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1、LOGO建筑电气工程设计与实践建筑电气工程设计与实践第五章 建筑电气基础计算第五章 建筑电气基础计算姓名：黄文权联系方式：13225036685QQ：1186822849E- mail：华侨大学信息学院http:/Contents1.供电负荷计算2.供电系统相关计算3.电缆导线选型计算4.低压供电系统保护低压供电系统保护华侨大学信息学院http:/通过前面的强弱电基础知识，我们对建筑电气的工程识图和各个子系统有了一定的了解。在整个建筑电气的设计过程中，常常要进行很多计算，以供设备选型、电缆选择等系统设计之用。在这一章我们讲这些计算归为九类：供电负荷计算供电系统设备选型相关计算导线选型计算低压供
2、电系统保护计算短路电流计算防雷保护计算照明设计技术CATV分配网络计算扬声器配接计算华侨大学信息学院http:/5.1 供电负荷计算供电负荷计算本节主要介绍负荷曲线和计算负荷的基本概念，几种负荷计算方法、系统功率和电能损耗的计算方法、无功补偿的计算等，要求掌握：1、负荷计算方法的基本原则2、学会结合配电工程图进行逐点负荷计算为了保证电气系统能够满足设备正常工作下长期运行的要求，必须在设计前对系统的负荷进行预测计算。首先我们要注意到，同一地区的系统在不同时间是不同的，负荷曲线就是以功率为纵坐标，时间为横坐标的曲线( )pf t=华侨大学信息学院http:/5.1.1 负荷曲线负荷曲线华侨大学信息
3、学院http:/日负荷曲线的特征参数日负荷曲线的特征参数日能耗量：即一天所消耗的电能平均功率：有功负荷系数：无功负荷系数：负荷系数的大小标志着负荷曲线的陡缓程度，越接近于1，说明曲线的峰谷差异越小( )240dWp t dt=2 4da vWp=m a xa vPaP=m axavQQ =华侨大学信息学院http:/年负荷曲线年负荷曲线v运行年负荷曲线：根据每天最大负荷变动的情况，按十二个月365天逐天绘制，与日负荷曲线类似v电力负荷全年持续曲线：以典型的夏日负荷曲线和冬日负荷曲线为参考，按照南方地区冬季165天夏季200天，从日曲线的最大功率开始，依功率递减顺序绘制()123200165Tt
4、tt=+华侨大学信息学院http:/年负荷曲线的绘制年负荷曲线的绘制华侨大学信息学院http:/v年耗电量Wav最大负荷Pmaxv平均负荷Pavv年最大负荷利用小时数Tmax年负荷曲线反映了用户负荷的平稳程度和变配电设备利用率的大小，对于同类型的用户，尽管最大功率可能相差很大，但Tmax却很接近，不同类型的用户，Tmax可能相差很大m a xm a xaWTP=华侨大学信息学院http:/5.1.2 计算负荷计算负荷v 计算负荷Pc的定义：计算负荷时一个假想的持续负荷，其热效应与同时间内实际变动负荷产生的热效应相等。在供配电系统中，以30min的最大计算负荷作为选择电气设备的依据，并认为只要电
5、气设备能够承受该负荷长期作用，即可在实际环境中正常的长期运行。v 尖峰负荷：主要由电动机的启动、冲击性负荷的投入造成的，尖峰负荷主要用于保护电器的整定计算和校验用电设备的启动条件华侨大学信息学院http:/不同时间间隔下的负荷曲线比较不同时间间隔下的负荷曲线比较华侨大学信息学院http:/v 负荷的工作制长期工作制在其工作时，电气设备投入运行时间长，负荷稳定，如照明设备、空调风机和电炉等短时工作制在其工作时，电气设备工作时间短而间歇时间长，在间歇期内冷却到周围介质温度。此种设备较少反复短时工作制在间歇期电气设备不足以冷却到周围介质温度，可用负荷持续率来表示，如电梯、电焊机等华侨大学信息学院ht
6、tp:/5.1.3 负荷计算的方法负荷计算的方法对于一个尚未建立运行的系统，其负荷曲线是未知的，但是可以根据已有的同类型用户的用电规律来计算其中Pi为供电范围内所有电气设备的容量；K是一个小于1的数；v确定这个K值常用的方法有：需要系数法、二项式法和利用系数法；v若电气设备和容量都不清楚的情况下，可采用各种用电指标进行负荷计算，这时的方法有：负荷密度法、单位指标法、住宅用电量指标法1nciiPKP=华侨大学信息学院http:/5.1.3.1 需要系数法需要系数法需要系数法下，计算负荷与电气设备总容量的关系实际应用中，需要系数是以电气设备的性质为分类原则得到的，因此要先对设备进行归类，计算归类设
7、备的容量，然后根据具体情况查表获得确定系数Kd，最后计算负荷Pc1ncdiiPKP=华侨大学信息学院http:/造成Pc和之间存在差异的因素：v并非供电范围内的所有用电设备都会同时投入使用；v并非投入使用的电气设备任何时候都会满载运行；v电气设备额定功率与输入功率不一定相等；v考虑直接向电气设备配电的配电线路的功率损耗后，电气设备输入功率与系统向设备提供的功率不一定相等；Kd的取值一般小于1的一个范围内，使用时根据设备的数量决定取值的大小，设备越多，需要系数取值越小1niiP=华侨大学信息学院http:/5.1.3.2 计算归类设备的负荷容量计算归类设备的负荷容量（1）首先确定用电设备的设备容
8、量Pe。设备容量在计算时不包括备用设备在内，设备容量是指用电设备组的设备容量Pe。所谓用电设备组是指将同类型的用电设备归为一组，即用电设备组。（2）对不同工作制用电设备的额定功率PN或额定容量SN进行换算。设用电设备铭牌上标示的容量为额定容量PN。在进行负荷计算前，必须先把它们换算为同工作制下的额定容量，才进行相加。华侨大学信息学院http:/v 对不同工作制的用电设备，其设备容量可按如下方法确定：长期工作制的设备容量设备容量等于铭牌标明的“额定容量”。计算的设备容量不打折扣，即设备容量Pe与设备额定容量PN相等。对于照明：白炽灯的设备容量是指灯泡上标出的额定容量；荧光灯及高压汞灯必须考虑其镇
9、流器的损耗，一般荧光灯的设备容量为灯管额定容量的1.11.2倍，高压汞灯为灯泡额定容量的1.1倍。短时工作制的设备容量不计入运行负荷华侨大学信息学院http:/反复短时工作制的设备容量反复短时工作制的用电设备是指运转时为反复周期地工作，每周期内通电时间不超过10min的用电设备，如电焊机和某些电动机。在这种工作制下设备的工作时间较短，按规定应该把设备容量统一换算到某一暂载率下。电动机换算到25%的暂载率下，电焊机换算到100%暂载率下。如电动机：式中Pe换算到25=25%时电动机的设备容量（kW）；铭牌暂载率；PN电动机铭牌额定功率。252eNNPPP=华侨大学信息学院http:/电焊机换算公
10、式如下：式中Pe换算到100=100%后电焊机的设备容量；PN铭牌额定功率（直流电焊机）（kW）；SN铭牌额定视在功率（交流电焊机）（kVA）；cos铭牌额定功率因数；是同SN或PN相对应的铭牌暂载率。注意：以上计算是在三相负载的情况下计算得到的，若是单相负载则应该尽可能均分到三相，下面详述COSSPPNNe=100华侨大学信息学院http:/（3）单相负荷应均衡分配到三相上，当单相负荷小于三相对称负荷的15时，可全部按三相负荷进行计算；若大于15时，单相负荷应换算成等效三相负荷，才能与三相负荷相加。单相负荷换算为等效三相负荷方法如下：当单相负荷全部为相间负荷（接在相电压上）时，Pe=3Pem
11、ax 式中Pe等效三相设备容量（k）；Pemax最大相单相设备容量（k）。华侨大学信息学院http:/当单相负荷全部为线间负荷（接在线电压上）时式中Pe1最大相单相设备容量（k）；Pe2次最大相单相设备容量（k）；Pe等效三相设备容量（k）；当单相负荷既有相间负荷，又有线间负荷时先将接在线电压上的单相负荷换算成对应相的相电压下的单相负荷，再按方法进行换算。ee1e2P3P33P =（）华侨大学信息学院http:/换算方法：a相b相Pb=Pabp(ab)b+Pbcp(bc)bQb=Qabq(ab)b+Qbcq(bc)bc相Pc=Pbcp(bc)c+Pcap(ca)cQc=Qbcq(bc)c+Qc
12、aq(ca)c式中Pab、Pbc、Pca接于ab、bc、ca线间负荷，kW；Pa、Pb、Pc换算为a、b、c相有功负荷，kW；Qa、Qb、Qc换算为a、b、c相无功负荷，kvar；p(ab)a、q(ab)a、接于ab、线间负荷换算为a、相间负荷的有功及无功换算系数()()aabcaab aca aPPpPp=+()()aabcaab acaqQqa=+华侨大学信息学院http:/线间负荷换算成相间负荷时的系数值,参见课本P1720.50.5-0.290.290.640.36-0.050.350.720.280.090.670.80.20.220.80.840.160.30.880.890.11
13、0.380.961.00.00.581.161.17-0.170.861.441.27-0.271.051.63p(ab)a，p(bc)b，p(ca)cp(ab)b，p(bc)c，p(ca)aq(ab)a，q(bc)b，q(ca)cq(ab)b，q(bc)c，q(ca)a1.00.90.80.70.650.60.50.40.35负荷功率因数换算系数华侨大学信息学院http:/【例5.1.1】 某建筑工程工地有两台电焊机，铭牌容量为20kVA，cos为0.7，铭牌为25%，接于380V线路上，求三相等效负荷？解：每台电焊机的设备容量假设两台设备分别接在ab、bc线电压上，则三相等效负荷1000.
14、2520 0.77eNNPPS COSkw=ee1e2P3P33P3733721kw=（）（）华侨大学信息学院http:/5.1.3.3 需要系数的确定和总负荷计算需要系数的确定和总负荷计算需要系数Kd的确定和电气设备的台数、设备的功率因数有关，具体表格请参考附录表5- 2、表5- 3和表5- 4。【例5.1.2】课本P173页的某化工厂蒸发干燥车间的负荷计算（此为工业场合示例）122P3ncdeicccccccrKPSPQQP tgSIU=+=华侨大学信息学院http:/【例5.1.3】设某宾馆变电站的负荷情况如下，用需要系数法计算有功功率、无功功率、视在功率和计算电流设备如下：大堂、走道、
15、餐厅、多功能厅的照明设备容量：150kW（功率因数0.9）荧光灯，180kW白炽灯客房照明设备容量：70kW白炽灯冷水机组：120kW4冷冻水泵： 30kW5冷却水泵： 22kW5冷却塔容量：7.5kW4假设前期已经完成设备归类、等效三相负荷变换和工作制等效负荷变换等工作华侨大学信息学院http:/送排风机容量：11kW5、 22kW3 、17.5kW2电梯容量： 30kW3厨房设备容量：15kW2、 5kW5 、2.2kW6洗衣设备：30kW2、 6kW3 、4kW4负荷计算表格如下华侨大学信息学院http:/0.9有功总计算负荷0.95无功同时系数总计432180白炽灯3892561112
16、310.480.90.7150荧光灯1IcScQcPctg功率因数需要系数设备容量设备名称设备分组华侨大学信息学院http:/5.1.4 二项式法二项式法二项式法认为计算负荷有两部分构成，一部分是由所有设备运行时所产生的平均负荷bPn，另一部分是由于大型设备的投入产生的负荷cPx，其中b、c成为二项式系数，它们也是通过统计数据得到的，参见附录5- 1。二项式系数法与需要系数法前期的计算步骤相同，仍需要进行电气设备的负荷归算，即三相等效负荷归算、工作制等效负荷归算等。max1maxmax1()()(tan)()tannceixinceixiPbPcPQbPcP=+=+华侨大学信息学院http:/
17、【例5.1.4】某机修车间设备如下：机床电动机20台，共50kW（容量依次为7.5kW一台、4.0kW三台、2.2kW七台、 ）热加工机床2台，共2kW电阻炉1台，共2kW设备均无备用，试计算负荷华侨大学信息学院http:/5.1.5 利用各种用电指标估算法利用各种用电指标估算法当供电区域电气设备的容量和台数尚未确定但是需要作初步负荷估算的情况下，如供配电系统规划设计阶段或者初步设计阶段，可以使用负荷密度法、单位指标法和住宅用电量指标法等进行负荷估算。这些负荷密度指标、单位用电指标都是经过统计和处理得到的经验数据。负荷密度法其中Pc-计算负荷，单位kWS-计算范围使用的面积，单位m2注：负荷密
18、度请参见附录5-5和5-6cPS=华侨大学信息学院http:/0.06- 0.07博展馆0.15- 0.20压缩空气站0.08- 0.10医院0.15- 0.20锅炉房0.03- 0.04中小学-无空调0.09- 0.13煤气站0.07- 0.08中小学-有空调0.66木工车间0.07- 0.08办公楼0.10金工车间0.08- 0.10科研实验楼0.06铸铁车间0.12- 0.15商场0.04焊接车间0.07- 0.08旅游宾馆0.06铸钢车间负荷密度用途负荷密度用途华侨大学信息学院http:/单位指标法其中-单位用电指标，单位为kW/人、kW/床、kW/产品等N-单位数量，单位人、床数、产
19、品数注：负荷密度请参见附录5-5和5-6cPN=华侨大学信息学院http:/住宅用电指标法-住在用电指标，单位kW/户N-供电范围内住宅户数K-住宅用电同时系数cPKN=2518.613.22.5-4住宅用电量指标美国2美国1香港中国大陆华侨大学信息学院http:/华侨大学信息学院http:/5.2 供电系统相关计算供电系统相关计算5.2.1 系统额定电压的确定在满足国家制定的额定电压标准的同时，依据经济发展的需要和客观条件，选择合适的电网电压等级，并以其为参考，考虑相关设备是否预留余量1、发电机额定电压：考虑补偿电网输送压损，提高5%2、用电设备：与电网一致，升降03、变压器一次侧：与发电机
20、相连的升压变压器，同发电机，电压提升5%；与线路相连，与用电设备相同，升降0华侨大学信息学院http:/4、变压器二次侧：高压长线路输送时，应考虑变压器内部绕组以及线路输送电压损失各5%，故电压升值10%低压短线路输送时，可以不计线损，仅补偿变压器内部损耗，故电压升值5%【例5.2.1】G10kvT1T2T30.38/0.22kv35kv10kv110kv发电机，电压提升5%，10.5kv升压变压器一次侧，同发电机，10.5kv降压变压器，电压升降0，110kv变压器二次侧，高压长距离提升10%，121kv变压器二次侧，近距离传输，提升5%，0.4/0.23kv变压器二次侧，高压长距离提升10
21、%，38.5kv华侨大学信息学院http:/5.2.2 系统主接线的确定系统主接线的确定系统主接线框架的确定涉及的内容很多，这里我们以常见的10kv普通负荷为例，需考虑：1、系统供电电源情况2、自身条件及特点3、供电负荷等级及容量的匹配与协调4、无功功率状况及补偿措施【例5.2.2】某厂有下列四个车间组成，厂外有一个35kv的变电站，并可在附近另一厂取得10kv电源，厂总功率因数不小于0.9，是构思主接线框架华侨大学信息学院http:/0.80.856040.60.857503二级负荷30%0.70.659002二级负荷70%0.50.7513001备注cos车间NPdK华侨大学信息学院htt
22、p:/WB1WB210kv35/10kv车间一车间四车间二车间三华侨大学信息学院http:/5.2.3 发电机容量的选择发电机容量的选择作为应急自备发电的主要形式，它的容量计算方法有以下三种选择：1、按一二级负荷来确定，满足其对二级负荷不间断供给2、按变压器装机容量的10%- 20%3、按发电机端电压允许瞬时压降下，启动单位千瓦电动机所需发电机千瓦值的倍率允压降25%，直接启动时倍率4.2，Y- 时1.4允压降20%，直接启动时倍率5.6，Y- 时1.9允压降15%，直接启动时倍率7.8，Y- 时2.6注：当发电机容量太大时，可选二台并用，但不宜超过三台华侨大学信息学院http:/【例5.2.
23、3】某大厅变压器装机容量2000kVA，需直接启动的异步电动机为55kW，求备用发电机多大为宜解：法一按变压器装机容量的10- 20%，取15%2000*15%=300kVA法二按允压降20%，倍率为5.6计算55*5.6=308kVA华侨大学信息学院http:/5.2.4 多台设备冲击电流计算多台设备冲击电流计算多台电气设备在使用过程中，对系统产生的冲击负荷主要由启动电流与额定电流相差最大的那台设备决定，因此冲击电流的计算如下：其中- 启动电流与额定电流相差最大的那台设备的启动电流和额定电流K- 同时系数- 全部设备正常工作的额定电流和乘K1.m ax130m ax()npkN istist
24、NIKIIIII=+=+.maxstNII、30I华侨大学信息学院http:/【5.2.4】某线路有五台电机，试计算冲击电流40.6197.060.0193.242.0额定电流A5.835.89.927.68.3启动电流AM5M4M3M2M1电动机参数()()0.98.39.935.85.8193.22470.98.327.69.935.85.8(193.227.6)244.3pkpkIAIA=+=+=或者华侨大学信息学院http:/5.2.5 变压器容量的确定变压器容量的确定变压器的选用主要容量和台数的确定，还有考虑到变压器本身损耗的经济性问题。1、变压器经济负荷00.qec TNkqNec
25、 Tec TNPKQSSPKQSKS+=+=其中，都可以从变压器的技术资料上获得，它们分别是变压器空载损耗、变压器短路损耗、变压器空载电流百分比、短路电压百分比00%kNPPIU、华侨大学信息学院http:/变压器空载无功损耗：变压器额定负荷无功损耗：是经济负荷率，在实际工程中多在70- 80%是无功功率经济当量，即单位无功所需的有功值，它随变压器供电情况而变化：发电机直配电时取0.02- 0.04两级变压时取0.05- 0.08三级以上变压时取0.1- 0.15一般情况下略取为0.100%100%100NNNNIQSUQS=.ec TKqK华侨大学信息学院http:/2、当多台变压器共同运行
26、时，考虑到变压器自身的损害，理论上在低负荷是尽量保持少量变压器运行，在重负荷时再使用多台共同运行，临界切换点的计算为：其中n- 变压器台数00.(1)qe rNkqNPKQSSnnPKQ+=+华侨大学信息学院http:/【例5.2.5】试计算S9- 1000- 10/0.4- Yyn0变压器的经济负荷和经济负荷率板书，变压器的参数见附录5- 7【例5.2.6】若两台上述变压器并联运行，求经济运行临界负荷板书华侨大学信息学院http:/华侨大学信息学院http:/5.3 导线横截面计算导线横截面计算在建筑供配电线路中，使用的导线主要有电线和电缆，正确地选用这些电线和电缆，对建筑供配电系统安全、可
27、靠、经济、合理地运行有着十分重要的意义，对于节约有色金属也很重要。因此在导线和电缆选择中应遵循以下原则：1、按导线发热限制选择2、按导线压损限制选择3、按机械强度要求4、按经济电流密度注：如果接了相应的保护设备，还需要跟保护设备相匹配华侨大学信息学院http:/5.3.1 按机械强度选择按机械强度选择由于导线本身的重量，以及风、雨、冰、雪等原因，使导线承受一定的应力，如果导线过细，就容易折断，将引起停电等事故。因此，在选择导线时要根据机械强度来选择，以满足不同用途时导线的最小截面要求，按机械强度确定的导线线芯最小截面，其中室外架空线的限制见课本P184表5-8。机械强度通常作为电线电缆选择的下
28、限标准进行校验，对于部分室内线路可参照下表，详见附录表5-16、表5-17。华侨大学信息学院http:/1.52.52.52.54.06.0102.51.01.51.01.52.52.54.01.01.01m以下，室内室外2m及以下，室内室外6m及以下12m及以下1225m穿管敷设绝缘导线架设在绝缘支持件上的绝缘导线，其支持点间距为0.21.0生活用生产用移动式用电设备1.52.52.50.50.81.00.40.51.0民用建筑室内工业建筑室内室外照明用灯头引下线铝线铜线铜芯软线线芯的最小截面（mm2）用途华侨大学信息学院http:/5.3.2 按导体发热限制选择按导体发热限制选择通过导体的
29、电能会部分转换成热量导致导体升温，过高的温度会降低导体的寿命和绝缘，甚至造成短路故障。不同的导线在不同的条件下都对应着一个允许的载流量。具体参见附录表5- 11、表5- 12和表5- 13不同的金属：如铜、铝、钢等不同的导线形式：如裸线、单根、母排、多股绞线等不同的敷设方式：架空、明敷、暗敷、埋地等因此，在选择导线截面时，必须使其允许的载流量大于或等于线路的计算电流值。另外还必须综合考虑其它因素的影响。华侨大学信息学院http:/1、对于10kv及以下高压、低压动力线，按发热选择后还需校验压损和机械强度2、低压照明线路，室外多按压损选线，在校验发热与强度，室内则按发热选择3、35kv及以上长距
30、离大电流线路，按经济电流密度选择，在校验强度、发热和压损华侨大学信息学院http:/4、低压线路中非相线的选择根据低压配电方式，有TN- C 、TN- S 和TN- CS三种中性线N的选择三相负荷基本平衡时，不小于相线一半三相负荷不平衡时，与相线相等保护线PE的选择取相线一半16同相线PE截面3516 3550003000-50003000年最大负荷利用小时Tmax导线材料线路类别华侨大学信息学院http:/【5.3.4】某厂地处环境温度为40，用电负荷4800kW，功率因数补偿前为0.76，补偿后为0.92，Tmax=4500h，拟选附近一个35kV的变电站以钢芯铝绞线对其供电，是选取截面积。解：华侨大学信息学院http:/华侨大学信息学院http:/小结：1、本节学习了电气负荷的基本估算，在知道供电区域电气设备的具体参数情况下，讲解了如何使用需要系数法、二项式法等进行负荷计算2、当供电区域电气设备的容量和台数尚未确定的情况下，可以使用负荷密度法、单位指标法和住宅用电量指标法等进行负荷估算3、然后讲解了供电系统相关计算和导线横截面的计算。LOGO华侨大学信息学院http:/华侨大学信息学院http:/
