هبوط الجهد (نقص الفولتية) في الشبكات الكهربائية Voltage Drop

هبوط الجهد في الشبكات الكهربائية يقصد به انخفاض في الطاقة الكهربائية المحملة في الشحنة والتي اكتسبتها من المولد الكهربائي نتيجة قيامها بشغل اللازم لمرورها في موصل كهربائي ما، تفقد الشحنة هذه الطاقة نتيجة لمقاومية المادة التي صنع منه الموصل والتي تقوم باستهلاك هذه الطاقة التي اكتسبتها الشحنة وبعثها على شكل حرارة وبما أن مقاومية المواد تختلف فكذلك قيمة هبوط الجهد تختلف من موصل لآخر وتعتمد قيمة هبوط على عنصرين :

  • العنصر الأول مقاومية الموصل فكلما زادت خاصية المقاومة في الموصل واشتدت معاكسته للتيار كان الفقد أكبر مما لو كانت المادة ذات موصلية كبيرة ولذلك يستخدم الألمونيوم والنحاس في الداوائر الكهربية بسبب موصليتهم العالية وانخفاض معاكستهم للتيار بسبب انخفاض قيم مقاوميتهم.
  • العنصر الثاني هو عدد الشحنات المارة في الموصل (الأمبير) فكلما زاد عدد الشحنات زاد الفقد والانتقاص من الطاقة المكتسبة ولذلك في محطات القدرة يتم استعمال محولات كهربائية تقوم برفع الجهد وخفض التيار في خط النقل ليكون بالإمكان نقله إلى مسافات بعيدة جدا دون أن يعاني هبوطا كبير في الجهد وبهذه الطريقة يمكن تقليل الفقد حتى 100 مرة مما لو كان ينقل على مستوى الخرج من محطة القدرة أي من دون استعمال محولات تخفض قيمة التيار.

هبوط الجهد (هبوط الفولطيةVoltage Drop) وحسابات الأحمال

مع مثال
ماذا يعني هبوط الجهد (هبوط الفولطية)؟

What Is Voltage Drop?
هبوط الفولطية عنصر مهم لاعتباره والاهتمام به عند اختيار الأسلاك الكهربائية.
يكون اختيار حجم مقطع السلك على أساس مساحة مقطع السلك ويكون ذلك بالمليمتر المربع حسب المعايير الأوربية الـ IEC, أو يكون حساب حجم مقطع السلك الكهربائي على أساس المقياس (AWG) حسب المعايير الأمريكية, وفي الأسلاك الطويلة (للمسافات البعيدة) يكون لاعتبار هبوط الفولطية أهمية خاصة, حيث كلما زاد طول السلك أو الكابل كلما أنخفض الجهد أو (الفولطية) في الدائرة الكهربائية, وكذلك كلما صغرت مساحة مقطع السلك أو زاد التيار الكهربائي بالدائرة الكهربائية.
لذا يجب الاهتمام بهذا الأمر وحسابه واختيار مقطع السلك المناسب لتأمين الفولطية الصحيحة والمناسبة لتشغيل الجهاز أو المعدة المراد توصيلها بالطاقة الكهربائية.
عند عملية اختيار حجم السلك لدائرة كهربائية معينة, هناك معيار مشترك يستعمل لتقرير نوع وحجم السلك اللازم في أغلب الأحيان يعتمد على Ampacity وهذا يشير إلى التيار الأعظم الذي يمكن للموصل (السلك) أن يحمله (أي أن يمر به).
في بعض الحالات يكون إختيار لحجم السلك أكبر من مطلوب لـ Ampacity ضروري.
تحدث عادة هذه الحالات في الأسلاك الكهربائية الطويلة عندما / تسبب هبوط فولطية مفرط, عندها يكون حجم سلك أكبر ضروري لحمل التيار المار, ويصبح عامل هبوط الفولطية هو الحاكم عندما يكون هناك استخدام لأسلاك طويلة.
فالفولطية الكلية المفقودة بين نقطة التجهيز الكهربائي والجهاز أو المعدة الكهربائية ستكون كبيرة ومؤثرة أن كانت المسافة بينهما طويلة وعندما تكون المسافة بينهما قصيرة كما هو الحال في البنايات السكنية فأن هبوط الفولطية يكون في الأحمال الأعتيادبة قليل (ولكن أن كان الحمل جهاز تكييف مثلا فيجب مراعاة ذلك كونها تسحب تيار كهربائي عالي قد يسبب هبوط بالفولطية, لذا لا يمكن ربط هكذا أجهزة على المآخذ الكهربائية الاعتيادية وتكون تغذيتها بتأسيس ومأخذ خاص بها حيث يستخدم لها أسلاك ذات مقطع أكبر 4 – 6 ملم2 مثلا).
حسب معيار (NEC (National Electric Code) ) الأمريكية الذي يوصي بأنّ الحدّ الأعلى لهبوط الفولطية على دائرة الفرعية يجب أن لا يتجاوز 3 %.
في الظروف المثالية يجب الكشف على هبوط فولطية كخطوة أولية حكيمة لأن الفولطية المنخفضة لها العديد من النتائج السلبية والضارة على الأجهزة الكهربائية وعمرها التشغيلي.
[هناك طريقة أخرى يتم فيها حساب هبوط الفولطية في السلك الكهربائي من خلال المعادلة التالية :
الهبوط في الجهدI = DVشدة التيار بالأمبير * 2Lضعف المسافة من لوحة التوزيع للجهاز الكهربائي
ثم يقسم الناتج على Aمساحة مقطع السلك * nموصلية الكهرباء ( DV=I*2L/A*n )
n :موصلة الكهرباء للسلك النحاسي = 57
(Aمساحة مقطع السلك حسب مقطع السلك المستخدم مابين لوحة التوزيع والجهاز(
الهبوط في الجهد الآمن عموما بيكون في الحدود التالية:
لتركيبات الإضاءة المسموح حتى 2%
للأجهزة والمكائن المسموح حتى 4 %]
وهناك طريقه أخرى أكثر استخداما ---- مع مثال شامل ومفيد في حساب الأحمال

ملاحظه مهمه:

*لحساب الPOWER :
- هناك استطاعه حقيقيه (P) وتقدر بالواط أو الكيلوواط (KW)
وتحسب من العلاقه : ( 3*V*I*cos@√P= )
V:التوتر(الفولتيه) , I:التيار , cos@:عامل الاستطاعه
- و هناك استطاعه ظاهريه (S) وتقدر بالفولت أمبير أو بالكيلو فولط أمبير(KVA)
وتحسب من العلاقه : (3 V*I √S= ) وبالتالي يكون : P=S*cos@
وهذا يفيد أيضا في تحويل وحدات القياس أي : KW=KVA*cos@ مهمه
اختيار الكبل الرئيسي وحساب هبوط الجهد عليه
1- يجب معرفة التيار الكلي وذلك من خلال الحمل الكلي من العلاقه:
(w)P=√3*V*I*cos@ =S*cos@ => I=P/√3*V*cos@ = (v.A)S/√3*V
ملاحظه: في ظروف خاصه يجب أعتبارها لأنها تؤثر في حساب التيار مثل:
* - اذا كان الكبل مكشوفا أو في منطقه حرارتها عاليه جدا يجب أخذ الحراره بعين الاعتبار: فنطبق معامل تصحيح درجة الحراره
(على اعتبار درجة الحراره تكون40)وهو=087 ونعدل على حساب التيارالسابق:
التيار الجديد بعد التعديلI1=I/0.87
*- أما اذا كان الكبل ممدود داخل ماسوره تحت الأرض مع كوابل أخرى , عندئذ نطبق عليه معامل تصحيح الكابلات المتعددة الأقطاب وهويعادل 0.8 ليصبح التيار بعد التصحيح الأخير:
I2=I1/0.8=I/0.87*0.8
2- بعد معرفة التيار الكلي النهائي,
بالرجوع الى جداول تحميل الكابلات نجد الكبل المناسب.
3- نحسب هبوط الجهد لهذا الكبل المختار ويجب أن تكون ضمن النسبه المسموح بها وهي تقريبا (3%) بالنسبه للجهد الكلي max
*- حساب هبوط الجهد
أ – من الجداول بالنسبه للكبل المحدد سابقا يمكن معرفة هبوط الجهد للكبل لكل متر ومقاسه بواحده (ميلي فولت/أمبير/متر)
ب - ونحسب الهبوط كما يلي :
النسبه لكل متر(من الجدول كما في-أ)*التيار الكلي *المسافه (طول الكبل) = (...)ميلي فولت (dv=نقسمها على1000لنحصل على النتيجه بالفولت(
DV%=dv*100/V
ج – حساب نسبة هبوط الجهد الى الجهد الكلي =
حيث أن : (V)هي التوتر(الجهد) الكلي أي240 فولت أو220بحسب الجهد المستخدم في المكان
الناتجه يجب أن تكون أقل من النسبه المسموح بها(3%)DV
اختيار القاطع
لاختار القاطع المناسب
التيار الكلي * 1.25 = (نأخذ القيمه القريبه الدنيا) أمبير
واذا كان من المتوقع أوهناك احتمال وجود أحمال مستقبلية نختار قاطع بسعة أكبر( أمبير أعلى)
مثال مهم ومفيد:
حساب الحمل الكهربي لوحدة سكنية (فيلا) مكونة من دور ارضي (150م) ودور علوي (80م)
نفس الملاحظه للتذكير - ملاحظه مهمه:
*لحساب الPOWER :
- هناك استطاعه حقيقيه (P) وتقدر بالواط أو الكيلوواط (KW)
وتحسب من العلاقه : ( 3*V*I*cos@√P= )
V:التوتر(الفولتيه) , I:التيار , cos@:عامل الاستطاعه
- و هناك استطاعه ظاهريه (S) وتقدر بالكيلو فولط أمبير(KVA)
وتحسب من العلاقه : (3 V*I √S= ) وبالتالي يكون : P=S*cos@
وهذا يفيد أيضا فيتحويل وحدات القياس أي : KW=KVA*cos@ مهمه
1- حساب حمل الدور الأرضي:-
1-1حمل الإنارة العام والمخارج الكهربية:-
تقدر استطاعة الإنارة العامة بـ 33 فولت أمبير لكل متر مربع NEC Table 220-42 و حيث ان مساحة الدور الارضى 150 متر مربع .
الاستطاعة هى 33*150 = 4950 فولت أمبير
يتم اعتبار جهازين صغيرين استطاعة الجهاز 1500 فولت أمبير و ذلك طبقا لـNEC article 210- 11(c)ـ220-25
إذا 2 * 1500 = 3000 فولت أمبير
غسالة الملابس تم احتساب حملها مع الدور الأول (الملحق)
- مجموع أحمال الإنارة العامة و المخارج هو4950+3000 =7950 فولت أمبير
وبتطبيق معامل الطلب حيث أن الأحمال السابقة لا تتزامن في وقت واحد وطبقا لـ NEC Table 220-42 يكون أول 3000 فولت أمبير بمعامل طلب 100% ومن 3001 حتى 12000 فولت أمبير بمعامل طلب 35%
3000+(7950-3000)*35% =4700 فولت أمبير
2-1 حساب أحمال التكيف:-
وحيث انه تم الاكتفاء بجهاز التكييف للعمل كتكييف وتدفئة فأن الحسابات سوف تخلو من حسابات أجهزة التدفئة و سوف نكتفي فى الحسابات على جهاز التكيف (بارد-حار) و بالرجوع الى كتالوجات المصنع فإن أحمال التكييف فى حالة التشغيل البارد تكون أعلى منها فى حالة التشغيل الحار لذلك سوف يؤخذ فى الاعتبار الحمل الأعلى طبقاً ل (NEC Article 220-15 , 220-21 اعتبر أن حمل أجهزة التكييف تستهلك بنسبة 100% أى أن معامل الطلب لها هو 100% .
بالدور الأرضي يوجد لدينا عدد 3 أجهزة 18 ألف وحدة تبريد BTU/H بقدرة 2500 وات عدد واحد جهاز 24 ألف وحدة تبريد BTU/H بقدرة 3000 وات.
حمل الجهاز 2500 وات = 2500 / 0.85 = 2941 ≈ 3000 فولت أمبير.
حمل الجهاز 3000 وات = 3000 / 0.85 = 3500 فولت أمبير.
مجموع الأحمال = 3*3000 + 3500 = 12500 فولت أمبير وبمعامل طلب 100%.
3-1 حساب الأجهزة المتنوعة:-
- أجهزة السخان الكهربي:-
يوجد عدد 3 أجهزة استطاعة الجهاز الواحد 1500 وات
3*1500 = 4500 وات = 4500 فولت أمبير
- مضخة مياه بقدرة 1500 وات :-
استطاعة المضخة الظاهرية = 0.85 / 1500 = 1760 فولت أمبير
- إجمالي الأحمال = 4500 + 1760 = 6260 فولت أمبير
ولعدد أربع أجهزة أو أكثر طبقاً ل (NEC Article 220-53) يطبق معامل طلب 75% على إجمالي الأحمال
6260 * 0.75 = 4700 فولت أمبير
4-1 معدات الطبخ الكهربية:-
- جهاز فرن كهربائي بقدرة 4000 وات :-
طبقاً لـ (NEC Table 220-55 Column "B") وحيث أن عدد الأجهزة واحد فقط يطبق معامل طلب 80%
4000*0.80 = 3200 وات (3200 فولت أمبير)
مجموع أحمـــال الدور الأرضــي
4700+4700+12500+3200= 25100 فولت أمبير
حساب التيار الكلى
220 *3√/ 25100= 65.95 أمبيــر
اختيار القاطع
لاختار القاطع المناسب 66 * 1.25 = 82.5 أمبير
نختار قاطع 100 أمبير
2- حساب حمل الدور الأول:
2-1 حمل الإنارة العام والمخارج الكهربية:-
تقدر استطاعة الإنارة العامة بـ 33 فولت أمبير لكل متر مربع table 220-42 NEC و حيث أن مساحة الدور الأول 80 متر مربع .
الاستطاعة هي 33*80 = 2640 فولت أمبير
يتم اعتبار جهازين صغيرين استطاعة الجهاز 1500 فولت أمبير
طبقا لـNEC article 210-11(c) ,220-25
2*1500 =3000 فولت أمبير
- غسالة الملابس باستطاعه 1500فولت أمبير
طبقا لـ (NEC Article <220-52"B" >)
مجموع الأحمال الكلية هو 2640+3000+1500=7140 فولت أمبير
وبتطبيق معامل الطلب حيث أن الأحمال السابقة لا تتزامن في وقت واحد
وطبقا لـ table 220-42 يكون أول 3000 فولت أمبير بمعامل طلب 100% ومن 3001 حتى 12000 فولت أمبير بمعامل طلب 35%
3000*100%+(7140-3000)*35% =4450 فولت أمبير
2-2 حساب أحمال التكيف:-
وحيث انه تم الاكتفاء بجهاز التكييف للعمل كتكييف وتدفئة فأن الحسابات سوف تخلو من حسابات أجهزة التدفئة و سوف نكتفي في الحسابات على جهاز التكيف (بارد-حار) و بالرجوع إلى كتالوجات المصنع فإن أحمال التكييف في حالة التشغيل البارد تكون أعلى منها في حالة التشغيل الحار لذلك سوف يؤخذ في الاعتبار الحمل الأعلى طبقاً لـ (NEC Article <220-1 , 220-21>) اعتبر أن حمل أجهزة التكييف تستهلك بنسبة 100% أي أن معامل الطلب لها هو 100% .
بالدور الأول يوجد لدينا عدد 1 جهاز 18 ألف وحدة تبريد BTU/H بقدرة 2500 وات عدد واحد جهاز 24 ألف وحدة تبريد BTU/H بقدرة 3000 وات.
حمل الجهاز 2500 وات = 0.85 / 2500 = 2941 ≈ 3000 فولت أمبير.
حمل الجهاز 3000 وات = 0.85 / 3000 = 3500 فولت أمبير.
مجموع الأحمال= 1*3000+ 3500 = 650 فولت أمبير وبمعامل طلب 100%.
3-2 حساب الأجهزة المتنوعة:-
- أجهزة السخان الكهربي:-
يوجد عدد 2 أجهزة استطاعة الجهاز الواحد 1500 وات
2*1500 = 3000 وات = 3000 فولت أمبير وبمعامل طلب 100%.
4-2 منشفة الملابس (Cloth Drier):-
طبقاً لـ (NEC Table <220-54 >) لعدد واحد منشفة ملابس يطبق معامل طلب 100% طبقا للجدول وحيث أنه يوجد جهاز منشفة واحدة بقدرة 3000 وات فإنه بعد تطبيق معامل الطلب يصبح الحمل3000 فولت أمبير
مجموع أحمـــال الدور الأول
4450+6500+3000+3000= 16950 فولت أمبير
حساب التيار الكلى
220 *3√/ 16950= 44.50 أمبيــر
اختيار القاطع
لاختار القاطع المناسب
45 * 1.25 = 56 أمبير ونظرا لاحتمال وجود أحمال مستقبلية نختار قاطع بسعة 100 أمبير
اختيار موصل التغذية
الموصل المناسب المطلوب لتحمل تيار الدور الارضى و الدور الأول من مكان التغذية بالسور الخارجي وحتى صندوق التوزيع بالدور الارضى يكون كالتالي .
التيار الكلى هو 66 + 45 = 111 أمبير
بتطبيق معاملات التصحيح
معامل تصحيح درجة الحرارة على اعتبار أن درجة الحرارة تكون 40 درجة وهو 0.87 تصبح قيمة التيار 128 أمبير
وحيث ان الكابل الرئيسى سوف يتم تمديدة داخل ماسورة تحت سطح الارض وبتطبيق معامل تصحيح تجميع الكابلات للكابلات متعددة الاقطاب وهو 0.8 يصبح التيار بعد التصحيح 160 امبير .
وبالرجوع الى جداول تحميل الكابلات نجد ان الكابل المناسب 4 * 50 + 25 مم2 من النحاس من النوع XLPE
حساب هبوط الجهد
بالرجوع الى جداول تحميل الكابلات نجد ان قيمة هبوط الجهد للكابل المختار هى 0.87 ملى فولت / امبير / متر
قيمة هبوط الجهد
0.87 * 111 * 18 = 1738 ملى فولت اى 1.73 فولت
نسبة هبوط الجهد الى الجهد الكلى
220/1,73 *100 = 0,78 %
وهى اقل من 3% وه النسبة المسموح بها

أرجو الفائده للجميع -- كما أرجو الدعاء .

تفاصيل المقالة