一种线路压降的快速计算软件

程 青

[同济大学建筑设计研究院(集团)有限公司,上海 200092]

0 引 言

近些年随着各地超高层、大型商业综合体等纷纷建设,项目的复杂程度越来越大,变电站应设在负荷中心位置、低压供电距离控制在200 m以内等规范要求有时较难实现。配电距离较长及用电设备容量较大,会导致线路压降、大设备启动时端电压等不满足要求。而电气设计人员在进行设计时除了必要的负荷计算、照度及功率密度计算、防雷计算外涉及专项的计算较少。

《工业与民用配电设计手册》3版、4版[1]有配合使用的计算软件,软件环境不是开源的,很多计算只能选择给定的数据,可能与设计不能完全对应。

在配电系统中,电压损失是必然存在的,如何通过校验,控制最小截面对工程施工的成本控制有着重要的意义。

1 面临问题

在低压配电系统中,电缆是整个系统的主要投入部分,低压电缆的投资占到整个系统工程量的30%以上。因此在确保系统安全的前提下,如何合理设置最佳的电力线路电缆,是电气设计当前所面临的问题。

(1)电压降和电压损失。在交流供电系统中,电缆线路存在阻抗。阻抗由电阻、电抗构成。电流通过阻抗时,在阻抗的两端产生的电压差称为电压降。电缆电压损失是指线路始端电压经线路传输后,线路对其的损失或影响大小,是线路两端电压的数值差,常用其同额定电压相比的百分数来表示。低压电缆线路由于电压低、线路短,电容电流可以忽略,所以电抗可以只考虑感抗,而中压电缆则不同,必须考虑电容电流,即容抗大小。

(2)电流损失计算分析。根据GB/T 12325—2008《电能质量供电电压允许偏差》对10 kV之下的用电设备端电压偏差允许值进行了规定:在对视觉要求比较高的场所中,照明灯的电压偏差允许值为-2.5%～5%,一般工作场所中,照明灯的电压偏差允许值为-5%～5%;正常情况下,电动机的电压偏差允许值为±5%,特殊情况下,电动机的电压偏差允许值为-10%～5%。软件中将电压损失按照5%来进行综合考虑。此外,变压器自身具有调压开关,因此380/220 V电缆压降以及10 kV电缆压降不实施累加,对其分别进行计算。由于功率因数、线路长度以及工作电流相同,电压损失大小仅和电缆电阻参数以及电缆电抗有关系,电缆截面、芯线材料以及绝缘材料具有最终决定作用。

2 常用计算方法

(1)公式计算法。该方法是所有方法的基础,通过直接公式计算得出相关设计需要数据,可以应对设计遇到的情况进行计算。但是该方法缺点比较明显,会造成大量的计算工作,同时在计算中可能会出现失误,导致后续所有计算无效。同时计算结果的展示并不明显。在实际工作中会出现需要对设计方案进行修改的情况,公式计算法的不灵活和繁琐的缺点就显现出来。

(2)查表法。根据电缆类型、截面面积、功率因数等数据,由相关速查表查得,计算过程较简便。但是该方法也有明显弊端。由国标图集19DX101-1《建筑电气常用数据》[2]中表3.21可查到参数对应的电压损失值数量有限,实际应用时需用插值法进行估算,某配电设备的配电回路常常对应多级配电,各级配电电缆型号、长度均不相同,每段均需采用插值法估算并叠加,较繁琐且数据表中数据不全,计算结果不够直观,对比不明显,同时对设计方案的改变不能灵活应变。

(3)Excel表格计算法。通过充分利用Excel强大的可编辑和计算功能,通过提前将相关公式输入表格,根据需要元素的不同制作相关的计算Excel表格。该方法较为灵活,可以迅速计算出所需要的数据,并将相关数据直观地在表格中显示出来。但是该方法局限性也非常地明显,在压降计算中除了公式中所用到的活性参数外还需要不同的固定参数(电线电缆的额定电压、型号以及相线截面积,自动查找电线电缆的电阻值、感抗值),但是不同电线电缆的额定电压、型号以及相线截面积在同一张计算表中较难同时显示和同时计算,需要制作不同的表格来满足各种设计需求。

(4)普通软件计算法。使用如天正电气等较为常用设计软件的计算功能进行计算,可以根据设计中提前得到的固定参数和需求参数进行快速计算,且能实现计算的同时进行绘图操作。但是这类软件的计算功能较简易,每次仅能计算单独一条线路压降,如计算多级配电的线路总电压降时需分多次计算,还需要进行人工操作叠加,而且第二段所需计算的电路压降与第一段电路的一些参数必须相同。故该方法灵活性不够,不利于后期根据设计需求进行方案调整。

3 本文计算方法

本文使用的计算方法是根据普通软件计算法的优势,通过Eclipse和MySQL语言编程的方式,制作工作中需要的智慧计算平台,该平台通过APP方式进行表现,在实现灵活计算的基础功能的基础上,加上实时保存和查询功能,使设计人员在计算绘图时可与AutoCAD软件同时运行。

3.1 开发的低压电气负荷计算程序优势

(1)操作简单,显示界面符合设计绘图习惯,设计人员易于上手。只要输入各回路电气设备的安装功率、需要系数、功率因数(需要系数、功率因数如不输入,默认值为0.8)在灰色的文本框里,所有计算数据可视化。一键式操作计算出相关需要的结果。经过计算的结果都在计算按键下的灰色框内显示。输入和计算结果的文本框区分颜色可有效地引导设计人员快速输入,从而节约大量时间。

(2)设计人员不需要查阅大量的资料即可直接由后台数据库进行比对,自动选择补充容量,确定电容器柜数量。根据计算的数据智能选择变压器的容量,给出运行的变压器负载率和高压侧的功率因数。

(3)计算结果数据可以保存,以供审核及日后工程现场要求修改。

3.2 平台算法运行步骤

平台算法运行步骤如图1所示。在创建低压短路电流计算时,需要在界面上将所需要的参数进行分类并设计出可输入空间,通过后台公式嵌套自动得出相关结果并且加以显示。接着后台计算步骤:选择设计相关所需场所;输入相应元素;计算设折减系数;对电缆和保护开关进行选择;进行损失校验。

图1 平台算法运行步骤

3.3 平台内所用公式

3.3.1 三相平衡负荷电路

(1)终端负荷用电流矩。

(1)

式中:Δu%——线路电压损失百分比;

Un——标称线电压;

X′o、R′o——三相电路单位长度的感抗和电阻;

I——负荷计算电流;

L——线路长度。

(2)终端负荷用负荷矩。

(2)

式中:P——有功负荷;

Δup%——三相线路电压损失百分数。

3.3.2 接近与线电压的单相负荷线路

(1)终端负荷用电流矩。

(3)

(2)终端负荷用负荷矩。

(4)

式中:X″o——单相线路单位长度的感抗。

3.3.3 接近于相电压的两相N线平衡负荷线路

(1)终端负荷用电流矩。

(5)

(2)终端负荷用负荷矩。

(6)

3.3.4 接相电压的单相负荷线路

(1)终端负荷用电流矩。

(7)

式中:Unph——标称相电压;

cosφ——功率因数。

(2)终端负荷用负荷矩。

(8)

实际单相线路的感抗值与三相线路的感抗值不同,但在工程实际计算中可以忽略其中的误差。对于220/380 V线路的电压损失,导致截面为50 mm2及以下时误差为1%,50 mm2以上时最大误差约为5%。

实际运用时不用查询相关列表,只需进行相关项目和元素的填写,就可直接进行下一步计算。

3.4 平台实际计算结果

平台实际计算结果如图2所示。

图2 平台实际计算结果

4 结 语

介绍了利用软件实现压降的快速计算方法,相比于传统的计算软件,该软件实现了多次计算实时查阅,同时无需设计人员人工操作叠加,大大提高了工作效率。