電氣裝置中使用的電線應適合承載電流并避免過大的電壓降。除了少數例外，NEC 對電壓降沒有要求，因為它不被認為是不安全的。然而，它會浪費能量，這取決于你檢查它。

什么是電壓降？

讓我們回到基爾霍夫電壓定律 （KVL） 的基礎知識，該定律指出“閉合路徑周圍電壓降的代數和為零”。KVL 遵循更一般的物理原理，即在任何保守能量場中沿閉合路徑的電位差之和必須為零。

圖 1 顯示了閉合路徑周圍的電壓。

圖 1.閉合路徑周圍的電壓。圖片由 Lorenzo Mari 提供

在穿過元件并遵循閉合路徑 abcda 時，將每個電壓的符號從 + 到 -（從高到低電位）取為正，從 - 到 +（從低到高電位）取為負，我們有

-V1 + V2+ V3 = 0

我們看到所有電壓都下降并加到零。然而，V1 是負電壓降或正電壓上升。

說明上述等式的另一種方法是

V2 + V3 = V1 或，

電壓降之和等于沿任何閉合路徑的電壓上升之和。

圖 1 中的 V1 是電路上的電位上升，而 V2 和 V3 是電位降或電壓降。

假設 V1 是源電壓，V2 是分支電路或饋線的電壓降，V3 是負載中的電壓降，我們將重點關注 V2。

保持低壓降的基本原理

電壓降計算的主要目的是：

確認負載電壓允許正常運行。

電氣設備在其額定電壓下運行效率最高。電動機在低于 5% 額定電壓時降低約 10% 的功率輸出，在低于 10% 額定電壓時降低約 19%。白熾燈在電壓低于額定電壓 5% 時會降低約 16% 的光，在低于額定電壓 10% 時會降低約 30%。在高壓降下，熒光燈可能根本不工作。

達到可接受的銅損（導體中的散熱）。

NEC 推薦的電壓降

第 210.19（A） 節 – 分支電路 – 信息說明 N° 3 建議將電源、加熱和照明或此類負載組合的最遠出口處的電壓降為施加電壓的 3%。或者，饋線和分支電路到最遠出口的最大組合電壓降應為 5%。

第 215.2（A）（1） 節 - 饋線 - 信息說明 N° 2 對饋線有相同的建議。

這些陳述意味著，如果分支電路的電壓降不超過 4%，饋線可能會有 1% 的電壓降。此外，將支路電壓降限制在 3% 將允許饋線下降 2%。這些或任何其他饋線和支路電壓降的組合不超過 5% 的總和就足夠了。

第 647.3 節允許使用單獨派生的 120 V、3 線、單相系統，每個未接地導體和設備接地導體之間的電壓為 60 V，以降低敏感電子設備位置的噪聲，僅限商業或工業場所。

第 647.4（D） 節將用于敏感電子設備的任何分支電路上的電壓降限制為施加電壓的 1.5%。或者，它將饋線和分支電路導體的最大組合電壓降限制為 2.5%。

第 647（D）（1） 和 （2） 節進一步詳細說明了固定設備和有線連接設備的電壓降。

敏感電子設備的電壓降要求不是信息性說明，而是強制性的。

聲壓降

分支電路的典型電壓降為 2%，饋線為 1% 至 2%。在 120 V 系統中，最大支路電壓降為 2.4 V，在 240 V 系統中為 4.8 V。

雖然在分支電路中使用 N° 14 AWG 導體是有效的，但在住宅中通常至少使用 N° 12 AWG，特別是在長期運行中。第 210.11（C） 節要求小型電器、洗衣房、浴室和車庫使用 20A 分支電路。這種做法源于住宅用電的增加。

在商業和工業場所，N° 12 AWG 最小值對于避免過度壓降通常至關重要。

歐姆定律計算電壓降的方法

有幾種方法可以計算單相和三相電壓降，從基本近似值到精確值或實際值——使用的技術和詳細程度取決于所需的精度。近似方法可用于住宅、商業和工業場所的日常使用。

歐姆定律方法是獲得近似結果的一種直接方法。一個小型基本手持計算器在以下示例中進行了所有計算。

每次能量轉換都可以與方程相關

結果=原因/對立

在電路中，歐姆定律 I（Ampere） = V（Volt）/R（Ohm） 反映了這一原理。

以下示例將歐姆定律應用于單相電路，假設負載功率因數為 100%，且導體電抗可忽略不計，除非另有說明。他們使用直流分析方法。

導體電阻數據來自 NEC 表 8，在 75°C 時的直流電阻列下。

示例 1：

考慮圖 2 所示的串聯電路，其中 R1 表示分支電路導體的電阻，R2 表示負載電阻。

圖 2.串聯電路。圖片由 Lorenzo Mari 提供

一個。找到室溫。

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

灣。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（支路電壓降）

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

d。找出電阻器消耗的功率。

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

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

e. 找出源的功率輸出并將其與電阻器耗散的功率進行比較。

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

P（R1+R2） = 3 501.52 瓦。

權力檢查。細微的差別是舍入誤差。

F。求支路電壓降百分比。

（9.48 V/240 V） x 100 = 3.95%。

歐姆定律方法的公式

計算電壓降的歐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 = 導體中的電壓降 （V）。

I = 電流 （A）。

R = 導體電阻（或交流電路中的阻抗），單位 Ω/km。

L = 從電源到負載的導體長度（以米為單位）除以 1 000。

數字 2 反映了從負載到源的返回導體。

更高電壓的好處

示例 2：

圖 3 顯示了在 60 m 距離處提供恒定 3.36 kW 負載的分支電路導體。電源有兩種電壓選項：240 V 或 120 V。計算最大電壓降為 3% 的導體尺寸。

NEC 表 8 顯示導體尺寸 N°4 AWG 的直流電阻為 1.01 Ω/km。

單向電阻：1.01 Ω/km x 0.060 km = 0.0606 Ω。

240 V 時的電流：3.36 kW/240 V = 14 A。

120 V 時的電流：3.36 kW/120 V = 28 A。

圖 3.分支電路導體提供恒定功率。圖片由 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 總結了以伏特和百分比表示的導體電壓降。

表 1.導體 N° 4 AWG 的電壓降。圖片由 Lorenzo Mari 提供

兩種電壓都滿足使用導體 N° 4 AWG 所需的電壓降百分比。

請注意，對于相同的負載、距離和導體尺寸，120 V 系統中的電壓降（以伏特為單位）是 240 V 系統中的兩倍。然而，在 120 V 系統中以百分比測量的電壓降是 240 V 系統的四倍。

這些結果表明，在相同的導體尺寸和相同的電壓降百分比下，240 V 可以承載比 120 V 遠四倍的功率。

表 1 顯示了 240 V 中較小導體尺寸的空間。NEC 表 8 顯示了對于尺寸為 N°10 AWG 的實心導體的直流電阻為 3.984 Ω/km。

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

根據需要，電壓降低于3%。

表 2 總結了以伏特和百分比表示的導體電壓降。

表 2.導體 N° 10 AWG 的電壓降。圖片由 Lorenzo Mari 提供

更高的電壓允許使用更小的導體，從而大大節省了建設成本。

銅損

電壓降是以熱的形式浪費在電路導體中的電能。在數學上，銅損是一個簡單的 I2R 或 V2/R，以瓦特表示。在這些示例中使用這兩個表達式獲得的微小差異是舍入誤差。

總導體長度：2 x 60 m = 120 m = 0.12 km。

總 N° 4 AWG 導體電阻：1.01 Ω/km x 0.12 km = 0.1212 Ω。

總 N° 10 AWG 導體電阻：3.984 Ω/km x 0.12 km = 0.4781 Ω。

表 3 比較了示例 2 中分析的布置中的銅損。

表 3.示例 2 布置中銅損的比較。圖片由 Lorenzo Mari 提供

布置 1 和 2 的比較顯示了電壓降和銅損之間的密切關系。布置 1 將在電路的生命周期內浪費更少的能量——只需增加電壓即可。

盡管布置 1 的銅損最低，但它采用了較大的導體尺寸，增加了材料和勞動力成本。請注意，布置 3 使用較小的導體尺寸 - 經濟上有利 - 同時符合電壓降規范和類似于布置 2 的銅損，使其成為最佳選擇。

示例 3：

對 240Vac 的電源電壓重復示例 2，假設負載功率因數為 0.85。PVC 導管中的 2 根 10 AWG 導體。

讓我們使用 NEC 表 9 并將公式修改為

VD = 2 x I x Z x L

考慮電路的有效阻抗。

PVC 導管中 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 %。

將這些結果與表 2 進行比較。

結論

美國國家電氣規范提到的大多數電壓降都是建議性的。請注意，某些部分中的數字是要求。

電壓降必須盡可能低，平衡技術和經濟因素。

在涉及顯著距離和功率的情況下，使用更高的電壓來減小導體尺寸和銅損是有利的。

近似的電壓降計算通常是可以接受的。但是，必須了解不同類型的電壓降計算程序的基本限制。