Feilsøking av uønskede utløsninger av 'lavspenningsavbryter' (LVC) i DC-overføringsoppsett over lange avstander

Introduksjon til utfordringer knyttet til likestrømsoverføring

I avsidesliggende B2B-strømappliceringer, som f.eks. off-grid-telekommunikasjonstårn, olje- og gassovervåkningsstasjoner, landbruksdrift for irrigasjon og dypbrunns-pumper, er den fysiske oppbygningen av det elektriske anlegget ofte begrenset av geografien. Ofte må energilagringssystemet (batteribanken) plasseres på en betydelig avstand fra strøm-inverteren eller de aktive likestrøm-sluttpunktene.

I disse langdistanse-DC-konfigurasjonene står systemintegratorer ofte overfor en frustrerende feilsøkingsutfordring: omformeren slår seg uventet av og rapporterer en 'lavspenningsavbrudd' (LVC) eller 'batterispenningsunderspenning'-feil. Denne avslutningen skjer selv når batteribanken i seg selv er fullt ladet og opererer på et sunt spenningsnivå. Dette fenomenet kalles unødvendig utløsning.

Denne artikkelen gir en teknisk analyse av hvorfor unødvendig utløsning av lavspenningsavbrudd (LVC) oppstår i langdistanse-DC-overføringsoppsett og beskriver spesifikke ingeniørløsninger for å løse problemet.

Spørsmål: Hvorfor oppstår unødvendig utløsning av lavspenningsavbrudd (LVC) i langdistanse-DC-installasjoner, og hvordan kan ingeniører løse dette?

LVC-utløsning som forårsaker ubehag oppstår fordi lange likestrømskabler har en inneboende elektrisk motstand. Når høy strøm trekkes under inverterstart eller ved tunge belastninger, fører denne motstanden til en betydelig spenningsfall langs kabelen i henhold til Ohms lov. Som følge av dette faller spenningen som måles på inverterens inngangsterminaler under LVC-grensen, selv om batteribanken fortsatt er ladd. For å løse dette må ingeniører beregne og minimere likestrømskabelmotstanden, oppgradere systemspenningen, justere inverterens LVC-forsinkelses- og terskelparametere, eller bruke eksterne spenningsmålingsledninger.

Fysikken bak likestrøms-spenningsfall og kabelmotstand

I motsetning til vekselstrømsoverføring, der transformatorer lett kan redusere spenningsfall, er likestrømsoverføring svært følsom for kabellengde og tverrsnittstykkelse. Alle elektriske ledere, selv kobber med høy renhet, har en spesifikk motstand (rho).

Ifølge Ohms lov er spenningsfallet (V_drop) over et par ledere direkte proporsjonalt med strømmen (I) som går gjennom kretsen og den totale motstanden (R) for ledningen i begge retninger:

V_drop = I R

Motstanden i ledningen bestemmes av formelen:

R = rho ( 2 L ) / A

Hvor:

• rho er resistiviteten til materialet (for kobber er rho ca. 1,72 × 10^-8 ohm-meter).
• L er avstanden i én retning mellom batteriet og inverteren.
• A er tverrsnittsarealet til ledningen.
• Multiplikatoren 2 tar hensyn til avstanden i begge retninger (positiv og negativ leder).

I et lavspennings-DC-system er strømmen ekstremt høy. For eksempel vil en 12 V, 2 kW inverter under full last trekke ca. 166 ampere. Under en kraftig motorskudd-strømbelastning kan denne strømmen stige til 400 A eller mer.

Hvis inverteren er plassert bare 10 meter (33 fot) unna batteribanken og er tilkoblet med standard 2 AWG-kopperkabel (ca. 33,6 kvadratmillimeter), er den totale motstanden i den 20-meter lange kabellengden omtrent 0,010 ohm.

Ved en kontinuerlig driftsstrøm på 166 A er spenningsfallet:

V_fall = 166 A × 0,010 ohm = 1,66 V

Hvis batteribanken har en sunn spenning på 12,6 V, er spenningen som når frem til inverterens likestrømsinngangsterminaler bare:

12,6 V – 1,66 V = 10,94 V

Dette ligger nær den vanlige lavspenningsavbruksgrensen (LVC) på 10,5 V. Hvis imidlertid en motor starter og strømmen stiger kraftig til 350 A, øker spenningsfallet øyeblikkelig til:

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

Spenningen ved inverterens terminaler faller til:

12,6 V – 3,50 V = 9,10 V

Siden 9,10 V ligger langt under lavspenningsgrensen (LVC) på 10,5 V, aktiveres inverterens beskyttelseskrets umiddelbart og kutter av vekselstrømutgangen på grunn av for lav spenning. I det øyeblikket inverteren slås av, faller strømforbruket til null, spenningsfallet forsvinner, og spenningen på inverterens terminaler stiger tilbake til 12,6 V. For teknikeren virker batteribanken full, og avstengningen ser ut som en maskinvarefeil. Dette er definisjonen på uønsket LVC-utløsing.

Feilsøkingsprosess – trinnvis diagnostikk

For å diagnostisere og bevise at LVC-utløsing skyldes kabellmotstand og ikke et sviktende batteri eller en defekt inverter, følg denne måleprosedyren:

• Trinn 1: Mål statisk batterispenning

Bruk en digital multimeter til å måle likestrømspenningen direkte over batteribankens terminaler uten belastning. Noter denne verdien (f.eks. 51,2 V for et 48 V-system).

• Trinn 2: Mål statisk inverter-spenning

Mål spenningen direkte på inverterens likestrømsinngangsterminaler. Ved ingen belastning bør de to målingene være identiske.

• Steg 3: Mål spenning under aktiv belastning

Slå på den tyngste belastningen i systemet. Mens belastningen kjører (eller prøver å starte), mål spenningen ved batteribankens terminaler og deretter umiddelbart mål spenningen ved inverterens terminaler.

• Steg 4: Analyser forskjellen

Hvis spenningen til batteribanken forblir høy (f.eks. synker fra 51,2 V til 49,8 V), men spenningen ved inverterens terminaler faller kraftig (f.eks. synker fra 51,2 V til 41,5 V), har du bekreftet et kabellmotstandsproblem. Forskjellen (8,3 V) er spenningsfallet over likestrømskablene.

Ingeniørløsninger for å eliminere unødvendig LVC-utløsning

Når problemet er bekreftet, bør systemintegratorer implementere én eller flere av følgende tiltak:

• 1. Øk systemets nominelle spenning

Den mest effektive måten å redusere strømmen (og dermed spenningsfallet) på er å designe systemet for en høyere nominell likestrømspenning. Effekt (watt) er produktet av spenning og strøm (P = V × I). Hvis du øker den nominelle spenningen fra 12 V til 48 V, reduseres strømmen som kreves for å levere samme belastning på 2 kW med 75 % (fra 166 A ned til bare 41,5 A). Ifølge Ohms lov reduseres spenningsfallet med 75 % når strømmen reduseres med en faktor fire. Velg alltid 48 V DC-arkitekturer for lange kabellengder, dersom det er mulig.

• 2. Øk tverrsnittet på likestrømslederen

Hvis systemspenningen ikke kan endres, må du redusere ledernes motstand ved å øke tverrsnittsarealet (A). Oppgrader kablene til tykkere kobberledere, for eksempel 4/0 AWG (95 kvadratmillimeter), eller bruk flere parallelle kabler per pol. Sørg for at lederne er av høykvalitets, fint trådet, oksygenfritt kobber, som gir den laveste praktiske elektriske motstanden.

• 3. Juster inverterens LVC-parametere

Høytytende invertere, som den programmerbare JYINS-serien, lar ingeniører tilpasse LVC-innstillingene via digital kontrollprogramvare. To parametere kan justeres:

• Senk LVC-grenseverdien: Du kan litt senke avkuttingspenningen (f.eks. fra 10,5 V til 10,0 V) hvis batterikjemien din kan håndtere den midlertidige spenningsfallen uten skade.
• Legg til en LVC-forsinkelses-timer: De fleste JYINS-enheter har en programmerbar forsinkelse (f.eks. 0–10 sekunder). Ved å sette en forsinkelse på 3 sekunder vil inverteren ignorere korte spenningsfall som skyldes motorspissbelastning ved oppstart, slik at motoren kan starte og spenningen kan gjenopprettes før beskyttelseskretsen utløses.
• 4. Implementer fjernspenningsdeteksjon

Avanserte industrielle systemer kan bruke fjernspenningssensing. Et par tynne, lavstrømsledere føres direkte fra batteriterminalene til inverterens styrekort. Inverteren bruker disse dedikerte sensorkablene til å måle den virkelige ladestatusen til batteriet, og unngår dermed høystrømskablene. Inverteren vil bare utføre en LVC-avslutning hvis den virkelige batterispenningen faller, og ignorerer fullstendig spenningsfallet i kablene.

Konklusjon

Uønsket utløsing av lavspenningsavbrudd (LVC) i langdistansedc-anlegg er et klassisk problem innen elektrisk ingeniørfag som skyldes kabellmotstand og høy strømbehov. Ved å anvende Ohms lov kan systemintegratorer beregne nøyaktige spenningsfall og dimensjonere kobberledere tilsvarende. Overgang til høyere nominelle systemspenninger (for eksempel 48 V), økning av kabelfeltstørrelsen til tunge kabeltyper og bruk av JYINS’ programmerbare LVC-forsinkelsesfunksjoner og fjernmålingsinnganger vil eliminere uønskede nedstillinger. Disse tiltakene sikrer stabil og kontinuerlig strømforsyning til kritisk frakoblede infrastrukturanlegg, uavhengig av fysiske begrensninger knyttet til plasseringen av anlegget.