智能化建筑電氣供配電系統(tǒng)負(fù)荷計(jì)算與設(shè)計(jì)

吳晨光

（山東省建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，山東濟(jì)南 250001）

負(fù)荷計(jì)算是建筑供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)中核心內(nèi)容，能夠?yàn)樽儔浩鞯倪x擇、無(wú)功補(bǔ)償?shù)挠?jì)算、備用電源的確定、保護(hù)電器的選用等提供必要的依據(jù)，進(jìn)而保障了智能建筑電氣系統(tǒng)的節(jié)能和安全運(yùn)行。將負(fù)荷計(jì)算與電氣設(shè)計(jì)結(jié)合起來(lái)，優(yōu)化建筑供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，在實(shí)用性、安全性、智能化等方面達(dá)到統(tǒng)籌兼顧，進(jìn)而為樓宇智能化發(fā)展提供技術(shù)支持。

1 智能化建筑電氣供配電系統(tǒng)的負(fù)荷計(jì)算

1.1 負(fù)荷計(jì)算方法

常用的負(fù)荷計(jì)算方法有二項(xiàng)式法、利用系數(shù)法、需要系數(shù)法等幾種。本文以需要系數(shù)法為例，對(duì)供配電系統(tǒng)進(jìn)行負(fù)荷計(jì)算。公式如下：

式（1）中，Pjs為有功功率，單位為kW；Kx為需要系數(shù)，由住宅戶數(shù)決定，取值參照表1；Ps為總設(shè)備容量，單位為kW。

表1 不同住宅戶數(shù)的需要系數(shù)值

1.2 用戶負(fù)荷計(jì)算

家用電器的增加，使得居民用電負(fù)荷也呈現(xiàn)出明顯的遞增現(xiàn)象。按照家用電器功率的不同，可以分為3 類，I 類包括電冰箱、空調(diào)等大功率用電器，在安裝時(shí)要求有接地端子和接地線；II 類包括吹風(fēng)機(jī)、微波爐等電器，沒(méi)有接地要求，但是必須使用雙重絕緣；Ⅲ類包括手機(jī)充電器、電動(dòng)剃須刀等。有功功率計(jì)算公式為：

Pjs1=Kx1Kj1ΣPe1+Kx1Kj1ΣPe1+Kx3Kj3ΣPe3（2）

式（2）中，Kx1、Kx2、Kx3分別代表I、II 和Ⅲ類家用電器的需要系數(shù)；而Kj3、Kj1、Kj1則代表了各類家用電器的普及率。假設(shè)某住戶的家庭配電箱為6kW，則按照公式：

PeKx=UeIjscosφ（3）

式（3）中，Pe為額定功率，取值為6kW；Kx為需要系數(shù)，普通住房取1；Ue為額定電壓，取220V；cosφ 為功率因數(shù)，常用家用電器取0.85，則上式計(jì)算所得Ijs結(jié)果為32A。

1.3 公共電力負(fù)荷計(jì)算

住宅公共電力負(fù)荷主要指公共照明系統(tǒng)、電梯系統(tǒng)等電力設(shè)備運(yùn)行產(chǎn)生的負(fù)荷。以排煙機(jī)為例，其負(fù)荷計(jì)算方式如下：首先根據(jù)設(shè)備型號(hào)，查找其運(yùn)行功率，某型號(hào)排煙機(jī)的功率為11kW，并且為三相負(fù)荷，則參照公式：

式（4）中，Pe、Kx取值同上，電壓U 為380V，公共電力設(shè)備的功率因數(shù)取0.8，則上式中計(jì)算的Ijs值為21A。

2 智能化建筑電氣供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 計(jì)算短路電流

建筑電氣系統(tǒng)運(yùn)行期間，因?yàn)榫€路絕緣老化或者是高電位侵入等原因，有較大概率導(dǎo)致短路故障。當(dāng)發(fā)生短路時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較大的瞬時(shí)電流，受到電流熱效應(yīng)的影響，對(duì)線纜或電力設(shè)備造成嚴(yán)重破壞。因此在供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，必須要計(jì)算短路電流，在此基礎(chǔ)上采取短路保護(hù)設(shè)計(jì)。根據(jù)故障表現(xiàn)形式不同，又可分為單相、兩相和三相短路3 種情況。以危害最為嚴(yán)重的三相短路（如圖1）為例，電壓比額定值與電流比正常值之間為正相關(guān)，并且在乘數(shù)（k）的影響下，短路電流（Ik）進(jìn)一步放大，引起電力設(shè)備的故障。

圖1 三相短路電流

短路電流的計(jì)算方法為：首先根據(jù)基準(zhǔn)電壓（Uc）與基準(zhǔn)電流（Id）的關(guān)系式，確定基準(zhǔn)電流。

然后分別計(jì)算出主要設(shè)備（X1）、電纜線路（X2）的電抗標(biāo)幺值，公式如下：

式（6）中，Sd為斷路器的斷流電壓，取值為100MVA，Soc為斷路器的斷流容量，電力設(shè)備通常取值為400M，電纜線路取值為1000kV。最后根據(jù)短路電流計(jì)算公式求得三相短路電流（I）：

2.2 選擇變壓器

變壓器選擇是否合理，除了影響建筑電氣設(shè)備的運(yùn)行情況外，也會(huì)對(duì)建筑節(jié)能效益產(chǎn)生直接影響。因此，在變壓器的選擇上要綜合考慮其額定容量、安裝數(shù)量、具體類型等內(nèi)容。例如，某棟建筑電力系統(tǒng)的總負(fù)荷為440kW，住戶數(shù)量為55戶，對(duì)照上文中表1 可知需要系數(shù)值為0.5，則該棟樓電力系統(tǒng)的實(shí)際負(fù)荷為220kW。選擇變壓器時(shí)，應(yīng)保證其容量不低于220kVA。另外，在變壓器的類型上，也有氧化脂干式變壓器、油浸式配電變壓器等類型，要結(jié)合每一種類型變壓器的功能、特點(diǎn)來(lái)具體選擇。除此之外，無(wú)功補(bǔ)償容量也是變壓器選型的一個(gè)重要指標(biāo)，其原理如圖2 所示。

圖2 變壓器無(wú)功補(bǔ)償原理圖

結(jié)合圖2 可以發(fā)現(xiàn)，要想提高無(wú)功補(bǔ)償功率因數(shù)，應(yīng)盡可能增加φ 值。對(duì)圖2 中的cosφ1和cosφ1分別做正切轉(zhuǎn)換，得到tgφ1、tgφ2。然后利用補(bǔ)償容量計(jì)算公式：

Qc=Pj（tgφ1-tgφ2）（8）

功率因數(shù)在補(bǔ)償前為0.83，補(bǔ)償后為0.95，則式（8）可轉(zhuǎn)化為：

Qc=Pj（tg arccos0.83- tg arccos0.95）

其中有功負(fù)荷（Pj）為440kW，最終Qc為164kvar。

2.3 設(shè)計(jì)配電系統(tǒng)

配電自動(dòng)化是智能建筑發(fā)展背景下廣泛使用的技術(shù)之一。在設(shè)計(jì)配電系統(tǒng)時(shí)，也要將微機(jī)保護(hù)技術(shù)、無(wú)線通信技術(shù)、狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)、繼電保護(hù)技術(shù)等應(yīng)用到配電系統(tǒng)中，切實(shí)提高電網(wǎng)運(yùn)行安全。在配電系統(tǒng)的控制模式上，采用分布式結(jié)構(gòu)，整個(gè)小區(qū)只設(shè)一個(gè)控制中心，實(shí)行一體化管理。在控制中心以下，分別設(shè)有若干臺(tái)功能不同的智能裝置，例如微機(jī)保護(hù)裝置、測(cè)控裝置、高低壓智能裝置等，用于手機(jī)電氣系統(tǒng)前端運(yùn)行參數(shù)。配電自動(dòng)化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 配電自動(dòng)化結(jié)構(gòu)圖

2.4 變配電系統(tǒng)的繼電保護(hù)設(shè)計(jì)

在供配電系統(tǒng)中，繼電保護(hù)器可用于電力系統(tǒng)發(fā)生異常工況時(shí)，通過(guò)強(qiáng)制斷電的方式保障電力設(shè)備不受損害。在繼電保護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)，除了做好繼電保護(hù)裝置的選型外，還要重點(diǎn)關(guān)注靈敏系數(shù)、動(dòng)作電流整定值等核心參數(shù)。靈敏系數(shù)（Km）是決定繼電保護(hù)器動(dòng)作靈敏性的關(guān)鍵指標(biāo)，其計(jì)算公式為：

式（9）中，I1k2.max為線路末端穩(wěn)定電流，單位為A；dz為保護(hù)裝置動(dòng)作電流，單位為A。

2.5 設(shè)計(jì)備用電源

在供電負(fù)荷滿足建筑電氣系統(tǒng)運(yùn)行需要的情況下，考慮到絕緣老化、雷擊等突發(fā)因素對(duì)電力系統(tǒng)造成的破壞影響，還需要設(shè)計(jì)備用電源。這樣當(dāng)建筑電氣供配電系統(tǒng)因?yàn)橐馔馇闆r導(dǎo)致主電源發(fā)生故障，無(wú)法正常供電或者不能滿足運(yùn)行負(fù)荷的情況下，立刻將備用電源接入，從而滿足建筑電氣系統(tǒng)正常運(yùn)行的需要?？紤]到智能建筑的用電需求較高，備用電源通常選擇柴油發(fā)電機(jī)，保證備用電源的輸出功能（Pm）≥應(yīng)急負(fù)荷狀態(tài)下的總功率（Pd）。

結(jié)束語(yǔ)

智能化建筑內(nèi)部電氣設(shè)備數(shù)量增加，對(duì)供配電系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性有著更高要求，做好系統(tǒng)設(shè)計(jì)和負(fù)荷計(jì)算，成為智能建筑建設(shè)的一項(xiàng)重要任務(wù)。在使用系數(shù)法準(zhǔn)確計(jì)算供電負(fù)荷的基礎(chǔ)上，科學(xué)選擇合適的變壓器、繼電保護(hù)器和備用電源，完善供配電系統(tǒng)的功能，對(duì)維護(hù)建筑內(nèi)部電氣系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，以及各項(xiàng)智能服務(wù)的提供有積極幫助。