吴火军， 孙利军

(1. 中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，杭州 310014；2. 浙江石仓工程有限公司，杭州 311225)

0 引言

近几年，国家高速公路、城市隧道、综合管廊、轨道交通等基础设施建设如火如荼。 此类工程用电负荷呈现线性规律分布，一般情况下难以分布在变配电所经济供电半径范围。 以一座长约1.5km的城市隧道为例，结合通风及防排烟要求间隔150～200m 等距悬挂射流风机，而隧道变配电所结合工程线型特点，一般布置于隧道两端，难以做到设于理论上的负荷中心，大量的射流风机类电动机负载呈现远距离供电情况(一般供电距离在300 ～800m，特殊情况下可能达到1 000m)，在工程设计中需要仔细校验长距离供电对电动机运行的影响，以确保电动机能正常启动和运行，并尽可能减少线缆投资和铜材损耗，实现节能。

电动机运行中的影响因素很多，但是有许多参数变化不大，如电动机的定子绕组电阻、漏感抗，转子绕组电阻、漏感抗、励磁电阻、电抗等参数在电动机出厂时已经确定，可以作为不变的量来处理，而电动机设备端子处的电压偏差对电动机的转矩、转速、有功损耗、无功损耗、转子电流等参数的变化情况较为显著。 文献[1]较为详细地分析了电压波动对异步电动机的转矩、滑差、转速、功率损耗和转子电流的影响。 本文依据国家规范及《工业与民用供配电设计手册》，重点梳理电动机负载设备端子处的电压偏差允许值确定方法，为相关工程设计和建设提供参考。

1 电压偏差定义及国家相关规定

1.1 电压偏差定义

GB/T 12325－2008《电能质量 供电电压偏差》中明确给出电压偏差定义:实际运行电压对系统标称电压的偏差相对值，以百分数表示。 系统标称电压为用以标志或识别系统电压的给定值。 查阅GB/T 156－2017《标准电压》，380V 三相四线制配电系统的标准电压为220/380V。

显然，电压偏差与日常工程设计使用的电压降落、电压损失、电压降是完全不同的概念。 其中电压降落是指电网始末端两个电压的相量差，仍为相量，包含纵向分量和横向分量；电压损失是指电网始末端两个电压的有效值之差，近似等于电压降落的纵向分量，采用百分数表示；电压降则是电压损失的俗称，并无确切的定义。 电压降落和电压损失均指线路始末两端的差，而电压偏差是特定某点的实际电压与标称电压的有效值差值，存在始端电压偏差和末端电压偏差。 因此，在工程设计中，应严格区分和对待。

1.2 国家标准中关于电压偏差的限值规定

GB 50052－2009《供配电系统设计规范》中第5.0.4 条明确规定，正常运行情况下，电动机负载在设备端子处电压偏差允许值为±5%额定电压。 此条规定主要考虑电动机端电压若偏离GB 755－2008《旋转电机定额和性能》规定的允许电压偏差范围，将导致电动机性能变劣、寿命降低，以及在不合理运行下增加运行费用。 该文献同时在条文说明中指出，对于少数距电源较远的电动机，如电动机端电压低于额定值的95%时，仍能保证电动机温升符合GB 755 的规定，且堵转转矩、最小转矩、最大转矩均能满足传动要求时，则电动机的端电压不得低于额定值的90%。

从规范的描述可以看出，明确规定的电压偏差是指用电设备端子处，并不是指配电线路的电压损失或者电压降为±5%。

2 电压偏差的一般计算

电压偏差的一般计算在《工业与民用供配电设计手册》(第四版)中有很完整的表达，其计算式为:

式中，Δu为电压偏差百分数；U为实际运行电压；Un为系统标称电压。

对于特定的某段供电线路，若线路首端的电压偏差为Δu0，线路电压损失为Δu1，则线路末端电压偏差计算式为:

(注:若该段内还有变压器或其他调压设备时，还应计入该类设备内的电压提升或降落)

针对式(1)和式(2)，两者计算的出发点截然不同。 式(1)重在考核电动机设备运行点实际电压的考核，当按照±5%额定电压的电压偏差允许值反算实际运行电压时:Un×0.95 ≤U≤Un×1.05，选取Un＝380V，则361V ≤U≤399V，即确保长距离供电后设备端实际运行电压位置在361～399V 这个区间内可满足国家规范要求；式(2)重在考核该段供电线路首端电压偏差和线路电压降引起的设备端子处电压偏差，在线路首端无电压偏差(即Δu0＝0% )时，需要确保－5% ≤Δu1≤＋5%，才符合国家相关规范要求。

显然，上述式(1)和式(2)分别从实际运行电压绝对值和电压降相对值两个角度进行分析，其根本区别在于线路首端电压实际电压或首端电压偏差的考量上。 若线路首端不存在电压偏差，首端实际电压与系统标称电压均为380V 时，两种算法最终均归一为线路电压损耗的计算，即保证线路电压降在±5%以内即满足要求。 但当首端实际电压与标称电压不一致时，则需要计入首端电压偏差，不应仅仅考核线路电压损失，以避免用电设备端实际电压大大低于或超过设备额定电压。

3 工程实际电压偏差限定及测算

在工程实际中，低压配电线路首端(一般为变压器出口母线处)电压往往高于或低于系统标称电压，变压器的实时负载率、变比、电压分接头以及无功功率补偿的接入等均会影响电压偏差。

不考虑用电点远离上级变电站或中心变电站的情况，一般市域范围的电力系统在采取各种调压措施或运行方式调整后，用电点处的电压虽有变化，但一般与系统标称电压差别不大。 本文根据《工业与民用供配电设计手册》(第四版)463 页的表6.2－5(表1)，按变压器不同分接头确定始端电压偏差。

10±5%/0.4kV 变压器分接头与二次侧空载电压和电压提升的关系 表1

考虑工程实际情况，以城市隧道为例，由于隧道内一二级负荷较多且负荷较为稳定，变压器实际运行负荷率较低(约50%)，属于轻载状态，电力部门一般均维持变压器二次电压在400V 左右运行。现以一个实际供电距离为657m 的380V 30kW 射流风机为例进行计算比较，如图1 所示。

图1 城市隧道某一组风机配电示意图

(1)变压器1T 二次侧电压偏差

根据本文前述，电力部门一般均维持变压器二次电压在400V 左右运行，现取二次电压为380V、400V两种进行分析比较，电压偏差值分别为0%、5%。

(2)电缆线路电压降

电缆线路电压降按末端设备以额定功率稳定运行计算，依据第四版《工业与民用供配电设计手册》第865 页表9.4－3 进行计算，初选定的电缆截面为95 mm2、120mm2、150mm2、185mm2。 末端配电控制箱和末端分支线路电压降忽略不计。

(3)末端设备端子处电压偏差

按国家标准GB 50052－2009《供配电系统设计规范》第5.0.4 条规定，电动机在设备端子处电压偏差允许值为±5%额定电压。 隧道工程射流风机一般不经常使用，且使用时间较短，为简化比较，按一般设备运行工况进行计算。

(4)计算结果及结论分析

本例设备端电压偏差计算如表2 所示。

城市隧道某一组风机设备端子处电压偏差计算对比表 表2

根据表2，可以得出以下结论:(1)线路始端即变压器出口处电压偏差对用电设备端子处电压偏差影响显著。 (2)若不考虑始端电压偏差，电缆需选择WDZAN-YJY－0.6/1kV－3×185＋2×95mm2；若考虑始端电压偏差，选择WDZAN-YJY－0.6/1kV－3×95＋2×50mm2，电缆线路变压降仍达到7.83%，但末端电压偏差在±5%额定电压范围内，仍满足要求。 两种情况下对于电缆线路的选型差异很大，电缆截面差一倍，后者经济合理性更好。 (3)小截面电缆的电压降更大，线缆功率损耗越大，节能效果较差，且一旦系统端因大电机启动等因素导致母线端电压下降时，有可能导致末端电动机负载失压，不能正常运行。 (4)正常情况下始端电压为400V，在用电负荷卸载明显易导致始端电压继续升高，易造成其余正常用电设备的过电压。

4 结束语

电压偏差是电能质量的一个主要指标，将直接影响用电设备的功能和寿命，因此在工程设计、安装和施工验收中应重视将用电电压调整到合适的水平。 尤其在隧道、管廊等线型工程中，长距离供电引发的电压偏差更应得到重视，既不能为了满足±5%要求就放大线缆截面，造成线缆资源浪费；更不能忽视电压偏差过大对用电设备的损伤。 结合本文研究，可以得到如下结论和建议。

(1)工程设计时应充分理清电压偏差、电压降落、电压损失、电压降的基本概念和侧重点，不能忽视供电线路始端电压偏差的影响。

(2)制定用电设备端子电压偏差允许值，应兼顾设备制造和网络建设综合技术经济指标，并考虑用电设备的具体运行情况，如对于不经常使用、使用时间短暂且次数较少的设备，其指标可以适当放宽。

(3)鉴于供电线路始端电压偏差对设备端电压偏差影响较大，在没有确切始端电压偏差数据情况下，建议尽量选择具有宽分接范围的变压器，例如±2×2.5%分接范围的变压器，适当提高变压器二次侧电压，以显著降低长距离供电线路的线缆截面，提升配电性价比。

(4)长距离供电的线缆选择除应考虑电压降外，尚应兼顾线缆功率损耗和节能要求。

(5)应注意到无载调压必须在变压器高压侧断电的条件下才能调整二次侧分接触头，实际运行操作并不方便。 在不违反国家标准GB 51348《民用建筑电气设计标准》中第3.4.4 条时，可优先采用有载调压型变压器。

(6)当采取改变变压器分接头措施以改善电压偏差时，在线路低载时会抬升母线电压，继而影响线路上其他用电设备的正常使用，实际调整时应综合评估可实施性(除应考虑其他近距离供电设备的承压能力，避免过电压对其他设备的损伤外)。