أدوات فهد الهندسية

حاسبة هبوط الجهد في الكابلات والموصلات

كلما طال الكابل أو زاد التيار أو صغر المقطع انخفض الجهد الواصل إلى الحمل. تحسب هذه الأداة الهبوط بدقة مقبولة للتصميم الأولي، وتقترح أقرب مقطع قياسي يحقق الحد الذي تحدده.

الدوائر الكهربائيةالفئة المستفيدة: مهندس، فني، طالبمجاني بدون تسجيل

أمثلة على الاستخدام في الهندسة الكهربائية:

انتقل إلى الحاسبة ↓

الشرح النظري

التعريف

هبوط الجهد هو الفرق بين جهد المصدر والجهد عند الحمل، ينتج من مرور التيار في مقاومة ومفاعلة الكابل. فكّر في ماء يجري في أنبوب طويل ضيق: ينخفض ضغطه تدريجيًا مع المسافة حتى يصل ضعيفًا إلى آخره.

لماذا يهم؟

الأجهزة مصممة لجهد معين؛ المحركات تسحب تيارًا أعلى عند هبوط الجهد وتسخن، والمصابيح تخفت، والإلكترونيات قد تعيد التشغيل. كما أن هبوط الجهد يعني فقد قدرة I²R في الكابل نفسه فتتحول طاقة مدفوعة الثمن إلى حرارة.

طريقة الحساب

مقاومة الموصل تساوي r = ρ/S لكل متر، حيث ρ المقاومية (نحو 0.01724 Ω·mm²/m للنحاس عند 20°C و0.02826 للألومنيوم) وتزداد مع الحرارة: ρ(T) = ρ₂₀[1 + α(T − 20)] (α ≈ 0.00393 للنحاس). عند 70°C تزيد مقاومة النحاس نحو 20% عن 20°C، وهو ما يهمله كثيرون فيتفاءلون. في النظام أحادي الطور وفي DC يمر التيار في الذهاب والعودة فيُضرب الطول بالعامل 2، وفي الثلاثي المتزن بالعامل √3 عند استخدام جهد الخط: ΔV = k·I·L·(r·cosφ + x·sinφ). الحد الثاني يمثل أثر مفاعلة الكابل ويصبح مهمًا في المقاطع الكبيرة (فوق 50 mm² تقريبًا).

الافتراضات والحدود

الحساب لحمل متزن في الحالة المستقرة، وطول الكابل في اتجاه واحد. يهمل تيار بدء المحركات وتجمع الحرارة بين الكابلات ومعاملات التصحيح للتمديد والتوافقيات. حدود الهبوط المسموح تختلف بحسب الكود ونوع الحمل (قيم شائعة 3% للإنارة و5% لغيرها)، ولذلك أدخلها بنفسك. وقيمة المفاعلة المبدئية 0.08 mΩ/m مناسبة لكوابل متعددة القلوب تقريبًا وتختلف حسب النوع.

الأخطاء الشائعة

أن يُدخل المستخدم طول الدائرة الكلي (ذهابًا وإيابًا) بينما الأداة تضربه بالعامل 2 مرة أخرى؛ أو استخدام جهد الطور في الثلاثي مع عامل √3؛ أو تجاهل أثر الحرارة والمعامل القدرة.

التطبيقات

عند تغذية مضخة على بعد 150 مترًا قد يكون التيار مقبولًا للكابل حراريًا لكن الهبوط يمنع التشغيل؛ هنا يحدد الهبوط لا التحميل الحراري المقطع المطلوب. والاختيار النهائي للكابل والقاطع يخضع للمواصفات المعمول بها وجداول التحميل والتصحيح.

متى يكون الهبوط هو القيد الحاكم؟

في الدوائر القصيرة يحكم التحميل الحراري اختيار المقطع، أما في الدوائر الطويلة (مضخات آبار، إنارة محيطية، مزارع) فيحكم الهبوط. ومن الحلول العملية رفع جهد التغذية (ثلاثي الطور بدل أحادي)، أو زيادة المقطع، أو تقليل الطول بنقل اللوحة الفرعية قرب الحمل، أو تعويض معامل القدرة لتقليل التيار. وفي مصادر DC منخفضة الجهد مثل الأنظمة الشمسية 12 أو 24 فولت يكون لهبوط 1 فولت وزن نسبي كبير، لذلك تُستخدم مقاطع أكبر بكثير مما توحي به التيارات.

المعادلات المستخدمة

r = ρ / S
مقاومة الموصل لكل متر
ρ(T) = ρ₂₀ · [1 + α·(T − 20)]
أثر الحرارة
ΔV = k · I · L · (r·cosφ + x·sinφ)
k = 2 (أحادي/DC) ، k = √3 (ثلاثي)
ΔV% = ΔV / V × 100
نسبة الهبوط
P_loss = n · I² · r · L
فقد القدرة، n = 2 أو 3

تعريف الرموز والوحدات

الرمزالمعنىالوحدة
ρالمقاوميةΩ·mm²/m
Sمقطع الموصلmm²
Lطول الكابل باتجاه واحدm
Iتيار الحملA
xمفاعلة الكابل لكل مترΩ/m
cosφمعامل القدرة—
Tحرارة الموصل°C

افتراضات وحدود النموذج

  • حمل متزن في الثلاثي وحالة مستقرة.
  • طول الكابل باتجاه واحد ويُضاعف داخليًا.
  • يهمل تيار البدء ومعاملات التصحيح الحرارية للتمديد.

أخطاء شائعة في الحساب

  • إدخال الطول الكلي ذهابًا وإيابًا.
  • إهمال أثر الحرارة.
  • الخلط بين جهد الطور والخط.

تعمّق أكثر

الحاسبة التفاعلية

مثال محلول

كابل نحاسي 4 mm² يغذي حملًا أحادي الطور 230 V بتيار 20 A على بعد 50 م، بحرارة موصل 70°C ومعامل قدرة 0.9. ما الهبوط؟ وهل يحقق حد 3%؟

المعطىالقيمة
نوع النظامأحادي الطور (AC)
جهد المصدر (جهد الخط في الثلاثي)230 V
تيار الحمل20 A
طول الكابل (اتجاه واحد)50 m
مقطع الموصل4 mm²
مادة الموصلنحاس
درجة حرارة الموصل70 °C
معامل القدرة cos φ0.9
مفاعلة الكابل X0.08 mΩ/m
حد الهبوط المسموح3 %

خطوات الحل

  1. ρ(T) = ρ20·[1 + α(T − 20)]
    ρ = 0.01724 × [1 + 0.00393 × (70 − 20)] = 0.020628 Ω·mm²/m
  2. r = ρ / S
    r = 0.020628 / 4 = 5.1569 mΩ/m
  3. ΔV = 2 · I · L · (r·cosφ + x·sinφ)
    ΔV = 2 × 20 × 50 × (0.00515691×0.9 + 8e-5×0.43589) = 9.3522 V
  4. ΔV% = ΔV / V × 100
    ΔV% = 9.3522 / 230 × 100 = 4.0662 %
  5. P_loss = n · I² · r · L
    P_loss = 2 × 20² × 0.00515691 × 50 = 206.28 W
  6. S_min = ρ / r_max , r_max = [ΔV_allowed/(k·I·L) − x·sinφ] / cosφ
    S_min = 0.020628 / 0.00379459 = 5.4361 mm²

النتائج

عند الحمل يصل جهد 220.65 V فقط، أي هبوط 4.0662%. هذا حساب لحالة التيار المستقر ويهمل تيار البدء والتجميع الحراري والتوافقيات؛ حدود الهبوط تختلف حسب الكود (قيم شائعة 3% للإنارة و5% لغيرها) والاختيار النهائي للكابل يخضع للمواصفات المعتمدة.

هذا المثال محسوب بالحاسبة نفسها، يمكنك إدخال قيمه في الأعلى والتحقق.

الرسم التوضيحي

رسم توضيحيالمصدرVكابل: r , LالحملVΔV يتزايد مع الطول والتيار
الجهد يتناقص على طول الكابل بسبب مقاومته ومفاعلته.

الأسئلة الشائعة

ما الطول الذي أُدخله؟

طول الكابل من اللوحة إلى الحمل في اتجاه واحد؛ الأداة تحسب الذهاب والعودة تلقائيًا.

هل أستخدم جهد الخط أم الطور في الثلاثي؟

جهد الخط (مثل 400 V) لأن المعادلة تستخدم √3 للتحويل.

هل الحد 3% ثابت؟

لا، يتغير بالكود ونوع الحمل؛ لذلك هو مدخل يمكنك تعديله.

لماذا تُقترح مقاطع قياسية؟

لأن الكوابل تُصنع بمقاطع محددة، فيؤخذ أقرب مقطع أعلى من الناتج النظري.

هل تكفي النتيجة لاختيار الكابل؟

لا، تُراجع أيضًا سعة التحميل الحراري ومعاملات التصحيح وتيار القصر حسب المواصفات.

شارك هذه الحاسبة