در هر سیستم الکتریکی، انتقال انرژی از طریق سیم و کابل انجام میشود. بسیاری از افراد تصور میکنند ولتاژی که در ابتدای کابل وجود دارد، بدون هیچ تغییری به انتهای مسیر میرسد؛ اما در عمل بخشی از ولتاژ در طول مسیر انتقال از دست میرود. به این پدیده «افت ولتاژ» گفته میشود. افت ولتاژ در اثر مقاومت طبیعی سیم و کابل در برابر عبور جریان الکتریکی به وجود میآید. این پدیده باعث کاهش ولتاژ در طول مسیر انتقال شده و میتواند عملکرد تجهیزات الکتریکی را تحت تأثیر قرار داده و بازدهی سیستم را کاهش دهد.
تعریف ولتاژ به زبان ساده
قبل از آن که به افت ولتاژ اشاره کنیم باید بدانید که ولتاژ چیست؟ ولتاژ اختلاف پتانسیل الکتریکی بین دو نقطه است که باعث حرکت جریان الکتریکی در مدار میشود. به زبان سادهتر، ولتاژ نیرویی است که برق را در سیمها به حرکت درمیآورد. اگر ولتاژ وجود نداشته باشد، جریان برق هم حرکت نمیکند. برای درک بهتر، ولتاژ را مانند فشار آب داخل یک لوله در نظر بگیرید؛ هرچه فشار بیشتر باشد، آب با قدرت بیشتری جریان پیدا میکند. در مدارهای الکتریکی نیز هرچه ولتاژ بیشتر باشد، توانایی حرکت دادن جریان برق بیشتر خواهد بود.
افت ولتاژ چیست؟
افت ولتاژ (Voltage Drop) به اختلاف ولتاژ بین ابتدا و انتهای یک مسیر الکتریکی گفته میشود. هنگامی که جریان الکتریکی از یک کابل عبور میکند، مقاومت هادی باعث مصرف بخشی از انرژی الکتریکی شده و در نتیجه ولتاژ در انتهای مسیر کمتر از ولتاژ ابتدای مسیر خواهد بود. به زبان ساده، اگر در ابتدای کابل ولتاژ 220 ولت داشته باشیم و در انتهای کابل 210 ولت اندازهگیری شود، مقدار افت ولتاژ برابر است با: 220 – 210 = 10 ولت
چرا افت ولتاژ رخ میدهد؟
اصلیترین دلیل افت ولتاژ، مقاومت الکتریکی کابل است. هیچ هادی الکتریکی مقاومت صفر ندارد و عبور جریان از آن همواره باعث اتلاف بخشی از انرژی میشود. عوامل مؤثر بر میزان افت ولتاژ عبارتاند از:
طول کابل
هرچه طول کابل بیشتر باشد، مقاومت مسیر افزایش مییابد و افت ولتاژ نیز بیشتر میشود. برای مثال یک کابل 100 متری افت ولتاژ بیشتری نسبت به یک کابل 20 متری خواهد داشت، حتی اگر سطح مقطع و جریان عبوری در هر دو یکسان باشد.
جنس هادی
مقاومت الکتریکی فلزات مختلف با یکدیگر متفاوت است. کابلهای مسی به دلیل مقاومت کمتر، افت ولتاژ پایینتری نسبت به کابلهای آلومینیومی دارند.
اگر تمایل داشتید بیشتر در مورد انواع هادیهای موجود در سیم و کابل، اطلاعات کسب کنید پیشنهاد ما مقاله فلزات مورد استفاده در سیم و کابل برق خواهد بود.
جریان مصرفی
افزایش جریان عبوری از کابل باعث افزایش افت ولتاژ میشود. به عنوان مثال، کابل تغذیه یک موتور 30 آمپری افت ولتاژ بیشتری نسبت به کابل تغذیه یک روشنایی 5 آمپری خواهد داشت.
سطح مقطع کابل
سطح مقطع بیشتر به معنای مقاومت کمتر است. بنابراین کابلهای ضخیمتر افت ولتاژ کمتری نسبت به کابلهای نازک دارند.
دمای محیط
با افزایش دما، مقاومت هادی افزایش پیدا میکند. در نتیجه افت ولتاژ نیز بیشتر خواهد شد. به همین دلیل کابلهایی که در محیطهای گرم نصب میشوند معمولاً افت ولتاژ بیشتری دارند.
افزایش دما در سیم و کابل علل مختلفی دارد که ما در مقاله علت داغ شدن سیم برق چیست؟ به علل آن پرداختهایم.
تفاوت افت ولتاژ در کابل افشان و مفتول
به طور کلی افت ولتاژ در کابلهای افشان و مفتول تفاوتی ندارند اما اگر در هنگام برش کابل افشان، تعدادی از تارهای هادی افشان اسیب ببیند مقاومت هادی کابل افشان افزایش میابد در نتیجه افت ولتاژ کابل نیز افزایش مییابد.
افت ولتاژ چه مشکلاتی ایجاد میکند؟
- کاهش راندمان تجهیزات: دستگاهها با ولتاژ کمتر از مقدار نامی کار میکنند.
- افزایش جریان مصرفی: برخی تجهیزات برای جبران افت ولتاژ جریان بیشتری میکشند.
- کاهش عمر تجهیزات: کارکرد طولانیمدت در ولتاژ نامناسب به قطعات آسیب میزند.
- روشنایی نامناسب: لامپها کمنورتر از حالت عادی خواهند بود.
- داغ شدن کابل: افزایش جریان و تلفات باعث افزایش دمای کابل میشود.
تاثیر افت ولتاژ در انواع تجهیزات
افت ولتاژ در تجهیزات گوناگون تاثیرات متفاوتی دارد:
- در لامپهای رشتهای، وقتی ولتاژ کاهش پیدا میکند، نور خروجی ضعیفتر شده و رنگ آن به سمت قرمزی بیشتر میرود.
- موتورهای الکتریکی در برابر افت ولتاژ واکنش مستقیم نشان میدهند؛ بهطوری که هم توان راهاندازی و هم حداکثر گشتاور آنها کاهش پیدا میکند، چون گشتاور به توان دوم ولتاژ وابسته است.
- لامپهای تخلیه معمولاً در برابر افتهای کوچک ولتاژ مشکلی ندارند، اما اگر این افت زیاد باشد ممکن است به خاموشی آنها منجر شود.
- در تجهیزات الکترونیکی، حتی تغییرات کوچک ولتاژ هم میتواند مشکلساز باشد، به همین دلیل از مدارهای تنظیم و تثبیت ولتاژ در آنها استفاده میشود.
- وسایل الکترومکانیکی مثل کنتاکتورها نیز افت ولتاژ میتواند عملکرد را مختل کند؛ بهطوری که اگر ولتاژ به حدود ۸۵ درصد مقدار نامی برسد، دیگر نمیتوان به عملکرد صحیح آنها اطمینان داشت.
افت ولتاژ مجاز چقدر است؟
مقدار مجاز افت ولتاژ در استانداردهای مختلف متفاوت است اما معمولاً موارد زیر توصیه میشود:
- مدارهای روشنایی: حداکثر 3 درصد
- کل تأسیسات از تابلو اصلی تا مصرفکننده: حداکثر 5 درصد
- تجهیزات حساس: کمتر از 3 درصد
نحوه محاسبه افت ولتاژ
سیستم تکفاز
فرمول تقریبی برای سیستم تکفاز: ΔV = 2 × I × L × R که در آن:
- ΔV = افت ولتاژ
- I = جریان
- L = طول مسیر
- R = مقاومت هادی در هر متر
فرض کنید طول کابل: 30 متر، جریان مصرفی: 20 آمپر و مقاومت کابل: 0.0046 اهم در متر است نحوه محاسبه افت ولتاژ در این مثال برابر است با: 2 × 20 × 30 × 0.0046 = 5.52 ولت
برای درک بهتر هم در ادامه یک جدول با مثالهای متنوعتر آوردهایم تا درک این فرمول راحتتر شود: (توجه داشته باشید که این مقادیر در جدول صرفا در شرایط ایدهآل درست هستند و عوامل مختلفی میتواند روی نتیجه محاسبه تاثیر بگذارد.)
| سطح مقطع کابل مسی | جریان (آمپر) | طول مسیر (متر) | افت ولتاژ تقریبی (ولت) |
|---|---|---|---|
| 1.5 میلیمتر مربع | 10 | 20 | 2.9 |
| 2.5 میلیمتر مربع | 16 | 50 | 6.7 |
| 4 میلیمتر مربع | 25 | 50 | 10.9 |
| 6 میلیمتر مربع | 32 | 50 | 9.9 |
| 10 میلیمتر مربع | 40 | 100 | 13.8 |
سیستم سهفاز
در این نوع شبکهها به دلیل نحوه توزیع جریان بین سه فاز، ضریب 3√ در فرمول وارد میشود: ΔV = √3 × I × L × R
که در آن:
- ΔV = افت ولتاژ (ولت)
- I = جریان عبوری (آمپر)
- L = طول کابل (متر)
- R = مقاومت هادی (اهم بر متر)
- 3√ = 1.732
فرض کنید جریان مصرفی 30 آمپر، طول کابل 50 متر و مقاومت هادی 0.0046 اهم بر متر باشد:
ولت 11.95= 1.732 × 30 × 50 × 0.0046 بنابراین افت ولتاژ در این مدار سهفاز حدود 12 ولت خواهد بود.
نحوه محاسبه درصد افت ولتاژ
درصد افت ولتاژ از رابطه زیر به دست میآید:
درصد افت ولتاژ = (افت ولتاژ ÷ ولتاژ نامی) × 100
به عنوان مثال اگر افت ولتاژ 5.5 ولت در یک شبکه 220 ولتی باشد:
درصد افت ولتاژ = (5.5 ÷ 220) × 100 = 2.5٪
تفاوت افت ولتاژ در کابل مسی و آلومینیومی
کابل مسی هدایت الکتریکی بالاتری دارد و مقاومت آن کمتر است. به همین دلیل در شرایط یکسان، افت ولتاژ در کابل مسی کمتر خواهد بود. در مقابل، کابل آلومینیومی سبکتر و ارزانتر است اما برای دستیابی به افت ولتاژ مشابه معمولاً باید سطح مقطع بزرگتری انتخاب شود.
مهمترین علائم افت ولتاژ در کابل
تشخیص زودهنگام افت ولتاژ میتواند از بروز خسارتهای سنگین جلوگیری کند. برخی از نشانههای رایج عبارتاند از:
- کمنور شدن چراغها
- کاهش قدرت موتورهای الکتریکی
- داغ شدن کابلها
- افزایش مصرف برق
- خاموش شدن مکرر تجهیزات
- افت عملکرد دستگاههای صنعتی
- تأخیر در راهاندازی موتور
استانداردهای مهم افت ولتاژ
استانداردهای معتبر و دقیق که در بحث افت ولتاژ به آنها استناد میشود عبارتاند از:
- IEC 60364 (مهمترین استاندارد جهانی برای تأسیسات برق فشار ضعیف)
- NFPA 70 (NEC) (کد برق آمریکا)
- BS 7671 (استاندارد سیمکشی برق در بریتانیا، معروف به IET Wiring Regulations)
- IEEE Std 141 (راهنمای طراحی و توزیع سیستمهای قدرت)
- EN 50160 (استاندارد کیفیت ولتاژ در شبکههای برق اروپا)
چگونه افت ولتاژ را کاهش دهیم؟
برای کاهش افت ولتاژ در کابلها میتوان از چند روش ساده و کاربردی استفاده کرد:
- استفاده از کابل با سطح مقطع بزرگتر
- کاهش طول مسیر کابلکشی
- استفاده از کابل مسی باکیفیت
- کاهش جریان عبوری از کابل
- استفاده از ولتاژ مناسب برای انتقال برق
- بهکارگیری اتصالات استاندارد و محکم
- بررسی و نگهداری دورهای کابلها
- تعویض کابلهای فرسوده و آسیبدیده
- توزیع مناسب بار بین مدارها
- جلوگیری از گرم شدن بیش از حد کابلها
تجهیزاتی که به جبران افت ولتاژ کمک میکند
برای جبران افت ولتاژ در سیستمهای برق، از چند نوع تجهیز مهم استفاده میشود که هرکدام نقش خاصی دارند و بسته به نوع شبکه (خانگی، صنعتی یا توزیع برق) انتخاب میشوند:
- ترانسفورماتور: ولتاژ برق را افزایش یا کاهش میدهد تا افت ولتاژ در مسیرهای طولانی جبران شود.
- UPS: در زمان قطع یا افت لحظهای برق، برق پایدار و بدون وقفه تأمین میکند و از نوسانات ولتاژ جلوگیری میکند.
- خازنهای اصلاح ضریب توان: با بهبود ضریب توان، جریان مصرفی را کاهش میدهد و باعث کمتر شدن افت ولتاژ در شبکه میشود.
- رگولاتور ولتاژ: ولتاژ خروجی را بهصورت خودکار تنظیم و ثابت میکند تا تغییرات ورودی روی مصرفکننده اثر نگذارد.
- استابلایزر: ولتاژ ورودی را ثابت نگه میدارد و نوسان یا افت آن را اصلاح میکند تا دستگاهها آسیب نبینند.
استابلایزر ولتاژ چیست؟
استابلایزر (تثبیتکننده ولتاژ) دستگاهی است که برای ثابت نگه داشتن ولتاژ برق در محدودهای مشخص استفاده میشود؛ به این صورت که اگر ولتاژ ورودی کم یا زیاد شود، آن را اصلاح کرده و یک خروجی پایدار (مثلاً 220 یا 380 ولت) به تجهیزات میدهد تا دستگاههای برقی مثل یخچال، کولر، موتور یا تجهیزات صنعتی در برابر نوسان و افت ولتاژ آسیب نبینند، بنابراین استابلایزر خودش افت ولتاژ را از بین نمیبرد بلکه آن را جبران کرده و باعث میشود مصرفکننده همیشه ولتاژ مناسب و ایمن دریافت کند.
جمعبندی
افت ولتاژ یکی از پدیدههای طبیعی در سیستمهای الکتریکی است که بر اثر مقاومت کابلها به وجود میآید. اگر میزان افت ولتاژ بیش از حد مجاز باشد، میتواند باعث کاهش راندمان تجهیزات، افزایش مصرف انرژی و حتی آسیب دیدن دستگاهها شود. انتخاب صحیح سطح مقطع کابل، کوتاه نگه داشتن مسیر کابلکشی و استفاده از هادیهای باکیفیت از مهمترین راهکارهای کاهش افت ولتاژ هستند. به همین دلیل محاسبه افت ولتاژ در طراحی و اجرای تأسیسات برقی اهمیت بسیار زیادی دارد.