民用建筑電氣設(shè)計中電壓偏差的分析與改善

文 露

（湖南省建筑設(shè)計院有限公司，長沙410012）

0 引言

電壓偏差是衡量電能質(zhì)量的重要指標(biāo)之一，當(dāng)系統(tǒng)中所有電氣元件均按預(yù)定工況運行，負(fù)荷發(fā)生變化時，供配電系統(tǒng)運行方式也發(fā)生變化，系統(tǒng)電壓也隨之發(fā)生變化，會導(dǎo)致系統(tǒng)電壓偏離額定值。供配電系統(tǒng)中某一節(jié)點的實際電壓與系統(tǒng)標(biāo)稱電壓之差對系統(tǒng)標(biāo)稱電壓的百分?jǐn)?shù)稱為該節(jié)點的電壓偏差，其表達(dá)式如式（1）所示。

式中，Δu 為電壓偏差百分?jǐn)?shù)；U 為實際電壓，V；Un為標(biāo)稱電壓，V。

過大的電壓偏差將會使低壓用電設(shè)備的運行性能惡化，降低運行效率和穩(wěn)定性，縮短產(chǎn)品壽命周期，甚至可能造成設(shè)備的損壞。 所以在設(shè)計中應(yīng)重視電壓偏差，滿足規(guī)范要求。

1 電壓偏差的允許值

電壓偏差的允許值分為供電電壓的偏差允許值和用電設(shè)備端子電壓的偏差允許值。

在民用建筑電氣設(shè)計中，供電電壓等級主要為20kV 及以下，如無特殊要求的用戶，其供電電壓偏差允許值見表1。 有特殊要求的用戶，其供電電壓偏差允許值可由供用電協(xié)議確定。

供電電壓偏差允許值 表1

用電設(shè)備端子電壓的偏差允許值是根據(jù)其對電壓變化的承受能力決定的，只有在規(guī)定的范圍內(nèi)，用電設(shè)備才能可靠安全運行。 在民用建筑電氣設(shè)計中，電壓偏差允許值可按照動力和照明負(fù)荷分類，第一類動力設(shè)備即電動機在正常情況下其允許值為＋5%～－5%，少數(shù)遠(yuǎn)離變配電所的可放寬至＋5%～－10%；第二類照明負(fù)荷，其允許值見表2。

2 電壓偏差的計算及影響因素

2.1 電壓偏差的計算

民用建筑電氣設(shè)計中，其典型的配電系統(tǒng)框圖如圖1 所示。

用電設(shè)備端子電壓偏差允許值 表2

圖1 典型配電系統(tǒng)框圖

圖1 中設(shè)備終端的電壓偏差計算如式（2）。

Δu ＝Δus＋e－（Δul＋ΔuT） （2）

式中，Δu 為終端設(shè)備的電壓偏差，%；Δus為電源首端的電壓偏差，%； ΔuT為變壓器的電壓損失，%；Δul為線路1、線路2、線路3 的電壓損失之和，%； e為變壓器分接頭的電壓提升，%，其值可見《工業(yè)與民用供配電設(shè)計手冊》（第四版）表6.2－5。

分析式（2）可知，影響電壓偏差的因素主要有電網(wǎng)首段的電壓偏差、變壓器分接頭的電壓提升，變壓器電壓降和線路電壓損失。

2.2 設(shè)計中影響電壓偏差的主要因素

在實際項目中，電網(wǎng)首段的電壓偏差往往是供電網(wǎng)絡(luò)決定的，變壓器分接頭的電壓提升也是由調(diào)整變壓器分接頭固有提供的，且根據(jù)規(guī)范GB 50052－2009 第5.0.7 條：10、6kV 配電變壓器不宜采用有載調(diào)壓變壓器。 因此在電氣設(shè)計中，常常從變壓器電壓損失和線路電壓損失兩方面來考慮電壓偏差。

2.2.1 變壓器電壓損失

變壓器電壓損失公式為式（3）。

ΔuT＝β（uacosφ ＋ursinφ） （3）

式中，ΔuT為變壓器電壓降百分?jǐn)?shù)，%；β 為變壓器的負(fù)荷率；cosφ 為功率因數(shù)；ua為變壓器阻抗電壓的有功分量，%；ur為變壓器的阻抗電壓，%。

由公式（3）分析可知，變壓器電壓損失大小與功率因數(shù)、負(fù)載率和變壓器本身參數(shù)有關(guān)，但在設(shè)計中，功率因數(shù)需滿足規(guī)范JGJ 16－2008 第3.6.2條，即在變壓器低壓側(cè)集中補償，且功率因數(shù)不宜低于0.9，所以負(fù)載率、變壓器本身參數(shù)成為影響變壓器電壓降的主要因素。

2.2.2 線路電壓損失

線路電壓損失的計算分為電流矩和功率矩計算，其三相平衡負(fù)荷計算參照公式（4）、（5）。

Δu% ＝Δua%IL （4）

Δu% ＝Δup%PL （5）

式中，Δu% 為線路電壓損失百分?jǐn)?shù)，%；Δua% 為三相線路每1A·km 的電壓損失百分?jǐn)?shù)，%，其值可查表，與導(dǎo)線截面、導(dǎo)線類型、線路功率有關(guān)；Δup% 為三相線路每1kW·km 的電壓損失百分?jǐn)?shù)，%，其值可查表，與導(dǎo)線截面、導(dǎo)線類型、線路功率有關(guān)；I 為負(fù)荷計算電流，A； P 為有功負(fù)荷，kW； L 為線路長度km。

如線路中為相間負(fù)荷和單相負(fù)荷計算，其線路電壓損失應(yīng)按照式（4）和式（5）的計算結(jié)果進(jìn)行換算，換算關(guān)系如表3 所示。

不同負(fù)荷線路電壓損失的換算關(guān)系 表3

分析式（4）和式（5）可知，影響線路電壓偏差的因素主要有供電距離、供電導(dǎo)線截面、導(dǎo)線類型選擇、功率因數(shù)等。

3 計算實例及分析

該實例為某一民用建筑內(nèi)屋頂空調(diào)動力負(fù)荷配電系統(tǒng)，通過對其末端空調(diào)負(fù)荷進(jìn)行電壓偏差的計算和改善，對在設(shè)計中影響電壓偏差的兩大因素：變壓器電壓損失和線路電壓損失進(jìn)行分析。

該民用建筑內(nèi)屋頂空調(diào)動力負(fù)荷配電系統(tǒng)框圖如圖2 所示。

圖2 屋頂空調(diào)動力負(fù)荷配電系統(tǒng)框圖

其系統(tǒng)參數(shù)描述如下。

（1）電源（10kV）：首端電壓偏差設(shè)為2.5%。

（2）變壓器（SCB13－630kVA／10／0.4kV）：變壓器電壓提升設(shè)為0；變壓器功率因數(shù)為0.9，實際負(fù)載率為0.85，滿負(fù)荷運行時變壓器電壓損失： ΔuT＝2.75%。

（3）線路1：供電距離為80m，供電導(dǎo)線為WDZ?YJY－0.6／1kV 3×95＋2×50。

（4）總配電箱：負(fù)荷功率為120kW，功率因數(shù)為0.8，計算電流為182A。

（5）線路2：供電距離為150m，供電導(dǎo)線為WDZ?YJY－0.6／1kV 5×16。

（6）末端設(shè)備：負(fù)荷功率為30kW，功率因數(shù)為0.8，計算電流為57A。

通過式（3）～（5）計算出該實例系統(tǒng)各部分電壓偏差，其計算如表4 所示。

通過式（2）計算可得出該系統(tǒng)電壓偏差最后值為－5.79%，其電壓損失值超過了允許值。 由于電源電壓偏差和變壓器電壓提升已確定，所以將從變壓器電壓損失和線路電壓損失這兩方面來改善系統(tǒng)電壓偏差。

實例電壓偏差計算 表4

變壓器電壓提升和功率因數(shù)已經(jīng)確定，所以負(fù)載率、變壓器本身參數(shù)成為影響變壓器電壓降的主要因素。 實例原選用630kVA 變壓器，負(fù)載率為0.85。 通過選擇800kVA 變壓器降低變壓器負(fù)載率來改善其電壓損失，計算出的結(jié)果與原實例系統(tǒng)中變壓器損失對比如表5 所示。

不同變壓器的電壓損失表 表5

通過選擇容量為800kVA 的變壓器降低變壓器負(fù)載率，從而得到變壓器電壓偏差為1.83%，利用式（2）計算出末端系統(tǒng)偏差為－5.28%，電壓損失稍有改善，但是改善不大，電壓損失仍不在規(guī)定值內(nèi)。

實例中系統(tǒng)電壓偏差也可通過降低線路電壓損失來改善。 線路2 中，末端設(shè)計負(fù)荷為30kW，以此負(fù)荷為例，線路2 選擇不同的供電距離，導(dǎo)線截面、導(dǎo)線種類及功率因數(shù)，根據(jù)式（4）～（5）計算電壓損失如圖3～4 所示。

圖3 供電距離、導(dǎo)線類型對線路電壓損失的影響曲線圖

圖4 導(dǎo)線截面、功率因素對線路電壓損失的影響曲線圖

從圖3～4 中分析可知，線路電壓損失過大的原因主要有供電距離過長，供電導(dǎo)線截面、導(dǎo)線類型選擇不當(dāng)，功率因數(shù)過低等。 由于實例中末端負(fù)荷功率因數(shù)、供電距離和導(dǎo)線類型已確定，則最直接改善線路電壓損失的方法為放大線路2 電纜截面。將實例中線路2 的截面放大一個等級，采用WDZ?YJV－0.6／1kV 3×25＋2×16 電力電纜，再次計算得出的線路2 的電壓損失為2.9%。 利用式（2）計算出改善后系統(tǒng)電壓偏差為－4.27%，此值在電壓偏差值范圍之內(nèi)，符合要求。

該實例原系統(tǒng)電壓偏差、改善變壓器電壓損失后系統(tǒng)偏差及改善線路2 后系統(tǒng)電壓偏差對比如圖5 所示。 設(shè)計中可從降低變壓器電壓損失和線路電壓損失來改善系統(tǒng)電壓偏差，但是由于選擇變壓器容量需綜合考慮經(jīng)濟運行、投資等原因，且其改善力度不大，所以在少部分末端負(fù)荷電壓偏差不滿足允許值的情況下，一般采取改善末端線路電壓損失的辦法。

圖5 案例電壓偏差結(jié)果

通過此次案例及分析可知，在民用建筑電氣設(shè)計中，改善電壓偏差的主要措施如下。

（1）正確的選擇變壓器容量，提高變壓器的功率因數(shù)，降低變壓器的自身損耗，保證變壓器的電壓降在合理的范圍內(nèi)。

（2）采取補償無功功率措施，調(diào)整并聯(lián)補償電容器組的接入容量，使線路及變壓器電壓降減少。

（3）降低系統(tǒng)阻抗，合理的選擇電纜長度、截面、型號，減少線路的阻抗，從而降低線路電壓損失。

4 結(jié)束語

文章對電壓偏差的分析和計算僅考慮在民用建筑電氣設(shè)計中，且不考慮特殊情況（如對電壓要求嚴(yán)格的設(shè)備等），所以計算實例中不考慮有載調(diào)壓變壓器帶來電壓偏差，也忽略變壓器母線、斷路器等帶來的電壓損失。 電壓作為電能質(zhì)量的重要指標(biāo)之一，設(shè)計師們在設(shè)計中必須考慮末端設(shè)備電壓值是否滿足要求。