鄭鵬飛(山東同圓設(shè)計集團有限公司，山東濟南250101)

淺談電壓偏差對民用建筑電氣設(shè)備的影響及改善措施

鄭鵬飛(山東同圓設(shè)計集團有限公司，山東濟南250101)

0 概述

電能質(zhì)量主要指標包括電壓偏差、電壓波動和閃變、頻率偏差、諧波 (電壓諧波畸變率和諧波電流含有率)和三相電壓不平衡度等。電壓是電能質(zhì)量的重要指標，電壓不合格會對電網(wǎng)造成嚴重的危害，電壓偏移過大會影響工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的質(zhì)量和產(chǎn)量，損壞電力設(shè)備，甚至引起系統(tǒng)性“電壓崩潰”，造成大面積停電[1]。

電壓偏差又稱電壓偏移，指供配電系統(tǒng)改變運行方式和負荷緩慢地變化使供配電系統(tǒng)各點的電壓也隨之變化，各點的實際電壓與系統(tǒng)的額定電壓之差稱為電壓偏差。

電壓偏差公式:ΔU＝U-UN

以額定電壓的百分數(shù)表示，則公式為:

式中，ΔU為電壓偏差值，%；U為實際電壓，V；UN為額定電壓，V。

1 低壓用電設(shè)備端電壓偏差的允許值

為了限制供電線路中的電壓損失，保證供電質(zhì)量，國家對低壓供電線路允許電壓損失的大小做了明確規(guī)定。目前出版發(fā)行的有關(guān)書籍、手冊及文獻雖對允許電壓損失的數(shù)值表述不一，但基本一致，現(xiàn)以 《工業(yè)與民用配電設(shè)計手冊》為依據(jù)進行分析計算，可知用電設(shè)備端子電壓實際值與額定值存在偏差時，其性能將直接受到影響，影響的程度視電壓偏差的大小而定，參見表1。根據(jù)設(shè)備制造和網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的綜合考慮，制定用電設(shè)備端子電壓偏差允許值還應(yīng)考慮到設(shè)備的某些具體運行狀況。如對于不常使用的用電設(shè)備、使用時間短暫且使用次數(shù)很少的用電設(shè)備以及少數(shù)遠離變電所的用電設(shè)備等，其電壓偏差允許范圍可以適當放寬，以免過多地增加線路投資。某些用電設(shè)備 (如信息技術(shù)設(shè)備)若電壓超過產(chǎn)品規(guī)定的允許值將影響其工作的精確度，因此這些設(shè)備往往有專用穩(wěn)壓電源裝置，這時對網(wǎng)絡(luò)電壓偏差的要求可適當放寬[2]。

表1中電動機數(shù)據(jù)根據(jù)《電動機基本技術(shù)要求》(GB7 55-2000)得出，照明數(shù)據(jù)根據(jù)《建筑照明設(shè)計標準》(GB 50034-2013)以及《城市道路照明設(shè)計標準》(CJJ 45-1991)得出。

表1 用電設(shè)備端子電壓偏差允許值

2 電壓偏差的原因及計算

在線路中產(chǎn)生電壓損失的直接原因是電能在傳遞的過程中，導(dǎo)體阻抗消耗電能，從而產(chǎn)生電壓損失，引起電壓損失的主要原因有以下幾方面。

1)供電導(dǎo)線截面選擇不當，供電線路超出合理的供電半徑，電壓損失過大。

2)用電的功率因數(shù)低，無功電流大，加大了電壓損失。

設(shè)計人員在進行設(shè)備選型時，為避免容量不夠，人為地將設(shè)備容量放大會造成設(shè)備在實際運行中的功率因數(shù)普遍偏低，達不到最優(yōu)運行狀態(tài)；配電變壓器在長期運行過程中，由于住宅小區(qū)用電比較集中，例如白天和晚上、夏季和冬季用電量不同，使得電負荷也相應(yīng)發(fā)生變化，造成配電變壓器有時處于輕負載率狀態(tài)運行，有時處于重負載率狀態(tài)運行，形成運行狀態(tài)不均衡，同時變壓器低壓側(cè)端電壓也隨著運行狀態(tài)的變化而變化，給居民用電帶來負面效應(yīng)。

3)沖擊性負荷、三相不平衡負荷的影響。

首先，在民用建筑中照明負荷占據(jù)著重要的地位，三相不平衡現(xiàn)象在所難免，其次，現(xiàn)在居民生活水平不斷提高，電磁爐、空調(diào)等大批家用電器日益增多，且這些單相大功率用電負荷沿220V線路以不同容量、不同地點頻繁接入，啟/停隨意性大，是造成三相不平衡負荷的另一主要原因。

4)線路過負荷運行。

5)變壓器沒有調(diào)壓措施或調(diào)壓措施使用不當。

6)電容補償器的容量不匹配且沒有自動調(diào)節(jié)功能。

下面以某小區(qū)為例計算線路電壓損失，假定小區(qū)最遠的1棟住宅樓為1＃樓，最近的1棟住宅樓為2＃樓，兩棟樓均為地上30層，地下2層，每棟樓均為1個單元，為了便于操作、維護及抄表，電表集中放置在地下一層電表間內(nèi)，至戶內(nèi)箱的線路采用放射式配電方式，配電線路示意圖見圖1，兩棟樓的電壓損失及詳細計算過程見表2、3。

圖1 配電線路示意圖

以上計算僅是線路損失，沒有考慮變壓器損耗，通過表2、3可以看出，民用建筑低壓線路電壓損失為4%～7%，若加上變壓器等設(shè)備的損耗，總的電壓損失接近5%～10%，通過表2、3可知，大部分住宅小區(qū)實際運行中的電壓偏差都超過手冊規(guī)定值，此電壓偏差將對低壓用電設(shè)備的負載功率、使用壽命以及工作性能產(chǎn)生極大的影響。

表2 1＃樓電壓損失表

表3 2＃樓電壓損失表

3 電壓偏差對用電設(shè)備的影響

用電設(shè)備電壓實際值偏離額定值，將直接影響其性能，并可能造成某些損失。影響程度因偏差大小及其持續(xù)時間長短而異，下面將分別就電壓偏差對主要的民用電氣設(shè)備的影響進行分析。

3.1 風機、水泵、空調(diào)壓縮機等異步電動機

從表4可見，當異步電動機端子電壓為負偏差時，負荷電流的增大以及啟動轉(zhuǎn)矩、最大轉(zhuǎn)矩和最大過負荷能力的減小都很顯著，嚴重時甚至不能啟動或造成堵轉(zhuǎn)；而當電壓為正偏差時，轉(zhuǎn)矩增加，嚴重情況下可能導(dǎo)致聯(lián)軸器剪斷或設(shè)備損壞。

表4 端電壓偏差對異步電動機特性的影響

當電壓偏差為△u時，電動機的絕緣壽命估算公式為:

式中，TN為額定電壓和額定負載下電動機的絕緣壽命；KT為絕緣壽命系數(shù)。

當-0.2≤Δu≤0時，KT＝(47Δu2-7.55Δu ＋1)m2。

當0≤Δu≤0.2時，KT＝m2。

式中，Δu為電壓偏差值，以小數(shù)表示；m為電動機的負載率。

根據(jù)上式，當電動機長期持續(xù)以-10%的電壓偏差運轉(zhuǎn)時，其絕緣壽命將縮短一半。

3.2 熱水器、制熱空調(diào)等電熱設(shè)備

電熱設(shè)備熱能輸出與外施電壓平方成正比變化，端電壓降低10%，熱能輸出降低19%；端電壓升高10%，熱能輸出升高21%。當電壓降低時生產(chǎn)率也降低，當端電壓長期偏高時，將使電熱元件壽命縮短[3]。

3.3 白熾燈

電壓偏差對白熾燈的功率、光通量、發(fā)光效率以及使用壽命有極大的影響。白熾燈的實際電壓與額定電壓之間的偏差為-5%時，白熾燈的功率、光通量、發(fā)光效率、使用壽命分別為＋8%、＋22%、＋12%和-50%；當電壓偏差為＋5%時，其功率、光通量、發(fā)光效率和使用壽命分別為-7%、-18%、-12%和＋100%。由此可看出，白熾燈的使用壽命受電壓偏差的影響極大，倘若電壓偏差過大，那么白熾燈便會迅速燒毀[4]。

3.4 熒光燈等氣體放電燈

熒光燈的光通量大約與其端電壓的平方成正比，端電壓降低10%時光通量降低20%；端電壓升高10%時光通量升高22%；當電壓偏差為-10%及以下時，啟動將非常困難；當電壓偏差超過＋10%時，鎮(zhèn)流器將過熱而縮短壽命。對于燈管本身，電壓升高10%時使用壽命降低20%；電壓降低10%時使用壽命降低35%。燈管的使用壽命是指其在光效下降到初始值的70%時的使用時間[3]。

3.5 家用電氣設(shè)備

電氣設(shè)備的功率隨電壓的降低而降低。電壓每升高5%，其壽命相應(yīng)縮短一半，這是由于電壓提高后，電子元件壽命減少的緣故。某些電子元件不論電壓偏高或偏低都將縮短壽命，所以保持電氣設(shè)備電壓接近額定電壓值的穩(wěn)定水平很重要。

計算機的電壓若超過所規(guī)定的允許值將影響運算的精確度，對其使用壽命及穩(wěn)定性都有影響。

4 改善電壓偏差的主要措施

針對以上問題，本文就改善電壓偏差的主要措施列舉如下。

4.1 就地進行無功功率補償，及時調(diào)整并聯(lián)補償電容器組的接入容量

接入電容器后線路及變壓器電壓損失減少的數(shù)據(jù)。一般負荷大、電壓低時，無功負荷大，需要投入電容器進行補償；反之，在負荷輕、電壓高時，無功負荷小，需要切除電容器，這樣就可以在調(diào)節(jié)無功的同時，改善電壓質(zhì)量。有條件時宜采用調(diào)節(jié)低壓電容器的方式，以使調(diào)壓效果更顯著，還應(yīng)盡量采用按電壓或功率因數(shù)進行調(diào)整的低壓自動補償裝置。

4.2 正確選擇變壓器的電壓分接頭和容量

經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)實中大部分變壓器的容量都偏大，從而使得變壓器的功率因數(shù)偏低，變壓器沒有得到合理而有效地利用；應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)中各點電壓的不同，合理設(shè)置變壓器的分接頭，對變壓器出口端的電壓進行調(diào)整，將系統(tǒng)中各點電壓的偏差限制在一定范圍內(nèi)。

4.3 降低系統(tǒng)阻抗

電壓偏差與電壓損失是息息相關(guān)的，電壓損失越大，電壓偏差的控制就越困難，系統(tǒng)的電壓損失與阻抗大小成正比，因此，采用下列措施可以減少系統(tǒng)中的電壓損失。

1)減少變壓級數(shù)，可降低變壓器產(chǎn)生的電壓損失。

2)盡量采用銅電纜，采用經(jīng)濟電流密度法選擇導(dǎo)線截面，減少線路的阻抗。

3)因為電纜線路的電抗值比相同截面的架空線路和普通絕緣導(dǎo)線小得多，用電纜線路替代架空線路或普通絕緣導(dǎo)線，可有效減少電壓損失[5]。

4.4 三相負荷平衡

如果三相負荷分配不平衡，將產(chǎn)生零序低壓，抬高地電位，增大兩相電壓之間的偏差，所以，在進行單相負荷分配時應(yīng)盡量做到三相平衡。

4.5 合理選擇變壓器容量

選擇適當且恰當?shù)淖儔浩魅萘考敖Y(jié)線組D，yn11變壓器，提高變壓器的功率因數(shù)，使變壓器得到充分、合理地利用，降低變壓器的自身損耗，保證變壓器端電壓在合理的范圍內(nèi)。

5 結(jié)束語

電壓是電能質(zhì)量的重要指標，電壓超標將會對用電設(shè)備的正常、安全運行產(chǎn)生直接的影響，并且有可能使變壓器或線路的損耗量增大，縮短低壓用電設(shè)備的使用壽命。因此合格的電壓對社會生產(chǎn)和人民生活有著非常重要的意義。

[1] 劉俊科.淺談電力系統(tǒng)的電壓調(diào)整 [J].中國電力教育，2011，(6):122-123.

[2] 中國航空工業(yè)規(guī)劃設(shè)計研究院等.《工業(yè)與民用配電設(shè)計手冊》(3版)[M].北京:中國電力出版社，2005.

[3] 陳錫昆等.《鋼鐵企業(yè)電力設(shè)計手冊》 [M].北京:冶金工業(yè)出版社，1996.

[4] 古書燕.電壓偏差對低壓用電設(shè)備的影響及改善 [J].中國電力教育，2011，(7):96-97.

[5] 候英偉.淺論電壓偏差 [J].硅谷，2009，(18):21-22.

鄭鵬飛

工程師，碩士，現(xiàn)就職于山東同圓設(shè)計集團有限公司，主要研究方向為民用建筑電氣。

Discussion on the Effect and Improvement Measures of Voltage Deviation on Civil Architecture Electrical Equipment

Zheng Pengfei

電壓是衡量電能質(zhì)量最主要的指標之一，電壓偏差對低壓用電設(shè)備會產(chǎn)生極大的危害，甚至?xí)?dǎo)致低壓用電設(shè)備系統(tǒng)的失穩(wěn)與崩潰。對電壓偏差的概念進行闡述，分析民用建筑電氣電壓偏差如何產(chǎn)生及對用電設(shè)備的影響，提出低壓系統(tǒng)電壓偏差的改善措施，以提高其經(jīng)濟效益和社會效益。

電壓偏差 民用建筑電氣 低壓用電設(shè)備 改善措施

Voltage is one of the most important indicators to measure the power quality. Voltage deviation will produce great harm，even instability and collapse on the low-voltage electrical equipments.The concept of voltage deviation is described，the causes and influences on electrical equipments are detailed analyzed，and the improvement measures of voltage deviation in low-pressure system are put forward，and expect to improve the economic and social benefits.

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