一種線路壓降的快速計算軟件

程 青

[同濟大學建筑設計研究院(集團)有限公司,上海 200092]

0 引 言

近些年隨著各地超高層、大型商業綜合體等紛紛建設,項目的復雜程度越來越大,變電站應設在負荷中心位置、低壓供電距離控制在200 m以內等規范要求有時較難實現。配電距離較長及用電設備容量較大,會導致線路壓降、大設備啟動時端電壓等不滿足要求。而電氣設計人員在進行設計時除了必要的負荷計算、照度及功率密度計算、防雷計算外涉及專項的計算較少。

《工業與民用配電設計手冊》3版、4版[1]有配合使用的計算軟件,軟件環境不是開源的,很多計算只能選擇給定的數據,可能與設計不能完全對應。

在配電系統中,電壓損失是必然存在的,如何通過校驗,控制最小截面對工程施工的成本控制有著重要的意義。

1 面臨問題

在低壓配電系統中,電纜是整個系統的主要投入部分,低壓電纜的投資占到整個系統工程量的30%以上。因此在確保系統安全的前提下,如何合理設置最佳的電力線路電纜,是電氣設計當前所面臨的問題。

(1)電壓降和電壓損失。在交流供電系統中,電纜線路存在阻抗。阻抗由電阻、電抗構成。電流通過阻抗時,在阻抗的兩端產生的電壓差稱為電壓降。電纜電壓損失是指線路始端電壓經線路傳輸后,線路對其的損失或影響大小,是線路兩端電壓的數值差,常用其同額定電壓相比的百分數來表示。低壓電纜線路由于電壓低、線路短,電容電流可以忽略,所以電抗可以只考慮感抗,而中壓電纜則不同,必須考慮電容電流,即容抗大小。

(2)電流損失計算分析。根據GB/T 12325—2008《電能質量供電電壓允許偏差》對10 kV之下的用電設備端電壓偏差允許值進行了規定:在對視覺要求比較高的場所中,照明燈的電壓偏差允許值為-2.5%～5%,一般工作場所中,照明燈的電壓偏差允許值為-5%～5%;正常情況下,電動機的電壓偏差允許值為±5%,特殊情況下,電動機的電壓偏差允許值為-10%～5%。軟件中將電壓損失按照5%來進行綜合考慮。此外,變壓器自身具有調壓開關,因此380/220 V電纜壓降以及10 kV電纜壓降不實施累加,對其分別進行計算。由于功率因數、線路長度以及工作電流相同,電壓損失大小僅和電纜電阻參數以及電纜電抗有關系,電纜截面、芯線材料以及絕緣材料具有最終決定作用。

2 常用計算方法

(1)公式計算法。該方法是所有方法的基礎,通過直接公式計算得出相關設計需要數據,可以應對設計遇到的情況進行計算。但是該方法缺點比較明顯,會造成大量的計算工作,同時在計算中可能會出現失誤,導致后續所有計算無效。同時計算結果的展示并不明顯。在實際工作中會出現需要對設計方案進行修改的情況,公式計算法的不靈活和繁瑣的缺點就顯現出來。

(2)查表法。根據電纜類型、截面面積、功率因數等數據,由相關速查表查得,計算過程較簡便。但是該方法也有明顯弊端。由國標圖集19DX101-1《建筑電氣常用數據》[2]中表3.21可查到參數對應的電壓損失值數量有限,實際應用時需用插值法進行估算,某配電設備的配電回路常常對應多級配電,各級配電電纜型號、長度均不相同,每段均需采用插值法估算并疊加,較繁瑣且數據表中數據不全,計算結果不夠直觀,對比不明顯,同時對設計方案的改變不能靈活應變。

(3)Excel表格計算法。通過充分利用Excel強大的可編輯和計算功能,通過提前將相關公式輸入表格,根據需要元素的不同制作相關的計算Excel表格。該方法較為靈活,可以迅速計算出所需要的數據,并將相關數據直觀地在表格中顯示出來。但是該方法局限性也非常地明顯,在壓降計算中除了公式中所用到的活性參數外還需要不同的固定參數(電線電纜的額定電壓、型號以及相線截面積,自動查找電線電纜的電阻值、感抗值),但是不同電線電纜的額定電壓、型號以及相線截面積在同一張計算表中較難同時顯示和同時計算,需要制作不同的表格來滿足各種設計需求。

(4)普通軟件計算法。使用如天正電氣等較為常用設計軟件的計算功能進行計算,可以根據設計中提前得到的固定參數和需求參數進行快速計算,且能實現計算的同時進行繪圖操作。但是這類軟件的計算功能較簡易,每次僅能計算單獨一條線路壓降,如計算多級配電的線路總電壓降時需分多次計算,還需要進行人工操作疊加,而且第二段所需計算的電路壓降與第一段電路的一些參數必須相同。故該方法靈活性不夠,不利于后期根據設計需求進行方案調整。

3 本文計算方法

本文使用的計算方法是根據普通軟件計算法的優勢,通過Eclipse和MySQL語言編程的方式,制作工作中需要的智慧計算平臺,該平臺通過APP方式進行表現,在實現靈活計算的基礎功能的基礎上,加上實時保存和查詢功能,使設計人員在計算繪圖時可與AutoCAD軟件同時運行。

3.1 開發的低壓電氣負荷計算程序優勢

(1)操作簡單,顯示界面符合設計繪圖習慣,設計人員易于上手。只要輸入各回路電氣設備的安裝功率、需要系數、功率因數(需要系數、功率因數如不輸入,默認值為0.8)在灰色的文本框里,所有計算數據可視化。一鍵式操作計算出相關需要的結果。經過計算的結果都在計算按鍵下的灰色框內顯示。輸入和計算結果的文本框區分顏色可有效地引導設計人員快速輸入,從而節約大量時間。

(2)設計人員不需要查閱大量的資料即可直接由后臺數據庫進行比對,自動選擇補充容量,確定電容器柜數量。根據計算的數據智能選擇變壓器的容量,給出運行的變壓器負載率和高壓側的功率因數。

(3)計算結果數據可以保存,以供審核及日后工程現場要求修改。

3.2 平臺算法運行步驟

平臺算法運行步驟如圖1所示。在創建低壓短路電流計算時,需要在界面上將所需要的參數進行分類并設計出可輸入空間,通過后臺公式嵌套自動得出相關結果并且加以顯示。接著后臺計算步驟:選擇設計相關所需場所;輸入相應元素;計算設折減系數;對電纜和保護開關進行選擇;進行損失校驗。

圖1 平臺算法運行步驟

3.3 平臺內所用公式

3.3.1 三相平衡負荷電路

(1)終端負荷用電流矩。

(1)

式中:Δu%——線路電壓損失百分比;

Un——標稱線電壓;

X′o、R′o——三相電路單位長度的感抗和電阻;

I——負荷計算電流;

L——線路長度。

(2)終端負荷用負荷矩。

(2)

式中:P——有功負荷;

Δup%——三相線路電壓損失百分數。

3.3.2 接近與線電壓的單相負荷線路

(1)終端負荷用電流矩。

(3)

(2)終端負荷用負荷矩。

(4)

式中:X″o——單相線路單位長度的感抗。

3.3.3 接近于相電壓的兩相N線平衡負荷線路

(1)終端負荷用電流矩。

(5)

(2)終端負荷用負荷矩。

(6)

3.3.4 接相電壓的單相負荷線路

(1)終端負荷用電流矩。

(7)

式中:Unph——標稱相電壓;

cosφ——功率因數。

(2)終端負荷用負荷矩。

(8)

實際單相線路的感抗值與三相線路的感抗值不同,但在工程實際計算中可以忽略其中的誤差。對于220/380 V線路的電壓損失,導致截面為50 mm2及以下時誤差為1%,50 mm2以上時最大誤差約為5%。

實際運用時不用查詢相關列表,只需進行相關項目和元素的填寫,就可直接進行下一步計算。

3.4 平臺實際計算結果

平臺實際計算結果如圖2所示。

圖2 平臺實際計算結果

4 結 語

介紹了利用軟件實現壓降的快速計算方法,相比于傳統的計算軟件,該軟件實現了多次計算實時查閱,同時無需設計人員人工操作疊加,大大提高了工作效率。