建筑物直流配电电压等级选择探讨
2016-09-13李光曦刘真全
李光曦/刘真全
(中信建筑设计研究总院有限公司，湖北 武汉 430014)
建筑物直流配电电压等级选择探讨
李光曦/刘真全
(中信建筑设计研究总院有限公司，湖北 武汉 430014)
根据现代建筑物低压配电的特点，分析了建筑物低压直流配电的优势，探讨了可用于建筑物低压直流配电的电压等级和接地形式。
直流配电电压等级接地形式电击风险供电能力改造成本
0 引言
随着科技水平的不断提高，民用建筑物中直流负载的比例也不断增加，这些直流负载主要为低压直流设备、电子镇流设备、变频传动设备。其中，属于低压直流设备的有个人电脑、液晶电视、交换机、打印机等信息类设备和其他直流驱动设备；电子镇流设备主要为配备电子镇流器的荧光灯和其他气体放电灯；属于变频传动设备的有变频风机、变频水泵、变频电梯、变频冰箱、变频空调、变频洗衣机等。以上设备在接入传统交流电网时，均需要先将交流市电整流为直流电[1]。
在我国大力提倡节能减排的形势下，直流电机设备(如直流空调)、电动汽车、LED照明等直流负载也在迅速进入建筑物配电系统。因此，在低压配电系统中，除了少数必须直接采用交流驱动的设备(如消防用电机)外，直流负载所占比例较大，且该比例还在不断增大。
1 直流配电的优点及国内外现状
对于直流负载而言，采用交流配电势必要增加设备的整流单元，不但增加了设备造价，也增加了能源消耗。据有关资料显示[2]，同等条件下，直流电压的安全阈值要高于交流工频电压，前者约为后者的2.4倍。由于直流输电可以不考虑电缆电抗的影响，因此在电缆截面和电压等级都相同时，直流供电的容量更大。
另外，由于负载的多样化，低压交流电网的电能质量问题日益突出，谐波干扰、无功补偿等因素使得配电系统消耗了大量电能，且随着分布式能源的不断应用与交流并网对相位和频率的严苛要求，使得分布式发电设备并网比较复杂。与之相反的是，直流供电方式并网简单，且电能质量更容易兼容分布式能源，也更容易得到保障。
随着电力电子技术的发展，直流系统实现柔性配电更为方便。还可以根据实时负载实施功率分配，也可根据负载情况控制输出电压的幅值，避免交流系统在轻载时出现回路首端电压过高的问题。
综上所述，建筑物低压配电系统采用直流配电不但能达到安全、节能、节约有色金属的目的，也能进一步满足用电负荷和配电系统的发展需求。
近年，国外研究较多的直流配电电压等级案例有：美国有关高校采用的DC380V、DC48V双直流配电方式和DC400V、 AC120V交直流混合的配电方式；日本有关高校采用的干线电压为DC340V，终端电压为单相AC100V、三相AC200V、DC100V的配电结构；欧洲有关高校采用的干线电压DC750V，终端电压单相AC230V、三相AC400V、DC120V的配电结构[3]；与此同时，国内有关高校也展开了相关的研究。由于各国传统交流配电电压不同，因而采取的方案也各有侧重。
本文将从电击风险、供电能力、有色金属消耗、改造成本等方面探讨符合我国国情的低压直流配电电压等级和接地形式。
2 电击防护与直流电压选择
2.1直流电压安全参考值
由GB/T 13870.1-2008《电流对人和家畜的效应》可知，120mA被认为是直流纵向向上电流路径的安全极限值(纵向向上电流路径的参考值可以作为大多数情况下的参考[4])。同时，该文献指出，在干燥、接触面积大、直流电压125V的条件下，对电流路径为手到手的人体电阻进行测试，结果显示被测试对象中50%的电阻值≥1 675Ω(50%级阻抗值被认为是可取的[4])，以此为依据进行计算可知，一手到双脚的人体电阻为1 088Ω，通过人体的电流I=U/Z=115mA<120mA，则对于大多数测试者而言，干燥环境下站立单手接触带电体，DC125V对人没有太大的生命危险。
另外，由GB 16895.21-2011《低压电气装置》可知，当系统发生对保护导体故障或对地故障时，超过50V的交流接触电压或超过120V的直流接触电压对人体是危险的；在正常干燥环境下，对所有人而言，直流电压值不超过60V被认为是可以直接接触的电压；对于水中环境而言，直流电压值不超过30V被认为是安全电压[2]
(直流电压中要求纹波电压方均根值不超过直流分量的10%)。
由文献[4]可知，电压越低，电击风险越小，但传输相同功率所需要的导线截面积越大，供电半径则随之减小。供电能力与经济性是选取配电电压的重要参考指标。因而60V和30V直流电压仅可作为特殊场所的设计标准，不能作为建筑配电干线的电压等级。
由于在民用建筑中，导线不允许直接敷设在墙体或地板上，且插座均需采用安全型插座，因而民用建筑内直接接触裸露带电导体的概率较低。大多数电击情况的发生是由于设备绝缘老化，系统带电导体发生对保护导体故障或对地故障时，设备外露可导电部分或外界可导电部分的接触电位升高所致。
因此，以发生接地故障时设备金属外壳的接触电压≤120V为前提进行电压选取，可平衡电击安全和供电能力对供电电压的要求。
2.2接地故障时的直流接触电压
对于交流220V系统，设备发生碰外壳接地故障时接触电压约为100V，远大于50V，电击危险较大[5]。
以某小区建筑物DC240V配电为例，当采用与交流电压相近的电压等级进行直流供电时，对设备发生碰外壳接地故障时的接触电压进行分析，如图1所示。
图1 直流配电线路图
在交流接触电压的计算中，高压侧系统(归算到400V)、变压器以及母线三部分的总相保电阻对计算结果影响较小，且由于整流型直流电源采用电力电子器件，其内阻抗为非线性值。所以，在进行短路电流计算时，假设直流电源内阻为0Ω，首先计算接地故障时设备外壳的接触电压。图1中，PE线电阻RPE为0.140 9Ω，变配电所接地电阻RA和其他建筑物PEN线重复接地电阻RM、RN的综合电阻值假设为2Ω，则回路总电阻R≈0.293 7Ω，单相故障电流I=U/R=817.2A，经计算可知此时最大的接触电压Ut=I×RPE+URB=117.7V<120V。
更多的计算表明，即便参数不同时，计算结果也几乎均<120V。由于上述计算趋于保守，所以可近似认为采用240V及以下的直流电压供电且发生接地故障时，设备金属外壳的接触电压对大多数干燥环境而言是不致命的。由此可见，供电电压采用DC240V比AC220V更加安全。
3 供电能力与直流电压选择
3.1直流电压与导体截面
由JGJ 16-2008《民用建筑电气设计规范》可知，当用电设备总容量在250kW以下时，可由低压交流电源供电。JGJ 242-2011《住宅建筑电气设计规范》中规定，每套住宅负荷不超过12kW时应采用单相供电。因此，本文选取三相设备容量≤250kW、单相设备容量为12kW的设备进行供电能力分析。
为简化计算，对于三相负荷，假设功率因数为0.8、需要系数为0.7；对于单相负荷，假设功率因数为0.85、需要系数为0.9。设计中仅按载流量选取导体截面，干线回路导体采用交联聚乙烯电缆，敷设方式为直接埋地，环境温度取30℃；单相回路导线采用无卤低烟型BYJ导线，穿管埋墙安装，环境温度取40℃。当4根以内电缆并联时，假设电缆并联敷设系数为0.8。设计中认为三相负荷平衡，干线导体有色金属总截面积只统计TN-C-S中TN-C的一段。
对于≤120V的直流电压可以采用不接地方式，只需两根导体即可；对>120V的直流电压，若采用不接地方式，当一根导体发生接地故障时，由于并不影响系统运行，系统不动作，此时，若另一根导体碰触到设备外露可导电部分，则接触电位将可能超过120V。因此，在>DC 120V电压供电的场合应增加相应的导体保护措施。保护导体的截面积选取可参照交流系统的相关规定。
对于不同的三相设备容量，当采用不同的电压供电时，电缆含铜总截面积如表1～3所示。
由表1～3可知，对于三相负荷，380V左右的电压是临界点，只有当直流电压≥380V时，才会体现出节省导体的优越性，而且电压越大，用铜量越少。
对于单相12kW，当采用不同的电压供电时，电缆含铜总截面积如表4所示。
表1 负荷为240kW时，不同电压对应的导体总截面积
注：电缆载流量依据《工业与民用配电设计手册》第三版，电缆直流载流量取相应工频交流载流量值，余表同此。
表2 负荷为200kW时，不同电压对应的导体总截面积
表3 负荷为100kW时，不同电压对应的导体总截面积
表4 负荷为12kW时，不同电压对应的导体总截面积
注：考虑导线敷设在人可触及处。
由表4可知，对于单相负荷，190V左右的电压是临界点,当直流电压大约增至240V时，才能体现出节省导体的优越性，而且电压越大，用铜量越少。
3.2直流电压与供电半径
以负荷200kW为例进行分析。当回路电压降允许值为5%时，对于不同的配电电压，按载流量选择电缆时，计算供电半径如表5所示。
表5 不同电压对应的供电半径
注：交流电缆压降计算依据《工业与民用配电设计手册》第三版，直流电缆压降计算依据DL/T 5044-2014[6]。
由表5可知，当采用DC 340V供电时，供电半径对于交流系统才体现出优越性，但由于此时的导体总截面大于采用交流电压时的值，只有当电压达到DC 380V时，交、直流系统的导体截面值相当。因而笔者认为只有当电压达到DC 380V时，供电半径才能体现出优越性。
4 改造成本与直流电压选择
4.1原有设备的耐压水平
原交流220/380V系统的峰值电压为311/537V，因而可以认为原交流设备的耐压水平可以用于≤311/537V的直流系统。
由于电缆绝缘材质的特性各不相同，GB 50217-2007《电力工程电缆设计规范》中规定，直流输电电缆绝缘水平应具有能随极性反向、直流与冲击叠加等的耐压考核；使用的交联聚乙烯电缆应具有抑制空间电荷积聚及其形成局部高场强等适应直流电场运行的特性。
而由GB/T 12528-2008《交流额定电压3kV及以下轨道交通车辆用电缆》可知，相同电缆对直流的耐压能力约为工频交流电压的1.5倍，即原交流配电电缆，最高可用于330/570V直流配电系统。
综上可知，除现场电缆绝缘材料能否适用于直流场所需要进一步确定外，原有设备的耐压可满足≤311/537V的直流电压要求。
4.2原有配电变压器的输出电压
对于三相桥式全控整流电路，当整流输出电压连续时(即带阻感负载或带电阻负载α≤60°时)，平均值Ud=2.34U2cosα，式中，U2为交流侧单相电压有效值，α为触发角[7]。当触发角为0°时，最大直流输出电压为交流相电压有效值的2.34倍，而变压器二次侧出口电压一般为230V，因而整流电压平均值最大为538V，通过控制触发角可实现向下调压(PWM整流电路与此类似)。考虑到供电时的线路压降，出线端电压需要抬高5%，故采用512V及以下的直流标称电压时，可直接利用原有变压器二次侧出口电压，以减少设备投资成本。
4.3直流电压对原有用电设备的兼容性
为交-直-交变频器、不间断电源UPS、开关电源等供电时，大都采用不可控整流电路经电容滤波后提供直流电源。电容滤波的三相不可控整流电路输出的电压Ud范围为2.34U2～2.45U2，即空载时输出电压值较高，负载达到一定程度时便稳定在2.34倍[7]。由此可知原三相变频设备工作的直流段电压在带负载时为515V，空载时为539V。由GB 50052-2009《供配电系统设计规范》可知电动机供电电压允许5%的偏移，即交流系统正常供电时的整流电压可为489V，所以DC 480V可以满足大部分情况的用工需求。
综上可知，DC 515～539V符合原有三相设备整流直流单元要求，DC 480V可以满足大部分情况的用工需求，DC 198～311V符合原有单相设备整流直流单元要求。
4.4原敷设导体交、直流电压下的载流量
由表1～3可知，当电压达到约480V时，直流供电时选用的单根导体截面与交流系统相当，因此对于改造项目而言，采用DC 480V及以上电压供电可以减少原三相配电导体的改造成本。
由表4可知，当电压达到约190V时，直流供电选用单根导体截面时与交流系统能力相当，因此对于原单相负荷而言，采用DC 190V及以上电压供电可以减少原单相配电导体的改造成本。
5 配电电压及接地形式的初步确定
由上述分析可知，不同条件下的电压值如表6所示。
表6 对应于不同条件的电压值
由表6可知，电压越高供电优势越明显，当电压
图2 建筑物低压直流配电形式图
由图2可知，配电电压等级宜在DC 190/380V～DC 240/480V的范围内。对于小功率负荷，采用单极供电；对于大功率负荷，采用双极供电(配N线或不配N线)。当两极负荷平衡时，流过N线的电流近似为零。由于现代建筑物大多采用钢筋混凝土结构，建筑物内已形成了天然的近似等电位条件，因而建筑物直流配电接地方式采用TN系统较为合理。
6 结束语
综上所述，建筑物配电系统采用不低于DC 190/380V且不高于DC 240/480V的配电电压(本文推荐标称电压DC 230/460V)以及零电位参考点直接接地的双极直流配电形式比较符合我国的实际情况，在安全、节能、减少有色金属消耗、增加供电半径、兼容原有负载、减少改造成本等方面具有综合优势。但是，目前电压等级及接地形式最终仍需要在实验基础上确定。
当前环境下，建筑物低压配电可以优先尝试LED照明系统直流配电和地下汽车库充电桩直流配电。由于各项理论、技术运行经验尚不丰富、直流配电产品种类太少等因素，因此建筑物低压直流配电的研究依然任重而道远。
[1]雍静,徐欣,曾礼强等.低压直流供电系统研究综述[J].中国电机工程学报,2013,33(7):42-52.
[2]GB 16895.21-2011/IEC60364-4- 41：2005.低压电气装置第4-41部分：安全防护 电击防护[S].北京：中国标准出版社，2012.
[3]宋强,赵彪,刘文华等.智能直流配电网研究综述[J].中国电机工程学报,2013,33(25):9-19.
[4]GB/T 13870.1-2008/IEC/TS60479-1电流对人和家畜的效应,第1部分: 通用部分[S].北京：中国标准出版社，2008.
[5]王厚余.电子式RCD和电磁式RCD的选用[J].建筑电气,2010,29(2):3-6.
[6]DL/T 5044-2014电力工程直流电源系统设计技术规程[S].北京：中国计划出版社，2014.
[7]王兆安,黄俊.电力电子技术(第四版)[M].北京：机械工业出版社，2001：43-65.
Discussion on the Selection of DC Distribution Voltage Level of Buildings
Li Guangxi/Liu Zhenquan
According to the characteristics of low voltage distribution of the Modern building,the advantages of low voltage DC power distribution of buildings are analyzed,and the voltage level and grounding mode of low voltage DC power distribution on buildings are discussed.
DC distribution，voltage level，grounding mode，electric shock risk，power supply capacity，transformation cost
