低压直流配电系统中的电压损失研究

柯善文，刘 梅

（1.西安航空学院 电子工程学院，陕西 西安 710077；2.西安科扬机电工程设计有限公司，陕西 西安 710048）

0 引 言

在低压直流配电系统中（文中特指直流24 V），线路电压损失会随着系统负载及配电距离的增大而增大。线路末端电压很可能超出负载本身所能承受的电压损失范围，从而导致负载电器不能正常运行。另外，规范规定用电设备端子处电压偏差允许值要符合下列要求：“照明：在一般工作场所为±5%额定电压；对于远离变电所的小面积一般工作场所，难以满足上述要求时为-10%～+5%额定电压；应急照明、道路照明和警卫照明等为-10%～+5%额定电压。”随着LED灯具在室外景观照明、建筑泛光照明中的大量应用，其特低压直流配电系统的电压损失应成为工程设计的考虑重点[1]。

1 LED灯具的工作原理

发光二极管简称LED，是半导体二极管的一种，可以把电能转化为光能。与传统荧光灯和白炽灯相比，LED在直流电压下具有正常工作启动电压低（2.75～3.8 V）、功率小（电流以毫安计）、寿命长、损耗小、光电功率转换率接近100%等特点。

发光二极管的正向电压Vf指LED通过的正向电流为规定值时，正、负极之间产生的电压降。通常，LED正向电压为2.75～3.8 V，低于正常工作电压，二极管无法导通；在电压增加时，电流会迅速上升，亮度也会增加。

实际应用中，大功率照明LED灯是由N颗LED管芯封装在一个单位里串并联构成的，可将单粒LED通过串并联构成投光灯、条形灯等不同灯具。图1为LED灯具内部发光二极管阵列。照明用LED光源的Vf电压都很低，一般为3.6 V左右，通常6颗为一组，串联后并联于DC 24 V电源，其每组的最低工作电压为21.6 V。低于此电压时，灯具无法点亮。

图1 LED灯具内部发光二极管连接示意图

2 LED灯具的供电原理图

LED灯具工作电压为直流24 V。考虑到检修方便，灯具开关电源（输出DC 24 V电压）通常集中设置。N套同种LED灯具配电原理图，如图2所示。图2中，直流电源代替集中设置的开关电源，且电源放置于灯具一侧（以下简称端点供电方式[2]）；Rn为灯具之间或灯具与电源之间的线路电阻，假设灯具等距布置且回路没有分支，则灯具之间线路电阻Rn相等（由于采用直流系统，线路电抗为0）。

图2 端点供电方式

3 降低线路电压损失的方法

根据规范及灯具自身要求，回路末端灯具电压压降不应大于10%，即末端电压值不应小于21.6 V。为了降低线路电压损失[3-4]，通常可采用如下两种方法：开关电源放置在负荷中心（以下简称中心供电方式）；增大回路导线线径。

中心供电方式[5]原理，如图3所示。在灯具数量及布置不变的情况下，比较两种供电方式。显然，中心供电方式末端灯具离电源距离要比另外一种方式小一倍，电压损失自然降低。

图3 中点供电方式

当n取3时，端点供电方式线路电压损失为[6]：

中心供电方式线路电压损失为：

两种供电方式电压损失比为：

增大导线截面，可使线路等效电阻变小。在回路负载不变的情况下，线路电压损失可降低。实际工程设计中，通常依靠无限增大电缆截面的方法来减小电阻，从而实现压降。但是，此方法会受到投资过大、敷设不便等因素的限制。通常，设计普遍采用的电缆截面有4 mm2和6 mm2两种。

4 极限负荷矩法

特低压直流系统工程的设计重点可以归结为两点，既开关电源与用电设备之间距离的确定和线路导线的截面选择。本文提出极限负荷矩的方法，可以在满足末端用电设备端电压不小于工作电压和规范规定的电压损失的前提下，综合考虑了上述两种方法。

4.1 负荷矩的原理

负荷矩[7]是在电压损失允许的条件下，用电负荷和线路长度的乘积表示，计算公式为M=PL，其中P为线路负载总功率，L表示线路用电负荷中心与电源之间的距离，单位分别为W和m。负荷距一定时，用电负荷越大，供电线路长度越小。在实际照明工程中，所有灯具负载均匀分布，如图4所示。

图4 均匀分布负荷示意图

假设在BC段线路单位长度的电阻为r1，对于线路上微小线段dl，只考虑电压纵轴分量时，dl的电压损耗为 d(ΔU)：

整个线路上的电压损耗为：

式中Un表示线路电源额定电压。

可以看出，在计算均匀分布负荷的电压损失时，采用位于均匀分布负荷中点并和分布负荷总值相等的集中负荷[8]来代替的方法是可行的，其等效距离为：

4.2 基于负荷矩的设计方法

由式（4）、式（5）可得，负荷矩表达式为：

可知，M与ΔU成正比。实际工程设计中，ΔU通常取规范规定的极限值10%，将其代入式（7）求出的负荷矩即为极限负荷矩。对于不同截面如4 mm2和6 mm2的电缆负荷矩为常数，且之间的比值为2/3。要确定L的大小，只需根据工程实际环境条件控制回路的负荷矩在极限负荷矩之内即可，同时能保证末端灯具电压损失在规定范围内。

5 仿真

本文采用一个由600 W/DC 24 V开关电源供电的特低压照明回路作为仿真算例，分别利用12套36 W、8套54 W、6套72 W的LED灯具作为回路负载，灯之间距离均为2 m。采用不同线径、不同供电方式分别对电源与回路首套灯具之间距离Lb以及末端灯具电压进行比较。表1为由Multisim软件得出的仿真数据。

表1为相同负载下，灯具末端电压符合规范及工作电压要求（21.6 V）下，在选取不同电缆截面及不同供电方式时，电缆长度Lb的变化情况。可见，不论是端点供电还是中点供电，增加线径都可以使Lb增大。在Lb相同时，增加线径可以使末端压降减小。表2为Lb相同时，端点供电和中点供电线路末端所测的电压值，表明选择合适的供电方式也可以减少电压损失[9-10]。表1中负荷矩的数据表明，每种截面电缆的极限负荷矩都为常数，且与回路负荷容量和供电距离无关。

6 结 论

低压直流配电系统的考虑重点为电压损失问题，文中提到的两种方法均可减少线路的电压损失，但无法向设计人员提供数据支持。本文提出的极限负荷矩法综合考虑了电缆截面和供电方式的选择，可以使工程设计更加便捷。

表1 供电距离Lb

表2 线路末端电压