浅析控制电压偏差设计案例

浅析控制电压偏差设计案例

高枫

上海市隧道工程轨道交通设计研究院 上海市200030

摘 要

无论是工业生产中还是日常生活中，只要是需要用电的地方，都很注重一个概念-电能质量。电能质量主要包含电网频率、电压偏差、三相电压不平衡、公用电网谐波、公用电网间谐波、波动和闪变、电压暂降与短时中断等指标。而在我日常的设计工作中，需要频繁校验和保证的是电压偏差和电压暂降。

关键词：电能质量、电压偏差、电压暂降。

1、电压偏差

产生电压偏差的原因有很多，例如供电距离大于合理的供电半径、供配电线缆选型偏小、线路处于过负荷运行状态、功率因数低导致无功电流大，增大了电压损失等。电压偏差过大对用电设备的运行性能有较为显著的影响，甚至引起设备的损坏；同时，电压偏差过大也对电力系统网络存在着一些危害：会降低输电线路的极限，可能会造成频率不稳的现象，甚至引起电力系统网络的崩溃。

系统运行时，用电设备端子上存在一个运行电压U，其与系统的标称电压Un的偏差相对值就是电压偏差的定义式：      

代数上的计算通常用式：

要得到末端的电压偏差，需要先计算整个配电线路上的电压降（电压损失）；二者之间的关系可以简单的理解为：电力线路运行时（标称电压为Un），经过线路及其他元器件上时产生了电压降（△U），用电设备端子实际电压（U）与标称电压存在差异，如下图所示。

U=UN+△U（矢量和）

而产生电压降（△U）的原因主要考虑两个方面：线路上的阻抗、变压器的阻抗（）。

线路上的电压降通常利用电流矩和负荷矩计算：（以三相平衡负荷为例）

电流矩

负荷矩

变压器的电压降可用精确计算式和简化计算：

精确计算式

当低于0.5时可用简化计算：

除了以上需要注意的各项计算，在实际项目中，末端设备存在轻载或重载两种情况，供电点会根据末端设备的负载情况调整首端电压偏差，且考虑到变压器分接头对电压提升的关系（e），线路末端的电压偏差按照下式考虑：。

根据《工业与民用供配电设计手册 第四版》表6.3-3的要求，电动机及一般工作场所照明的电压允许偏差值为±5%，远离变电站的小面积一般工作场所、应急照明、道路照明、特低安全电压照明等为+5%~-10%。

2、电压暂降

电压暂降表现的形式是电压有效值短时间内突然降低，然后自动恢复的电压事件。如果电压暂降到很低，例如母线电压降低至8%，可将其定义为电压中断。

产生电压暂降的原因主要是三个方面：1、自然原因，包含雷击、暴雨、大风等。2、电力系统原因，包含短路故障、大电机启动、变压器和电容器投切等。3、不可预知的偶然事件，包含交通事故、人为操作失误、一些小动物进入配电室等。

设计过程中主要对大功率的电动机启动造成电压暂降进行核算，根据《工业与民用供配电设计手册 第四版》6.5.5.2条的规定，电动机启动时配电系统中电压的允许值如下表：

母线电压降低会影响接在母线上的负荷的端子电压，对电动机自身来说，若端子电压过低导致启动转矩偏小，会存在无法启动的情况；即使可以启动，母线电压降低也可能会造成电动机二次回路接触器线圈无法动作；亦或是启动时间会变长，导致电动机及线缆温升过大；所以将母线的电压降低控制在限值以上是很有必要的，

3、设计案例

在我参与设计的各个项目中，每个项目都涉及到电压降的核算，电压降的核算往往不是单一的就核算某个条件，要结合实际工程考虑到各方面的条件，有时还要将方案是否合理、投资是否太大考虑在内。

案例1：分电柜进线电缆选型

某工程中，根据通风空调专业用点需求，核算出风空调电控柜容量为234kW，进线计算电流Ij=444A，经过测量电缆长度可达190m。初选电缆型号为WDZB1-RTTYZ-2(3x150+2x70)。

通过《工业与民用供配电设计手册 第四版》表9.4-19可查得WDZB1-RTTYZ-2(3x150+2x70)型号的电缆平均压损为△u =0.075 %/(A.km)。

运行压降：ΔU= △u %×I×l=0.075/2x444x0.19=3.164%<5%；满足规范要求。

但考虑到环控柜至用电负荷仍有配电线缆，该部分线缆仍然存在电压损失，有些末端负荷容量较大、距离较远，故在选择进线电缆型号时，考虑留一定的余量，放大一个档位，最终选择WDZB1-RTTYZ-2(3x185+2x95)。

案例2：疏散照明（低压36V）馈线电缆选型

某地铁工程中，车站与车站之间的区间要求布置A型消防应急灯具，区间长度为1194m，以区间中点为配电分界里程。根据DIALUX建模结果，该区间按照6m间距布置疏散照明灯具可以满足地面最低照度要求，假设设置在车站内的集中电源距离车站/区间分界点为50m，A、B（左右）车站就近为半个区间配电，即A、B每个车站负责597m。按照一个集中电源 4个回路平分597m的长度，每个回路带25盏灯，计算电流为3.48A。

方案一：将所有集中电源集中布置在车站内，该方案尤其需要注意压降核算，直流电源为低压36V，配电距离过长将导致末端电压偏差过大，不满足规范要求，且灯具对于地面的照度也会低于规范要求的最低值。

考虑到照明负荷不是末端集中负荷，是沿着线缆路径分散布置的，故该电缆计算长度的末端按照负荷中心里程考虑。

根据《电力工程直流电源系统设计技术规程》DL/T 5044-2014对直流负荷的电压降要求，集中电流各个回路末端电压降按照最大不超过10%考虑，即末端电压损失不超过3.6V。根据公式计算各个配电分段线缆截面选型。

方案二：以A车站为例，分别在车站和区间中心位置的联络通道内设置集中电源，将A车站配电区域内的597m再次平分为两部分，靠近车站灯具由设置在车站的集中电源配电，靠近区间中心的灯具由设置在区间联络通道内的集中电源配电。这样的布置方式即可将电压损失减少到最小。

通过比较两个方案的计算结果，可以看出方案二的电压损失比方案一要小很多，线缆选型也更加节约成本，但区间本身是一个较为“干净”的区域，是不容易发生火灾的位置，若该区域多出了蓄电池，将会极大的提升其发生火灾的可能性，且考虑到后续管理维护部门的巡检、维修的方便，故最终采用了方案一。

案例3：改造项目线缆选型

某停车场改造项目，其二级配电柜已投入使用；但由于该区域通信、信号、综合监控等弱电专业的需求，需要对该区域内的试车线信号设备室进行改造。需求为在信号设备室内新增一台双电源切换箱，功率为30kW。业主建议方案为：该双电源切换箱进线电源引自变电所。

方案一：进线计算电流Ij=56.82A，经过测量电缆长度可达750m。初选电缆型号为WDZB-YJY23-1-3X120+2X70。

通过《工业与民用供配电设计手册 第四版》表9.4-19可查得WDZB-YJY23-1-3X120+2X70型号的电缆平均压损为△u =0.087 %/(A.km)。

运行压降：ΔU= △u %×I×l=0.087x56.82x0.75=3.71%<5%；满足规范要求。

考虑到下一级压损，故选型WDZB-YJY23-1-3X150+2X70.

该方案线缆投资较大，且根据现场探勘结果，电缆路径上无电缆敷设条件。

牵混变外电缆井处                              运用库内电缆井处

运用库外电缆井处

方案二：根据对已投入使用的配电柜馈出回路进行梳理，发现存在备用回路，根据《工业与民用供配电设计手册 第四版》1.4节对需要系数法的定义，发现既有配电柜系统图中存在计算功率（Pc）将不可能同时使用的末端设备功率叠加的情况：如消防负荷与非消防负荷同时叠加，另一条线试车用的通信、信号设备不应与本条线的通信、信号设备同时叠加等。

重新计算得出计算功率Pc为210.7kW，考虑同时系数为0.8，计算功率为168.6kW，计算电流为319.3A。原图纸中已投入使用的进线电缆型号为4（WDZB-YJY23-1-3X185+1X95），平均压损为△u %=0.064%/(A.km) ；运行压降：ΔU=△u %×I×l=0.064/4x319.3x0.75=3.83%<5%；满足要求。

新增双电源切换箱至末端负荷的线缆选型需注意，该部分的电缆压降与进线部分的电缆压降叠加不宜超过5%。

以新增双电源切换箱的10kW馈出回路为例，计算电流Ij=18.94A，经过测量电缆长度为50m。初选电缆型号为WDZB-YJY23-1-5X10。

查得WDZB-YJY23-1-5X10型号的电缆平均压损为△u =0.909 %/(A.km)。

运行压降：ΔU= △u %×I×l=0.909x18.94x0.05=0.86%，0.86%+3.83%<5%；满足规范要求。

案例4：大功率电动机启动校验

如某工程，存在一台165kW的消防专用风机。该风机功率较大，原设计为直接启动，但直接启动可能会对电网产生较大的冲击，故在设计过程中被审核人员提出应考虑软启动的意见。根据相关地方规范规定消防专用设备的电气控制装置不应采用变频或软启动的控制方式，故需要对该风机直接启动进行压降计算。

已知消防风机相关参数 Prm=165KW，Srm=208kVA，SstM=1.16MVA，UrM=6kV；根据上游专业提供的变压器相关资料 uk=5.5%，xk=0.055，SrT=630kVA，Ssc=50MVA，Slx=0.4MVA、cosφ=0.8；配电线路选用1km的50mm²的铝芯电缆，线路上串接电抗器，电抗值为1.05Ω。

等效电路模型如下

计算过程如下（参照配四中表6.5-4算法）：

1、母线短路容量 SscB====9.32（MVA）

2、预接负荷的无功功率 QL=Slx*=0.4x=0.24（Mvar）

3、启动回路的计算容量 Sst===1.1069（MVA）

4、母线电压相对值 UstB==1.05x=0.9174

5、电动机端子电压相对值 UstM=UstB=0.9174x=0.8753

6、电动机的启动电流 IstM=UstM*=0.8753x=97.70A

一般情况下，电动机不频繁启动时，母线电压相对值不应低于85%；异步电动机端子电压偏差应控制在±10%以内。

综上所述，本次设计的消防专用风机不能采用直启的方式，采用星三角启动方式。

4、结论

在实际设计工作中，会频繁的遇到需要保证电压偏差和电压暂降在合理的范围内的情况，我们不能只通过控制某个单一的变量来实现这一目的，需要综合考虑各项。有些时候，也会遇到为满足电压偏差和电压暂降这两项指标导致投资过大的情况，这时就需要我们更加灵活地调整设计方案，结合已有资料进行优化设计，在避开制约条件、减少投资、满足规范中找到合适的点。

参考文献

[1]《工业与民用配电设计手册（第四版）》

[2]《DLT 5044-2014 电力工程直流电源系统设计技术规程》