ما هو هبوط الجهد
لكل موصل مقاومة. وعندما يسري التيار، يستهلك جزء من جهد المصدر دفعه عبر الكابل، فيكون الجهد عند الحمل أدنى من الجهد عند المصدر. والفقد يتناسب مع ثلاثة أمور: مقاومة الموصل لكل كيلومتر، وطول المسار، والتيار. فضعف طول المسار يضاعف الهبوط؛ ونصف المقاومة باختيار موصل أكبر ينصّف الهبوط.
وهبوط الجهد المفرط يسبب مشكلات حقيقية. فالمحركات تبدأ ببطء وتعمل ساخنة، والإضاءة تخفت، والمعدات الإلكترونية تفصل بانخفاض الجهد، وفي محطات الشمس تُفقد الطاقة ببساطة حرارةً في الكابل. لذلك تحدد قواعد التمديدات ومواصفات المشاريع حداً أقصى، عادة نسبة مئوية من الجهد الاسمي، إما لكل دائرة أو للتركيب كله من المصدر إلى أبعد حمل. والحد الواجب استخدامه يأتي من القواعد المنطبقة أو مهندس المشروع؛ وهذا المقال يشرح الطريقة لا الحد.
الحساب الأساسي
في دائرة DC أو دائرة AC أحادية الطور، يسير التيار ذهباً في موصل وعودةً في الآخر، فيكون طول الموصل ضعف طول المسار. والتقدير المقاومي البسيط هو:
- DC أو أحادي الطور: هبوط الجهد = 2 x طول المسار (km) x المقاومة (ohm/km) x التيار.
- ثلاثي الأطوار متوازن: هبوط الجهد بين الخطوط = 1.732 x طول المسار (km) x المقاومة (ohm/km) x التيار.
وهذه تتجاهل المفاعلة ومعامل القدرة اللذين يهمان لكابلات AC الأكبر، وتستخدمان مقاومة عند حرارة واحدة. وهي كافية لرؤية أثر المقاس والطول، وهذا هو المقصود من هذا المقال. أما التصميم الصحيح فيستخدم جداول mV لكل أمبير لكل متر أو طريقة المعاوقة الكاملة في قواعد التمديدات المنطبقة، عند حرارة تشغيل الموصل.
وتأتي قيم المقاومة من IEC 60228 أو ورقة بيانات الكابل. وللنحاس فئة 2 فهي 7.41 ohm/km لمقطع 2.5 mm2، و4.61 لـ 4 mm2، و3.08 لـ 6 mm2، و1.83 لـ 10 mm2، و1.15 لـ 16 mm2، كلها عند 20 درجة مئوية. وعند حرارة التشغيل تكون المقاومة أعلى: فموصل نحاس يعمل قرب حد XLPE البالغ 90 درجة مئوية له مقاومة أكبر بقرابة الربع من مقاومته عند 20 درجة مئوية، فتستخدم حسابات التصميم القيمة الساخنة.
مقارنة محسوبة دون تصنيفات تيارية
ولإبقاء التصنيفات التيارية خارج الصورة، يعبر الجدول هبوطَ الجهد لكل أمبير من تيار الحمل. اضرب في تيار تصميم دائرتك لتأخذ الهبوط بالفولت، ثم اقسم على الجهد الاسمي لنسبة مئوية. والمسار 100 m أحادي الطور، أي 200 m من الموصل، باستخدام قيم المقاومة عند 20 درجة مئوية.
| المقطع | المقاومة، ohm/km | مقاومة الحلقة، ohm | الفولتات المفقودة لكل أمبير |
|---|---|---|---|
| 2.5 mm2 | 7.41 | 1.482 | نحو 1.48 V |
| 4 mm2 | 4.61 | 0.922 | نحو 0.92 V |
| 6 mm2 | 3.08 | 0.616 | نحو 0.62 V |
| 10 mm2 | 1.83 | 0.366 | نحو 0.37 V |
| 16 mm2 | 1.15 | 0.230 | نحو 0.23 V |
والنمط هو المهم: كل خطوة صعود في المقاس تقطع الفقد بنحو الثلث إلى خمسيه. وعلى مسار 100 m، الانتقال من 2.5 mm2 إلى 6 mm2 يخفض الهبوط إلى أقل من النصف بكثير. وعلى مسار 20 m تفقد الدائرة نفسها خُمس ذلك، وقد يقبل المقاس الأصغر. ولهذا قد تنتهي دائرتان بالحمل نفسه إلى كابلين مختلفين جداً.
ويصلح الحساب نفسه لمغذيات ثلاثية الأطوار. فمسار 200 m بنحاس 4x25 mm2، التركيبة المرجعية للجهد المنخفض عند 0.727 ohm/km، يعطي 1.732 x 0.2 x 0.727، أي نحو 0.25 V بين الخطوط لكل أمبير من تيار الطور عند 20 درجة مئوية. وقارن ذلك بالمقاومة الساخنة والمفاعلة من ورقة البيانات قبل الاعتماد عليه، وسيفعل المهندس ذلك تماماً في التصميم النهائي.
حيث يحكم هبوط الجهد عادة
يميل هبوط الجهد إلى تحديد المقاس في مواقف متكررة قليلة:
- سلاسل DC الشمسية والمغذيات: التيارات متوسطة لكن المسارات عبر الموقع طويلة، وكل فولت مفقود طاقة مفقودة. فكابل H1Z2Z2-K المرجعي 1x4 mm2 في صفحة كابلات الطاقة الشمسية أقصاه 5.09 ohm/km فئة 5 مطليّة؛ و6 mm2 هي 3.39 ohm/km. وعلى مسار 50 m يفقد كابل 4 mm2 نحو 0.51 V لكل أمبير عند 20 درجة مئوية، و6 mm2 نحو 0.34 V.
- المباني الخارجية والمضخات وإضاءة الشوارع: دوائر منفردة طويلة بجهد منخفض.
- دوائر المحركات: تيار الإقلاع عدة أضعاف تيار التشغيل، فالهبوط عند الإقلاع قد يكون الحالة الحاكمة.
- أنظمة DC منخفضة الجهد: عند 12 أو 24 أو 48 V، هبوط فولت أو فولتين نسبة كبيرة.
- مغذيات الألومنيوم: ألومنيوم 95 mm2 هو 0.320 ohm/km مقابل 0.193 لنحاس 95 mm2، فتصميم الألومنيوم يجب أن يُكبَّر؛ راجع مقال النحاس مقابل الألومنيوم.
هبوط الجهد وقرار الشراء
هبوط الجهد أحد فحوص طريقة اختيار مقطع الكابل، إلى جانب قدرة التيار وتحمل القصر. وأكبر النتائج يحدد المقاس. وعلى المشترين تترتب ثلاث نقاط عملية.
أولاً المقاس الأكبر المختار لهبوط الجهد ليس تكبيراً زائداً؛ بل هو المقاس الصحيح لذلك المسار، والمورد الذي يقترح إنزال مقاس لتوفير النحاس على مسار طويل ينبغي أن يُطلب منه إظهار حساب هبوط الجهد. وثانياً هبوط الجهد يتوقف على مقاومة الموصل الفعلية، فيجب أن يلبي الموصل حد IEC 60228 له؛ فالموصل ناقص المقاس يضيف هبوطاً كما يضيف حرارة، وهذا سبب إضافي لأهمية اختبار المقاومة. وثالثاً التكلفة الإضافية لموصل أكبر على مسار طويل غالباً متواضعة مقابل الطاقة المفقودة عبر سنوات التشغيل، وهو ما يوازنه مهندسو المشروع في التصميم.
النحاس يشكل معظم تكلفة كابل الطاقة، ومع نحاس LME لأجل ثلاثة أشهر نحو 14,315 دولاراً أمريكياً للطن في 21 أكتوبر 2026، يبحث المشترون بحق عن التوفير. والموضع الصحيح لإيجاده مدخلاتُ التصميم لا تقليصُ المقاسات بعد الحساب. وحين تُعتمد المقاسات، يأخذ نموذج عرض السعر المقاسات والأطوال لكل دائرة، ويشرح دليل تحجيم الكابلات الطريقة كاملة.