ظاهرة هبوط الجهد الكهربائي

إذا تم تطبيق الجهد على دائرة ولم يتم تشغيل الجهاز المرفق، فهناك مشكلة في الدائرة أو الجهد المطبق (بافتراض أن الجهاز يعمل بشكل كامل)، يمكن لطول ومقياس السلك اللامع في تصميم الدائرة أحياناً التأثير على الجهد الكهربائي للحمل؛ يُعرف هذا باسم “انخفاض الجهد”، تماماً كما تتأثر القدرة الاستيعابية الحالية لحزمة الأسلاك بالنظام والبيئة، كذلك يتأثر انخفاض الجهد.

مفهوم هبوط الجهد:

الموصلات السلكية ليست موصلات كهربائية مثالية، ولهذا السبب يوجد فقدان للطاقة على طول السلك، ولا يمكن أن يحدث تسخين الموصل إلا في حالة وجود مقاومة للموصل، قد تكون المقاومة الكلية للموصل السلكي لدائرة كهربائية صغيرة، لكنها ليست مهمله، اعتماداً على تيار الدائرة، قد يكون سلك 20AWG محدوداً بطول 50 قدماً أو 400 قدم.

لا يمكن قياس انخفاض الجهد عبر السلك إلا تحت الحمل، وببساطة قياس الجهد في نهاية الدائرة دون أن تكون تحت الحمل لا يخبرك شيئاً تقريباً لأن الدائرة تكون مفتوحة.

بمعنى آخر، إذا كان إجمالي الجهد المطبق على اللوحة الرئيسية هو 240 فولت، وكانت القراءة هي 216 فولت عند المكثف أثناء تشغيله، فهذا يعني أن 90٪ من المقاومة في الدائرة موجودة في المكثف (216 فولت)، و10٪ من المقاومة الكلية للدارة في الموصلات (24 فولت) المؤدية إلى المكثف، وهي قيمة عالية جداً.

سنجد أيضاً أن انخفاض الجهد يزيد كلما زاد التيار في الدائرة، وهذا يحدث هذا لسببين:

• يرجع ارتفاع تيار التشغيل إلى المقاومة الكهربائية المنخفضة في الحمل، وذلك عندما تكون المقاومة في الحمل أقل، فإن مقاومة الحمل تشكل نسبة أقل من إجمالي مقاومة الدائرة، وتشكل مقاومة الأسلاك أكثر نسبة.
  ملاحظة: يعتقد البعض أن المقاومة في الحمل تزداد مع زيادة التيار، لكنها لا، لكن بالنظر فقط إلى قانون أوم مرة أخرى، نجد أنه عندما يزيد التيار الكهربائي، يجب أن تنخفض المقاومة الكهربائية إذا ظل الجهد ثابتاً.
  

• عندما تسخن معظم المعادن تزداد مقاومتها، لذلك كلما زاد تيار الأسلاك، يسخن ويزداد المقاومة، مما يزيد من حصة الأسلاك في انخفاض الجهد.
  

أسباب انخفاض الجهد:

نحن نهتم بانخفاض الجهد لسببين:

• يمكن أن يكون ضاراً لجسمنا، مما يؤدي إلى ضعف الأداء والكفاءة.
  
  
• يمكن أن يكون مؤشراً على الظروف الأخرى التي يمكن أن تؤدي إلى ارتفاع درجة الحرارة والانحناء، والتي يمكن أن تشكل خطراً على السلامة العامة.
  
  يحدث الانخفاض للجهد العالي جداً؛ لأن التيار الكهربائي أعلى مما يفترض أن يكون، أو المقاومة في الدائرة أعلى مما ينبغي (أو كلاهما).
  

ما هو انخفاض الجهد المقبول؟

توصي (NEC)؛ (الكود الوطني للكهرباء)، بما لا يزيد عن 5٪ انخفاض في الجهد من اللوحة الرئيسية وصولاً إلى الجهاز تحت الحمل، مع انخفاض 2٪ مسموح به على دوائر “التغذية”، و3٪ على الدوائر “الفرعية”، حسب كود (NEC 210.19 (A)، هذه مجرد توصية للتصميم طالما يتم اتباع جميع القواعد الأخرى المتعلقة بالموصل (السلك) والحماية من التيار الزائد والتوصيلات نظراً لوجود “مذكرة إعلامية” في (NEC) بدلاً من الرمز.

من وجهة نظر عملية، يجب ألا نشهد انخفاضاً في الجهد يزيد عن 5٪ على موصل بحجم مناسب، عند القياس تحت الحمل بخلاف اندفاع المحرك (الدوار المغلق)، من الأهمية أن نتذكر أن قياسات انخفاض الجهد لا تصلح إلا عندما تكون أقل من التحميل، إذا لم يكن الجهاز قيد التشغيل، فلن يكون هناك انخفاض في الجهد ويصبح القياس بلا معنى تقريباً.

من الناحية العملية، هناك أربعة أسباب رئيسية لانخفاض الجهد غير المقبول وهي:

• الموصلات صغيرة الحجم.
  
• الوصلات ضعيفة (النهايات).
  
  
• التيار أعلى من التصميم.
  
• الموصلات طويلة.
  

موصلات صغيرة الحجم:

في نظام التدفئة والتهوية وتكييف الهواء (HVAC)، نحتاج إلى تحديد حجم غالبية الموصلات (الأسلاك) وفقاً للكود الدولي (NEC 310.15 (B) (16)، حيث نحصل على قواعد أساسية حول حجم السلك، بشكل أساسي من خلال النظر إلى الموصلات النحاسية الأساسية في فئة 60 درجة مئوية.

عندما يتم تقليل حجم الموصلات بالنسبة لأمبير النظام المقنن، فإن النتيجة ستكون موصلاً ساخناً، وانخفاض الجهد هو مشكلة خطيرة، لا يدرك العديد من الفنيين والكهربائيين أن القسم 440 من (NEC)، يسمح بتحديد حجم أسلاك نظام تكييف الهواء وفقًا لـ (MCA) (الحد الأدنى لسعة الدائرة)، المدرجة في المعدات حتى عندما تكون الفرامل أو المصهر أكبر حجماً، وفقًاً لـ (MOCP) المدرجة (أقصى حماية من التيار الزائد)، بغض النظر عما نفعله من الأهمية بمكان أن نلتزم بـ 310.15 (أ) (3)، وأن نتأكد من أننا لا نركب الموصلات بطريقة تؤدي إلى ارتفاع درجة حرارتها، سواء كان ذلك بسبب التيار الكهربائي أو الظروف المحيطة التي يتعرضون لها، أو عدد الموصلات التي تعمل في الحيز، عتدها تكون التوصيلات السيئة أعلى من الموصلات الطويلة الحالية المصممة.

ضعف التوصيلات:

عندما يتم توصيل الأسلاك باستخدام صواميل الأسلاك، العروات والوصلات وما إلى ذلك، يجب تصنيعها بأفضل اتصال ممكن مع مقاومة منخفضة ومواد متوافقة لا تتآكل، إذا كان الاتصال ضعيفاً، فستزداد المقاومة عند هذه النقطة مما ينتج عنه حرارة عند النقطة التي يمكن أن تؤدي إلى مزيد من المقاومة وتصبح المشكلة أسوأ، لا تؤدي التوصيلات الضعيفة إلى انخفاض الجهد فقط، ولكنها قد تسبب أيضاً خطراً على السلامة العامة، يجب أن تتم جميع التوصيلات والنهايات الكهربائية عالية الجهد، باستخدام مواد معتمدة من (NEC / UL)، ووفقاً للتعليمات، الأسباب الشائعة لضعف التوصيلات هي:

• توصيل الكثير من الأسلاك تحت العروة.
  
• استخدام موصل غير معتمد.
  
• توصيل المعادن غير المتشابهة معاً في موصل غير معتمد لهذا الاستخدام، مثل النحاس والألمنيوم.
  

• عدم إحكام ربط العروات أو البراغي بمعدل عزم الدوران المقدر والمطلوب.
  

أعلى من تيار دائرة التصميم:

في بعض الحالات، تكون الأسلاك والتوصيلات صحيحة ولكن الجهاز نفسه يرسم أعلى من التيار المقر، سيؤدي ذلك إلى انخفاض الجهد العالي، ويجب تصحيحه من المصدر وبشكل جذري في النظام الذي يتسبب في ارتفاع التيار.

موصلات طويلة:

هناك بعض التداعيات المثيرة للاهتمام بالنسبة للموصلات الطويلة، أولها أن “الكود الوطني للكهرباء” لا يعالجها بالفعل، لكن على الأقل ليس بشكل مباشر، كما ذكرنا سابقاً، تقدم (NEC 210.19) (A)، اقتراحات للحفاظ على الجهد الإجمالي أقل من (5 ٪)، وهذا يشمل الانخفاض بسبب طول السلك.

سبب انخفاض الجهد بسبب طول السلك ليس مشكلة كبيرة؛ لأنه لا يسبب ارتفاع درجة حرارة السلك إذا كان السلك طويلاً، لكن لا يزال الحجم الصحيح، فسيكون لديه مقاومة أعلى مما سيؤدي إلى انخفاض أكبر في الجهد، ولكن نظراً لانتشار المقاومة عبر السلك بأكمله، فلن تحصل على أي سخونة في مكان واحد مثل الاتصال الضعيف.

والنتيجة ستؤدي إلى انخفاض التيار الكهربائي وربما ضعف أداء الجهاز ولكنها لن تؤدي إلى حالة خطيرة في الموصل.

غالباً ما نكون مسؤولين عن زيادة حجم الموصلات؛ وذلك لمنع انخفاض الجهد من أجل النظام، ولكن ليس لأننا مطالبون بالقيام بذلك، وهذا يعني أنه عندما تكون أطوال الأسلاك طويلة، نحتاج إلى اهتمام خاص لانخفاض الجهد تحت الحمل، وخاصة في بيئات البناء الجديدة.