長距離供電電動機負載電壓偏差分析

吳火軍， 孫利軍

(1. 中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，杭州 310014；2. 浙江石倉工程有限公司，杭州 311225)

0 引言

近幾年，國家高速公路、城市隧道、綜合管廊、軌道交通等基礎設施建設如火如荼。 此類工程用電負荷呈現線性規律分布，一般情況下難以分布在變配電所經濟供電半徑范圍。 以一座長約1.5km的城市隧道為例，結合通風及防排煙要求間隔150～200m 等距懸掛射流風機，而隧道變配電所結合工程線型特點，一般布置于隧道兩端，難以做到設于理論上的負荷中心，大量的射流風機類電動機負載呈現遠距離供電情況(一般供電距離在300 ～800m，特殊情況下可能達到1 000m)，在工程設計中需要仔細校驗長距離供電對電動機運行的影響，以確保電動機能正常啟動和運行，并盡可能減少線纜投資和銅材損耗，實現節能。

電動機運行中的影響因素很多，但是有許多參數變化不大，如電動機的定子繞組電阻、漏感抗，轉子繞組電阻、漏感抗、勵磁電阻、電抗等參數在電動機出廠時已經確定，可以作為不變的量來處理，而電動機設備端子處的電壓偏差對電動機的轉矩、轉速、有功損耗、無功損耗、轉子電流等參數的變化情況較為顯著。 文獻[1]較為詳細地分析了電壓波動對異步電動機的轉矩、滑差、轉速、功率損耗和轉子電流的影響。 本文依據國家規范及《工業與民用供配電設計手冊》，重點梳理電動機負載設備端子處的電壓偏差允許值確定方法，為相關工程設計和建設提供參考。

1 電壓偏差定義及國家相關規定

1.1 電壓偏差定義

GB/T 12325－2008《電能質量 供電電壓偏差》中明確給出電壓偏差定義:實際運行電壓對系統標稱電壓的偏差相對值，以百分數表示。 系統標稱電壓為用以標志或識別系統電壓的給定值。 查閱GB/T 156－2017《標準電壓》，380V 三相四線制配電系統的標準電壓為220/380V。

顯然，電壓偏差與日常工程設計使用的電壓降落、電壓損失、電壓降是完全不同的概念。 其中電壓降落是指電網始末端兩個電壓的相量差，仍為相量，包含縱向分量和橫向分量；電壓損失是指電網始末端兩個電壓的有效值之差，近似等于電壓降落的縱向分量，采用百分數表示；電壓降則是電壓損失的俗稱，并無確切的定義。 電壓降落和電壓損失均指線路始末兩端的差，而電壓偏差是特定某點的實際電壓與標稱電壓的有效值差值，存在始端電壓偏差和末端電壓偏差。 因此，在工程設計中，應嚴格區分和對待。

1.2 國家標準中關于電壓偏差的限值規定

GB 50052－2009《供配電系統設計規范》中第5.0.4 條明確規定，正常運行情況下，電動機負載在設備端子處電壓偏差允許值為±5%額定電壓。 此條規定主要考慮電動機端電壓若偏離GB 755－2008《旋轉電機定額和性能》規定的允許電壓偏差范圍，將導致電動機性能變劣、壽命降低，以及在不合理運行下增加運行費用。 該文獻同時在條文說明中指出，對于少數距電源較遠的電動機，如電動機端電壓低于額定值的95%時，仍能保證電動機溫升符合GB 755 的規定，且堵轉轉矩、最小轉矩、最大轉矩均能滿足傳動要求時，則電動機的端電壓不得低于額定值的90%。

從規范的描述可以看出，明確規定的電壓偏差是指用電設備端子處，并不是指配電線路的電壓損失或者電壓降為±5%。

2 電壓偏差的一般計算

電壓偏差的一般計算在《工業與民用供配電設計手冊》(第四版)中有很完整的表達，其計算式為:

式中，Δu為電壓偏差百分數；U為實際運行電壓；Un為系統標稱電壓。

對于特定的某段供電線路，若線路首端的電壓偏差為Δu0，線路電壓損失為Δu1，則線路末端電壓偏差計算式為:

(注:若該段內還有變壓器或其他調壓設備時，還應計入該類設備內的電壓提升或降落)

針對式(1)和式(2)，兩者計算的出發點截然不同。 式(1)重在考核電動機設備運行點實際電壓的考核，當按照±5%額定電壓的電壓偏差允許值反算實際運行電壓時:Un×0.95 ≤U≤Un×1.05，選取Un＝380V，則361V ≤U≤399V，即確保長距離供電后設備端實際運行電壓位置在361～399V 這個區間內可滿足國家規范要求；式(2)重在考核該段供電線路首端電壓偏差和線路電壓降引起的設備端子處電壓偏差，在線路首端無電壓偏差(即Δu0＝0% )時，需要確保－5% ≤Δu1≤＋5%，才符合國家相關規范要求。

顯然，上述式(1)和式(2)分別從實際運行電壓絕對值和電壓降相對值兩個角度進行分析，其根本區別在于線路首端電壓實際電壓或首端電壓偏差的考量上。 若線路首端不存在電壓偏差，首端實際電壓與系統標稱電壓均為380V 時，兩種算法最終均歸一為線路電壓損耗的計算，即保證線路電壓降在±5%以內即滿足要求。 但當首端實際電壓與標稱電壓不一致時，則需要計入首端電壓偏差，不應僅僅考核線路電壓損失，以避免用電設備端實際電壓大大低于或超過設備額定電壓。

3 工程實際電壓偏差限定及測算

在工程實際中，低壓配電線路首端(一般為變壓器出口母線處)電壓往往高于或低于系統標稱電壓，變壓器的實時負載率、變比、電壓分接頭以及無功功率補償的接入等均會影響電壓偏差。

不考慮用電點遠離上級變電站或中心變電站的情況，一般市域范圍的電力系統在采取各種調壓措施或運行方式調整后，用電點處的電壓雖有變化，但一般與系統標稱電壓差別不大。 本文根據《工業與民用供配電設計手冊》(第四版)463 頁的表6.2－5(表1)，按變壓器不同分接頭確定始端電壓偏差。

10±5%/0.4kV 變壓器分接頭與二次側空載電壓和電壓提升的關系 表1

考慮工程實際情況，以城市隧道為例，由于隧道內一二級負荷較多且負荷較為穩定，變壓器實際運行負荷率較低(約50%)，屬于輕載狀態，電力部門一般均維持變壓器二次電壓在400V 左右運行。現以一個實際供電距離為657m 的380V 30kW 射流風機為例進行計算比較，如圖1 所示。

圖1 城市隧道某一組風機配電示意圖

(1)變壓器1T 二次側電壓偏差

根據本文前述，電力部門一般均維持變壓器二次電壓在400V 左右運行，現取二次電壓為380V、400V兩種進行分析比較，電壓偏差值分別為0%、5%。

(2)電纜線路電壓降

電纜線路電壓降按末端設備以額定功率穩定運行計算，依據第四版《工業與民用供配電設計手冊》第865 頁表9.4－3 進行計算，初選定的電纜截面為95 mm2、120mm2、150mm2、185mm2。 末端配電控制箱和末端分支線路電壓降忽略不計。

(3)末端設備端子處電壓偏差

按國家標準GB 50052－2009《供配電系統設計規范》第5.0.4 條規定，電動機在設備端子處電壓偏差允許值為±5%額定電壓。 隧道工程射流風機一般不經常使用，且使用時間較短，為簡化比較，按一般設備運行工況進行計算。

(4)計算結果及結論分析

本例設備端電壓偏差計算如表2 所示。

城市隧道某一組風機設備端子處電壓偏差計算對比表 表2

根據表2，可以得出以下結論:(1)線路始端即變壓器出口處電壓偏差對用電設備端子處電壓偏差影響顯著。 (2)若不考慮始端電壓偏差，電纜需選擇WDZAN-YJY－0.6/1kV－3×185＋2×95mm2；若考慮始端電壓偏差，選擇WDZAN-YJY－0.6/1kV－3×95＋2×50mm2，電纜線路變壓降仍達到7.83%，但末端電壓偏差在±5%額定電壓范圍內，仍滿足要求。 兩種情況下對于電纜線路的選型差異很大，電纜截面差一倍，后者經濟合理性更好。 (3)小截面電纜的電壓降更大，線纜功率損耗越大，節能效果較差，且一旦系統端因大電機啟動等因素導致母線端電壓下降時，有可能導致末端電動機負載失壓，不能正常運行。 (4)正常情況下始端電壓為400V，在用電負荷卸載明顯易導致始端電壓繼續升高，易造成其余正常用電設備的過電壓。

4 結束語

電壓偏差是電能質量的一個主要指標，將直接影響用電設備的功能和壽命，因此在工程設計、安裝和施工驗收中應重視將用電電壓調整到合適的水平。 尤其在隧道、管廊等線型工程中，長距離供電引發的電壓偏差更應得到重視，既不能為了滿足±5%要求就放大線纜截面，造成線纜資源浪費；更不能忽視電壓偏差過大對用電設備的損傷。 結合本文研究，可以得到如下結論和建議。

(1)工程設計時應充分理清電壓偏差、電壓降落、電壓損失、電壓降的基本概念和側重點，不能忽視供電線路始端電壓偏差的影響。

(2)制定用電設備端子電壓偏差允許值，應兼顧設備制造和網絡建設綜合技術經濟指標，并考慮用電設備的具體運行情況，如對于不經常使用、使用時間短暫且次數較少的設備，其指標可以適當放寬。

(3)鑒于供電線路始端電壓偏差對設備端電壓偏差影響較大，在沒有確切始端電壓偏差數據情況下，建議盡量選擇具有寬分接范圍的變壓器，例如±2×2.5%分接范圍的變壓器，適當提高變壓器二次側電壓，以顯著降低長距離供電線路的線纜截面，提升配電性價比。

(4)長距離供電的線纜選擇除應考慮電壓降外，尚應兼顧線纜功率損耗和節能要求。

(5)應注意到無載調壓必須在變壓器高壓側斷電的條件下才能調整二次側分接觸頭，實際運行操作并不方便。 在不違反國家標準GB 51348《民用建筑電氣設計標準》中第3.4.4 條時，可優先采用有載調壓型變壓器。

(6)當采取改變變壓器分接頭措施以改善電壓偏差時，在線路低載時會抬升母線電壓，繼而影響線路上其他用電設備的正常使用，實際調整時應綜合評估可實施性(除應考慮其他近距離供電設備的承壓能力，避免過電壓對其他設備的損傷外)。