低壓直流配電系統(tǒng)中的電壓損失研究

柯善文，劉 梅

（1.西安航空學(xué)院 電子工程學(xué)院，陜西 西安 710077；2.西安科揚(yáng)機(jī)電工程設(shè)計(jì)有限公司，陜西 西安 710048）

0 引 言

在低壓直流配電系統(tǒng)中（文中特指直流24 V），線路電壓損失會(huì)隨著系統(tǒng)負(fù)載及配電距離的增大而增大。線路末端電壓很可能超出負(fù)載本身所能承受的電壓損失范圍，從而導(dǎo)致負(fù)載電器不能正常運(yùn)行。另外，規(guī)范規(guī)定用電設(shè)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(chǎng)所為±5%額定電壓；對(duì)于遠(yuǎn)離變電所的小面積一般工作場(chǎng)所，難以滿足上述要求時(shí)為-10%～+5%額定電壓；應(yīng)急照明、道路照明和警衛(wèi)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(yīng)用，其特低壓直流配電系統(tǒng)的電壓損失應(yīng)成為工程設(shè)計(jì)的考慮重點(diǎn)[1]。

1 LED燈具的工作原理

發(fā)光二極管簡(jiǎn)稱(chēng)LED，是半導(dǎo)體二極管的一種，可以把電能轉(zhuǎn)化為光能。與傳統(tǒng)熒光燈和白熾燈相比，LED在直流電壓下具有正常工作啟動(dòng)電壓低（2.75～3.8 V）、功率小（電流以毫安計(jì)）、壽命長(zhǎng)、損耗小、光電功率轉(zhuǎn)換率接近100%等特點(diǎn)。

發(fā)光二極管的正向電壓Vf指LED通過(guò)的正向電流為規(guī)定值時(shí)，正、負(fù)極之間產(chǎn)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(wú)法導(dǎo)通；在電壓增加時(shí)，電流會(huì)迅速上升，亮度也會(huì)增加。

實(shí)際應(yīng)用中，大功率照明LED燈是由N顆LED管芯封裝在一個(gè)單位里串并聯(lián)構(gòu)成的，可將單粒LED通過(guò)串并聯(lián)構(gòu)成投光燈、條形燈等不同燈具。圖1為L(zhǎng)ED燈具內(nèi)部發(fā)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(lián)后并聯(lián)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(shí)，燈具無(wú)法點(diǎn)亮。

圖1 LED燈具內(nèi)部發(fā)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。考慮到檢修方便，燈具開(kāi)關(guān)電源（輸出DC 24 V電壓）通常集中設(shè)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(shè)置的開(kāi)關(guān)電源，且電源放置于燈具一側(cè)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)端點(diǎn)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(shè)燈具等距布置且回路沒(méi)有分支，則燈具之間線路電阻Rn相等（由于采用直流系統(tǒng)，線路電抗為0）。

圖2 端點(diǎn)供電方式

3 降低線路電壓損失的方法

根據(jù)規(guī)范及燈具自身要求，回路末端燈具電壓壓降不應(yīng)大于10%，即末端電壓值不應(yīng)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(kāi)關(guān)電源放置在負(fù)荷中心（以下簡(jiǎn)稱(chēng)中心供電方式）；增大回路導(dǎo)線線徑。

中心供電方式[5]原理，如圖3所示。在燈具數(shù)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(diǎn)供電方式

當(dāng)n取3時(shí)，端點(diǎn)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(dǎo)線截面，可使線路等效電阻變小。在回路負(fù)載不變的情況下，線路電壓損失可降低。實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，通常依靠無(wú)限增大電纜截面的方法來(lái)減小電阻，從而實(shí)現(xiàn)壓降。但是，此方法會(huì)受到投資過(guò)大、敷設(shè)不便等因素的限制。通常，設(shè)計(jì)普遍采用的電纜截面有4 mm2和6 mm2兩種。

4 極限負(fù)荷矩法

特低壓直流系統(tǒng)工程的設(shè)計(jì)重點(diǎn)可以歸結(jié)為兩點(diǎn)，既開(kāi)關(guān)電源與用電設(shè)備之間距離的確定和線路導(dǎo)線的截面選擇。本文提出極限負(fù)荷矩的方法，可以在滿足末端用電設(shè)備端電壓不小于工作電壓和規(guī)范規(guī)定的電壓損失的前提下，綜合考慮了上述兩種方法。

4.1 負(fù)荷矩的原理

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

圖4 均勻分布負(fù)荷示意圖

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

整個(gè)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(jì)算均勻分布負(fù)荷的電壓損失時(shí)，采用位于均勻分布負(fù)荷中點(diǎn)并和分布負(fù)荷總值相等的集中負(fù)荷[8]來(lái)代替的方法是可行的，其等效距離為：

4.2 基于負(fù)荷矩的設(shè)計(jì)方法

由式（4）、式（5）可得，負(fù)荷矩表達(dá)式為：

可知，M與ΔU成正比。實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，ΔU通常取規(guī)范規(guī)定的極限值10%，將其代入式（7）求出的負(fù)荷矩即為極限負(fù)荷矩。對(duì)于不同截面如4 mm2和6 mm2的電纜負(fù)荷矩為常數(shù)，且之間的比值為2/3。要確定L的大小，只需根據(jù)工程實(shí)際環(huán)境條件控制回路的負(fù)荷矩在極限負(fù)荷矩之內(nèi)即可，同時(shí)能保證末端燈具電壓損失在規(guī)定范圍內(nèi)。

5 仿真

本文采用一個(gè)由600 W/DC 24 V開(kāi)關(guān)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(fù)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(duì)電源與回路首套燈具之間距離Lb以及末端燈具電壓進(jìn)行比較。表1為由Multisim軟件得出的仿真數(shù)據(jù)。

表1為相同負(fù)載下，燈具末端電壓符合規(guī)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(shí)，電纜長(zhǎng)度Lb的變化情況。可見(jiàn)，不論是端點(diǎn)供電還是中點(diǎn)供電，增加線徑都可以使Lb增大。在Lb相同時(shí)，增加線徑可以使末端壓降減小。表2為L(zhǎng)b相同時(shí)，端點(diǎn)供電和中點(diǎn)供電線路末端所測(cè)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(fù)荷矩的數(shù)據(jù)表明，每種截面電纜的極限負(fù)荷矩都為常數(shù)，且與回路負(fù)荷容量和供電距離無(wú)關(guān)。

6 結(jié) 論

低壓直流配電系統(tǒng)的考慮重點(diǎn)為電壓損失問(wèn)題，文中提到的兩種方法均可減少線路的電壓損失，但無(wú)法向設(shè)計(jì)人員提供數(shù)據(jù)支持。本文提出的極限負(fù)荷矩法綜合考慮了電纜截面和供電方式的選擇，可以使工程設(shè)計(jì)更加便捷。

表1 供電距離Lb

表2 線路末端電壓