建筑物直流配電電壓等級選擇探討

李光曦/劉真全

(中信建筑設計研究總院有限公司，湖北 武漢 430014)

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建筑物直流配電電壓等級選擇探討

李光曦/劉真全

(中信建筑設計研究總院有限公司，湖北 武漢 430014)

根據現代建筑物低壓配電的特點，分析了建筑物低壓直流配電的優勢，探討了可用于建筑物低壓直流配電的電壓等級和接地形式。

直流配電電壓等級接地形式電擊風險供電能力改造成本

0　引言

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

在我國大力提倡節能減排的形勢下，直流電機設備(如直流空調)、電動汽車、LED照明等直流負載也在迅速進入建筑物配電系統。因此，在低壓配電系統中，除了少數必須直接采用交流驅動的設備(如消防用電機)外，直流負載所占比例較大，且該比例還在不斷增大。

1　直流配電的優點及國內外現狀

對于直流負載而言，采用交流配電勢必要增加設備的整流單元，不但增加了設備造價，也增加了能源消耗。據有關資料顯示[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都相同時，直流供電的容量更大。

另外，由于負載的多樣化，低壓交流電網的電能質量問題日益突出，諧波干擾、無功補償等因素使得配電系統消耗了大量電能，且隨著分布式能源的不斷應用與交流并網對相位和頻率的嚴苛要求，使得分布式發電設備并網比較復雜。與之相反的是，直流供電方式并網簡單，且電能質量更容易兼容分布式能源，也更容易得到保障。

隨著電力電子技術的發展，直流系統實現柔性配電更為方便。還可以根據實時負載實施功率分配，也可根據負載情況控制輸出電壓的幅值，避免交流系統在輕載時出現回路首端電壓過高的問題。

綜上所述，建筑物低壓配電系統采用直流配電不但能達到安全、節能、節約有色金屬的目的，也能進一步滿足用電負荷和配電系統的發展需求。

近年，國外研究較多的直流配電電壓等級案例有：美國有關高校采用的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的配電結構；歐洲有關高校采用的干線電壓DC750V，終端電壓單相AC230V、三相AC400V、DC120V的配電結構[3]；與此同時，國內有關高校也展開了相關的研究。由于各國傳統交流配電電壓不同，因而采取的方案也各有側重。

本文將從電擊風險、供電能力、有色金屬消耗、改造成本等方面探討符合我國國情的低壓直流配電電壓等級和接地形式。

2　電擊防護與直流電壓選擇

2.1直流電壓安全參考值

由GB/T 13870.1-2008《電流對人和家畜的效應》可知，120mA被認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情況下的參考[4])。同時，該文獻指出，在干燥、接觸面積大、直流電壓125V的條件下，對電流路徑為手到手的人體電阻進行測試，結果顯示被測試對象中50%的電阻值≥1 675Ω(50%級阻抗值被認為是可取的[4])，以此為依據進行計算可知，一手到雙腳的人體電阻為1 088Ω，通過人體的電流I=U/Z=115mA<120mA，則對于大多數測試者而言，干燥環境下站立單手接觸帶電體，DC125V對人沒有太大的生命危險。

另外，由GB 16895.21-2011《低壓電氣裝置》可知，當系統發生對保護導體故障或對地故障時，超過50V的交流接觸電壓或超過120V的直流接觸電壓對人體是危險的；在正常干燥環境下，對所有人而言，直流電壓值不超過60V被認為是可以直接接觸的電壓；對于水中環境而言，直流電壓值不超過30V被認為是安全電壓[2]

(直流電壓中要求紋波電壓方均根值不超過直流分量的10%)。

由文獻[4]可知，電壓越低，電擊風險越小，但傳輸相同功率所需要的導線截面積越大，供電半徑則隨之減小。供電能力與經濟性是選取配電電壓的重要參考指標。因而60V和30V直流電壓僅可作為特殊場所的設計標準，不能作為建筑配電干線的電壓等級。

由于在民用建筑中，導線不允許直接敷設在墻體或地板上，且插座均需采用安全型插座，因而民用建筑內直接接觸裸露帶電導體的概率較低。大多數電擊情況的發生是由于設備絕緣老化，系統帶電導體發生對保護導體故障或對地故障時，設備外露可導電部分或外界可導電部分的接觸電位升高所致。

因此，以發生接地故障時設備金屬外殼的接觸電壓≤120V為前提進行電壓選取，可平衡電擊安全和供電能力對供電電壓的要求。

2.2接地故障時的直流接觸電壓

對于交流220V系統，設備發生碰外殼接地故障時接觸電壓約為100V，遠大于50V，電擊危險較大[5]。

以某小區建筑物DC240V配電為例，當采用與交流電壓相近的電壓等級進行直流供電時，對設備發生碰外殼接地故障時的接觸電壓進行分析，如圖1所示。

圖1　直流配電線路圖

在交流接觸電壓的計算中，高壓側系統(歸算到400V)、變壓器以及母線三部分的總相保電阻對計算結果影響較小，且由于整流型直流電源采用電力電子器件，其內阻抗為非線性值。所以，在進行短路電流計算時，假設直流電源內阻為0Ω，首先計算接地故障時設備外殼的接觸電壓。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線重復接地電阻RM、RN的綜合電阻值假設為2Ω，則回路總電阻R≈0.293 7Ω，單相故障電流I=U/R=817.2A，經計算可知此時最大的接觸電壓Ut=I×RPE+URB=117.7V<120V。

更多的計算表明，即便參數不同時，計算結果也幾乎均<120V。由于上述計算趨于保守，所以可近似認為采用240V及以下的直流電壓供電且發生接地故障時，設備金屬外殼的接觸電壓對大多數干燥環境而言是不致命的。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直流電壓與導體截面

由JGJ 16-2008《民用建筑電氣設計規范》可知，當用電設備總容量在250kW以下時，可由低壓交流電源供電。JGJ 242-2011《住宅建筑電氣設計規范》中規定，每套住宅負荷不超過12kW時應采用單相供電。因此，本文選取三相設備容量≤250kW、單相設備容量為12kW的設備進行供電能力分析。

為簡化計算，對于三相負荷，假設功率因數為0.8、需要系數為0.7；對于單相負荷，假設功率因數為0.85、需要系數為0.9。設計中僅按載流量選取導體截面，干線回路導體采用交聯聚乙烯電纜，敷設方式為直接埋地，環境溫度取30℃；單相回路導線采用無鹵低煙型BYJ導線，穿管埋墻安裝，環境溫度取40℃。當4根以內電纜并聯時，假設電纜并聯敷設系數為0.8。設計中認為三相負荷平衡，干線導體有色金屬總截面積只統計TN-C-S中TN-C的一段。

對于≤120V的直流電壓可以采用不接地方式，只需兩根導體即可；對>120V的直流電壓，若采用不接地方式，當一根導體發生接地故障時，由于并不影響系統運行，系統不動作，此時，若另一根導體碰觸到設備外露可導電部分，則接觸電位將可能超過120V。因此，在>DC 120V電壓供電的場合應增加相應的導體保護措施。保護導體的截面積選取可參照交流系統的相關規定。

對于不同的三相設備容量，當采用不同的電壓供電時，電纜含銅總截面積如表1～3所示。

由表1～3可知，對于三相負荷，380V左右的電壓是臨界點，只有當直流電壓≥380V時，才會體現出節省導體的優越性，而且電壓越大，用銅量越少。

對于單相12kW，當采用不同的電壓供電時，電纜含銅總截面積如表4所示。

表1　負荷為240kW時，不同電壓對應的導體總截面積

注：電纜載流量依據《工業與民用配電設計手冊》第三版，電纜直流載流量取相應工頻交流載流量值，余表同此。

表2　負荷為200kW時，不同電壓對應的導體總截面積

表3　負荷為100kW時，不同電壓對應的導體總截面積

表4　負荷為12kW時，不同電壓對應的導體總截面積

注：考慮導線敷設在人可觸及處。

由表4可知，對于單相負荷，190V左右的電壓是臨界點,當直流電壓大約增至240V時，才能體現出節省導體的優越性，而且電壓越大，用銅量越少。

3.2直流電壓與供電半徑

以負荷200kW為例進行分析。當回路電壓降允許值為5%時，對于不同的配電電壓，按載流量選擇電纜時，計算供電半徑如表5所示。

表5　不同電壓對應的供電半徑

注：交流電纜壓降計算依據《工業與民用配電設計手冊》第三版，直流電纜壓降計算依據DL/T 5044-2014[6]。

由表5可知，當采用DC 340V供電時，供電半徑對于交流系統才體現出優越性，但由于此時的導體總截面大于采用交流電壓時的值，只有當電壓達到DC 380V時，交、直流系統的導體截面值相當。因而筆者認為只有當電壓達到DC 380V時，供電半徑才能體現出優越性。

4　改造成本與直流電壓選擇

4.1原有設備的耐壓水平

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

由于電纜絕緣材質的特性各不相同，GB 50217-2007《電力工程電纜設計規范》中規定，直流輸電電纜絕緣水平應具有能隨極性反向、直流與沖擊疊加等的耐壓考核；使用的交聯聚乙烯電纜應具有抑制空間電荷積聚及其形成局部高場強等適應直流電場運行的特性。

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。

綜上可知，除現場電纜絕緣材料能否適用于直流場所需要進一步確定外，原有設備的耐壓可滿足≤311/537V的直流電壓要求。

4.2原有配電變壓器的輸出電壓

對于三相橋式全控整流電路，當整流輸出電壓連續時(即帶阻感負載或帶電阻負載α≤60°時)，平均值Ud=2.34U2cosα，式中，U2為交流側單相電壓有效值，α為觸發角[7]。當觸發角為0°時，最大直流輸出電壓為交流相電壓有效值的2.34倍，而變壓器二次側出口電壓一般為230V，因而整流電壓平均值最大為538V，通過控制觸發角可實現向下調壓(PWM整流電路與此類似)。考慮到供電時的線路壓降，出線端電壓需要抬高5%，故采用512V及以下的直流標稱電壓時，可直接利用原有變壓器二次側出口電壓，以減少設備投資成本。

4.3直流電壓對原有用電設備的兼容性

為交-直-交變頻器、不間斷電源UPS、開關電源等供電時，大都采用不可控整流電路經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，即空載時輸出電壓值較高，負載達到一定程度時便穩定在2.34倍[7]。由此可知原三相變頻設備工作的直流段電壓在帶負載時為515V，空載時為539V。由GB 50052-2009《供配電系統設計規范》可知電動機供電電壓允許5%的偏移，即交流系統正常供電時的整流電壓可為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符合原有單相設備整流直流單元要求。

4.4原敷設導體交、直流電壓下的載流量

由表1～3可知，當電壓達到約480V時，直流供電時選用的單根導體截面與交流系統相當，因此對于改造項目而言，采用DC 480V及以上電壓供電可以減少原三相配電導體的改造成本。

由表4可知，當電壓達到約190V時，直流供電選用單根導體截面時與交流系統能力相當，因此對于原單相負荷而言，采用DC 190V及以上電壓供電可以減少原單相配電導體的改造成本。

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　對應于不同條件的電壓值

由表6可知，電壓越高供電優勢越明顯，當電壓DC 240V時，電擊風險較大。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，配電電壓等級宜在DC 190/380V～DC 240/480V的范圍內。對于小功率負荷，采用單極供電；對于大功率負荷，采用雙極供電(配N線或不配N線)。當兩極負荷平衡時，流過N線的電流近似為零。由于現代建筑物大多采用鋼筋混凝土結構，建筑物內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系統較為合理。

6　結束語

綜上所述，建筑物配電系統采用不低于DC 190/380V且不高于DC 240/480V的配電電壓(本文推薦標稱電壓DC 230/460V)以及零電位參考點直接接地的雙極直流配電形式比較符合我國的實際情況，在安全、節能、減少有色金屬消耗、增加供電半徑、兼容原有負載、減少改造成本等方面具有綜合優勢。但是，目前電壓等級及接地形式最終仍需要在實驗基礎上確定。

當前環境下，建筑物低壓配電可以優先嘗試LED照明系統直流配電和地下汽車庫充電樁直流配電。由于各項理論、技術運行經驗尚不豐富、直流配電產品種類太少等因素，因此建筑物低壓直流配電的研究依然任重而道遠。

[1]雍靜,徐欣,曾禮強等.低壓直流供電系統研究綜述[J].中國電機工程學報,2013,33(7):42-52.

[2]GB 16895.21-2011/IEC60364-4- 41：2005.低壓電氣裝置第4-41部分：安全防護 電擊防護[S].北京：中國標準出版社，2012.

[3]宋強,趙彪,劉文華等.智能直流配電網研究綜述[J].中國電機工程學報,2013,33(25):9-19.

[4]GB/T 13870.1-2008/IEC/TS60479-1電流對人和家畜的效應,第1部分: 通用部分[S].北京：中國標準出版社，2008.

[5]王厚余.電子式RCD和電磁式RCD的選用[J].建筑電氣,2010,29(2):3-6.

[6]DL/T 5044-2014電力工程直流電源系統設計技術規程[S].北京：中國計劃出版社，2014.

[7]王兆安,黃俊.電力電子技術(第四版)[M].北京：機械工業出版社，2001：43-65.

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