低壓電纜的電壓損失和電壓降

王國忠， 潘齊旺

(1.江蘇通光強能輸電線科技有限公司，江蘇 海門226100;2.浙江省溫州市電力局，浙江溫州325028)

0 前言

低壓電網配電在設計選擇電纜規格過程中，應考慮電纜通過負載電流時，導體溫度不超過絕緣所允許的長期工作溫度，即應按溫升選擇導體截面;并且，經濟壽命期內費用最少，即初始投資和經濟壽命期內線路損耗費用之和最少，也就是所謂的按經濟電流選擇導體截面。將兩種選擇的截面比較，取大者。然后，再根據電纜線路的長短，校驗電壓損失是否超過規定值。

在光纖復合低壓電纜和鋁合金電纜使用過程中，常有客戶問到電纜線路的電壓損失問題，也有客戶提到線路的電壓降。電纜線路的電壓損失和電壓降究竟是不是同一概念，兩者都有什么規定呢?

筆者查閱了有關資料，沒有找到關于電纜線路電壓降的規定。關于電壓損失，在GBJ 54—1983《低壓配電裝置及線路設計規范》的第二章第二節導體截面選擇中規定:“……從變壓器低壓側母線至用電設備受電端的線路電壓損失，一般不超過用電設備額定電壓的5%”［1］。1996年6月1日實施的GB 50054—1995《低壓配電設計規范》，廢止了原國家標準GBJ 54—1983，現在，GB 50054—1995又被GB 50054—2011所取代，然而，在1995年和2011年的GB 50054兩版標準中，都沒有像1983版的標準那樣對電壓損失作詳細的規定。只是在GB 50054—2011標準的第3.2.2條，“選擇導體截面，應符合下列規定”:“……線路電壓損失應滿足用電設備正常工作及啟動時端電壓的要求”［2］。目前，一般校驗低壓配電線路的電壓損失，都按不超過5%為原則，對視覺要求較高的照明電路，則要求不超過2%～3%。

1 電壓降和電壓損失

1.1 電壓降和電壓損失概念

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，還必須考慮電容電流，即容抗的大小。

1.2 電壓降和電壓損失公式

參照文獻［3］，電纜的電壓降ΔU為:

式中:Ibe為導體電流(A);Z為電纜的阻抗為三相線路單位長度的電阻和感抗(Ω/km);l為線路長度(km)。

參照文獻［4］表9-63給出的線路電壓損失的計算公式，其中“三相平衡負荷線路”，終端負荷用電流矩(A·km)表示時，電壓損失為:

式中:Δu%為線路電壓損失百分數;Un為標稱線電壓(kV);l為線路長度(km);cosΦ為功率因數;R0、X0的意義同式(1)。

1.3 電壓降和電壓損失的關系

式(1)和式(2)有什么聯系和區別呢?下面以低壓電纜的電路圖和矢量圖來說明。

長度為l的電纜在三相電流系統中，以電流I(其有效值設為Ibe)(A)工作的一根絕緣線芯，其單位長度有效電阻為R0(Ω/km)和單位長度感抗為X0(Ω/km)。圖1是其單相電纜線路的等效電路圖。電纜線路的始端電壓為Uae，終端電壓為Ube。

圖1 低壓電纜的一相等效電路圖

在水平方向作終端電壓Ube相量，設其初相為零，作為參考相量。因低壓電纜的電容充電電流可忽略，電纜呈感性負荷，電流滯后電壓，Φ為電壓Ube與負荷電流I的相位差，cosΦ即為負荷的功率因數。電纜有效電阻R0上的兩端的電壓UR與電流同相，而電抗X兩端的電壓UL超前電流90°。如圖2所示。

圖2 三相線路中的一相電壓電流矢量圖

由圖2可知，電壓降ΔU=Uae－Ube=UR+UL，而 UR=IR0，UL=I·jX0，故，ΔU=I(R0+jX0)，用有效值表示，則單位長度的電壓降ΔU為:

將式(3)換算到l(km)長度的線路電壓降即為式(1)。

從圖2可以看出，電壓損失即是電纜的始端電壓矢量投影到終端電壓矢量上后，終端電壓比始端電壓的減小量，即圖中的BD線段。

由于BD=BC+CD

而 BC=Ibe·R0·cosΦ，CD=Ibe·X0·sinΦ

故電壓損失值ΔUф為:

式(3)和式(4)均為每相的電壓降和電壓損失值，要換算成線電壓降和線電壓損失值，應乘以槡3。

將式(4)換算到線電壓損失值，再同額定線電壓比，并乘以100%，即為線電壓損失百分數的式(2)。

2 計算實例

表1、表2分別是計算的1kV鋁芯、銅芯交聯聚乙烯絕緣電力電纜幾個常用的規格用于三相380 V系統的線電壓損失值和線電壓降。這里用線電壓損失值，以區別于通常講的所謂“線電壓損失”，即線電壓損失百分數。

從表1和表2可以看出，在功率因數為0.9時，電壓降比電壓損失值略大，對于大的電纜規格，差值較小，但最大也不到9%。

3 結論

(1)電壓損失和電壓降不是同一概念。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。它的大小除和電纜的物理特性、傳輸的電流大小、線路長度相關外，還和功率因數有關。而電壓降是指在交流電經電纜傳輸后在其兩端產生的電壓差，是電壓的矢量差，其模的大小只和電纜的物理特性、傳輸的電流大小、線路長度相關，和功率因數大小無關。

(2)通常說的電壓損失指的是電壓損失的百分數。校驗低壓配電線路時，一般都按不超過5%為原則，對視覺要求較高的照明電路，則要求不超過2% ～3%。

(3)在功率因數為0.9時，對于常用規格的低壓電纜，用電壓降來估算電壓損失，誤差不大于9%。

表11 kV鋁芯交聯聚乙烯絕緣電力電纜用于三相380 V系統的線電壓損失值、電壓降及相差的百分數

表21 kV銅芯交聯聚乙烯絕緣電力電纜用于三相380 V系統的線電壓損失值、電壓降及相差的百分數

［1］GBJ 54—1983 低壓配電裝置及線路設計規范［S］.

［2］GB 50054—2011 低壓配電設計規范［S］.

［3］王春江主編.電線電纜手冊·第1冊［M］.北京:機械工業出版社，2001.

［4］中國航空工業規劃設計研究院等編.工業與民用配電設計手冊［M］.北京:中國電力出版社，2005:538-544.