تاثیر افزایش مقاومت الکتریکی ناشی از انتخاب نامناسب سیم و کابل بر مصرف برق
انتخاب مناسب سطح مقطع سیم یا کابل برای بارهای خانگی و صنعتی امری ضروری و مهم است. با انتخاب سیم یا کابل، مقاومت واحد طول هادی که جریان الکتریکی از آن عبور می‌کند مشخص می‌شود. مقاومت واحد طول نامناسب به دو دلیل اتفاق می‌افتد. یکی به خاطر انتخاب نامناسب سطح مقطع و دیگری استفاده از سیم و کابل غیر استاندارد که تاثیرات منفی آن بر مشترک و شبکه برق بررسی شده است.
بارهای خانگی و صنعتی از طریق سیم یا کابل (هادی) به منبع الکتریکی متصل و تغذیه می‌شوند. مهم‌ترین و عمومی‌ترین فاکتور در انتخاب سیم و کابل برای بارهای خانگی و صنعتی، سطح مقطع آن است و با انتخاب سطح مقطع مناسب، می‌توان شرایط بهینه کارکرد بار و شبکه را تامین کرد.
۱- مفاهیم اولیه
با توجه به عبور جریان I از هادی با مقاومت R، دو پیده نامناسب افت ولتاژ (V=RI) و تلفات الکتریکی (P=RI2) نمایان می‌شوند. به عنوان مثال در یک مسیر با مقاومت ۳ اهم در صورت استفاده از باری با جریان ۱۰ آمپر، ۳۰ ولت در مسیر افت ولتاژ و ۳۰۰ وات تلفات رخ خواهد داد. حال اگر با استافده از کابل یا سیم مناسب، مقاومت به ۲ اهم کاهش یابد، افت ولتاژ و تلفات به ۲۰ ولد و ۲۰۰ وات کاهش خواهد یافت. به روشنی دیده می‌شود که میزان افت ولتاژ و میزان تلفات مسیر، با اندازه مقاومت رابطه مستقیم دارد. اما مزایای کاهش مقاوت مسیر، تنها به این موضوع ختم نشده و می‌تواند از مشکلات عدیده‌ای جلوگیری نماید. قبل از آنکه به دسته‌بندی‌های بارهای خانگی و صنعتی و تاثیر این افت ولتاژ بر روی آن‌ّا پرداخته شود، دو نکته قابل ذکر است:
- در بخش بزرگی از مصرف‌کننده‌های الکتریکی (موتورها) با وقوع افت ولتاژ و کاهش ولتاژ مصرف‌کننده، مصرف‌کننده جریان مورد نیاز خود را افزایش می‌دهد و در نتیجه باز هم افت ولتاژ روی مسیر بیشتر خواهد شد و ولتاژی که به مصرف کننده می‌رسد باز هم کاهش می‌یابد و این پسخورد افزایشی ادامه می‌یابد و نتایج منفی آن بیشتر نمایان خواهد شد.
- پسخورد افزایشی دیگری که مشکل را تشدید می‌نماید، اثر تلفات است. تلفات الکتریکی رخ داده بر روی مسیر، خود را به صورت گرما نشان می‌دهد و گرما باعث افزایش دمای هادی گردیده و چون هادی‌ها از جنس فلزات با ضریب دمایی مقاومت ویژه مثبت می‌باشند (ضریب دمایی مقاومت ویژه دو فلز رایج در ساخت کابل و سیم یعنی مس و آلومینیوم در ناحیه خطی آن ۰.۰۰۳۹ می‌باشد) با افزایش دما، مقاومت بیشتری از خود نشان می‌دهند در نتیجه با افزایش مقاومت باز هم تلفات بیشتر شده و این پسخورد افزایشی به طور مداوم خود را تشدید می‌نماید.
۲- انواع بارهای الکتریکی و تاثیر افت ولتاژ بر روی آن
در صورتی که ولتاژ از مقادیر نامی کاهش قابل ملاحظه داشته باشد، مشکلات و اختلالاتی در کار دستگاه‌ها به وجود می‌آید. این اختلالات بسته به نوع بار متفاومت خواهند بود.
۱-۲- بارهای روشنایی
در لامپ رشته‌ای افت ولتاژ به اندازه ۵ درصد، توان خروجی را ۱۶ درصد کاهش می‌دخد و کاهش ولتاژ به اندازه ۱۰ درصد، میزان نور را ۳۰ درصد کاهش می‌دهد. دلیل این امر این است که با کاهش ولتاژ درجه حرارت کار لامپ شدیدا کاهش می‌یابد و نور تولید شده، بستگی به درجه حرارت کار لامپ دارد. با توجه به نکات فوق، روشن است که در برق رسانی باید سعی شود از کاهش قابل ملاحظه ولتاژ جلوگیری به عمل آید. البته افت ولتاژ را نمی‌توان به طور کامل از بین برد و لذا مقررات حداکثر افت ولتاژ مجاز را معین کرده‌اند. این افت ولتاژ در مورد مدارهای روشنایی ۴ درصد و در مورد مدارهای تغذیه موتورها ۶ درصد است. معمولا نیمی از این افت ولتاژ را به شبکه توزیع (از پست توزیع با انشعاب اصلی خانه یا کارخانه) و نیم دیگر را به سیم کشی داخلی اختصاص می‌دهند. به این ترتیب با توجه به کاهش قابل ملاحظه میزان نوردهی لامپ‌ها با افت ولتاژ، مشترک برای داشتن روشنایی مناسب به اجبار باید لامپ‌های با توان مصرفی بالاتر را انتخاب کند.
۲-۲- بارهای موتوری
قسمت اعظم انرژی الکتریکی در مصارف خانگی و صنعتی صرف به حرکت در آوردن موتورهای الکتریکی می‌گردد و عمده‌ی موتورهای الکتریکی صنعتی و موتورهای الکتریکی مورد استفاده در لوازم خانگی از نوع آسنکرون (القایی) هستند.
مطابق استانداردهای جهانی، معمولا موتورهای القایی (بخصوص ۳ فاز) به شکلی طراحی می‌گردند که با افزایش ۱۰ درصد یا کاهش ۱۰ درصد ولتاژ به کار خود ادامه دهند.
در ادامه به بررسی هر یک از این عوامل پرداخته خواهد شد:
- اثر تغییر ولتاژ بر روی گشتاور حداکثر و راه‌اندازی:
کاهش ۱۰ درصدی ولتاژ، منجر به کاهش ۱۹ درصدی گشتاور راه اندازی و گشتاور نامی می‌شود. بنابر این استفاده از هادی نامناسب در تامین انرژی الکتریکی مورد نیاز یک موتور الکتریکی القایی که باعث کاهش ۱۰ درصدی ولتاژ موتور گردد، کاهش گشتاوری دو برابر برای موتور به همراه خواهد داشت. در نتیجه ممکن است در بارهایی که نیاز به گشتاور راه‌اندازی بالا دارند، موتور گشتاور لازم برای راه‌اندازی را نداشته باشد. بنابر این کارایی موتور کاهش شدیدی خواهد داشت.
- اثر تغییر ولتاژ بر روی راندمان:
کاهش ولتاژ منجر به کاهش راندمان موتور خواهد شد. هرچند در تغییرات کم ولتاژ، این کاهش راندمان شدید نخواهد بود. در یک نگاه اجمالی، استفاده از هادی نامناسب در تامین انرژی الکتریکی مورد نیاز یک موتور الکتریکی القایی باعث کاهش کم بهره‌وری موتور خواهد شد. به عبارت دیگر برای انجام همان کار قبلی نیاز به مصرف انرژی الکتریکی بیشتری خواهد بود.
- اثر تغییر ولتاژ بر روی جریان راه‌اندازی و ضریب توان:
کاهش ولتاژ منجر به کاهش جریان راه‌اندازی و افزایش ضریب توان خواهد شد که این دو مورد جزو معدود مزایای کاهش ولتاژ موتور می‌باشد و در مقابل مشکلات فراوانی که بوجود می‌آورد از اهمیت قابل توجهی برخوردار نیست
- اثر تغییر ولتاژ بر روی جریان:
از مهن‌ترین مشکلاتی که کاهش ولتاژ بوجود خواهد آورد، افزایش جریان است. کاهش ولتاژ منجر به افزایش جریان موتور خواهد شد. برای درک بهتر مساله دقت کنید که هنگامی که موتور به یک بار متصل است باید توان مورد نیاز برای چرخش بار را تامین نماید. توان ورودی از حاصل‌ضرب ولتاژ در جریان بدست می‌آید. حال اگر ولتاژ موتور کاهش یابد، جریان آن افزایش خواهد یافت تا بتواند همان توان یا مقداری نزدیک به آن را تامین نماید. افزایش جریان نسبت به مقدار نامی، مشکلاتی در پی خواهد داشت:
- افت ولتاژ ۱۰ درصدی نسبت به مقدار نامی، افزاش جریان بین ۱۰ تا ۱۲ درصدی کشیده شده از شبکه را در پی خواهد داشت. این جریان از فیوزهای مسیر و سیم و کابل‌ها عبور می‌کند که باعث افزایش تلفات بر روی آن‌ها و یا قطع کردن سیستم حفاظتی اضافه جریان خواهد شد.
- افزایش یافتن جریان موتور از مقدار نامی، منجر به افزایش دمای سیم‌پیچی موتور می‌شود. به طور متوسط به ازای هر ۱۰ درجه سانتیگراد افزایش دمای موتور، عمر مفید عایق‌بندی آن و در نتیجه عمر موتور برای کلاس‌های عایقی مرسوم مانند H, B, A و F، نصف می‌شود. کاهش ۱۰ درصدی ولتاژ منجر به افزایش ۶ تا ۲۳ درصدی دما خواهد شد. یعنی در صورت کارکرد موتور در دمای ۵۰ درجه سانتیگراد و افزایش دمای ۲۰ درصدی، دمای کار موتور به ۶۰ درجه افزایش یافته و عمر مفید موتور ۵۰ درصد کاهش می‌یابد.
در یک نگاه اجمالی، استفاده از هادی نامناسب در تامین انرژی الکتریکی مورد نیاز یک موتور الکتریکی القایی، باعث کاهش عمر مفید موتور به طور کاملا محسوس و افزایش تلفات و حتی قطع کردن سیستم حفاظتی می‌شود.
- اثر تغییر ولتاژ بر روی سرعت نامی:
دیگر نتیجه کاهش ولتاژ، کاهش سرعت بار کامل است. هرچند این مقدار ناچیز است، ولی در موتورهایی که سیستم خنک کننده آن‌ها، فن روی موتور است، راندمان خنک کنندگی فن کاهش و در نتیجه دمای موتور بیشتر افزایش می‌یابد.
منابع:
ماهنامه فناوری برتر ۲ - سال اول - شماره ۲
مهندسی تاسیسات الکتریک، دکتر حسن کلهر
ماشین‌های الکتریک، دکتر پ.س. سن، ترجمه دکتر مهرداد عابدی و مهندس محمد تقی نبوی