程 青

[同濟大學(xué)建筑設(shè)計研究院(集團)有限公司,上海 200092]

0 引 言

近些年隨著各地超高層、大型商業(yè)綜合體等紛紛建設(shè),項目的復(fù)雜程度越來越大,變電站應(yīng)設(shè)在負荷中心位置、低壓供電距離控制在200 m以內(nèi)等規(guī)范要求有時較難實現(xiàn)。配電距離較長及用電設(shè)備容量較大,會導(dǎo)致線路壓降、大設(shè)備啟動時端電壓等不滿足要求。而電氣設(shè)計人員在進行設(shè)計時除了必要的負荷計算、照度及功率密度計算、防雷計算外涉及專項的計算較少。

《工業(yè)與民用配電設(shè)計手冊》3版、4版[1]有配合使用的計算軟件,軟件環(huán)境不是開源的,很多計算只能選擇給定的數(shù)據(jù),可能與設(shè)計不能完全對應(yīng)。

在配電系統(tǒng)中,電壓損失是必然存在的,如何通過校驗,控制最小截面對工程施工的成本控制有著重要的意義。

1 面臨問題

在低壓配電系統(tǒng)中,電纜是整個系統(tǒng)的主要投入部分,低壓電纜的投資占到整個系統(tǒng)工程量的30%以上。因此在確保系統(tǒng)安全的前提下,如何合理設(shè)置最佳的電力線路電纜,是電氣設(shè)計當(dāng)前所面臨的問題。

(1)電壓降和電壓損失。在交流供電系統(tǒng)中,電纜線路存在阻抗。阻抗由電阻、電抗構(gòu)成。電流通過阻抗時,在阻抗的兩端產(chǎn)生的電壓差稱為電壓降。電纜電壓損失是指線路始端電壓經(jīng)線路傳輸后,線路對其的損失或影響大小,是線路兩端電壓的數(shù)值差,常用其同額定電壓相比的百分?jǐn)?shù)來表示。低壓電纜線路由于電壓低、線路短,電容電流可以忽略,所以電抗可以只考慮感抗,而中壓電纜則不同,必須考慮電容電流,即容抗大小。

(2)電流損失計算分析。根據(jù)GB/T 12325—2008《電能質(zhì)量供電電壓允許偏差》對10 kV之下的用電設(shè)備端電壓偏差允許值進行了規(guī)定:在對視覺要求比較高的場所中,照明燈的電壓偏差允許值為-2.5%～5%,一般工作場所中,照明燈的電壓偏差允許值為-5%～5%;正常情況下,電動機的電壓偏差允許值為±5%,特殊情況下,電動機的電壓偏差允許值為-10%～5%。軟件中將電壓損失按照5%來進行綜合考慮。此外,變壓器自身具有調(diào)壓開關(guān),因此380/220 V電纜壓降以及10 kV電纜壓降不實施累加,對其分別進行計算。由于功率因數(shù)、線路長度以及工作電流相同,電壓損失大小僅和電纜電阻參數(shù)以及電纜電抗有關(guān)系,電纜截面、芯線材料以及絕緣材料具有最終決定作用。

2 常用計算方法

(1)公式計算法。該方法是所有方法的基礎(chǔ),通過直接公式計算得出相關(guān)設(shè)計需要數(shù)據(jù),可以應(yīng)對設(shè)計遇到的情況進行計算。但是該方法缺點比較明顯,會造成大量的計算工作,同時在計算中可能會出現(xiàn)失誤,導(dǎo)致后續(xù)所有計算無效。同時計算結(jié)果的展示并不明顯。在實際工作中會出現(xiàn)需要對設(shè)計方案進行修改的情況,公式計算法的不靈活和繁瑣的缺點就顯現(xiàn)出來。

(2)查表法。根據(jù)電纜類型、截面面積、功率因數(shù)等數(shù)據(jù),由相關(guān)速查表查得,計算過程較簡便。但是該方法也有明顯弊端。由國標(biāo)圖集19DX101-1《建筑電氣常用數(shù)據(jù)》[2]中表3.21可查到參數(shù)對應(yīng)的電壓損失值數(shù)量有限,實際應(yīng)用時需用插值法進行估算,某配電設(shè)備的配電回路常常對應(yīng)多級配電,各級配電電纜型號、長度均不相同,每段均需采用插值法估算并疊加,較繁瑣且數(shù)據(jù)表中數(shù)據(jù)不全,計算結(jié)果不夠直觀,對比不明顯,同時對設(shè)計方案的改變不能靈活應(yīng)變。

(3)Excel表格計算法。通過充分利用Excel強大的可編輯和計算功能,通過提前將相關(guān)公式輸入表格,根據(jù)需要元素的不同制作相關(guān)的計算Excel表格。該方法較為靈活,可以迅速計算出所需要的數(shù)據(jù),并將相關(guān)數(shù)據(jù)直觀地在表格中顯示出來。但是該方法局限性也非常地明顯,在壓降計算中除了公式中所用到的活性參數(shù)外還需要不同的固定參數(shù)(電線電纜的額定電壓、型號以及相線截面積,自動查找電線電纜的電阻值、感抗值),但是不同電線電纜的額定電壓、型號以及相線截面積在同一張計算表中較難同時顯示和同時計算,需要制作不同的表格來滿足各種設(shè)計需求。

(4)普通軟件計算法。使用如天正電氣等較為常用設(shè)計軟件的計算功能進行計算,可以根據(jù)設(shè)計中提前得到的固定參數(shù)和需求參數(shù)進行快速計算,且能實現(xiàn)計算的同時進行繪圖操作。但是這類軟件的計算功能較簡易,每次僅能計算單獨一條線路壓降,如計算多級配電的線路總電壓降時需分多次計算,還需要進行人工操作疊加,而且第二段所需計算的電路壓降與第一段電路的一些參數(shù)必須相同。故該方法靈活性不夠,不利于后期根據(jù)設(shè)計需求進行方案調(diào)整。

3 本文計算方法

本文使用的計算方法是根據(jù)普通軟件計算法的優(yōu)勢,通過Eclipse和MySQL語言編程的方式,制作工作中需要的智慧計算平臺,該平臺通過APP方式進行表現(xiàn),在實現(xiàn)靈活計算的基礎(chǔ)功能的基礎(chǔ)上,加上實時保存和查詢功能,使設(shè)計人員在計算繪圖時可與AutoCAD軟件同時運行。

3.1 開發(fā)的低壓電氣負荷計算程序優(yōu)勢

(1)操作簡單,顯示界面符合設(shè)計繪圖習(xí)慣,設(shè)計人員易于上手。只要輸入各回路電氣設(shè)備的安裝功率、需要系數(shù)、功率因數(shù)(需要系數(shù)、功率因數(shù)如不輸入,默認值為0.8)在灰色的文本框里,所有計算數(shù)據(jù)可視化。一鍵式操作計算出相關(guān)需要的結(jié)果。經(jīng)過計算的結(jié)果都在計算按鍵下的灰色框內(nèi)顯示。輸入和計算結(jié)果的文本框區(qū)分顏色可有效地引導(dǎo)設(shè)計人員快速輸入,從而節(jié)約大量時間。

(2)設(shè)計人員不需要查閱大量的資料即可直接由后臺數(shù)據(jù)庫進行比對,自動選擇補充容量,確定電容器柜數(shù)量。根據(jù)計算的數(shù)據(jù)智能選擇變壓器的容量,給出運行的變壓器負載率和高壓側(cè)的功率因數(shù)。

(3)計算結(jié)果數(shù)據(jù)可以保存,以供審核及日后工程現(xiàn)場要求修改。

3.2 平臺算法運行步驟

平臺算法運行步驟如圖1所示。在創(chuàng)建低壓短路電流計算時,需要在界面上將所需要的參數(shù)進行分類并設(shè)計出可輸入空間,通過后臺公式嵌套自動得出相關(guān)結(jié)果并且加以顯示。接著后臺計算步驟:選擇設(shè)計相關(guān)所需場所;輸入相應(yīng)元素;計算設(shè)折減系數(shù);對電纜和保護開關(guān)進行選擇;進行損失校驗。

圖1 平臺算法運行步驟

3.3 平臺內(nèi)所用公式

3.3.1 三相平衡負荷電路

(1)終端負荷用電流矩。

(1)

式中:Δu%——線路電壓損失百分比;

Un——標(biāo)稱線電壓;

X′o、R′o——三相電路單位長度的感抗和電阻;

I——負荷計算電流;

L——線路長度。

(2)終端負荷用負荷矩。

(2)

式中:P——有功負荷;

Δup%——三相線路電壓損失百分?jǐn)?shù)。

3.3.2 接近與線電壓的單相負荷線路

(1)終端負荷用電流矩。

(3)

(2)終端負荷用負荷矩。

(4)

式中:X″o——單相線路單位長度的感抗。

3.3.3 接近于相電壓的兩相N線平衡負荷線路

(1)終端負荷用電流矩。

(5)

(2)終端負荷用負荷矩。

(6)

3.3.4 接相電壓的單相負荷線路

(1)終端負荷用電流矩。

(7)

式中:Unph——標(biāo)稱相電壓;

cosφ——功率因數(shù)。

(2)終端負荷用負荷矩。

(8)

實際單相線路的感抗值與三相線路的感抗值不同,但在工程實際計算中可以忽略其中的誤差。對于220/380 V線路的電壓損失,導(dǎo)致截面為50 mm2及以下時誤差為1%,50 mm2以上時最大誤差約為5%。

實際運用時不用查詢相關(guān)列表,只需進行相關(guān)項目和元素的填寫,就可直接進行下一步計算。

3.4 平臺實際計算結(jié)果

平臺實際計算結(jié)果如圖2所示。

圖2 平臺實際計算結(jié)果

4 結(jié) 語

介紹了利用軟件實現(xiàn)壓降的快速計算方法,相比于傳統(tǒng)的計算軟件,該軟件實現(xiàn)了多次計算實時查閱,同時無需設(shè)計人員人工操作疊加,大大提高了工作效率。