Probleemoplossing bij ongewenste ‘Laagspanningsafsluiting’ (LVC) in DC-transmissie-installaties over lange afstand

Inleiding tot uitdagingen bij DC-transmissie

Bij afgelegen B2B-energietoepassingen, zoals off-grid telecommunicatietorens, monitoringstations voor olie- en gaswinning, landbouwirrigatiesystemen en diepe putpompen, wordt de fysieke opstelling van het elektrische systeem vaak bepaald door de geografie. Vaak moet het energiesysteem (de accubank) op een aanzienlijke afstand van de omvormer of de actieve DC-belastingen worden geplaatst.

Bij deze lange-afstands-DC-opstellingen staan systemintegrators vaak voor een frustrerende probleemoplossingsuitdaging: de omvormer schakelt onverwacht uit en rapporteert een fout 'Lage spanning uitschakeling' (LVC) of 'Accu onder-spanning'. Deze uitschakeling vindt plaats, zelfs wanneer de accubank zelf volledig geladen is en op een gezond spanningsniveau werkt. Dit verschijnsel staat bekend als onnodige activering.

Dit artikel biedt een technische analyse van de oorzaak van onnodige LVC-activering bij lange-afstands-DC-transmissieopstellingen en beschrijft specifieke technische oplossingen om het probleem op te lossen.

Vraag: Waarom treedt onnodige activering van de lage spanning uitschakeling (LVC) op bij lange-afstands-DC-installaties, en hoe kunnen ingenieurs dit oplossen?

LVC-storing door ongewenste uitschakeling treedt op omdat lange gelijkstroomvoedingskabels een inherente elektrische weerstand hebben. Wanneer tijdens het opstarten van omvormers of bij zware belasting een hoge stroom wordt getrokken, veroorzaakt deze weerstand volgens de wet van Ohm een aanzienlijke spanningdaling langs de kabel. Daardoor daalt de spanning die aan de ingangsklemmen van de omvormer wordt gemeten onder de LVC-drempelwaarde, ook al blijft de accubank wel degelijk geladen. Om dit probleem op te lossen, moeten ingenieurs de gelijkstroomkabelweerstand berekenen en minimaliseren, de systeemspanning verhogen, de LVC-vertragings- en drempelwaardeparameters van de omvormer afstellen of externe spanningsmeetlijnen gebruiken.

De natuurkunde van gelijkstroomspanningsdaling en kabelweerstand

In tegenstelling tot wisselstroomtransmissie, waarbij transformatorverhoging eenvoudig spanningdalingen kan compenseren, is gelijkstroomtransmissie zeer gevoelig voor kabellengte en dwarsdoorsnede. Elke elektrische geleider, zelfs zuiver koper, heeft een specifieke weerstand (rho).

Volgens de wet van Ohm is de spanningsval (V_drop) over een paar geleiders rechtstreeks evenredig met de stroom (I) die door de stroomkring vloeit en de totale heen-en-terugweerstand (R) van de draad:

V_drop = I × R

De weerstand van de draad wordt bepaald door de formule:

R = rho × (2 × L) / A

Waarbij:

• rho is de soortelijke weerstand van het materiaal (voor koper bedraagt rho ongeveer 1,72 × 10^-8 ohm-meter).
• L is de afstand in één richting tussen de batterij en de omvormer.
• A is het dwarsdoorsnede-oppervlak van de draad.
• De vermenigvuldigingsfactor 2 houdt rekening met de heen-en-terugafstand (positieve en negatieve geleiders).

In een laagspanningsgelijkstroom-systeem is de stroom buitengewoon hoog. Bijvoorbeeld: een 12 V, 2 kW-omvormer die volledige belasting trekt, verbruikt ongeveer 166 ampère. Tijdens een zware opstartpiek van een motor kan deze stroom stijgen tot 400 A of meer.

Als de omvormer zich slechts 10 meter (33 voet) van de accubank bevindt en is aangesloten met standaard koperdraad van 2 AWG (ongeveer 33,6 mm²), bedraagt de weerstand van de heen-en-terugverbinding van de 20-meter kabel ongeveer 0,010 ohm.

Bij een continue stroom van 166 A bedraagt de spanningsval:

V_val = 166 A × 0,010 ohm = 1,66 V

Als de accubank zich op een gezonde spanning van 12,6 V bevindt, is de spanning die bij de gelijkstroom-ingangsterminals van de omvormer aankomt slechts:

12,6 V − 1,66 V = 10,94 V

Dit ligt dicht bij de standaard LVC-drempel van 10,5 V. Als echter een motor opstart en de stroom piekt naar 350 A, stijgt de spanningsval direct tot:

V_val_piek = 350 A × 0,010 ohm = 3,50 V

De spanning op de terminals van de omvormer daalt tot:

12,6 V − 3,50 V = 9,10 V

Omdat 9,10 V ver onder de LVC-limiet van 10,5 V ligt, activeert de beschermingscircuit van de omvormer onmiddellijk een onder-spanningsafsluiting, waardoor de wisselstroomuitgang wordt uitgeschakeld. Op het moment dat de omvormer wordt uitgeschakeld, daalt de stroomopname naar nul, verdwijnt de spanningsdaling en stijgt de spanning op de omvormeraansluitingen weer terug naar 12,6 V. Voor de technicus lijkt de accubank vol te zijn en lijkt de uitschakeling op een hardwarestoring. Dit is de definitie van lastige LVC-activering.

Stapsgewijs probleemoplossingsproces

Volg deze meetprocedure om te diagnosticeren en te bewijzen dat de LVC-activering wordt veroorzaakt door kabelweerstand en niet door een defecte accu of omvormer:

• Stap 1: Meet de statische accuspanning

Gebruik een digitale multimeter om de gelijkspanning direct over de accubankaansluitingen te meten onder geen-belastingvoorwaarden. Noteer deze waarde (bijv. 51,2 V voor een 48 V-systeem).

• Stap 2: Meet de statische omvormerspanning

Meet de spanning direct op de DC-ingangsterminalblokken van de omvormer. Bij geen belasting moeten de twee metingen identiek zijn.

• Stap 3: Meet de spanning onder actieve belasting

Schakel de zwaarste belasting in het systeem in. Terwijl de belasting draait (of probeert te starten), meet u de spanning op de aansluitklemmen van de accubank en vervolgens onmiddellijk de spanning op de terminalblokken van de omvormer.

• Stap 4: Analyseer het verschil

Als de spanning van de accubank hoog blijft (bijv. daalt van 51,2 V naar 49,8 V), maar de spanning op de omvormerklemmen sterk daalt (bijv. daalt van 51,2 V naar 41,5 V), dan is een kabelweerstandsprobleem bevestigd. Het verschil (8,3 V) is de spanningsval over de gelijkstroomkabels.

Technische oplossingen om onnodige LVC-uitschakelingen te elimineren

Zodra dit is bevestigd, moeten systeemintegrators een of meer van de volgende correctiemaatregelen toepassen:

• 1. Verhoog de nominale systeemspanning

De meest effectieve manier om de stroom (en daarmee de spanningsval) te verminderen, is het ontwerpen van het systeem met een hogere nominale gelijkstroomspanning. Vermogen (watt) is het product van spanning en stroom (P = V × I). Als u de nominale spanning verhoogt van 12 V naar 48 V, daalt de stroom die nodig is om dezelfde belasting van 2 kW te leveren met 75% (van 166 A naar slechts 41,5 A). Volgens de wet van Ohm leidt een verlaging van de stroom met een factor vier tot een vermindering van de spanningsval met 75%. Kies, indien mogelijk, voor 48 V DC-architecturen bij lange afstanden.

• 2. Gebruik dikker DC-leidingmateriaal

Als de systeemspanning niet kan worden gewijzigd, moet u de weerstand van de kabel verminderen door het dwarsdoorsnede-oppervlak (A) te vergroten. Upgrade de kabels naar dikke koperkabels, zoals 4/0 AWG (95 mm²), of leg meerdere parallelle kabels per pool. Zorg ervoor dat de geleiders van hoogwaardig, fijn-geslagen zuurstofvrij koper zijn, wat de laagst mogelijke praktische elektrische weerstand biedt.

• 3. Pas de LVC-parameterinstellingen van de omvormer aan

Hoogwaardige omvormers, zoals de programmeerbare serie JYINS, stellen ingenieurs in staat om de LVC-instellingen aan te passen via de digitale besturingssoftware. Twee parameters kunnen worden aangepast:

• Verlaag de LVC-drempelwaarde: U kunt de afschakelspanning licht verlagen (bijv. van 10,5 V naar 10,0 V) als uw batterijchemie veilig kan omgaan met de tijdelijke spanningdaling zonder schade.
• Voeg een LVC-vertragings-timer toe: De meeste JYINS-apparaten zijn uitgerust met een programmeerbare vertraging (bijv. 0 tot 10 seconden). Door een vertraging van 3 seconden in te stellen, negeert de omvormer korte onder-spanningspieken die worden veroorzaakt door piekstromen bij het opstarten van de motor, waardoor de motor kan starten en de spanning zich kan herstellen voordat de beveiligingscircuits worden geactiveerd.
• 4. Implementeer externe spanningsmeting

Geavanceerde industriële systemen kunnen gebruikmaken van externe spanningsdetectie. Een paar dunne, laagstroomdraden wordt rechtstreeks vanaf de batterijpolen naar de besturingsprintplaat van de omvormer geleid. De omvormer gebruikt deze speciale sensordraden om de werkelijke ladingstoestand van de batterij te meten, waarbij de hoogstroomvoedingslijnen worden omzeild. De omvormer voert alleen een LVC-uitschakeling uit als de werkelijke batterijspanning daalt, waarbij de spanningsval over de kabel volledig wordt genegeerd.

Conclusie

Ongewenste activering van de laagspanningsafsluiting (LVC) bij langafstands-DC-installaties is een klassiek probleem uit de elektrotechniek, veroorzaakt door kabelweerstand en een hoog stroomverbruik. Door de wet van Ohm toe te passen, kunnen systeemintegrators exacte spanningsverliezen berekenen en koperleidingen dienovereenkomstig dimensioneren. Overgang naar hogere nominale systeemspanningen (zoals 48 V), het gebruik van dikker geïsoleerde kabels en het toepassen van de programmeerbare LVC-vertragingen en afstandsmeetinvoeren van JYINS elimineren ongewenste uitschakelingen. Deze maatregelen garanderen een stabiele en continue stroomvoorziening voor essentiële off-grid-infrastructuur, ongeacht fysieke beperkingen in de opstelling van de locatie.