek napětí podél kabelu. V důsledku toho klesne napětí naměřené na vstupních svorkách invertoru pod prahovou hodnotu LVC, i když je bateriová banka stále nabita. K vyřešení tohoto problému musí inženýři vypočítat a minimalizovat odpor stejnosměrných kabelů, zvýšit napětí systému, kalibrovat parametry zpoždění a prahové hodnoty LVC invertoru nebo použít vzdálené čáry pro měření napětí.

Fyzika úbytku stejnosměrného napětí a odporu kabelů

Na rozdíl od střídavého přenosu, kde lze úbytek napětí snadno zmírnit pomocí transformátorů, je stejnosměrný přenos velmi citlivý na délku kabelu a jeho průřez. Každý elektrický vodič – dokonce i měď vysoké čistoty – má určitý měrný odpor (rho).

Podle Ohmova zákona pokles napětí (V_drop) na dvojici vodičů je přímo úměrný proudu (I) protékajícímu obvodem a celkovému odporu (R) vodiče pro cestu tam i zpět:

V_drop = I R

Odpor vodiče je určen vzorcem:

R = rho ( 2 L ) / A

Kde:

• rho je měrný elektrický odpor materiálu (pro měď je rho přibližně 1,72 × 10^-8 ohm·metrů).
• L je jednosměrná vzdálenost mezi baterií a střídačem.
• A je průřezová plocha vodiče.
• Koeficient 2 zohledňuje celkovou vzdálenost tam i zpět (kladný a záporný vodič).

V nízkonapěťovém stejnosměrném systému je proud extrémně vysoký. Například střídač 12 V / 2 kW při plném zatížení odebírá přibližně 166 ampérů proudu. Při silném nárazovém proudu při startu motoru může tento proud vystoupit až na 400 A nebo více.

Pokud je měnič umístěn pouze 10 metrů (33 stop) od bateriové banky a je připojen pomocí standardního měděného vodiče o průřezu 2 AWG (přibližně 33,6 mm²), je celkový odpor 20metrového kabelového vedení přibližně 0,010 ohmu.

Při odběru trvalého provozního proudu 166 A je úbytek napětí:

U_úbytek = 166 A × 0,010 ohmu = 1,66 V

Je-li napětí bateriové banky zdravé 12,6 V, je napětí na vstupních DC svorkách měniče pouze:

12,6 V − 1,66 V = 10,94 V

Toto napětí je blízko standardní prahové hodnoty LVC 10,5 V. Pokud se však zapne motor a proud vyskočí na 350 A, úbytek napětí okamžitě stoupne na:

U_úbytek_proudový_výkon = 350 A × 0,010 ohmu = 3,50 V

Napětí na svorkách měniče klesne na:

12,6 V − 3,50 V = 9,10 V

Protože 9,10 V je výrazně pod limitní hodnotou LVC 10,5 V, ochranný obvod invertoru okamžitě aktivuje ochranu proti podpětí a vypne střídavý výstup. V okamžiku vypnutí invertoru klesne odběr proudu na nulu, úbytek napětí zmizí a napětí na svorkách invertoru se vrátí na 12,6 V. Pro technika vypadá bateriová banka plně nabitá a vypnutí se zdá být hardwarovou poruchou. Toto je definice rušivého vybavení ochrany LVC.

Postup pro odstraňování potíží – postupné diagnostické kroky

Chcete-li diagnostikovat a prokázat, že vybavení ochrany LVC je způsobeno odporem kabelů a nikoli selhávající baterií nebo invertorem, proveďte následující měření:

• Krok 1: Měření statického napětí baterie

Pomocí digitálního multimetru změřte stejnosměrné napětí přímo na svorkách bateriové banky za podmínek bez zátěže. Tuto hodnotu si poznamenejte (např. 51,2 V pro systém 48 V).

• Krok 2: Měření statického napětí invertoru

Změřte napětí přímo na svorkovnici stejnosměrného vstupu invertoru. V režimu bez zátěže by měly být obě naměřené hodnoty identické.

• Krok 3: Měření napětí za zatížení

Zapněte největší zátěž v systému. Zatímco je zátěž v provozu (nebo se pokouší spustit), změřte napětí na svorkách bateriové banky a poté okamžitě změřte napětí na svorkovnici invertoru.

• Krok 4: Analýza rozdílu

Pokud napětí bateriové banky zůstává vysoké (např. klesne z 51,2 V na 49,8 V), ale napětí na svorkách invertoru výrazně klesne (např. z 51,2 V na 41,5 V), potvrzujete problém s odporem kabelů. Rozdíl (8,3 V) představuje úbytek napětí na stejnosměrném kabelovém vedení.

Technická řešení pro eliminaci rušivého vypínání kvůli nízkému napětí (LVC)

Po potvrzení by měli integrátoři systémů uplatnit jednu nebo více následujících nápravných opatření:

• 1. Zvyšte jmenovité napětí systému

Nejúčinnějším způsobem snížení proudu (a tím i úbytku napětí) je navrhnout systém s vyšším jmenovitým stejnosměrným napětím. Výkon (ve wattech) je součinem napětí a proudu (P = V × I). Zvýšíte-li jmenovité napětí z 12 V na 48 V, klesne proud potřebný k dodání stejného zatížení 2 kW o 75 % (z 166 A na pouhých 41,5 A). Podle Ohmova zákona snížení proudu čtyřikrát snižuje úbytek napětí o 75 %. Pokud je to možné, pro dlouhé vedení zvolte architekturu se stejnosměrným napětím 48 V.

• 2. Zvětšete průřez DC vodiče

Pokud nelze změnit napětí systému, musíte snížit odpor vodiče zvětšením jeho průřezu (A). Použijte kabely s tlustými měděnými vodiči, např. 4/0 AWG (95 mm²), nebo proveďte paralelní zapojení několika kabelů na každou pólovou větev. Ujistěte se, že vodiče jsou vyrobeny z vysoce kvalitní jemnovláknité bezkyslíkové mědi, která nabízí nejnižší prakticky dosažitelný elektrický odpor.

• 3. Upravte nastavení parametrů LVC invertoru

Výkonné invertory, jako je programovatelná řada JYINS, umožňují inženýrům přizpůsobit nastavení LVC prostřednictvím digitálního řídicího softwaru. Lze upravit dva parametry:

• Snížení prahu LVC: Pokud vaše chemie baterie bezpečně zvládne krátkodobý pokles napětí bez poškození, můžete prahové napětí mírně snížit (např. z 10,5 V na 10,0 V).
• Přidání časovače zpoždění LVC: Většina jednotek JYINS je vybavena programovatelným zpožděním (např. 0 až 10 sekund). Nastavením zpoždění na 3 sekundy bude invertor ignorovat krátkodobé poklesy napětí způsobené nárazem proudu při startu motoru, čímž umožní motoru spustit se a napětí se obnovit, než dojde k aktivaci ochranného obvodu.
• 4. Implementace dálkového měření napětí

Pokročilé průmyslové systémy mohou využívat dálkové snímání napětí. Dvojice tenkých, nízkoproudých vodičů je vedena přímo z bateriových svorek na řídicí desku invertoru. Invertor tyto vyhrazené snímací vodiče používá k měření skutečného stavu nabití baterie a tím obejde vysokoproudé napájecí vedení. Invertor provede vypnutí z důvodu nízkého napětí baterie (LVC) pouze tehdy, když skutečné napětí baterie klesne, zcela ignoruje úbytek napětí na kabelu.

Závěr

Nepříjemné vypínání kvůli omezení napětí na nízkém napětí (LVC) v dlouhodobých stejnosměrných systémech je klasickým problémem elektrotechniky způsobeným odporem kabelů a vysokou požadovanou proudovou zátěží. Použitím Ohmova zákona mohou integrátoři systémů přesně vypočítat úbytky napětí a odpovídajícím způsobem dimenzovat měděné vodiče. Přechod na vyšší jmenovité napětí systému (např. 48 V), zvětšení průřezu kabelů na těžké typy a využití programovatelných prodlev LVC a vstupů pro dálkové měření od JYINS eliminují nepříjemná vypnutí. Tyto kroky zajišťují stabilní a nepřetržitý dodávku energie kritické infrastruktuře mimo síť bez ohledu na fyzická omezení uspořádání lokality.