民用建筑电气设计中电压偏差的分析与改善

文 露

（湖南省建筑设计院有限公司，长沙410012）

0 引言

电压偏差是衡量电能质量的重要指标之一，当系统中所有电气元件均按预定工况运行，负荷发生变化时，供配电系统运行方式也发生变化，系统电压也随之发生变化，会导致系统电压偏离额定值。供配电系统中某一节点的实际电压与系统标称电压之差对系统标称电压的百分数称为该节点的电压偏差，其表达式如式（1）所示。

式中，Δu 为电压偏差百分数；U 为实际电压，V；Un为标称电压，V。

过大的电压偏差将会使低压用电设备的运行性能恶化，降低运行效率和稳定性，缩短产品寿命周期，甚至可能造成设备的损坏。 所以在设计中应重视电压偏差，满足规范要求。

1 电压偏差的允许值

电压偏差的允许值分为供电电压的偏差允许值和用电设备端子电压的偏差允许值。

在民用建筑电气设计中，供电电压等级主要为20kV 及以下，如无特殊要求的用户，其供电电压偏差允许值见表1。 有特殊要求的用户，其供电电压偏差允许值可由供用电协议确定。

供电电压偏差允许值 表1

用电设备端子电压的偏差允许值是根据其对电压变化的承受能力决定的，只有在规定的范围内，用电设备才能可靠安全运行。 在民用建筑电气设计中，电压偏差允许值可按照动力和照明负荷分类，第一类动力设备即电动机在正常情况下其允许值为＋5%～－5%，少数远离变配电所的可放宽至＋5%～－10%；第二类照明负荷，其允许值见表2。

2 电压偏差的计算及影响因素

2.1 电压偏差的计算

民用建筑电气设计中，其典型的配电系统框图如图1 所示。

用电设备端子电压偏差允许值 表2

图1 典型配电系统框图

图1 中设备终端的电压偏差计算如式（2）。

Δu ＝Δus＋e－（Δul＋ΔuT） （2）

式中，Δu 为终端设备的电压偏差，%；Δus为电源首端的电压偏差，%； ΔuT为变压器的电压损失，%；Δul为线路1、线路2、线路3 的电压损失之和，%； e为变压器分接头的电压提升，%，其值可见《工业与民用供配电设计手册》（第四版）表6.2－5。

分析式（2）可知，影响电压偏差的因素主要有电网首段的电压偏差、变压器分接头的电压提升，变压器电压降和线路电压损失。

2.2 设计中影响电压偏差的主要因素

在实际项目中，电网首段的电压偏差往往是供电网络决定的，变压器分接头的电压提升也是由调整变压器分接头固有提供的，且根据规范GB 50052－2009 第5.0.7 条：10、6kV 配电变压器不宜采用有载调压变压器。 因此在电气设计中，常常从变压器电压损失和线路电压损失两方面来考虑电压偏差。

2.2.1 变压器电压损失

变压器电压损失公式为式（3）。

ΔuT＝β（uacosφ ＋ursinφ） （3）

式中，ΔuT为变压器电压降百分数，%；β 为变压器的负荷率；cosφ 为功率因数；ua为变压器阻抗电压的有功分量，%；ur为变压器的阻抗电压，%。

由公式（3）分析可知，变压器电压损失大小与功率因数、负载率和变压器本身参数有关，但在设计中，功率因数需满足规范JGJ 16－2008 第3.6.2条，即在变压器低压侧集中补偿，且功率因数不宜低于0.9，所以负载率、变压器本身参数成为影响变压器电压降的主要因素。

2.2.2 线路电压损失

线路电压损失的计算分为电流矩和功率矩计算，其三相平衡负荷计算参照公式（4）、（5）。

Δu% ＝Δua%IL （4）

Δu% ＝Δup%PL （5）

式中，Δu% 为线路电压损失百分数，%；Δua% 为三相线路每1A·km 的电压损失百分数，%，其值可查表，与导线截面、导线类型、线路功率有关；Δup% 为三相线路每1kW·km 的电压损失百分数，%，其值可查表，与导线截面、导线类型、线路功率有关；I 为负荷计算电流，A； P 为有功负荷，kW； L 为线路长度km。

如线路中为相间负荷和单相负荷计算，其线路电压损失应按照式（4）和式（5）的计算结果进行换算，换算关系如表3 所示。

不同负荷线路电压损失的换算关系 表3

分析式（4）和式（5）可知，影响线路电压偏差的因素主要有供电距离、供电导线截面、导线类型选择、功率因数等。

3 计算实例及分析

该实例为某一民用建筑内屋顶空调动力负荷配电系统，通过对其末端空调负荷进行电压偏差的计算和改善，对在设计中影响电压偏差的两大因素：变压器电压损失和线路电压损失进行分析。

该民用建筑内屋顶空调动力负荷配电系统框图如图2 所示。

图2 屋顶空调动力负荷配电系统框图

其系统参数描述如下。

（1）电源（10kV）：首端电压偏差设为2.5%。

（2）变压器（SCB13－630kVA／10／0.4kV）：变压器电压提升设为0；变压器功率因数为0.9，实际负载率为0.85，满负荷运行时变压器电压损失： ΔuT＝2.75%。

（3）线路1：供电距离为80m，供电导线为WDZ⁃YJY－0.6／1kV 3×95＋2×50。

（4）总配电箱：负荷功率为120kW，功率因数为0.8，计算电流为182A。

（5）线路2：供电距离为150m，供电导线为WDZ⁃YJY－0.6／1kV 5×16。

（6）末端设备：负荷功率为30kW，功率因数为0.8，计算电流为57A。

通过式（3）～（5）计算出该实例系统各部分电压偏差，其计算如表4 所示。

通过式（2）计算可得出该系统电压偏差最后值为－5.79%，其电压损失值超过了允许值。 由于电源电压偏差和变压器电压提升已确定，所以将从变压器电压损失和线路电压损失这两方面来改善系统电压偏差。

实例电压偏差计算 表4

变压器电压提升和功率因数已经确定，所以负载率、变压器本身参数成为影响变压器电压降的主要因素。 实例原选用630kVA 变压器，负载率为0.85。 通过选择800kVA 变压器降低变压器负载率来改善其电压损失，计算出的结果与原实例系统中变压器损失对比如表5 所示。

不同变压器的电压损失表 表5

通过选择容量为800kVA 的变压器降低变压器负载率，从而得到变压器电压偏差为1.83%，利用式（2）计算出末端系统偏差为－5.28%，电压损失稍有改善，但是改善不大，电压损失仍不在规定值内。

实例中系统电压偏差也可通过降低线路电压损失来改善。 线路2 中，末端设计负荷为30kW，以此负荷为例，线路2 选择不同的供电距离，导线截面、导线种类及功率因数，根据式（4）～（5）计算电压损失如图3～4 所示。

图3 供电距离、导线类型对线路电压损失的影响曲线图

图4 导线截面、功率因素对线路电压损失的影响曲线图

从图3～4 中分析可知，线路电压损失过大的原因主要有供电距离过长，供电导线截面、导线类型选择不当，功率因数过低等。 由于实例中末端负荷功率因数、供电距离和导线类型已确定，则最直接改善线路电压损失的方法为放大线路2 电缆截面。将实例中线路2 的截面放大一个等级，采用WDZ⁃YJV－0.6／1kV 3×25＋2×16 电力电缆，再次计算得出的线路2 的电压损失为2.9%。 利用式（2）计算出改善后系统电压偏差为－4.27%，此值在电压偏差值范围之内，符合要求。

该实例原系统电压偏差、改善变压器电压损失后系统偏差及改善线路2 后系统电压偏差对比如图5 所示。 设计中可从降低变压器电压损失和线路电压损失来改善系统电压偏差，但是由于选择变压器容量需综合考虑经济运行、投资等原因，且其改善力度不大，所以在少部分末端负荷电压偏差不满足允许值的情况下，一般采取改善末端线路电压损失的办法。

图5 案例电压偏差结果

通过此次案例及分析可知，在民用建筑电气设计中，改善电压偏差的主要措施如下。

（1）正确的选择变压器容量，提高变压器的功率因数，降低变压器的自身损耗，保证变压器的电压降在合理的范围内。

（2）采取补偿无功功率措施，调整并联补偿电容器组的接入容量，使线路及变压器电压降减少。

（3）降低系统阻抗，合理的选择电缆长度、截面、型号，减少线路的阻抗，从而降低线路电压损失。

4 结束语

文章对电压偏差的分析和计算仅考虑在民用建筑电气设计中，且不考虑特殊情况（如对电压要求严格的设备等），所以计算实例中不考虑有载调压变压器带来电压偏差，也忽略变压器母线、断路器等带来的电压损失。 电压作为电能质量的重要指标之一，设计师们在设计中必须考虑末端设备电压值是否满足要求。