長(zhǎng)距離供電電動(dòng)機(jī)負(fù)載電壓偏差分析

吳火軍， 孫利軍

(1. 中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，杭州 310014；2. 浙江石倉(cāng)工程有限公司，杭州 311225)

0 引言

近幾年，國(guó)家高速公路、城市隧道、綜合管廊、軌道交通等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)如火如荼。 此類工程用電負(fù)荷呈現(xiàn)線性規(guī)律分布，一般情況下難以分布在變配電所經(jīng)濟(jì)供電半徑范圍。 以一座長(zhǎng)約1.5km的城市隧道為例，結(jié)合通風(fēng)及防排煙要求間隔150～200m 等距懸掛射流風(fēng)機(jī)，而隧道變配電所結(jié)合工程線型特點(diǎn)，一般布置于隧道兩端，難以做到設(shè)于理論上的負(fù)荷中心，大量的射流風(fēng)機(jī)類電動(dòng)機(jī)負(fù)載呈現(xiàn)遠(yuǎn)距離供電情況(一般供電距離在300 ～800m，特殊情況下可能達(dá)到1 000m)，在工程設(shè)計(jì)中需要仔細(xì)校驗(yàn)長(zhǎng)距離供電對(duì)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的影響，以確保電動(dòng)機(jī)能正常啟動(dòng)和運(yùn)行，并盡可能減少線纜投資和銅材損耗，實(shí)現(xiàn)節(jié)能。

電動(dòng)機(jī)運(yùn)行中的影響因素很多，但是有許多參數(shù)變化不大，如電動(dòng)機(jī)的定子繞組電阻、漏感抗，轉(zhuǎn)子繞組電阻、漏感抗、勵(lì)磁電阻、電抗等參數(shù)在電動(dòng)機(jī)出廠時(shí)已經(jīng)確定，可以作為不變的量來處理，而電動(dòng)機(jī)設(shè)備端子處的電壓偏差對(duì)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、有功損耗、無(wú)功損耗、轉(zhuǎn)子電流等參數(shù)的變化情況較為顯著。 文獻(xiàn)[1]較為詳細(xì)地分析了電壓波動(dòng)對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩、滑差、轉(zhuǎn)速、功率損耗和轉(zhuǎn)子電流的影響。 本文依據(jù)國(guó)家規(guī)范及《工業(yè)與民用供配電設(shè)計(jì)手冊(cè)》，重點(diǎn)梳理電動(dòng)機(jī)負(fù)載設(shè)備端子處的電壓偏差允許值確定方法，為相關(guān)工程設(shè)計(jì)和建設(shè)提供參考。

1 電壓偏差定義及國(guó)家相關(guān)規(guī)定

1.1 電壓偏差定義

GB/T 12325－2008《電能質(zhì)量 供電電壓偏差》中明確給出電壓偏差定義:實(shí)際運(yùn)行電壓對(duì)系統(tǒng)標(biāo)稱電壓的偏差相對(duì)值，以百分?jǐn)?shù)表示。 系統(tǒng)標(biāo)稱電壓為用以標(biāo)志或識(shí)別系統(tǒng)電壓的給定值。 查閱GB/T 156－2017《標(biāo)準(zhǔn)電壓》，380V 三相四線制配電系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)電壓為220/380V。

顯然，電壓偏差與日常工程設(shè)計(jì)使用的電壓降落、電壓損失、電壓降是完全不同的概念。 其中電壓降落是指電網(wǎng)始末端兩個(gè)電壓的相量差，仍為相量，包含縱向分量和橫向分量；電壓損失是指電網(wǎng)始末端兩個(gè)電壓的有效值之差，近似等于電壓降落的縱向分量，采用百分?jǐn)?shù)表示；電壓降則是電壓損失的俗稱，并無(wú)確切的定義。 電壓降落和電壓損失均指線路始末兩端的差，而電壓偏差是特定某點(diǎn)的實(shí)際電壓與標(biāo)稱電壓的有效值差值，存在始端電壓偏差和末端電壓偏差。 因此，在工程設(shè)計(jì)中，應(yīng)嚴(yán)格區(qū)分和對(duì)待。

1.2 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于電壓偏差的限值規(guī)定

GB 50052－2009《供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》中第5.0.4 條明確規(guī)定，正常運(yùn)行情況下，電動(dòng)機(jī)負(fù)載在設(shè)備端子處電壓偏差允許值為±5%額定電壓。 此條規(guī)定主要考慮電動(dòng)機(jī)端電壓若偏離GB 755－2008《旋轉(zhuǎn)電機(jī)定額和性能》規(guī)定的允許電壓偏差范圍，將導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)性能變劣、壽命降低，以及在不合理運(yùn)行下增加運(yùn)行費(fèi)用。 該文獻(xiàn)同時(shí)在條文說明中指出，對(duì)于少數(shù)距電源較遠(yuǎn)的電動(dòng)機(jī)，如電動(dòng)機(jī)端電壓低于額定值的95%時(shí)，仍能保證電動(dòng)機(jī)溫升符合GB 755 的規(guī)定，且堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩、最小轉(zhuǎn)矩、最大轉(zhuǎn)矩均能滿足傳動(dòng)要求時(shí)，則電動(dòng)機(jī)的端電壓不得低于額定值的90%。

從規(guī)范的描述可以看出，明確規(guī)定的電壓偏差是指用電設(shè)備端子處，并不是指配電線路的電壓損失或者電壓降為±5%。

2 電壓偏差的一般計(jì)算

電壓偏差的一般計(jì)算在《工業(yè)與民用供配電設(shè)計(jì)手冊(cè)》(第四版)中有很完整的表達(dá)，其計(jì)算式為:

式中，Δu為電壓偏差百分?jǐn)?shù)；U為實(shí)際運(yùn)行電壓；Un為系統(tǒng)標(biāo)稱電壓。

對(duì)于特定的某段供電線路，若線路首端的電壓偏差為Δu0，線路電壓損失為Δu1，則線路末端電壓偏差計(jì)算式為:

(注:若該段內(nèi)還有變壓器或其他調(diào)壓設(shè)備時(shí)，還應(yīng)計(jì)入該類設(shè)備內(nèi)的電壓提升或降落)

針對(duì)式(1)和式(2)，兩者計(jì)算的出發(fā)點(diǎn)截然不同。 式(1)重在考核電動(dòng)機(jī)設(shè)備運(yùn)行點(diǎn)實(shí)際電壓的考核，當(dāng)按照±5%額定電壓的電壓偏差允許值反算實(shí)際運(yùn)行電壓時(shí):Un×0.95 ≤U≤Un×1.05，選取Un＝380V，則361V ≤U≤399V，即確保長(zhǎng)距離供電后設(shè)備端實(shí)際運(yùn)行電壓位置在361～399V 這個(gè)區(qū)間內(nèi)可滿足國(guó)家規(guī)范要求；式(2)重在考核該段供電線路首端電壓偏差和線路電壓降引起的設(shè)備端子處電壓偏差，在線路首端無(wú)電壓偏差(即Δu0＝0% )時(shí)，需要確保－5% ≤Δu1≤＋5%，才符合國(guó)家相關(guān)規(guī)范要求。

顯然，上述式(1)和式(2)分別從實(shí)際運(yùn)行電壓絕對(duì)值和電壓降相對(duì)值兩個(gè)角度進(jìn)行分析，其根本區(qū)別在于線路首端電壓實(shí)際電壓或首端電壓偏差的考量上。 若線路首端不存在電壓偏差，首端實(shí)際電壓與系統(tǒng)標(biāo)稱電壓均為380V 時(shí)，兩種算法最終均歸一為線路電壓損耗的計(jì)算，即保證線路電壓降在±5%以內(nèi)即滿足要求。 但當(dāng)首端實(shí)際電壓與標(biāo)稱電壓不一致時(shí)，則需要計(jì)入首端電壓偏差，不應(yīng)僅僅考核線路電壓損失，以避免用電設(shè)備端實(shí)際電壓大大低于或超過設(shè)備額定電壓。

3 工程實(shí)際電壓偏差限定及測(cè)算

在工程實(shí)際中，低壓配電線路首端(一般為變壓器出口母線處)電壓往往高于或低于系統(tǒng)標(biāo)稱電壓，變壓器的實(shí)時(shí)負(fù)載率、變比、電壓分接頭以及無(wú)功功率補(bǔ)償?shù)慕尤氲染鶗?huì)影響電壓偏差。

不考慮用電點(diǎn)遠(yuǎn)離上級(jí)變電站或中心變電站的情況，一般市域范圍的電力系統(tǒng)在采取各種調(diào)壓措施或運(yùn)行方式調(diào)整后，用電點(diǎn)處的電壓雖有變化，但一般與系統(tǒng)標(biāo)稱電壓差別不大。 本文根據(jù)《工業(yè)與民用供配電設(shè)計(jì)手冊(cè)》(第四版)463 頁(yè)的表6.2－5(表1)，按變壓器不同分接頭確定始端電壓偏差。

10±5%/0.4kV 變壓器分接頭與二次側(cè)空載電壓和電壓提升的關(guān)系 表1

考慮工程實(shí)際情況，以城市隧道為例，由于隧道內(nèi)一二級(jí)負(fù)荷較多且負(fù)荷較為穩(wěn)定，變壓器實(shí)際運(yùn)行負(fù)荷率較低(約50%)，屬于輕載狀態(tài)，電力部門一般均維持變壓器二次電壓在400V 左右運(yùn)行?，F(xiàn)以一個(gè)實(shí)際供電距離為657m 的380V 30kW 射流風(fēng)機(jī)為例進(jìn)行計(jì)算比較，如圖1 所示。

圖1 城市隧道某一組風(fēng)機(jī)配電示意圖

(1)變壓器1T 二次側(cè)電壓偏差

根據(jù)本文前述，電力部門一般均維持變壓器二次電壓在400V 左右運(yùn)行，現(xiàn)取二次電壓為380V、400V兩種進(jìn)行分析比較，電壓偏差值分別為0%、5%。

(2)電纜線路電壓降

電纜線路電壓降按末端設(shè)備以額定功率穩(wěn)定運(yùn)行計(jì)算，依據(jù)第四版《工業(yè)與民用供配電設(shè)計(jì)手冊(cè)》第865 頁(yè)表9.4－3 進(jìn)行計(jì)算，初選定的電纜截面為95 mm2、120mm2、150mm2、185mm2。 末端配電控制箱和末端分支線路電壓降忽略不計(jì)。

(3)末端設(shè)備端子處電壓偏差

按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 50052－2009《供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》第5.0.4 條規(guī)定，電動(dòng)機(jī)在設(shè)備端子處電壓偏差允許值為±5%額定電壓。 隧道工程射流風(fēng)機(jī)一般不經(jīng)常使用，且使用時(shí)間較短，為簡(jiǎn)化比較，按一般設(shè)備運(yùn)行工況進(jìn)行計(jì)算。

(4)計(jì)算結(jié)果及結(jié)論分析

本例設(shè)備端電壓偏差計(jì)算如表2 所示。

城市隧道某一組風(fēng)機(jī)設(shè)備端子處電壓偏差計(jì)算對(duì)比表 表2

根據(jù)表2，可以得出以下結(jié)論:(1)線路始端即變壓器出口處電壓偏差對(duì)用電設(shè)備端子處電壓偏差影響顯著。 (2)若不考慮始端電壓偏差，電纜需選擇WDZAN-YJY－0.6/1kV－3×185＋2×95mm2；若考慮始端電壓偏差，選擇WDZAN-YJY－0.6/1kV－3×95＋2×50mm2，電纜線路變壓降仍達(dá)到7.83%，但末端電壓偏差在±5%額定電壓范圍內(nèi)，仍滿足要求。 兩種情況下對(duì)于電纜線路的選型差異很大，電纜截面差一倍，后者經(jīng)濟(jì)合理性更好。 (3)小截面電纜的電壓降更大，線纜功率損耗越大，節(jié)能效果較差，且一旦系統(tǒng)端因大電機(jī)啟動(dòng)等因素導(dǎo)致母線端電壓下降時(shí)，有可能導(dǎo)致末端電動(dòng)機(jī)負(fù)載失壓，不能正常運(yùn)行。 (4)正常情況下始端電壓為400V，在用電負(fù)荷卸載明顯易導(dǎo)致始端電壓繼續(xù)升高，易造成其余正常用電設(shè)備的過電壓。

4 結(jié)束語(yǔ)

電壓偏差是電能質(zhì)量的一個(gè)主要指標(biāo)，將直接影響用電設(shè)備的功能和壽命，因此在工程設(shè)計(jì)、安裝和施工驗(yàn)收中應(yīng)重視將用電電壓調(diào)整到合適的水平。 尤其在隧道、管廊等線型工程中，長(zhǎng)距離供電引發(fā)的電壓偏差更應(yīng)得到重視，既不能為了滿足±5%要求就放大線纜截面，造成線纜資源浪費(fèi)；更不能忽視電壓偏差過大對(duì)用電設(shè)備的損傷。 結(jié)合本文研究，可以得到如下結(jié)論和建議。

(1)工程設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分理清電壓偏差、電壓降落、電壓損失、電壓降的基本概念和側(cè)重點(diǎn)，不能忽視供電線路始端電壓偏差的影響。

(2)制定用電設(shè)備端子電壓偏差允許值，應(yīng)兼顧設(shè)備制造和網(wǎng)絡(luò)建設(shè)綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，并考慮用電設(shè)備的具體運(yùn)行情況，如對(duì)于不經(jīng)常使用、使用時(shí)間短暫且次數(shù)較少的設(shè)備，其指標(biāo)可以適當(dāng)放寬。

(3)鑒于供電線路始端電壓偏差對(duì)設(shè)備端電壓偏差影響較大，在沒有確切始端電壓偏差數(shù)據(jù)情況下，建議盡量選擇具有寬分接范圍的變壓器，例如±2×2.5%分接范圍的變壓器，適當(dāng)提高變壓器二次側(cè)電壓，以顯著降低長(zhǎng)距離供電線路的線纜截面，提升配電性價(jià)比。

(4)長(zhǎng)距離供電的線纜選擇除應(yīng)考慮電壓降外，尚應(yīng)兼顧線纜功率損耗和節(jié)能要求。

(5)應(yīng)注意到無(wú)載調(diào)壓必須在變壓器高壓側(cè)斷電的條件下才能調(diào)整二次側(cè)分接觸頭，實(shí)際運(yùn)行操作并不方便。 在不違反國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 51348《民用建筑電氣設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中第3.4.4 條時(shí)，可優(yōu)先采用有載調(diào)壓型變壓器。

(6)當(dāng)采取改變變壓器分接頭措施以改善電壓偏差時(shí)，在線路低載時(shí)會(huì)抬升母線電壓，繼而影響線路上其他用電設(shè)備的正常使用，實(shí)際調(diào)整時(shí)應(yīng)綜合評(píng)估可實(shí)施性(除應(yīng)考慮其他近距離供電設(shè)備的承壓能力，避免過電壓對(duì)其他設(shè)備的損傷外)。