Problemos „žemo įtampų atjungimo“ (LVC) netikėto išsijungimo šalinimas ilgosios nuotolinės nuolatinės srovės (DC) perdavimo sistemose

Nuolatinės srovės perdavimo iššūkių įvadas

Nuotoliniuose B2B energijos tiekimo taikymuose, pvz., autonominėse ryšių bokštuose, naftos ir dujų stebėsenos stotyse, žemės ūkio drėkinimo sistemose ir giliuosiuose pritvirtintuose siurbluose, elektros sistemos fizinė išdėstymas dažnai ribojamas geografinių sąlygų. Dažnai energijos kaupimo sistema (akumuliatorių bankas) turi būti įrengta reikšmingu atstumu nuo energijos invertoriaus arba veikiančių nuolatinės srovės apkrovų.

Šiuose ilgosios nuotolinės nuolatinės srovės (DC) įrenginiuose sistemų integratoriai dažnai susiduria su nepatogia trikčių šalinimo kliūtimi: keitiklis netikėtai išsijungia, pranešdamas apie „Žemos įtampos išjungimą“ (LVC) arba „Baterijos įtampos sumažėjimą“ klaidą. Šis išjungimas įvyksta net tada, kai pati baterijų banko įtampa yra visiškai įkrauta ir veikia sveikoje įtampos riboje. Šis reiškinys vadinamas netikėtu išsijungimu.

Šiame straipsnyje pateikiama techninė analizė, kodėl ilgosios nuotolinės nuolatinės srovės perdavimo schemose vyksta LVC netikėtas išsijungimas, taip pat nurodomi konkrečūs inžineriniai sprendimai, kaip tai išspręsti.

Klausimas: Kodėl ilgosios nuotolinės nuolatinės srovės (DC) įrenginiuose vyksta žemos įtampos išjungimo (LVC) netikėtas išsijungimas ir kaip inžinieriai gali tai išspręsti?

LVC (žemo įtampos apsaugos) netinkamas veikimas kyla dėl ilgų nuolatinės srovės maitinimo laidų, kurie turi savo vidinę elektrinę varžą. Kai invertoriaus paleidimo metu ar esant didelėms apkrovoms vartojama didelė srovė, ši varža, remiantis Omo dėsniu, sukelia reikšmingą įtampos kritimą palei laidą. Todėl įtampa, matuojama prie invertoriaus įėjimo terminalų, nukrenta žemiau LVC slenkstinės vertės, net jei akumuliatorių bankas vis dar yra įkrautas. Šiai problemai išspręsti inžinieriai turi apskaičiuoti ir sumažinti nuolatinės srovės laidų varžą, padidinti sistemos įtampą, sureguliuoti invertoriaus LVC delso ir slenkstinės vertės parametrus arba naudoti nuotolinio įtampos stebėjimo linijas.

Nuolatinės srovės įtampos kritimo ir laidų varžos fizika

Skirtingai nuo kintamosios srovės perdavimo, kurio metu transformatorių įtampų pakėlimas lengvai kompensuoja įtampos kritimą, nuolatinės srovės perdavimas yra labai jautrus laidų ilgiui ir skerspjūvio storio pokyčiams. Kiekvienas elektrinis laidininkas, net aukščiausios kokybės varis, turi tam tikrą specifinę varžą (rho).

Pagal Omo dėsnį įtampos kritimas (V_drop) per laidų porą yra tiesiogiai proporcingas grandine tekančiai srovei (I) ir laidų bendrai grįžtamajai varžai (R):

V_drop = I R

Laido varžą nustato formulė:

R = rho ( 2 L ) / A

Kur:

• rho – medžiagos specifinė varža (vario atveju rho yra maždaug 1,72 × 10^-8 omų metrui).
• L – atstumas nuo akumuliatoriaus iki keitiklio vienu kryptimi.
• A – laidų skerspjūvio plotas.
• Dauginamasis 2 atitinka grįžtamąjį atstumą (teigiamą ir neigiamą laidus).

Žemo įtampos nuolatinės srovės sistemoje srovė yra itin didelė. Pavyzdžiui, 12 V, 2 kW keitiklis, veikiantis pilna apkrova, suvartoja apie 166 amperų srovės. Esant stipriam variklio paleidimo smūgiui ši srovė gali šoktelėti iki 400 A ar daugiau.

Jei keitiklis yra tik 10 metrų (33 pėdų) atstumu nuo akumuliatorių banko ir prijungtas naudojant standartinį 2 AWG (apytiksliai 33,6 kvadratinio milimetro) varinį laidą, 20 metrų ilgio kabelio atgalinio kelio varža yra maždaug 0,010 oma.

Kai nuolatinės veikos srovė yra 166 A, įtampos kritimas yra:

V_kritimas = 166 A × 0,010 oma = 1,66 V

Jei akumuliatorių banko įtampa sveika – 12,6 V, įtampa, pasiekianti keitiklio nuolatinės srovės įėjimo galus, yra tik:

12,6 V – 1,66 V = 10,94 V

Tai arti standartinio 10,5 V žemos įtampos apsaugos (LVC) slenksčio. Tačiau jei pradeda veikti variklis ir srovė staigiai pakyla iki 350 A, įtampos kritimas iškart šoktelėja iki:

V_kritimas_pakilimas = 350 A × 0,010 oma = 3,50 V

Įtampa prie keitiklio galų krenta iki:

12,6 V – 3,50 V = 9,10 V

Kadangi 9,10 V yra žymiai žemiau 10,5 V žemos įtampos apsaugos (LVC) ribos, inverterio apsaugos grandinė nedelsdama aktyvuoja žemos įtampos atjungimą, išjungdama kintamosios srovės išvestį. Kai tik inverteris išsijungia, srovės vartojimas sumažėja iki nulio, įtampos kritimas dingsta ir inverterio gnybtų įtampa vėl pakyla iki 12,6 V. Technikui akumuliatorių bankas atrodo pilnas, o išsijungimas atrodo kaip techninės gedimo problema. Tai ir yra žemos įtampos apsaugos (LVC) netinkamo veikimo apibrėžtis.

Trikdžių šalinimo žingsnis po žingsnio diagnostikos procesas

Norėdami nustatyti ir įrodyti, kad žemos įtampos apsaugos (LVC) veikimas sukeliamas laidų varžos, o ne blogėjančio akumuliatoriaus ar inverterio, atlikite šiuos matavimus:

• Žingsnis 1: Išmatuokite statinę akumuliatoriaus įtampą

Naudodami skaitmeninį multimetrą, išmatuokite nuolatinės srovės įtampą tiesiogiai tarp akumuliatorių banko gnybtų be apkrovos sąlygomis. Įrašykite šią reikšmę (pvz., 51,2 V 48 V sistemai).

• Žingsnis 2: Išmatuokite statinę inverterio įtampą

Išmatuokite įtampą tiesiai inverterio nuolatinės srovės (DC) įvesties terminalų blokuose. Tuščiąja eiga abu rodmenys turėtų būti vienodi.

• 3 žingsnis: Įtampos matavimas veikiant apkrovai

Įjunkite didžiausią sistemos apkrovą. Kol apkrova veikia (arba bandoma ją paleisti), išmatuokite įtampą baterijų banko terminaluose, o po to nedelsdami išmatuokite įtampą inverterio terminalų blokuose.

• 4 žingsnis: Skirtumo analizė

Jei baterijų banko įtampa lieka aukšta (pvz., sumažėja nuo 51,2 V iki 49,8 V), bet inverterio terminalų įtampa stipriai krinta (pvz., sumažėja nuo 51,2 V iki 41,5 V), tai patvirtina laidų varžos problemą. Šis skirtumas (8,3 V) yra įtampos kritimas per nuolatinės srovės (DC) laidus.

Inžineriniai sprendimai, siekiant pašalinti netinkamo žemos įtampos (LVC) išsijungimo problemas

Po patvirtinimo sistemos integratoriai turėtų taikyti vieną ar daugiau šių taisomųjų priemonių:

• 1. Padidinkite sistemos nominalią įtampą

Veiksmingiausias būdas sumažinti dabartinę (ir taip pat įtampos kritimą) – tai suprojektuoti sistemą su didesne nominaliąja nuolatinės srovės įtampa. Galia (vatais) yra įtampos ir srovės sandauga (P = V × I). Jei nominali įtampa padidinama nuo 12 V iki 48 V, tada tam pačiam 2 kW apkrovos našumui perteikti reikalinga srovė sumažėja 75 % (nuo 166 A iki tik 41,5 A). Pagal Omo dėsnį, srovės sumažinimas keturis kartus sumažina įtampos kritimą 75 %. Visada, kai įmanoma, ilgoms laidų linijoms pasirinkite 48 V nuolatinės srovės architektūrą.

• 2. Padidinkite nuolatinės srovės laidų skerspjūvio plotą

Jei sistemos įtampa negali būti pakeista, laidų varžą reikia sumažinti padidinant jų skerspjūvio plotą (A). Pakeiskite kabelius į storesnius varinius laidus, pvz., 4/0 AWG (95 kvadratiniai milimetrai), arba kiekviename poliuje paleiskite kelis lygiagrečius kabelius. Įsitikinkite, kad laidai yra aukštos kokybės, smulkiai pluoštiniai be deguonies variniai laidai, kurie užtikrina mažiausią praktiškai pasiekiama elektrinę varžą.

• 3. Reguliuokite inverterio žemos įtampos apsaugos (LVC) parametrų nustatymus

Didelės našumo invertoriai, pvz., JYINS programuojamųjų serijos modeliai, leidžia inžinieriams pritaikyti žemos įtampos išjungimo (LVC) parametrus naudojant skaitmeninę valdymo programinę įrangą. Galima reguliuoti du parametrus:

• Žemesnė LVC slenkstis: jei jūsų akumuliatoriaus chemija gali saugiai išlaikyti trumpalaikį įtampos nuokrypį be pažeidimų, galite šiek tiek sumažinti atjungimo įtampą (pvz., nuo 10,5 V iki 10,0 V).
• Pridėti LVC delsos laikmatį: daugelis JYINS vienetų turi programuojamą delsą (pvz., nuo 0 iki 10 sekundžių). Nustatydami 3 sekundžių delsą, invertorius ignoruos trumpalaikius įtampos kritimus, kurie kyla dėl variklio paleidimo smūgių, leisdamas varikliui paleisti ir įtampai atsigauti prieš įsijungiant apsaugos grandinei.
• 4. Įdiegti nuotolinį įtampos stebėjimą

Pažangūs pramoniniai sistemos gali naudoti nuotolinį įtampų stebėjimą. Porą plonų, mažos srovės laidų tiesiogiai prijungia prie akumuliatoriaus terminalų ir invertoriaus valdymo plokštės. Invertorius šiais specialiais jutiklių laidais matuoja tikrąją akumuliatoriaus krūvį, apeidamas didelės srovės maitinimo linijas. Invertorius įvykdys žemos įtampos išjungimą (LVC) tik tada, kai tikroji akumuliatoriaus įtampa sumažės, visiškai ignoruodamas laidų įtampos kritimą.

Išvada

Žemo įtampos išjungimo (LVC) netikėtas aktyvavimas ilguose nuolatinės srovės (DC) ryšiuose yra klasikinis elektros inžinerijos problemų pavyzdys, kurį sukelia laidų varža ir didelė srovės apkrova. Taikydami Omo dėsnį sistemos integratoriai gali tiksliai apskaičiuoti įtampų kritimus ir atitinkamai parinkti varinių laidų skerspjūvį. Pereinant prie aukštesnių nominalių sistemos įtampų (pvz., 48 V), naudojant storesnius kabelius ir pritaikant JYINS programuojamas LVC delsas bei nuotolinio stebėjimo įėjimus, galima visiškai pašalinti netikėtus išsijungimus. Šie veiksmai užtikrina stabilią ir nuolatinę maitinimą kritinėms off-grid infrastruktūroms, nepaisant fizinės vietovės išdėstymo apribojimų.