建筑物直流配電電壓等級(jí)選擇探討

李光曦/劉真全

(中信建筑設(shè)計(jì)研究總院有限公司，湖北 武漢 430014)

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建筑物直流配電電壓等級(jí)選擇探討

李光曦/劉真全

(中信建筑設(shè)計(jì)研究總院有限公司，湖北 武漢 430014)

根據(jù)現(xiàn)代建筑物低壓配電的特點(diǎn)，分析了建筑物低壓直流配電的優(yōu)勢(shì)，探討了可用于建筑物低壓直流配電的電壓等級(jí)和接地形式。

直流配電電壓等級(jí)接地形式電擊風(fēng)險(xiǎn)供電能力改造成本

0　引言

隨著科技水平的不斷提高，民用建筑物中直流負(fù)載的比例也不斷增加，這些直流負(fù)載主要為低壓直流設(shè)備、電子鎮(zhèn)流設(shè)備、變頻傳動(dòng)設(shè)備。其中，屬于低壓直流設(shè)備的有個(gè)人電腦、液晶電視、交換機(jī)、打印機(jī)等信息類設(shè)備和其他直流驅(qū)動(dòng)設(shè)備；電子鎮(zhèn)流設(shè)備主要為配備電子鎮(zhèn)流器的熒光燈和其他氣體放電燈；屬于變頻傳動(dòng)設(shè)備的有變頻風(fēng)機(jī)、變頻水泵、變頻電梯、變頻冰箱、變頻空調(diào)、變頻洗衣機(jī)等。以上設(shè)備在接入傳統(tǒng)交流電網(wǎng)時(shí)，均需要先將交流市電整流為直流電[1]。

在我國(guó)大力提倡節(jié)能減排的形勢(shì)下，直流電機(jī)設(shè)備(如直流空調(diào))、電動(dòng)汽車、LED照明等直流負(fù)載也在迅速進(jìn)入建筑物配電系統(tǒng)。因此，在低壓配電系統(tǒng)中，除了少數(shù)必須直接采用交流驅(qū)動(dòng)的設(shè)備(如消防用電機(jī))外，直流負(fù)載所占比例較大，且該比例還在不斷增大。

1　直流配電的優(yōu)點(diǎn)及國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀

對(duì)于直流負(fù)載而言，采用交流配電勢(shì)必要增加設(shè)備的整流單元，不但增加了設(shè)備造價(jià)，也增加了能源消耗。據(jù)有關(guān)資料顯示[2]，同等條件下，直流電壓的安全閾值要高于交流工頻電壓，前者約為后者的2.4倍。由于直流輸電可以不考慮電纜電抗的影響，因此在電纜截面和電壓等級(jí)都相同時(shí)，直流供電的容量更大。

另外，由于負(fù)載的多樣化，低壓交流電網(wǎng)的電能質(zhì)量問題日益突出，諧波干擾、無(wú)功補(bǔ)償?shù)纫蛩厥沟门潆娤到y(tǒng)消耗了大量電能，且隨著分布式能源的不斷應(yīng)用與交流并網(wǎng)對(duì)相位和頻率的嚴(yán)苛要求，使得分布式發(fā)電設(shè)備并網(wǎng)比較復(fù)雜。與之相反的是，直流供電方式并網(wǎng)簡(jiǎn)單，且電能質(zhì)量更容易兼容分布式能源，也更容易得到保障。

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，直流系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)柔性配電更為方便。還可以根據(jù)實(shí)時(shí)負(fù)載實(shí)施功率分配，也可根據(jù)負(fù)載情況控制輸出電壓的幅值，避免交流系統(tǒng)在輕載時(shí)出現(xiàn)回路首端電壓過(guò)高的問題。

綜上所述，建筑物低壓配電系統(tǒng)采用直流配電不但能達(dá)到安全、節(jié)能、節(jié)約有色金屬的目的，也能進(jìn)一步滿足用電負(fù)荷和配電系統(tǒng)的發(fā)展需求。

近年，國(guó)外研究較多的直流配電電壓等級(jí)案例有：美國(guó)有關(guān)高校采用的DC380V、DC48V雙直流配電方式和DC400V、 AC120V交直流混合的配電方式；日本有關(guān)高校采用的干線電壓為DC340V，終端電壓為單相AC100V、三相AC200V、DC100V的配電結(jié)構(gòu)；歐洲有關(guān)高校采用的干線電壓DC750V，終端電壓?jiǎn)蜗郃C230V、三相AC400V、DC120V的配電結(jié)構(gòu)[3]；與此同時(shí)，國(guó)內(nèi)有關(guān)高校也展開了相關(guān)的研究。由于各國(guó)傳統(tǒng)交流配電電壓不同，因而采取的方案也各有側(cè)重。

本文將從電擊風(fēng)險(xiǎn)、供電能力、有色金屬消耗、改造成本等方面探討符合我國(guó)國(guó)情的低壓直流配電電壓等級(jí)和接地形式。

2　電擊防護(hù)與直流電壓選擇

2.1直流電壓安全參考值

由GB/T 13870.1-2008《電流對(duì)人和家畜的效應(yīng)》可知，120mA被認(rèn)為是直流縱向向上電流路徑的安全極限值(縱向向上電流路徑的參考值可以作為大多數(shù)情況下的參考[4])。同時(shí)，該文獻(xiàn)指出，在干燥、接觸面積大、直流電壓125V的條件下，對(duì)電流路徑為手到手的人體電阻進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果顯示被測(cè)試對(duì)象中50%的電阻值≥1 675Ω(50%級(jí)阻抗值被認(rèn)為是可取的[4])，以此為依據(jù)進(jìn)行計(jì)算可知，一手到雙腳的人體電阻為1 088Ω，通過(guò)人體的電流I=U/Z=115mA<120mA，則對(duì)于大多數(shù)測(cè)試者而言，干燥環(huán)境下站立單手接觸帶電體，DC125V對(duì)人沒有太大的生命危險(xiǎn)。

另外，由GB 16895.21-2011《低壓電氣裝置》可知，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生對(duì)保護(hù)導(dǎo)體故障或?qū)Φ毓收蠒r(shí)，超過(guò)50V的交流接觸電壓或超過(guò)120V的直流接觸電壓對(duì)人體是危險(xiǎn)的；在正常干燥環(huán)境下，對(duì)所有人而言，直流電壓值不超過(guò)60V被認(rèn)為是可以直接接觸的電壓；對(duì)于水中環(huán)境而言，直流電壓值不超過(guò)30V被認(rèn)為是安全電壓[2]

(直流電壓中要求紋波電壓方均根值不超過(guò)直流分量的10%)。

由文獻(xiàn)[4]可知，電壓越低，電擊風(fēng)險(xiǎn)越小，但傳輸相同功率所需要的導(dǎo)線截面積越大，供電半徑則隨之減小。供電能力與經(jīng)濟(jì)性是選取配電電壓的重要參考指標(biāo)。因而60V和30V直流電壓僅可作為特殊場(chǎng)所的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，不能作為建筑配電干線的電壓等級(jí)。

由于在民用建筑中，導(dǎo)線不允許直接敷設(shè)在墻體或地板上，且插座均需采用安全型插座，因而民用建筑內(nèi)直接接觸裸露帶電導(dǎo)體的概率較低。大多數(shù)電擊情況的發(fā)生是由于設(shè)備絕緣老化，系統(tǒng)帶電導(dǎo)體發(fā)生對(duì)保護(hù)導(dǎo)體故障或?qū)Φ毓收蠒r(shí)，設(shè)備外露可導(dǎo)電部分或外界可導(dǎo)電部分的接觸電位升高所致。

因此，以發(fā)生接地故障時(shí)設(shè)備金屬外殼的接觸電壓≤120V為前提進(jìn)行電壓選取，可平衡電擊安全和供電能力對(duì)供電電壓的要求。

2.2接地故障時(shí)的直流接觸電壓

對(duì)于交流220V系統(tǒng)，設(shè)備發(fā)生碰外殼接地故障時(shí)接觸電壓約為100V，遠(yuǎn)大于50V，電擊危險(xiǎn)較大[5]。

以某小區(qū)建筑物DC240V配電為例，當(dāng)采用與交流電壓相近的電壓等級(jí)進(jìn)行直流供電時(shí)，對(duì)設(shè)備發(fā)生碰外殼接地故障時(shí)的接觸電壓進(jìn)行分析，如圖1所示。

圖1　直流配電線路圖

在交流接觸電壓的計(jì)算中，高壓側(cè)系統(tǒng)(歸算到400V)、變壓器以及母線三部分的總相保電阻對(duì)計(jì)算結(jié)果影響較小，且由于整流型直流電源采用電力電子器件，其內(nèi)阻抗為非線性值。所以，在進(jìn)行短路電流計(jì)算時(shí)，假設(shè)直流電源內(nèi)阻為0Ω，首先計(jì)算接地故障時(shí)設(shè)備外殼的接觸電壓。圖1中，PE線電阻RPE為0.140 9Ω，變配電所接地電阻RA和其他建筑物PEN線重復(fù)接地電阻RM、RN的綜合電阻值假設(shè)為2Ω，則回路總電阻R≈0.293 7Ω，單相故障電流I=U/R=817.2A，經(jīng)計(jì)算可知此時(shí)最大的接觸電壓Ut=I×RPE+URB=117.7V<120V。

更多的計(jì)算表明，即便參數(shù)不同時(shí)，計(jì)算結(jié)果也幾乎均<120V。由于上述計(jì)算趨于保守，所以可近似認(rèn)為采用240V及以下的直流電壓供電且發(fā)生接地故障時(shí)，設(shè)備金屬外殼的接觸電壓對(duì)大多數(shù)干燥環(huán)境而言是不致命的。由此可見，供電電壓采用DC240V比AC220V更加安全。

3　供電能力與直流電壓選擇

3.1直流電壓與導(dǎo)體截面

由JGJ 16-2008《民用建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范》可知，當(dāng)用電設(shè)備總?cè)萘吭?50kW以下時(shí)，可由低壓交流電源供電。JGJ 242-2011《住宅建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定，每套住宅負(fù)荷不超過(guò)12kW時(shí)應(yīng)采用單相供電。因此，本文選取三相設(shè)備容量≤250kW、單相設(shè)備容量為12kW的設(shè)備進(jìn)行供電能力分析。

為簡(jiǎn)化計(jì)算，對(duì)于三相負(fù)荷，假設(shè)功率因數(shù)為0.8、需要系數(shù)為0.7；對(duì)于單相負(fù)荷，假設(shè)功率因數(shù)為0.85、需要系數(shù)為0.9。設(shè)計(jì)中僅按載流量選取導(dǎo)體截面，干線回路導(dǎo)體采用交聯(lián)聚乙烯電纜，敷設(shè)方式為直接埋地，環(huán)境溫度取30℃；單相回路導(dǎo)線采用無(wú)鹵低煙型BYJ導(dǎo)線，穿管埋墻安裝，環(huán)境溫度取40℃。當(dāng)4根以內(nèi)電纜并聯(lián)時(shí)，假設(shè)電纜并聯(lián)敷設(shè)系數(shù)為0.8。設(shè)計(jì)中認(rèn)為三相負(fù)荷平衡，干線導(dǎo)體有色金屬總截面積只統(tǒng)計(jì)TN-C-S中TN-C的一段。

對(duì)于≤120V的直流電壓可以采用不接地方式，只需兩根導(dǎo)體即可；對(duì)>120V的直流電壓，若采用不接地方式，當(dāng)一根導(dǎo)體發(fā)生接地故障時(shí)，由于并不影響系統(tǒng)運(yùn)行，系統(tǒng)不動(dòng)作，此時(shí)，若另一根導(dǎo)體碰觸到設(shè)備外露可導(dǎo)電部分，則接觸電位將可能超過(guò)120V。因此，在>DC 120V電壓供電的場(chǎng)合應(yīng)增加相應(yīng)的導(dǎo)體保護(hù)措施。保護(hù)導(dǎo)體的截面積選取可參照交流系統(tǒng)的相關(guān)規(guī)定。

對(duì)于不同的三相設(shè)備容量，當(dāng)采用不同的電壓供電時(shí)，電纜含銅總截面積如表1～3所示。

由表1～3可知，對(duì)于三相負(fù)荷，380V左右的電壓是臨界點(diǎn)，只有當(dāng)直流電壓≥380V時(shí)，才會(huì)體現(xiàn)出節(jié)省導(dǎo)體的優(yōu)越性，而且電壓越大，用銅量越少。

對(duì)于單相12kW，當(dāng)采用不同的電壓供電時(shí)，電纜含銅總截面積如表4所示。

表1　負(fù)荷為240kW時(shí)，不同電壓對(duì)應(yīng)的導(dǎo)體總截面積

注：電纜載流量依據(jù)《工業(yè)與民用配電設(shè)計(jì)手冊(cè)》第三版，電纜直流載流量取相應(yīng)工頻交流載流量值，余表同此。

表2　負(fù)荷為200kW時(shí)，不同電壓對(duì)應(yīng)的導(dǎo)體總截面積

表3　負(fù)荷為100kW時(shí)，不同電壓對(duì)應(yīng)的導(dǎo)體總截面積

表4　負(fù)荷為12kW時(shí)，不同電壓對(duì)應(yīng)的導(dǎo)體總截面積

注：考慮導(dǎo)線敷設(shè)在人可觸及處。

由表4可知，對(duì)于單相負(fù)荷，190V左右的電壓是臨界點(diǎn),當(dāng)直流電壓大約增至240V時(shí)，才能體現(xiàn)出節(jié)省導(dǎo)體的優(yōu)越性，而且電壓越大，用銅量越少。

3.2直流電壓與供電半徑

以負(fù)荷200kW為例進(jìn)行分析。當(dāng)回路電壓降允許值為5%時(shí)，對(duì)于不同的配電電壓，按載流量選擇電纜時(shí)，計(jì)算供電半徑如表5所示。

表5　不同電壓對(duì)應(yīng)的供電半徑

注：交流電纜壓降計(jì)算依據(jù)《工業(yè)與民用配電設(shè)計(jì)手冊(cè)》第三版，直流電纜壓降計(jì)算依據(jù)DL/T 5044-2014[6]。

由表5可知，當(dāng)采用DC 340V供電時(shí)，供電半徑對(duì)于交流系統(tǒng)才體現(xiàn)出優(yōu)越性，但由于此時(shí)的導(dǎo)體總截面大于采用交流電壓時(shí)的值，只有當(dāng)電壓達(dá)到DC 380V時(shí)，交、直流系統(tǒng)的導(dǎo)體截面值相當(dāng)。因而筆者認(rèn)為只有當(dāng)電壓達(dá)到DC 380V時(shí)，供電半徑才能體現(xiàn)出優(yōu)越性。

4　改造成本與直流電壓選擇

4.1原有設(shè)備的耐壓水平

原交流220/380V系統(tǒng)的峰值電壓為311/537V，因而可以認(rèn)為原交流設(shè)備的耐壓水平可以用于≤311/537V的直流系統(tǒng)。

由于電纜絕緣材質(zhì)的特性各不相同，GB 50217-2007《電力工程電纜設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定，直流輸電電纜絕緣水平應(yīng)具有能隨極性反向、直流與沖擊疊加等的耐壓考核；使用的交聯(lián)聚乙烯電纜應(yīng)具有抑制空間電荷積聚及其形成局部高場(chǎng)強(qiáng)等適應(yīng)直流電場(chǎng)運(yùn)行的特性。

而由GB/T 12528-2008《交流額定電壓3kV及以下軌道交通車輛用電纜》可知，相同電纜對(duì)直流的耐壓能力約為工頻交流電壓的1.5倍，即原交流配電電纜，最高可用于330/570V直流配電系統(tǒng)。

綜上可知，除現(xiàn)場(chǎng)電纜絕緣材料能否適用于直流場(chǎng)所需要進(jìn)一步確定外，原有設(shè)備的耐壓可滿足≤311/537V的直流電壓要求。

4.2原有配電變壓器的輸出電壓

對(duì)于三相橋式全控整流電路，當(dāng)整流輸出電壓連續(xù)時(shí)(即帶阻感負(fù)載或帶電阻負(fù)載α≤60°時(shí))，平均值Ud=2.34U2cosα，式中，U2為交流側(cè)單相電壓有效值，α為觸發(fā)角[7]。當(dāng)觸發(fā)角為0°時(shí)，最大直流輸出電壓為交流相電壓有效值的2.34倍，而變壓器二次側(cè)出口電壓一般為230V，因而整流電壓平均值最大為538V，通過(guò)控制觸發(fā)角可實(shí)現(xiàn)向下調(diào)壓(PWM整流電路與此類似)?？紤]到供電時(shí)的線路壓降，出線端電壓需要抬高5%，故采用512V及以下的直流標(biāo)稱電壓時(shí)，可直接利用原有變壓器二次側(cè)出口電壓，以減少設(shè)備投資成本。

4.3直流電壓對(duì)原有用電設(shè)備的兼容性

為交-直-交變頻器、不間斷電源UPS、開關(guān)電源等供電時(shí)，大都采用不可控整流電路經(jīng)電容濾波后提供直流電源。電容濾波的三相不可控整流電路輸出的電壓Ud范圍為2.34U2～2.45U2，即空載時(shí)輸出電壓值較高，負(fù)載達(dá)到一定程度時(shí)便穩(wěn)定在2.34倍[7]。由此可知原三相變頻設(shè)備工作的直流段電壓在帶負(fù)載時(shí)為515V，空載時(shí)為539V。由GB 50052-2009《供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》可知電動(dòng)機(jī)供電電壓允許5%的偏移，即交流系統(tǒng)正常供電時(shí)的整流電壓可為489V，所以DC 480V可以滿足大部分情況的用工需求。

綜上可知，DC 515～539V符合原有三相設(shè)備整流直流單元要求，DC 480V可以滿足大部分情況的用工需求，DC 198～311V符合原有單相設(shè)備整流直流單元要求。

4.4原敷設(shè)導(dǎo)體交、直流電壓下的載流量

由表1～3可知，當(dāng)電壓達(dá)到約480V時(shí)，直流供電時(shí)選用的單根導(dǎo)體截面與交流系統(tǒng)相當(dāng)，因此對(duì)于改造項(xiàng)目而言，采用DC 480V及以上電壓供電可以減少原三相配電導(dǎo)體的改造成本。

由表4可知，當(dāng)電壓達(dá)到約190V時(shí)，直流供電選用單根導(dǎo)體截面時(shí)與交流系統(tǒng)能力相當(dāng)，因此對(duì)于原單相負(fù)荷而言，采用DC 190V及以上電壓供電可以減少原單相配電導(dǎo)體的改造成本。

5　配電電壓及接地形式的初步確定

由上述分析可知，不同條件下的電壓值如表6所示。

表6　對(duì)應(yīng)于不同條件的電壓值

由表6可知，電壓越高供電優(yōu)勢(shì)越明顯，當(dāng)電壓DC 240V時(shí)，電擊風(fēng)險(xiǎn)較大。鑒于此，采用零電位直接接地的兩極直流配電形式(圖2)可以較好地解決供電能力和安全性需求之間的矛盾。

圖2　建筑物低壓直流配電形式圖

由圖2可知，配電電壓等級(jí)宜在DC 190/380V～DC 240/480V的范圍內(nèi)。對(duì)于小功率負(fù)荷，采用單極供電；對(duì)于大功率負(fù)荷，采用雙極供電(配N線或不配N線)。當(dāng)兩極負(fù)荷平衡時(shí)，流過(guò)N線的電流近似為零。由于現(xiàn)代建筑物大多采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，建筑物內(nèi)已形成了天然的近似等電位條件，因而建筑物直流配電接地方式采用TN系統(tǒng)較為合理。

6　結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，建筑物配電系統(tǒng)采用不低于DC 190/380V且不高于DC 240/480V的配電電壓(本文推薦標(biāo)稱電壓DC 230/460V)以及零電位參考點(diǎn)直接接地的雙極直流配電形式比較符合我國(guó)的實(shí)際情況，在安全、節(jié)能、減少有色金屬消耗、增加供電半徑、兼容原有負(fù)載、減少改造成本等方面具有綜合優(yōu)勢(shì)。但是，目前電壓等級(jí)及接地形式最終仍需要在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上確定。

當(dāng)前環(huán)境下，建筑物低壓配電可以優(yōu)先嘗試LED照明系統(tǒng)直流配電和地下汽車庫(kù)充電樁直流配電。由于各項(xiàng)理論、技術(shù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)尚不豐富、直流配電產(chǎn)品種類太少等因素，因此建筑物低壓直流配電的研究依然任重而道遠(yuǎn)。

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Discussion on the Selection of DC Distribution Voltage Level of Buildings

Li Guangxi/Liu Zhenquan

According to the characteristics of low voltage distribution of the Modern building,the advantages of low voltage DC power distribution of buildings are analyzed,and the voltage level and grounding mode of low voltage DC power distribution on buildings are discussed.

DC distribution，voltage level，grounding mode，electric shock risk，power supply capacity，transformation cost