افت ولتاژ برق چیست و چگونه آن را جبران کنیم؟

کلیه سیستم‌های برقی که در ساختمان‌ها و مکان‌های مختلف مورد استفاده قرار می‌گیرند با ولتاژ مشخصی کار می‌کنند. لوازم برقی ولتاژ مورد نیازشان را باید از منبع تغذیه دریافت کنند. اما در برخی از مواقع، شرایطی به وجود می‌آید که تمام ولتاژ تأمین شده در منبع تغذیه به مصرف کننده نمی‌رسد. در اصطلاح به این شرایط افت ولتاژ برق گفته می‌شود. افت ولتاژ برق از منبع تغذیه تا مصرف کننده به دلیل برخی موارد طبیعی است اما در صورتی که این افت ولتاژ از میزان مشخصی بیشتر شود، می‌تواند آسیب‌های زیادی را برای تجهیزات و تأسیسات برقی و حتی لوازم و وسایل برقی مختلف به همراه داشته باشد. 

ولتاژ برق چیست؟

ولتاژ یا اختلاف پتانسیل نیروی محرکه‌ای است که به منظور جابجا کردن بار الکتریکی از یک نقطه به نقطه دیگر شکل می‌گیرد. در واقع ولتاژ یا اختلاف پتانسیل الکتریکی عاملی است که می‌تواند منجر به برقراری جریان الکتریکی در مدار و تولید برق شود. در یک قطعه هادی یا نیمه‌هادی که مقاومت مشخصی دارد، هر چه ولتاژ افزایش پیدا کند، در نتیجه جریان عبوری از این قطعه هادی یا نیمه‌هادی بیشتر می‌شود. جریان الکتریکی به مقدار حامل‌های بار الکتریکی گفته می‌شود که از یک نقطه ثابت در واحد زمان عبور می‌کنند. در واقع ولتاژ بیان کننده اختلاف پتانسیل الکتریکی بین دو نقطه در یک مدار به صورت کمی است که می‌تواند به صورت مستقیم (DC) یا متناوب (AC) باشد. 

ولت (Volt) واحد اندازه‌گیری ولتاژ یا اختلاف پتانسیل الکتریکی است که با نماد V نشان داده می‌شود. این واحد اندازه‌گیری از نام یک فیزیکدان ایتالیایی به نام الساندرو ولتا گرفته شده است که 1 ولت برابر نیروی لازم برای جابجایی یک کولمب بار الکتریکی در یک مدار با مقاومت 1 اهم و در 1 ثانیه است. 

افت ولتاژ برق چیست؟

انرژی الکتریکی یا برق در مدار در محل‌های مختلف از جمله ساختمان‌ها، صنایع و غیره توسط اختلاف پتانسیل الکتریکی یا همان ولتاژ تأمین می‌شوند که با جریان برقرار شده در مدار رابطه مستقیم دارد. در طول مدار الکتریکی هر چقدر میزان مقاومت‌ها مختلف بیشتر باشد، جریان برای عبور از آن مقاومت باید انرژی بیشتری مصرف کند. این مصرف انرژی بیشتر به صورت گرما آزاد می‌شود. این گرمای ایجاد شده می‌تواند باعث کاهش انرژی الکتریکی شود. در نتیجه افت انرژی، شاهد کاهش میزان قابل توجهی از ولتاژ خواهیم بود که در اصطلاح به آن افت ولتاژ برق می‌گویند. اگر بخواهیم تعریف ساده‌تری از افت ولتاژ برق (voltage drop) ارائه کنیم می‌توان گفت که زمانی که در مدار الکتریکی، اختلاف ولتاژ بین منبع تغذیه و مصرف کننده به وجود آید، با افت ولتاژ مواجه شده‌ایم. 

دلایل افت ولتاژ برق چیست؟

در تأسیسات و سیستم‌های برق عوامل مختلفی وجود دارند که می‌توانند منجر به افت ولتاژ برق شوند. عوامل مهمی را که در بوجود آمدن این پدیده مؤثر هستند، در ادامه بررسی می‌کنیم. 

1- جنس سیم

یکی از عوامل مهم و تأثیرگذار در بوجود آمدن افت ولتاژ برق، جنس سیم است. زمانی که از جنس سیم صحبت می‌شود در واقع به جنس هادی استفاده شده در سیم اشاره می‌کنیم. بهترین جنس رسانا برای قیمت هادی سیم فلز مس است که رسانایی بهتری نسبت به آلومینیوم دارد. در واقع در صورتی که دو سیم به یک طول از جنس مس و آلومینیوم داشته باشیم، مقدار افت ولتاژ در سیم مسی به مراتب کمتر از آلومینیوم خواهد بود. به همین دلیل جنس سیم یکی از عوامل مهمی است که می‌تواند باعث بوجود آمدن افت ولتاژ برق در سیستم‌ها و تأسیسات برق شود. 

2- قطر سیم

قطر سیم مورد استفاده در تأسیسات برقی رابط معکوس با افت ولتاژ برق دارد. در واقع هر چه قطر سیم مورد استفاده بیشتر باشد، مقاومت در برابر جریان عبوری کمتر بوده و در نتیجه افت ولتاژ در سیم کمتر خواهد بود. 

3- طول سیم

از دیگر عوامل مهم در به وجود آمدن افت ولتاژ برق در مدار، طول سیم است. طول سیم با افت ولتاژ رابطه مستقیم دارد. بر این اساس هرچه طول سیم بیشتر باشد،‌ افت ولتاژ در مدار به دلیل مقاومت بیشتر در برابر جریان، بیشتر خواهد بود. به همین دلیل نیز در خطوط بلند، باید چندبار جریان تقویت شود تا این افت ولتاژ جبران گردد.

4- جریان عبور کننده از سیم

جریان یکی دیگر از عوامل مرتبط با افت ولتاژ در مدار است که با آن رابطه عکس دارد. در واقع هر چه شدت جریان در مدار بیشتر باشد، افت ولتاژ به میزان قابل توجهی کاهش پیدا می‌کند. 

راهکارهای اساسی برای جلوگیری از افت ولتاژ برق

همانطور که اشاره شد مواجه شدن با افت ولتاژ برق در سیستم‌ها و تأسیسات برقی اجتناب‌ناپذیر است به همین دلیل باید راهکارهایی را برای پیشگیری و جلوگیری از این اتفاق و وارد شدن آسیب به تجهیزات گرفت. یکی از مهم‌ترین راه‌های جلوگیری از افت ولتاژ و وارد شدن صدمه به وسایل مختلف در اثر این اتفاق، استفاده از ترانس‌های برق و استابلایزر است. با توجه به این موضوع که نوسانات برق و افت ولتاژ در شبکه توزیع برق به صورت آنی رخ می‌دهد، استفاده از ترانس در کمتر از چند ثانیه از کاهش ولتاژ در مدار جلوگیری کرده و از وارد شدن آسیب به تجهیزات نیز پیشگیری می‌کند. 

یکی دیگر از راه‌های جلوگیری از افت ولتاژ برق و آسیب دیدن تجهیزات و دستگاه‌های برقی، استفاده از محافظ برق است. استفاده از محافظ‌های برق مزایای متعددی دارد که یکی از مهم‌ترین مزیت‌های آن، قیمت مناسب و مقرون به صرفه آن نسبت به سایر روش‌ها است که امکان استفاده از آن را توسط عموم افراد جامعه امکان‌پذیر می‌کند. اما به عنوان مهم‌ترین عیب محافظ‌های برق می‌توان به قطع برق در زمان نوسان و افت ولتاژ اشاره کرد. در واقع این دستگاه‌ها در صورتی که نوسان یا افت در سیستم حس کنند برای جلوگیری وارد شدن آسیب بلافاصله جریان برق را قطع می‌کنند. زمانی که شرایط به حالت عادی بازگردد محافظ‌های برق پس از گذشت چند ثانیه تا چند دقیقه، مجدد برق را وصل می‌کنند. به همین دلیل از این ابزار در مکان‌هایی که نباید برق آن‌ها قطع شود نمی‌توان استفاده کرد. 

معرفی محصولات مناسب برای جبران افت ولتاژ برق

در صورتی که متوجه افت ولتاژ برق در تأسیسات برقی شدید، باید در کمترین زمان ممکن و به منظور جلوگیری از وارد شدن آسیب به تجهیزات، نسبت به رفع آن اقدام کنید. ایده‌آل‌ترین حالت این است که بتوانیم افت ولتاژ در مدار را به صفر برسانیم اما این کار در عمل ممکن نیست چون عواملی مانند جنس سیم، طول و قطر سیم و میزان جریان هستند که در به وجود آمدن افت فشار نقش اساسی دارند. اما این امکان وجود دارد که بتوان افت ولتاژ برق در مدار را تا حد مجاز آن کاهش داد. اما حد مجاز تعیین شده برای افت فشار چقدر است؟

در طراحی وسایل برقی مختلف، معمولا مقداری تلورانس برای تغییر ولتاژ در محدوده مجاز در نظر گرفته می‌شود. این اقدام به این معنا است که اگر ولتاژ دچار نوسان شود اما این نوسان در محدوده مجاز تعیین شده باشد، کار دستگاه با اختلال مواجه نخواهد شد. از همین ویژگی وسایل برقی می‌توان برای تعیین درصد مجاز افت فشار استفاده کرد. 

مقدار افت ولتاژی که برای شبکه‌های توزیع برق در نظر گرفته شده است برابر با 5 درصد ولتاژ کل مدار در ابتدای خط است. از این مقدار 0.5 درصد مربوط به اداره برق می‌شود که نباید به هیچ وجه از این میزان بیشتر شود. میزان افت فشار مجاز برای مصارف روشنایی 1.5 درصد ولتاژ مدار در ابتدای خط در نظر گرفته شده که این میزان برای مصارف موتوری به تا 3 درصد افزایش پیدا می‌کنند. 

یکی از وسایلی که برای جبران افت ولتاژ برق می‌توان مورد استفاده قرار داد، استابلایزر نام دارد. همانطور که از نام این وسیله مشخص است وظیفه اصلی آن تثبیت ولتاژ برق در محدوده مورد قبول برای تجهیزات مختلف به منظور ادامه کار و جبران افت ولتاژ است. استابلایزرها یکی از بهترین گزینه‌ها برای استفاده از مکان‌هایی هستند که با نوسان یا افت ولتاژ مواجه هستند. اصلی‌ترین مزیت این دستگاه عدم قطع برق در زمان نوسان و افت ولتاژ است. 

یکی دیگر از تجهیزات و روش‌هایی که می‌توان به منظور جبران افت ولتاژ برق مورد استفاده قرار داد، دستگاه‌ یا سیستم UPS است که اغلب به عنوان برق اضطراری شناخته می‌شود. UPS به معنی استفاده بدون وقفه از منبع تغذیه برق است. دستگاه‌های UPS همواره برق با ولتاژ ثابت را در خروجی تأمین می‌کنند که یکی از راه‌های مؤثر برای جبران افت ولتاژ برق به حساب می‌آیند. 

چگونه ولتاژ برق خانگی را افزایش دهیم؟

سیم‌های قدیمی و خوردگی دو عامل رایج افت ولتاژ هستند. دلیل دیگر می‌تواند اتصالات نامناسب و عایق ضعیف باشد. جدای از آن، اگر تعداد مصرف کننده افزایش یابد، تقاضا افزایش می‌یابد و این امر بر توزیع ولتاژ تأثیر می‌گذارد.

برای افزایش سطح ولتاژ می‌توان از وسایل جانبی مانند انواع استابلایزر و ترانس برق خانگی استفاده کرد. همچنین در چنین شرایطی استفاده از تابلو خازن و عدم به کارگیری وسایل برقی پرمصرف به طور همزمان توصیه می‌شود. توجه به این نکته ضروری است که جنس و طول سیم و کابل برق نیز در افت ولتاژ اثر می‌گذارد. هر چقدر فاصله مصرف کننده از کنتور و سیستم تامین برق کوتاه‌تر باشد، افت ولتاژ کمتری داریم. 

جبران افت ولتاژ با خازن

رایج‌ترین کاربرد خازن‌ها ذخیره انرژی، تهویه نیرو، فیلتر نویز الکترونیکی، سنجش از راه دور و پردازش سیگنال است. با توجه به اینکه خازن‌ها یک المان مهم و همه کاره برای کاربردهای مختلف هستند، در طیف وسیعی از صنایع مورد استفاده قرار می‌گیرند.

خازن‌ها امکان افزایش ولتاژ را فراهم می‌کنند که بخشی از افت ناشی از بارهای سیستم را جبران می‌کند. خازن‌ها می‌توانند ولتاژ مدار را تنظیم کنند و در صورت نصب و انتخاب صحیح و کنترل شده به طور قابل توجهی عملکرد مدارهای توزیع را بهبود می‌بخشند. 

علت افت ولتاژ در شبکه توزیع

افت ولتاژ در مدار الکتریکی معمولاً زمانی اتفاق می‌افتد که جریانی از کابل عبور می‌کند. مقاومت یا امپدانس جریان با عناصر غیرفعال در مدارها از جمله کابل‌ها، کنتاکت‌ها و کانکتورها بر سطح افت ولتاژ تأثیر می‌گذارند. هر چه مدار یا طول کابل بیشتر باشد افت ولتاژ بیشتر می‌شود. افت ولتاژ بر عملکرد دستگاه‌ها برقی اثر می‌گذارد و عمر مفید آنها را کاهش می‌دهد. برای جبران افت ولتاژ، بهتر است از کابل‌هایی با سطح مقطع بزرگ‌تر استفاده شود که مقاومت/امپدانس کمتری در برابر عبور جریان دارند.

حداکثر و حداقل ولتاژ برق خانگی

سیستم برق خانگی تک فاز است. در ایران برق با ولتاژ حدوداًً 220 ولت (AC و با فرکانس 50 هرتز) توزیع می‌شود. اماً معمولاً به دلیل ناپایدار بودن سیستم توزیع، همچنین تعداد مصرف کننده‌ها در لحظه، ولتاژ عموماً کمتر از این مقدار است. حتی در روزهای پرمصرف برق تا محدوده کمتر از 180 ولت نیز می‌رسد. در حالت پایدار نیز، ولتاژ 5 درصد خطا دارد. 

جمع‌بندی

اختلاف پتانسیل الکتریکی یا ولتاژ عامل اصلی به وجود آورنده جریان در مدارهای الکتریکی به حساب می‌آید. در مدارها به دلایل مختلف و وجود مقاومت‌ها که به عوامل مانند طول سیم، جنس و ضخامت سیم و شدت جریان عبوری وابسته است، ممکن است با افت ولتاژ مواجه شویم. افت ولتاژ برق یکی از مواردی است که در صورتی که خارج از محدوده مجاز تعیین شده باشد می‌تواند موجب وارد شدن آسیب به دستگاه‌ها و تجهیزات مختلف شود. به همین دلیل ابزارها و تجهیزاتی مانند ترانس، محافظ برق، استابلایزر، UPS و غیره به منظور جلوگیری از این اتفاق یا جبران میزان افت ولتاژ در مدار، طراحی شده‌اند.