低壓直流配電系統中的電壓損失研究

2018-10-15 07:02:12柯善文

通信電源技術 2018年8期

柯善文，劉梅

（1.西安航空學院電子工程學院，陜西西安 710077；2.西安科揚機電工程設計有限公司，陜西西安 710048）

0 引言

在低壓直流配電系統中（文中特指直流24 V），線路電壓損失會隨著系統負載及配電距離的增大而增大。線路末端電壓很可能超出負載本身所能承受的電壓損失范圍，從而導致負載電器不能正常運行。另外，規范規定用電設備端子處電壓偏差允許值要符合下列要求：“照明：在一般工作場所為±5%額定電壓；對于遠離變電所的小面積一般工作場所，難以滿足上述要求時為-10%～+5%額定電壓；應急照明、道路照明和警衛照明等為-10%～+5%額定電壓。”隨著LED燈具在室外景觀照明、建筑泛光照明中的大量應用，其特低壓直流配電系統的電壓損失應成為工程設計的考慮重點[1]。

1 LED燈具的工作原理

發光二極管簡稱LED，是半導體二極管的一種，可以把電能轉化為光能。與傳統熒光燈和白熾燈相比，LED在直流電壓下具有正常工作啟動電壓低（2.75～3.8 V）、功率?。娏饕院涟灿嫞?、壽命長、損耗小、光電功率轉換率接近100%等特點。

發光二極管的正向電壓Vf指LED通過的正向電流為規定值時，正、負極之間產生的電壓降。通常，LED正向電壓為2.75～3.8 V，低于正常工作電壓，二極管無法導通；在電壓增加時，電流會迅速上升，亮度也會增加。

實際應用中，大功率照明LED燈是由N顆LED管芯封裝在一個單位里串并聯構成的，可將單粒LED通過串并聯構成投光燈、條形燈等不同燈具。圖1為LED燈具內部發光二極管陣列。照明用LED光源的Vf電壓都很低，一般為3.6 V左右，通常6顆為一組，串聯后并聯于DC 24 V電源，其每組的最低工作電壓為21.6 V。低于此電壓時，燈具無法點亮。

圖1 LED燈具內部發光二極管連接示意圖

2 LED燈具的供電原理圖

LED燈具工作電壓為直流24 V?？紤]到檢修方便，燈具開關電源（輸出DC 24 V電壓）通常集中設置。N套同種LED燈具配電原理圖，如圖2所示。圖2中，直流電源代替集中設置的開關電源，且電源放置于燈具一側（以下簡稱端點供電方式[2]）；Rn為燈具之間或燈具與電源之間的線路電阻，假設燈具等距布置且回路沒有分支，則燈具之間線路電阻Rn相等（由于采用直流系統，線路電抗為0）。

圖2 端點供電方式

3 降低線路電壓損失的方法

根據規范及燈具自身要求，回路末端燈具電壓壓降不應大于10%，即末端電壓值不應小于21.6 V。為了降低線路電壓損失[3-4]，通常可采用如下兩種方法：開關電源放置在負荷中心（以下簡稱中心供電方式）；增大回路導線線徑。

中心供電方式[5]原理，如圖3所示。在燈具數量及布置不變的情況下，比較兩種供電方式。顯然，中心供電方式末端燈具離電源距離要比另外一種方式小一倍，電壓損失自然降低。

圖3 中點供電方式

當n取3時，端點供電方式線路電壓損失為[6]：

中心供電方式線路電壓損失為：

兩種供電方式電壓損失比為：

增大導線截面，可使線路等效電阻變小。在回路負載不變的情況下，線路電壓損失可降低。實際工程設計中，通常依靠無限增大電纜截面的方法來減小電阻，從而實現壓降。但是，此方法會受到投資過大、敷設不便等因素的限制。通常，設計普遍采用的電纜截面有4 mm2和6 mm2兩種。

4 極限負荷矩法

特低壓直流系統工程的設計重點可以歸結為兩點，既開關電源與用電設備之間距離的確定和線路導線的截面選擇。本文提出極限負荷矩的方法，可以在滿足末端用電設備端電壓不小于工作電壓和規范規定的電壓損失的前提下，綜合考慮了上述兩種方法。

4.1 負荷矩的原理

負荷矩[7]是在電壓損失允許的條件下，用電負荷和線路長度的乘積表示，計算公式為M=PL，其中P為線路負載總功率，L表示線路用電負荷中心與電源之間的距離，單位分別為W和m。負荷距一定時，用電負荷越大，供電線路長度越小。在實際照明工程中，所有燈具負載均勻分布，如圖4所示。

圖4 均勻分布負荷示意圖

假設在BC段線路單位長度的電阻為r1，對于線路上微小線段dl，只考慮電壓縱軸分量時，dl的電壓損耗為 d(ΔU)：

整個線路上的電壓損耗為：

式中Un表示線路電源額定電壓。

可以看出，在計算均勻分布負荷的電壓損失時，采用位于均勻分布負荷中點并和分布負荷總值相等的集中負荷[8]來代替的方法是可行的，其等效距離為：

4.2 基于負荷矩的設計方法

由式（4）、式（5）可得，負荷矩表達式為：

可知，M與ΔU成正比。實際工程設計中，ΔU通常取規范規定的極限值10%，將其代入式（7）求出的負荷矩即為極限負荷矩。對于不同截面如4 mm2和6 mm2的電纜負荷矩為常數，且之間的比值為2/3。要確定L的大小，只需根據工程實際環境條件控制回路的負荷矩在極限負荷矩之內即可，同時能保證末端燈具電壓損失在規定范圍內。

5 仿真

本文采用一個由600 W/DC 24 V開關電源供電的特低壓照明回路作為仿真算例，分別利用12套36 W、8套54 W、6套72 W的LED燈具作為回路負載，燈之間距離均為2 m。采用不同線徑、不同供電方式分別對電源與回路首套燈具之間距離Lb以及末端燈具電壓進行比較。表1為由Multisim軟件得出的仿真數據。

表1為相同負載下，燈具末端電壓符合規范及工作電壓要求（21.6 V）下，在選取不同電纜截面及不同供電方式時，電纜長度Lb的變化情況?？梢姡徽撌嵌它c供電還是中點供電，增加線徑都可以使Lb增大。在Lb相同時，增加線徑可以使末端壓降減小。表2為Lb相同時，端點供電和中點供電線路末端所測的電壓值，表明選擇合適的供電方式也可以減少電壓損失[9-10]。表1中負荷矩的數據表明，每種截面電纜的極限負荷矩都為常數，且與回路負荷容量和供電距離無關。