如何计算分支电路和馈线中的电压降

电气装置中使用的电线应适合承载电流并避免过大的电压降。除了少数例外，NEC 对电压降没有要求，因为它不被认为是不安全的。然而，它会浪费能量，这取决于你检查它。

什么是电压降？

让我们回到基尔霍夫电压定律 （KVL） 的基础知识，该定律指出“闭合路径周围电压降的代数和为零”。KVL 遵循更一般的物理原理，即在任何保守能量场中沿闭合路径的电位差之和必须为零。

图 1 显示了闭合路径周围的电压。

图 1.闭合路径周围的电压。图片由 Lorenzo Mari 提供

在穿过元件并遵循闭合路径 abcda 时，将每个电压的符号从 + 到 -（从高到低电位）取为正，从 - 到 +（从低到高电位）取为负，我们有

-V1 + V2+ V3 = 0

我们看到所有电压都下降并加到零。然而，V1 是负电压降或正电压上升。

说明上述等式的另一种方法是

V2 + V3 = V1 或，

电压降之和等于沿任何闭合路径的电压上升之和。

图 1 中的 V1 是电路上的电位上升，而 V2 和 V3 是电位降或电压降。

假设 V1 是源电压，V2 是分支电路或馈线的电压降，V3 是负载中的电压降，我们将重点关注 V2。

保持低压降的基本原理

电压降计算的主要目的是：

确认负载电压允许正常运行。

电气设备在其额定电压下运行效率最高。电动机在低于 5% 额定电压时降低约 10% 的功率输出，在低于 10% 额定电压时降低约 19%。白炽灯在电压低于额定电压 5% 时会降低约 16% 的光，在低于额定电压 10% 时会降低约 30%。在高压降下，荧光灯可能根本不工作。

达到可接受的铜损（导体中的散热）。

NEC 推荐的电压降

第 210.19（A） 节 – 分支电路 – 信息说明 N° 3 建议将电源、加热和照明或此类负载组合的最远出口处的电压降为施加电压的 3%。或者，馈线和分支电路到最远出口的最大组合电压降应为 5%。

第 215.2（A）（1） 节 - 馈线 - 信息说明 N° 2 对馈线有相同的建议。

这些陈述意味着，如果分支电路的电压降不超过 4%，馈线可能会有 1% 的电压降。此外，将支路电压降限制在 3% 将允许馈线下降 2%。这些或任何其他馈线和支路电压降的组合不超过 5% 的总和就足够了。

第 647.3 节允许使用单独派生的 120 V、3 线、单相系统，每个未接地导体和设备接地导体之间的电压为 60 V，以降低敏感电子设备位置的噪声，仅限商业或工业场所。

第 647.4（D） 节将用于敏感电子设备的任何分支电路上的电压降限制为施加电压的 1.5%。或者，它将馈线和分支电路导体的最大组合电压降限制为 2.5%。

第 647（D）（1） 和 （2） 节进一步详细说明了固定设备和有线连接设备的电压降。

敏感电子设备的电压降要求不是信息性说明，而是强制性的。

声压降

分支电路的典型电压降为 2%，馈线为 1% 至 2%。在 120 V 系统中，最大支路电压降为 2.4 V，在 240 V 系统中为 4.8 V。

虽然在分支电路中使用 N° 14 AWG 导体是有效的，但在住宅中通常至少使用 N° 12 AWG，特别是在长期运行中。第 210.11（C） 节要求小型电器、洗衣房、浴室和车库使用 20A 分支电路。这种做法源于住宅用电的增加。

在商业和工业场所，N° 12 AWG 最小值对于避免过度压降通常至关重要。

欧姆定律计算电压降的方法

有几种方法可以计算单相和三相电压降，从基本近似值到精确值或实际值——使用的技术和详细程度取决于所需的精度。近似方法可用于住宅、商业和工业场所的日常使用。

欧姆定律方法是获得近似结果的一种直接方法。一个小型基本手持计算器在以下示例中进行了所有计算。

每次能量转换都可以与方程相关

结果=原因/对立

在电路中，欧姆定律 I（Ampere） = V（Volt）/R（Ohm） 反映了这一原理。

以下示例将欧姆定律应用于单相电路，假设负载功率因数为 100%，且导体电抗可忽略不计，除非另有说明。他们使用直流分析方法。

导体电阻数据来自 NEC 表 8，在 75°C 时的直流电阻列下。

示例 1：

考虑图 2 所示的串联电路，其中 R1 表示分支电路导体的电阻，R2 表示负载电阻。

图 2.串联电路。图片由 Lorenzo Mari 提供

一个。找到室温。

Rt = R1 + R2 = 0.65 Ω + 15.8 Ω = 16.45 Ω。

湾。找到我。

I=V/Rt = 240 V/16.45 Ω = 14.59 A。

C。找到 V2 和 V3。

V2 = IR1 = 14.59 A x 0.65 Ω = 9.48 V（支路电压降）

V3 = IR2 = 14.59 A x 15.8 Ω = 230.52 V。

d。找出电阻器消耗的功率。

P1 = V2²/R1 = 9.48²/0.65 = 138.26 W（铜损）。

P2 = V3²/R2 = 230.52²/15.8 = 3 363.26 W。

e. 找出源的功率输出并将其与电阻器耗散的功率进行比较。

Psource = V x I = 240 V x 14.59 A = 3 501.60 W。

P（R1+R2） = 3 501.52 瓦。

权力检查。细微的差别是舍入误差。

F。求支路电压降百分比。

（9.48 V/240 V） x 100 = 3.95%。

欧姆定律方法的公式

计算电压降的欧姆定律方法可以采用以下公式

VD = 2 x I x R x L

在哪里

VD = 导体中的电压降 （V）。

I = 电流 （A）。

R = 导体电阻（或交流电路中的阻抗），单位 Ω/km。

L = 从电源到负载的导体长度（以米为单位）除以 1 000。

数字 2 反映了从负载到源的返回导体。

更高电压的好处

示例 2：

图 3 显示了在 60 m 距离处提供恒定 3.36 kW 负载的分支电路导体。电源有两种电压选项：240 V 或 120 V。计算最大电压降为 3% 的导体尺寸。

NEC 表 8 显示导体尺寸 N°4 AWG 的直流电阻为 1.01 Ω/km。

单向电阻：1.01 Ω/km x 0.060 km = 0.0606 Ω。

240 V 时的电流：3.36 kW/240 V = 14 A。

120 V 时的电流：3.36 kW/120 V = 28 A。

图 3.分支电路导体提供恒定功率。图片由 Lorenzo Mari 提供

VD1 = 2 x 14 A x 1.01 Ω/km x 0.060 km = 1.70 V = 0.71%。

VD2 = 2 x 28 A x 1.01 Ω/km x 0.060 km = 3.39 V = 2.83%。

表 1 总结了以伏特和百分比表示的导体电压降。

表 1.导体 N° 4 AWG 的电压降。图片由 Lorenzo Mari 提供

两种电压都满足使用导体 N° 4 AWG 所需的电压降百分比。

请注意，对于相同的负载、距离和导体尺寸，120 V 系统中的电压降（以伏特为单位）是 240 V 系统中的两倍。然而，在 120 V 系统中以百分比测量的电压降是 240 V 系统的四倍。

这些结果表明，在相同的导体尺寸和相同的电压降百分比下，240 V 可以承载比 120 V 远四倍的功率。

表 1 显示了 240 V 中较小导体尺寸的空间。NEC 表 8 显示了对于尺寸为 N°10 AWG 的实心导体的直流电阻为 3.984 Ω/km。

VD = 2 x 14 A x 3，984 Ω/km x 0.060 km = 6.69 V = 2.79%。

根据需要，电压降低于3%。

表 2 总结了以伏特和百分比表示的导体电压降。

表 2.导体 N° 10 AWG 的电压降。图片由 Lorenzo Mari 提供

更高的电压允许使用更小的导体，从而大大节省了建设成本。

铜损

电压降是以热的形式浪费在电路导体中的电能。在数学上，铜损是一个简单的 I²R 或 V²/R，以瓦特表示。在这些示例中使用这两个表达式获得的微小差异是舍入误差。

总导体长度：2 x 60 m = 120 m = 0.12 km。

总 N° 4 AWG 导体电阻：1.01 Ω/km x 0.12 km = 0.1212 Ω。

总 N° 10 AWG 导体电阻：3.984 Ω/km x 0.12 km = 0.4781 Ω。

表 3 比较了示例 2 中分析的布置中的铜损。

表 3.示例 2 布置中铜损的比较。图片由 Lorenzo Mari 提供

布置 1 和 2 的比较显示了电压降和铜损之间的密切关系。布置 1 将在电路的生命周期内浪费更少的能量——只需增加电压即可。

尽管布置 1 的铜损最低，但它采用了较大的导体尺寸，增加了材料和劳动力成本。请注意，布置 3 使用较小的导体尺寸 - 经济上有利 - 同时符合电压降规范和类似于布置 2 的铜损，使其成为最佳选择。

示例 3：

对 240Vac 的电源电压重复示例 2，假设负载功率因数为 0.85。PVC 导管中的 2 根 10 AWG 导体。

让我们使用 NEC 表 9 并将公式修改为

VD = 2 x I x Z x L

考虑电路的有效阻抗。

PVC 导管中 0.85 PF 柱的有效 Z = 3.60 Ω/km。

VD = 2 x 14 A x 3.60 Ω/km x 0.06 km = 6.05 V = 2.52 %。

将这些结果与表 2 进行比较。

结论

美国国家电气规范提到的大多数电压降都是建议性的。请注意，某些部分中的数字是要求。

电压降必须尽可能低，平衡技术和经济因素。

在涉及显着距离和功率的情况下，使用更高的电压来减小导体尺寸和铜损是有利的。

近似的电压降计算通常是可以接受的。但是，必须了解不同类型的电压降计算程序的基本限制。　　

      审核编辑：彭静