智能化建筑电气供配电系统负荷计算与设计

2021-12-13吴晨光

科学技术创新 2021年33期

吴晨光

（山东省建筑设计研究院有限公司，山东济南 250001）

负荷计算是建筑供配电系统设计中核心内容，能够为变压器的选择、无功补偿的计算、备用电源的确定、保护电器的选用等提供必要的依据，进而保障了智能建筑电气系统的节能和安全运行。将负荷计算与电气设计结合起来，优化建筑供配电系统设计方案，在实用性、安全性、智能化等方面达到统筹兼顾，进而为楼宇智能化发展提供技术支持。

1 智能化建筑电气供配电系统的负荷计算

1.1 负荷计算方法

常用的负荷计算方法有二项式法、利用系数法、需要系数法等几种。本文以需要系数法为例，对供配电系统进行负荷计算。公式如下：

式（1）中，Pjs为有功功率，单位为kW；Kx为需要系数，由住宅户数决定，取值参照表1；Ps为总设备容量，单位为kW。

表1 不同住宅户数的需要系数值

1.2 用户负荷计算

家用电器的增加，使得居民用电负荷也呈现出明显的递增现象。按照家用电器功率的不同，可以分为3 类，I 类包括电冰箱、空调等大功率用电器，在安装时要求有接地端子和接地线；II 类包括吹风机、微波炉等电器，没有接地要求，但是必须使用双重绝缘；Ⅲ类包括手机充电器、电动剃须刀等。有功功率计算公式为：

Pjs1=Kx1Kj1ΣPe1+Kx1Kj1ΣPe1+Kx3Kj3ΣPe3（2）

式（2）中，Kx1、Kx2、Kx3分别代表I、II 和Ⅲ类家用电器的需要系数；而Kj3、Kj1、Kj1则代表了各类家用电器的普及率。假设某住户的家庭配电箱为6kW，则按照公式：

PeKx=UeIjscosφ（3）

式（3）中，Pe为额定功率，取值为6kW；Kx为需要系数，普通住房取1；Ue为额定电压，取220V；cosφ 为功率因数，常用家用电器取0.85，则上式计算所得Ijs结果为32A。

1.3 公共电力负荷计算

住宅公共电力负荷主要指公共照明系统、电梯系统等电力设备运行产生的负荷。以排烟机为例，其负荷计算方式如下：首先根据设备型号，查找其运行功率，某型号排烟机的功率为11kW，并且为三相负荷，则参照公式：

式（4）中，Pe、Kx取值同上，电压U 为380V，公共电力设备的功率因数取0.8，则上式中计算的Ijs值为21A。

2 智能化建筑电气供配电系统设计

2.1 计算短路电流

建筑电气系统运行期间，因为线路绝缘老化或者是高电位侵入等原因，有较大概率导致短路故障。当发生短路时，会产生较大的瞬时电流，受到电流热效应的影响，对线缆或电力设备造成严重破坏。因此在供配电系统设计时，必须要计算短路电流，在此基础上采取短路保护设计。根据故障表现形式不同，又可分为单相、两相和三相短路3 种情况。以危害最为严重的三相短路（如图1）为例，电压比额定值与电流比正常值之间为正相关，并且在乘数（k）的影响下，短路电流（Ik）进一步放大，引起电力设备的故障。

图1 三相短路电流

短路电流的计算方法为：首先根据基准电压（Uc）与基准电流（Id）的关系式，确定基准电流。

然后分别计算出主要设备（X1）、电缆线路（X2）的电抗标幺值，公式如下：

式（6）中，Sd为断路器的断流电压，取值为100MVA，Soc为断路器的断流容量，电力设备通常取值为400M，电缆线路取值为1000kV。最后根据短路电流计算公式求得三相短路电流（I）：

2.2 选择变压器

变压器选择是否合理，除了影响建筑电气设备的运行情况外，也会对建筑节能效益产生直接影响。因此，在变压器的选择上要综合考虑其额定容量、安装数量、具体类型等内容。例如，某栋建筑电力系统的总负荷为440kW，住户数量为55户，对照上文中表1 可知需要系数值为0.5，则该栋楼电力系统的实际负荷为220kW。选择变压器时，应保证其容量不低于220kVA。另外，在变压器的类型上，也有氧化脂干式变压器、油浸式配电变压器等类型，要结合每一种类型变压器的功能、特点来具体选择。除此之外，无功补偿容量也是变压器选型的一个重要指标，其原理如图2 所示。

图2 变压器无功补偿原理图

结合图2 可以发现，要想提高无功补偿功率因数，应尽可能增加φ 值。对图2 中的cosφ1和cosφ1分别做正切转换，得到tgφ1、tgφ2。然后利用补偿容量计算公式：

Qc=Pj（tgφ1-tgφ2）（8）

功率因数在补偿前为0.83，补偿后为0.95，则式（8）可转化为：

Qc=Pj（tg arccos0.83- tg arccos0.95）

其中有功负荷（Pj）为440kW，最终Qc为164kvar。

2.3 设计配电系统

配电自动化是智能建筑发展背景下广泛使用的技术之一。在设计配电系统时，也要将微机保护技术、无线通信技术、状态监测技术、继电保护技术等应用到配电系统中，切实提高电网运行安全。在配电系统的控制模式上，采用分布式结构，整个小区只设一个控制中心，实行一体化管理。在控制中心以下，分别设有若干台功能不同的智能装置，例如微机保护装置、测控装置、高低压智能装置等，用于手机电气系统前端运行参数。配电自动化系统的结构如图3 所示。

图3 配电自动化结构图

2.4 变配电系统的继电保护设计

在供配电系统中，继电保护器可用于电力系统发生异常工况时，通过强制断电的方式保障电力设备不受损害。在继电保护设计时，除了做好继电保护装置的选型外，还要重点关注灵敏系数、动作电流整定值等核心参数。灵敏系数（Km）是决定继电保护器动作灵敏性的关键指标，其计算公式为：

式（9）中，I1k2.max为线路末端稳定电流，单位为A；dz为保护装置动作电流，单位为A。

2.5 设计备用电源

在供电负荷满足建筑电气系统运行需要的情况下，考虑到绝缘老化、雷击等突发因素对电力系统造成的破坏影响，还需要设计备用电源。这样当建筑电气供配电系统因为意外情况导致主电源发生故障，无法正常供电或者不能满足运行负荷的情况下，立刻将备用电源接入，从而满足建筑电气系统正常运行的需要。考虑到智能建筑的用电需求较高，备用电源通常选择柴油发电机，保证备用电源的输出功能（Pm）≥应急负荷状态下的总功率（Pd）。