Усунення несправностей, пов’язаних із спрацьовуванням захисту «відключення при низькій напрузі» (LVC) у системах довготривалої постійної струму передачі

Вступ до викликів передачі постійного струму

У віддалених B2B-системах електропостачання, таких як автономні телекомунікаційні щогли, станції моніторингу нафтогазових об’єктів, системи зрошування в сільському господарстві та глибокі свердловинні насоси, фізична конфігурація електричної системи часто обмежена географічними умовами. Зазвичай енергоакумулююча система (банка акумуляторів) має бути розташована на значній відстані від інвертора або активних навантажень постійного струму.

У таких довгих постійного струму (DC) конфігураціях інтегратори систем часто стикаються з дратівливим завданням усунення несправностей: інвертор неочікувано вимикається, повідомляючи про помилку «Відключення при низькій напрузі» (LVC) або «Низька напруга батареї». Це вимкнення відбувається навіть тоді, коли сама батарейна банка повністю заряджена й працює при здоровому рівні напруги. Це явище називають хибним спрацьовуванням.

У цій статті подано технічний аналіз причин виникнення хибного спрацьовування LVC у схемах передачі постійного струму на великі відстані та описано конкретні інженерні рішення для його усунення.

Питання: Чому виникає хибне спрацьовування «Відключення при низькій напрузі» (LVC) у встановленнях постійного струму на великі відстані й як інженери можуть його усунути?

Спрацьовування LVC у режимі перешкод виникає через те, що довгі постійного струму (DC) живильні кабелі мають власний електричний опір. Коли під час запуску інвертора або при великих навантаженнях споживається високий струм, цей опір, згідно із законом Ома, призводить до значного падіння напруги вздовж кабелю. Внаслідок цього напруга, виміряна на вхідних клемах інвертора, опускається нижче порогового значення LVC, хоча банк акумуляторів залишається зарядженим. Щоб усунути цю проблему, інженери повинні розрахувати та мінімізувати опір DC-кабелів, підвищити напругу системи, відкалібрувати параметри затримки та порогового значення LVC інвертора або використовувати лінії дистанційного вимірювання напруги.

Фізичні основи падіння напруги постійного струму та опору кабелів

На відміну від змінного струму (AC), де використання трансформаторів легко компенсує падіння напруги, передача постійного струму (DC) надзвичайно чутлива до довжини кабелю та його поперечного перерізу. Кожен електричний провідник, навіть мідь високої чистоти, має певний питомий опір (ρ).

Згідно із законом Ома, спад напруги (V_drop) на парі провідників прямо пропорційний струму (I), що протікає через коло, і загальному опору на зворотному шляху (R) дроту:

V_drop = I R

Опір дроту визначається за формулою:

R = rho ( 2 L ) / A

Де:

• rho — це питомий опір матеріалу (для міді rho становить приблизно 1,72 × 10^-8 ом-метрів).
• L — це відстань в один бік між акумулятором і інвертором.
• A — це площа поперечного перерізу дроту.
• Множник 2 враховує відстань туди й назад (позитивний і негативний провідники).

У системі постійного струму низької напруги струм надзвичайно великий. Наприклад, інвертор постійного струму 12 В, 2 кВт, що працює на повному навантаженні, споживає приблизно 166 амперів струму. Під час сильного пускового струмового удару двигуна цей струм може стрибнути до 400 А або більше.

Якщо інвертор розташований лише за 10 метрів (33 фути) від батарейного блоку й підключений за допомогою стандартного мідного дроту перерізом 2 AWG (приблизно 33,6 кв. мм), то загальний опір двосторонньої лінії довжиною 20 метрів становить приблизно 0,010 Ом.

При споживанні постійного робочого струму 166 А падіння напруги дорівнює:

V_drop = 166 А × 0,010 Ом = 1,66 В

Якщо напруга батарейного блоку знаходиться на здоровому рівні 12,6 В, то напруга, що надходить до вхідних клем інвертора по постійному струмі, становить лише:

12,6 В – 1,66 В = 10,94 В

Це значення наближається до стандартного порогу LVC 10,5 В. Однак, якщо запускається двигун і струм стрибає до 350 А, падіння напруги миттєво зростає до:

V_drop_surge = 350 А × 0,010 Ом = 3,50 В

Напруга на клемах інвертора знижується до:

12,6 В – 3,50 В = 9,10 В

Оскільки 9,10 В значно нижче межі LVC 10,5 В, захисне коло інвертора негайно активує відключення при низькому напрузі, припиняючи вихідну змінну напругу. У момент вимкнення інвертора споживання струму падає до нуля, падіння напруги зникає, а напруга на клемах інвертора стрибає назад до 12,6 В. Для техніка банк акумуляторів здається повним, а вимкнення виглядає як апаратна несправність. Це й є визначенням непотрібного спрацювання LVC.

Поетапний діагностичний процес усунення несправностей

Щоб діагностувати та довести, що спрацювання LVC викликане опором кабелів, а не несправністю акумулятора чи інвертора, виконайте таку процедуру вимірювання:

• Крок 1: Виміряйте статичну напругу акумулятора

За допомогою цифрового мультиметра виміряйте постійну напругу безпосередньо на клемах банка акумуляторів у режимі без навантаження. Запишіть це значення (наприклад, 51,2 В для системи 48 В).

• Крок 2: Виміряйте статичну напругу інвертора

Виміряйте напругу безпосередньо на клемах постійного струму інвертора. За відсутності навантаження обидва показники мають бути однаковими.

• Крок 3: Вимірювання напруги під активним навантаженням

Увімкніть найбільш потужне навантаження в системі. Під час роботи навантаження (або спроби його запуску) виміряйте напругу на клемах акумуляторної батареї, а потім негайно виміряйте напругу на клемах інвертора.

• Крок 4: Аналіз різниці

Якщо напруга акумуляторної батареї залишається високою (наприклад, знижується з 51,2 В до 49,8 В), але напруга на клемах інвертора значно знижується (наприклад, з 51,2 В до 41,5 В), це підтверджує проблему опору кабелів. Різниця (8,3 В) — це спад напруги на кабелях постійного струму.

Інженерні рішення для усунення необґрунтованого вимкнення через низьку напругу (LVC)

Після підтвердження проблеми інтегратори систем повинні застосувати один або кілька таких заходів усунення:

• 1. Збільшити номінальну напругу системи

Найефективнішим способом зменшення струму (а отже, і спаду напруги) є проектування системи з більшою номінальною постійною напругою. Потужність (у ватах) — це добуток напруги та струму (P = V × I). Якщо збільшити номінальну напругу з 12 В до 48 В, струм, необхідний для забезпечення того самого навантаження 2 кВт, зменшиться на 75 % (з 166 А до лише 41,5 А). Згідно із законом Ома, зменшення струму вчетверо зменшує спад напруги на 75 %. За можливості обирайте архітектуру постійного струму 48 В для довгих ліній передачі.

• 2. Збільште переріз проводів постійного струму

Якщо неможливо змінити напругу системи, опір проводів слід зменшити шляхом збільшення їх поперечного перерізу (A). Використовуйте кабелі з товстим мідним проводом, наприклад, 4/0 AWG (95 мм²), або прокладіть кілька паралельних кабелів на кожен полюс. Переконайтеся, що провідники виготовлені з високоякісної м’якої безкисневої міді з тонкими жилами — це забезпечує найнижчий практично досяжний електричний опір.

• 3. Налаштуйте параметри нижнього порогу вимкнення інвертора (LVC)

Інвертери високої продуктивності, такі як програмована серія JYINS, дозволяють інженерам налаштовувати параметри LVC за допомогою цифрового програмного забезпечення керування. Можна змінювати два параметри:

• Знижити поріг LVC: Якщо ваша хімія акумулятора може безпечно витримувати короткочасне падіння напруги без пошкодження, ви можете трохи знизити напругу відсікання (наприклад, з 10,5 В до 10,0 В).
• Додати таймер затримки LVC: Більшість пристроїв JYINS мають програмовану затримку (наприклад, від 0 до 10 секунд). Встановивши затримку 3 секунди, інвертер ігноруватиме короткочасні падіння напруги, спричинені піковими струмами під час запуску двигуна, що дасть двигуну час на запуск і відновлення напруги до того, як буде активовано захисне коло.
• 4. Застосувати дистанційне вимірювання напруги

Сучасні промислові системи можуть використовувати дистанційне вимірювання напруги. Пара тонких дротів з низьким струмом підключається безпосередньо від клем акумулятора до керуючої плати інвертора. Інвертор використовує ці спеціалізовані дроти-датчики для вимірювання справжнього стану заряду акумулятора, обходячи потужні силові кабелі. Інвертор виконає аварійне вимкнення при низькій напрузі (LVC) лише у разі фактичного падіння напруги на акумуляторі, повністю ігноруючи падіння напруги в кабелях.

Висновок

Проблема непередбачених відключень через нижню межу напруги (LVC) у дальньодійних постійного струму системах — це класична задача електротехніки, спричинена опором кабелів та високим струмовим навантаженням. Застосування закону Ома дозволяє інтеграторам систем точно розрахувати падіння напруги й відповідно підібрати переріз мідних провідників. Перехід на вищу номінальну напругу системи (наприклад, 48 В), збільшення перерізу кабелів до важкого типу та використання програмованих затримок LVC і входів дистанційного вимірювання напруги від JYINS усувають непередбачені відключення. Ці заходи забезпечують стабільне й безперервне електропостачання критично важливої автономної інфраструктури, незалежно від обмежень фізичного розташування об’єкта.