建筑電氣設(shè)計(jì)中有關(guān)電壓降問題的分析

陳建雄 張麗麗

摘 要：電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量是指電壓、頻率和波形。建筑電氣設(shè)計(jì)中，對(duì)電能質(zhì)量產(chǎn)生影響的多集中在電壓方面，設(shè)計(jì)方案不合理就容易出現(xiàn)電壓降超出允許范圍。本文就設(shè)計(jì)中常遇到的電壓降問題進(jìn)行分析并總結(jié)了解決辦法。

關(guān)鍵詞：電壓降；建筑電氣；供配電

《供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50052-2009對(duì)電壓偏差的規(guī)定為：正常運(yùn)行情況下，用電設(shè)備端子處電壓偏差允許值宜符合下列要求：

a.電動(dòng)機(jī)為±5%額定電壓。

b.照明：在一般工作場(chǎng)所為±5%額定電壓；對(duì)于遠(yuǎn)離變電所的小面積一般工作場(chǎng)所，難以滿足上述要求時(shí)，可為+5%，-10%額定電壓；應(yīng)急照明、道路照明和警衛(wèi)照明等為+5%，-10%額定電壓。

c.其他用電設(shè)備當(dāng)無特殊規(guī)定時(shí)為±5%額定電壓。

建筑電氣設(shè)備主要供電范圍為交流380V及以下，本文就這一電壓范圍內(nèi)的供配電及控制系統(tǒng)中常出現(xiàn)電壓降問題進(jìn)行分析。

1）各種電壓等級(jí)都有合理的供電范圍，低壓線路的供電半徑應(yīng)根據(jù)具體供電條件來定，干線一般不超過250米，當(dāng)超過常規(guī)距離時(shí)，需要重視壓降問題，這種情況多數(shù)出現(xiàn)在建筑物之間的供電，解決方式主要有：

a.優(yōu)化供電路線，如果通過穿越建筑的方式減少繞行，可減少供電距離。

b.如果負(fù)載功率因數(shù)較低，可選擇增加就地?zé)o功補(bǔ)償，降低無功電流。

c.增大供電導(dǎo)體截面。

以上情形是最普通的壓降問題，不易被忽視，但有些情況即使沒超出常規(guī)距離也會(huì)出現(xiàn)壓降問題。

2）交流電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)電流為額定電流的4～8.4倍，大電流對(duì)低壓母線電壓造成沖擊。一般情況下，電動(dòng)機(jī)頻繁起動(dòng)時(shí)，配電母線上的電壓不應(yīng)低于系統(tǒng)標(biāo)稱電壓的90%，電動(dòng)機(jī)不頻繁起動(dòng)時(shí)，不宜低于標(biāo)稱電壓的85%，如果沒有照明負(fù)荷時(shí)為80%。為限制電壓波動(dòng)，在工藝允許的前提下，多采用降壓?jiǎn)?dòng)方式。在設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)人往往只考慮電機(jī)的容量來選擇是否采用降壓起動(dòng)方式，正確的做法應(yīng)該考慮電機(jī)與變壓器的容量比決定是否有必要采用降壓方式。以鼠籠電機(jī)為例，如果單純考慮電機(jī)啟動(dòng)的條件，當(dāng)經(jīng)常起動(dòng)的電機(jī)容量占變壓器的容量的20%以上時(shí)，才需要考慮降壓?jiǎn)?dòng)。消防水泵往往是全壓直接起動(dòng)，對(duì)于給消防水泵供電的柴油發(fā)電機(jī)尤其需要考慮水泵電機(jī)起動(dòng)容量對(duì)系統(tǒng)造成的壓降，選擇發(fā)電機(jī)容量時(shí)要校驗(yàn)最大電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)母線壓降在20%以內(nèi)，單考慮穩(wěn)定負(fù)荷容易導(dǎo)致發(fā)電機(jī)容量選小。

3）在照明配電中，規(guī)范規(guī)定每一照明單相分支回路的電流不宜超過16A，所接光源數(shù)或發(fā)光二極管燈具數(shù)不宜超過25個(gè)；鏈接建筑裝飾性組合燈具時(shí)，回路電流不宜超過25A，光源數(shù)不宜超過60個(gè)，連接高強(qiáng)度氣體放電燈的單相分支回路的電流不宜超過25A。對(duì)于普通的熒光燈以36W計(jì)算，25個(gè)為900W，最大回路電流約為4.55A，在功率因數(shù)為0.9的情況下，截面積為2.5mm2的聚氯乙烯銅芯電線線穿管敷設(shè)的220交流電壓損失為6.89%/A.km，按照5%的壓降計(jì)算5/（6.89*4.55）=0.16，即在0.16公里內(nèi)滿足電壓降要求，從照明配電箱到末端燈具正常都在這個(gè)距離范圍內(nèi)，照明配電箱干線的壓降相對(duì)較小可不考慮。但是對(duì)于工廠內(nèi)高大空間的照明不同于以上的計(jì)算，高大空間需要大功率燈具，而且供電距離長(zhǎng)，假設(shè)一個(gè)回路共有5個(gè)400W的220V燈具，電流為10A，從電流看使用2.5mm2滿足要求，按照5%的壓降計(jì)算5/（6.89*10）=0.073，對(duì)于車間而言，經(jīng)常會(huì)有上百米的距離，從照明配電箱到末端燈具有時(shí)會(huì)超過73米距離，且此時(shí)并未考慮配電箱干線的壓降，如果都計(jì)算在內(nèi)，距離會(huì)更短。這種情況是設(shè)計(jì)人員容易忽視的地方，當(dāng)照明線路電流較大時(shí)就需要考慮供電距離，適當(dāng)增加線路截面積。路燈的配電中同樣需要考慮電壓降的問題，不過因?yàn)槁窡粢话愎╇娋嚯x較遠(yuǎn)，設(shè)計(jì)人員不易忽視壓降造成的影響。

4）在工廠配電中，常碰到起重機(jī)配電，起重機(jī)配電需要根據(jù)電壓降來選擇設(shè)備。按照要求自供電變壓器的低壓母線至起重機(jī)電動(dòng)機(jī)端子的電壓損失，在尖峰電流時(shí)，不宜超過額定電壓的15%。起重機(jī)壓降的實(shí)質(zhì)屬于電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)的壓降問題，只在起重機(jī)配電采用滑觸線供電時(shí)，情況稍有不同。在起重機(jī)供電線路中電壓損失的分為三部分，起重機(jī)內(nèi)部電壓損失為2%～5%，電源線約為3%～5%，滑觸線約為5%～10%。按照最不利情況5%選擇滑觸線的電壓損失。通常為了減少電壓降，電源從滑觸線的中部供電。當(dāng)起重機(jī)滑觸線出現(xiàn)電壓降超范圍時(shí)，應(yīng)校驗(yàn)電源線電壓降與滑觸線電壓降之和是否超10%。如校驗(yàn)不滿足要求，常用的有以下幾種途徑解決：a.增大滑觸線截面積；b.增大電源線截面積；c.增加滑觸線的供電點(diǎn)，同時(shí)也增加了電源線的截面積。其中增大滑觸線截面積不但降低了電壓降，還增加了滑觸線的強(qiáng)度，減少了滑觸線備件的種類，截面大的滑觸線維護(hù)保養(yǎng)相對(duì)容易。

5）不僅在220/380V配電系統(tǒng)中易出現(xiàn)問題，在電氣控制系統(tǒng)中也有電壓降不滿足要求的地方。在火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)中，主要用電部分在系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)控制中，當(dāng)聯(lián)動(dòng)的設(shè)備超出電源供電合理范圍時(shí)就會(huì)造成電壓降問題。

在電源總線中主要用電設(shè)備分為兩類：

第一類：輸出模塊控制中間繼電器，中間繼電器控制消防設(shè)備，這類有消防風(fēng)機(jī)、水泵、卷簾門、啟動(dòng)應(yīng)急照明、強(qiáng)切非消防電源等。主要耗電為中間繼電器的功耗，多數(shù)中間繼電器的線圈驅(qū)動(dòng)電流約為50mA以內(nèi)，工作允許電壓降能達(dá)到25%～30%，此類負(fù)載功率小，電壓降允許范圍大，需要注意的是供電距離，應(yīng)按照最遠(yuǎn)距離校驗(yàn)電壓降是否滿足要求。

第二類：輸出模塊直接供電給電動(dòng)防火閥、電動(dòng)排煙閥、電動(dòng)正壓送風(fēng)口、電磁閥等設(shè)備，這類設(shè)備用電量大，防火閥排煙閥的電流約為0.5A，電磁閥的動(dòng)作電流約為0.8～1A，這些閥是電源總線的主要負(fù)荷。直流電磁閥允許的電壓降為10%。在配置24V電源時(shí)需要統(tǒng)計(jì)所帶負(fù)載容量，計(jì)算總負(fù)荷，并留有一定余量。在選擇電源總線截面時(shí)需要校驗(yàn)最不利情況時(shí)設(shè)備電壓降是否滿足要求。

以24V電源總線同時(shí)動(dòng)作10個(gè)排煙閥和8個(gè)電磁閥為例計(jì)算電壓降，總線電流為13A，選用截面積為2.5mm2的銅芯電線，按照負(fù)荷矩的方式來計(jì)算，電壓降為10%，負(fù)荷矩為3610W.m，3610/（24*13）=11.6，即供電距離為11.6米，超過此范圍壓降不滿足要求，如果超出此距離應(yīng)選用更大截面的電線。再以截面積為4mm2的耐火銅芯電線線穿管敷設(shè)為例，總線電流假定為20A，電壓降為10%，負(fù)荷矩為5776W.m，5776/（24*20）=12，即供電距離為12米。

實(shí)際情況中除了配線造成壓降問題，電源容量偏小是經(jīng)常碰到的，在設(shè)計(jì)院圖紙中往往不體現(xiàn)電源具體容量，在施工方深化設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)電源合理性把握參差不齊，容易出現(xiàn)負(fù)載超過電源合理范圍，造成電源輸出端子的電壓降超范圍。

解決電壓降大的辦法主要手段是增大電源容量、電線截面增大、采用分布式24V直流電源縮短供電距離、采用合理控制策略降低同時(shí)工作的負(fù)載。增大電源和電線截面積都會(huì)增加資金投入，分布式直流電源可有效的解決壓降問題，適合24V供電距離短的特點(diǎn)，需要注意的是電源的交流220V側(cè)應(yīng)該按照消防電源配電，且直流電源的監(jiān)控應(yīng)納入到火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警管理范圍內(nèi)。通過控制策略降低同時(shí)工作的負(fù)載不增加成本，還能一定程度解決壓降問題。把需要聯(lián)動(dòng)的設(shè)備按照先后順序錯(cuò)時(shí)執(zhí)行，適用對(duì)象是短時(shí)用電設(shè)備，對(duì)于需要持續(xù)供電的設(shè)備沒有意義。錯(cuò)時(shí)執(zhí)行可通過幾種方式實(shí)現(xiàn)，一種是執(zhí)行完一個(gè)動(dòng)作接受反饋信號(hào)后再執(zhí)行下一個(gè)動(dòng)作，這種控制嚴(yán)格實(shí)現(xiàn)了錯(cuò)時(shí)功能，缺點(diǎn)是如果中間有一個(gè)機(jī)構(gòu)故障，無法接收反饋信號(hào)，后續(xù)則無法執(zhí)行。另一種方式就是順序延時(shí)執(zhí)行各個(gè)動(dòng)作，延時(shí)的時(shí)間是按照聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)正常動(dòng)作時(shí)間估算的。兩種方式如果結(jié)合起來可以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)方式，把等待反饋信號(hào)的過程作為一個(gè)計(jì)時(shí)考核，如果超過正常時(shí)間范圍則認(rèn)為故障，可以執(zhí)行下一個(gè)動(dòng)作。

6）在建筑設(shè)備管理系統(tǒng)中的自控系統(tǒng)與火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警聯(lián)動(dòng)控制類似，主要使用DC24V來控制設(shè)備，DC24V控制方式也有通過中間繼電器和直接控制閥等設(shè)備實(shí)現(xiàn)，不同之處是火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警24V電源是總線形式，輸入輸出模塊是分散布置，可理解為樹干式供電。無論是DDC還是PLC控制系統(tǒng)，其DC24V電源為箱內(nèi)母線供電，輸入輸出模塊為集成形式，對(duì)于被控設(shè)備而言供電形式可理解為放射式。樹干式配電干線壓降超范圍會(huì)影響后續(xù)設(shè)備工作，放射式配電沒有干線壓降，導(dǎo)致電壓降問題只有電源容量偏小和支線電壓降超范圍的可能性。具體應(yīng)對(duì)辦法可參考以上火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警的處理方式。

參考文獻(xiàn)：

[1] 供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范，GB50052-2009.

[2] 建筑電氣常用數(shù)據(jù)，04DX101-1.

作者簡(jiǎn)介：陳建雄（1979-），男，河北張家口人，工程師，從事電氣設(shè)計(jì)與研究。