محاسبه افت ولتاژ در ساختمان: مثال‌ها و توضیحات

افت ولتاژ زمانی رخ می‌دهد که جریان در مقاومت هادی و اتصالات مسیر عبور می‌کند و بخشی از ولتاژ منبع تا مصرف‌کننده کم می‌شود. در مسیر کوتاه ممکن است این مقدار ناچیز باشد، اما طول زیاد، جریان بالا، سطح مقطع کم یا اتصال ضعیف می‌تواند آن را به مسئله‌ای واقعی تبدیل کند.

برای محاسبه‌ی افت ولتاژ در ساختمان، فقط طول کابل را از روی نقشه نخوانید. مسیر رفت و برگشت، نوع مدار، جریان کاری، جنس هادی، دمای هادی و مقاومت اتصالات باید مشخص باشد. انتخاب کابل با نگاه‌کردن به یک جدول عمومی، بدون این اطلاعات، نتیجه‌ی قابل اتکایی نمی‌دهد.

فرمول ساده‌ی افت ولتاژ

برای یک مدار تک‌فاز دو سیمه، رابطه‌ی ساده‌ی زیر برای برآورد اولیه به کار می‌رود:

افت ولتاژ = ۲ × طول یک‌طرفه × جریان × مقاومت هادی در واحد طول

ضریب ۲ به این دلیل است که جریان مسیر رفت و برگشت را طی می‌کند. در مدار سه‌فاز، رابطه‌ی متناسب با ریشه‌ی سه و مشخصات مدار استفاده می‌شود. اگر مقاومت هادی در دمای کار، طول و جریان با واحدهای سازگار وارد نشوند، نتیجه‌ی محاسبه اشتباه خواهد بود.

مثال محاسباتی

فرض کنید یک مدار تک‌فاز ۳۰ متر طول یک‌طرفه دارد، جریان آن ۱۰ آمپر است و مقاومت هادی در شرایط فرضی ۰٫۰۰۸ اهم بر متر در نظر گرفته شده است:

۲ × ۳۰ × ۱۰ × ۰٫۰۰۸ = ۴٫۸ ولت

در شبکه‌ی ۲۳۰ ولت، این مقدار حدود ۲٫۱ درصد است. عدد بالا فقط یک مثال برای نشان‌دادن روش محاسبه است؛ مقاومت واقعی به جنس، سطح مقطع، دمای کار و ساختار هادی وابسته است. در مسیرهای طولانی، مقدار واقعی باید از جدول معتبر هادی یا داده‌ی سازنده و شرایط نصب استخراج شود.

چه زمانی افت ولتاژ محسوس می‌شود؟

افت ولتاژ در همه‌ی مصرف‌کننده‌ها به یک شکل دیده نمی‌شود. چراغ ممکن است کم‌نورتر شود، موتور در راه‌اندازی سخت‌تر کار کند، یا تجهیز الکترونیکی با ناپایداری مواجه شود. در بعضی بارها افت ولتاژ فقط در زمان روشن‌شدن یا افزایش بار دیده می‌شود و اندازه‌گیری در حالت بی‌باری آن را نشان نمی‌دهد.

طول زیاد، جریان بالا و سیم باریک سه عامل شناخته‌شده‌اند، اما اتصالات شل، ترمینال نامتناسب و اکسیدشدگی هم مقاومت موضعی ایجاد می‌کنند. اگر فقط سطح مقطع را افزایش دهید و اتصال معیوب را بررسی نکنید، ممکن است مشکل باقی بماند.

مراحل محاسبه برای یک پروژه‌ی واقعی

1. نوع مدار را مشخص کنید: روشنایی، پریز، موتور، پمپ یا بار الکترونیکی.
2. توان یا جریان واقعی بار و در صورت وجود جریان راه‌اندازی را ثبت کنید.
3. طول یک‌طرفه‌ی مسیر را از تابلو تا مصرف‌کننده اندازه بگیرید.
4. جنس، سطح مقطع و مقاومت هادی را از مشخصات معتبر محصول بردارید.
5. مقاومت اتصالات، دمای کار و روش نصب را در کنترل نهایی لحاظ کنید.
6. افت ولتاژ را به‌صورت ولت و درصد ولتاژ نامی گزارش کنید.
7. اگر نتیجه مناسب نبود، سطح مقطع، مسیر، تقسیم مدار یا محل تابلو را بازبینی کنید.

در مدارهای طولانی ممکن است یک راه‌حل فقط بزرگ‌ترکردن سیم نباشد. نزدیک‌ترکردن تابلو، تقسیم بار به چند مدار، کاهش جریان هر مسیر یا اصلاح اتصال‌ها گاهی اثر بیشتری دارد. هر تصمیم باید با محدودیت‌های اجرایی و حفاظت مدار هماهنگ شود.

رابطه‌ی افت ولتاژ با انتخاب سیم

ظرفیت حرارتی سیم و افت ولتاژ دو بررسی جدا هستند. سیم ممکن است از نظر حرارتی برای جریان مدار کافی باشد، اما در طول زیاد افت ولتاژ آن از حد قابل قبول پروژه عبور کند. برعکس، افزایش سطح مقطع بدون انتخاب حفاظت مناسب نیز طرح را کامل نمی‌کند.

برای انتخاب اولیه، دسته‌ی سیم و کابل را بر اساس کاربرد و مشخصات فنی بررسی کنید. در صورت نیاز به سیم افشان، محصولات سیم افشان را با طول و سطح مقطع واقعی پروژه تطبیق دهید. هیچ محصولی صرفاً به‌دلیل بزرگ‌تر بودن سطح مقطع، برای هر مسیر و هر بار مناسب نیست.

اندازه‌گیری پس از اجرا

محاسبه پیش از اجرا لازم است، اما کنترل نهایی با اندازه‌گیری در شرایط کاری انجام می‌شود. ولتاژ را در تابلو و در نقطه‌ی مصرف، هنگام بار واقعی، ثبت کنید. اختلاف این دو مقدار را با مقدار محاسبه‌شده مقایسه کنید. اگر اختلاف غیرعادی است، مسیر اتصال‌ها و داده‌های ورودی دوباره بررسی شوند.

اندازه‌گیری باید توسط فردی انجام شود که با کار در تابلو و ابزار اندازه‌گیری ایمن آشناست. بازکردن تابلو، لمس ترمینال یا آزمون روی مدار برقدار بدون تجهیزات و صلاحیت کافی خطر برق‌گرفتگی دارد.

اشتباه‌های رایج

• استفاده از طول یک‌طرفه در فرمول تک‌فاز و فراموش‌کردن مسیر برگشت.
• استفاده از مقاومت سیم در دمای نامعلوم برای یک مسیر گرم.
• محاسبه‌ی بار فقط با توان نامی و نادیده‌گرفتن جریان راه‌اندازی موتور.
• بی‌توجهی به ترمینال، دوشاخه، جعبه‌تقسیم و اتصال‌های مسیر.
• افزایش فیوز برای جبران کم‌شدن ولتاژ.
• اعتماد به اندازه‌ی ظاهری کابل به‌جای سطح مقطع و مشخصات تولیدکننده.

استاندارد IEC 60364-5-52 انتخاب و اجرای سیستم‌های سیم‌کشی و موضوع افت ولتاژ را در چارچوب طراحی نصب بررسی می‌کند. مقدار مجاز باید با استاندارد و مشخصات پروژه تعیین شود؛ این مثال جایگزین محاسبه‌ی مهندسی نیست.

تفاوت مدار تک‌فاز و سه‌فاز

در مدار تک‌فاز، مسیر رفت و برگشت در فرمول نقش مستقیم دارد. در مدار سه‌فاز، جریان بین فازها توزیع می‌شود و رابطه‌ی محاسبه به آرایش بار و ضریب مربوط به سیستم وابسته است. استفاده از فرمول تک‌فاز برای یک موتور سه‌فاز یا بار نامتعادل، نتیجه‌ی درستی نمی‌دهد.

برای مدارهای سه‌فاز، توان، ضریب توان، ولتاژ خط، نوع بار و تعادل فازها باید ثبت شود. اگر یک فاز بسیار بیشتر از دو فاز دیگر بار داشته باشد، علاوه بر افت ولتاژ، گرم‌شدن هادی نول و نامتعادل‌شدن سیستم هم باید بررسی شود.

اثر دما و جنس هادی

مقاومت هادی با دما تغییر می‌کند. عددی که برای سیم در دمای مرجع خوانده می‌شود، الزاماً همان عدد در کانال گرم یا سقف بسته نیست. مس و آلومینیوم نیز مقاومت و روش اتصال متفاوتی دارند. داده‌ی مقاومت باید از جدول معتبر یا برگه‌ی سازنده و مطابق شرایط طراحی انتخاب شود.

گرم‌شدن هادی مقاومت را افزایش می‌دهد و افزایش مقاومت می‌تواند افت ولتاژ را بیشتر کند. به همین دلیل، محاسبه‌ی اولیه و بررسی حرارتی نباید کاملاً جدا از هم انجام شوند. اگر کابل در مسیر گرم، کنار منابع حرارت یا زیر عایق قرار می‌گیرد، این شرایط را به طراح اعلام کنید.

راه‌های کاهش افت ولتاژ

• افزایش سطح مقطع پس از کنترل ظرفیت لوله و حفاظت.
• کاهش طول مسیر با جابه‌جایی تابلو یا نقطه‌ی توزیع.
• تقسیم بار و جلوگیری از عبور جریان زیاد در یک مسیر.
• اصلاح ترمینال‌ها، سرسیم‌ها و اتصالات فرسوده.
• انتخاب کابل و تجهیزات متناسب با بار موتور و جریان راه‌اندازی.

راه‌حل مناسب به علت افت بستگی دارد. اگر اتصال شل است، بزرگ‌کردن کابل مشکل اصلی را برطرف نمی‌کند. اگر مسیر بیش از حد طولانی است، فقط پایین‌آوردن فیوز نیز پاسخ نیست. ابتدا اندازه‌گیری و عیب‌یابی، سپس تغییر طراحی انجام شود.

گزارش ساده‌ی محاسبه

برای هر مدار یک برگه‌ی کوتاه تهیه کنید و ولتاژ نامی، نوع مدار، توان یا جریان، طول یک‌طرفه، جنس و سطح مقطع هادی، روش نصب، مقاومت استفاده‌شده، افت بر حسب ولت و درصد را بنویسید. این گزارش باعث می‌شود انتخاب سیم در مرحله‌ی خرید و اجرای بعدی قابل پیگیری باشد.

اگر مقدار واقعی اندازه‌گیری‌شده با محاسبه فاصله‌ی زیادی دارد، ابتدا واحدها، طول مسیر، نقطه‌ی اندازه‌گیری و وضعیت بار را بررسی کنید. سپس سراغ تغییر کابل یا تجهیزات بروید. اختلاف بین محاسبه و اندازه‌گیری معمولاً اطلاعات مفیدی درباره‌ی خطای ورودی یا وضعیت مدار دارد.