淺談電壓偏差對民用建筑電氣設備的影響及改善措施

鄭鵬飛(山東同圓設計集團有限公司，山東濟南250101)

淺談電壓偏差對民用建筑電氣設備的影響及改善措施

鄭鵬飛(山東同圓設計集團有限公司，山東濟南250101)

0 概述

電能質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。電壓是電能質量的重要指標，電壓不合格會對電網造成嚴重的危害，電壓偏移過大會影響工農業生產的質量和產量，損壞電力設備，甚至引起系統性“電壓崩潰”，造成大面積停電[1]。

電壓偏差又稱電壓偏移，指供配電系統改變運行方式和負荷緩慢地變化使供配電系統各點的電壓也隨之變化，各點的實際電壓與系統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，保證供電質量，國家對低壓供電線路允許電壓損失的大小做了明確規定。目前出版發行的有關書籍、手冊及文獻雖對允許電壓損失的數值表述不一，但基本一致，現以 《工業與民用配電設計手冊》為依據進行分析計算，可知用電設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。根據設備制造和網絡建設的綜合考慮，制定用電設備端子電壓偏差允許值還應考慮到設備的某些具體運行狀況。如對于不常使用的用電設備、使用時間短暫且使用次數很少的用電設備以及少數遠離變電所的用電設備等，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。某些用電設備 (如信息技術設備)若電壓超過產品規定的允許值將影響其工作的精確度，因此這些設備往往有專用穩壓電源裝置，這時對網絡電壓偏差的要求可適當放寬[2]。

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

表1 用電設備端子電壓偏差允許值

2 電壓偏差的原因及計算

在線路中產生電壓損失的直接原因是電能在傳遞的過程中，導體阻抗消耗電能，從而產生電壓損失，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)用電的功率因數低，無功電流大，加大了電壓損失。

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

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著重要的地位，三相不平衡現象在所難免，其次，現在居民生活水平不斷提高，電磁爐、空調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)變壓器沒有調壓措施或調壓措施使用不當。

6)電容補償器的容量不匹配且沒有自動調節功能。

下面以某小區為例計算線路電壓損失，假定小區最遠的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，至戶內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，大部分住宅小區實際運行中的電壓偏差都超過手冊規定值，此電壓偏差將對低壓用電設備的負載功率、使用壽命以及工作性能產生極大的影響。

表2 1＃樓電壓損失表

表3 2＃樓電壓損失表

3 電壓偏差對用電設備的影響

用電設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備的影響進行分析。

3.1 風機、水泵、空調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矩、最大轉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；而當電壓為正偏差時，轉矩增加，嚴重情況下可能導致聯軸器剪斷或設備損壞。

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。

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，以小數表示；m為電動機的負載率。

根據上式，當電動機長期持續以-10%的電壓偏差運轉時，其絕緣壽命將縮短一半。

3.2 熱水器、制熱空調等電熱設備

電熱設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 家用電氣設備

電氣設備的功率隨電壓的降低而降低。電壓每升高5%，其壽命相應縮短一半，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，所以保持電氣設備電壓接近額定電壓值的穩定水平很重要。

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

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，及時調整并聯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據。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，這樣就可以在調節無功的同時，改善電壓質量。有條件時宜采用調節低壓電容器的方式，以使調壓效果更顯著，還應盡量采用按電壓或功率因數進行調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

經現場調查發現，現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偏低，變壓器沒有得到合理而有效地利用；應根據系統中各點電壓的不同，合理設置變壓器的分接頭，對變壓器出口端的電壓進行調整，將系統中各點電壓的偏差限制在一定范圍內。

4.3 降低系統阻抗

電壓偏差與電壓損失是息息相關的，電壓損失越大，電壓偏差的控制就越困難，系統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中的電壓損失。

1)減少變壓級數，可降低變壓器產生的電壓損失。

2)盡量采用銅電纜，采用經濟電流密度法選擇導線截面，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線小得多，用電纜線路替代架空線路或普通絕緣導線，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

選擇適當且恰當的變壓器容量及結線組D，yn11變壓器，提高變壓器的功率因數，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。

5 結束語

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

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

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

[3] 陳錫昆等.《鋼鐵企業電力設計手冊》 [M].北京:冶金工業出版社，1996.

[4] 古書燕.電壓偏差對低壓用電設備的影響及改善 [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，現就職于山東同圓設計集團有限公司，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

電壓是衡量電能質量最主要的指標之一，電壓偏差對低壓用電設備會產生極大的危害，甚至會導致低壓用電設備系統的失穩與崩潰。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生及對用電設備的影響，提出低壓系統電壓偏差的改善措施，以提高其經濟效益和社會效益。

電壓偏差 民用建筑電氣 低壓用電設備 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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