建筑供配电的负荷计算与无功功率补偿

高层建筑电气设计第二章建筑供配电的负荷计算与无功功率补偿本章学习内容12345672负荷计算的意义与基本概念第一节3作为按发热条件选择电气设备的依据；用来计算电压损失和功率损耗；作为电能消耗量和无功补偿的计算依据；一、二级负荷的计算用来确定备用电源或应急电源的容量；季节性负荷的确定用以从经济运行条件出发选择变压器的台数和容量。1.负荷计算的意义第一节负荷计算的意义与基本概念额定负荷=计算负荷？假想的持续性负荷，热效应与实际变动负荷最大热效应相等4第一节负荷计算的意义与基本概念2.负荷曲线反映电力负荷随时间变化情况的曲线；直观地反映了用户用电的特点和规律。半小时平均负荷P30？？5稳定温升与计算负荷由于导体通过电流达到稳定温升的时间大约需(3～4)τ，τ为发热时间常数。截面在16mm2及以上的导体，其τ≥10min，因此载流导体大约经30min（半小时）后可达到稳定温升值。第一节负荷计算的意义与基本概念6第一节负荷计算的意义与基本概念2.负荷曲线72.负荷曲线年最大负荷曲线年持续负荷曲线第一节负荷计算的意义与基本概念每日最大P3082.负荷曲线第一节负荷计算的意义与基本概念年负荷持续时间曲线的绘制a)夏日负荷曲线b)冬日负荷曲线c)年负荷持续时间曲线

上述年负荷曲线（图c），由夏日负荷曲线（图a）和冬日负荷曲线（图b）来绘制。北方，取夏日165天，冬日200天；南方，取夏日200天，冬日165天。93.负荷曲线中的几个物理量年最大负荷负荷曲线上的最高点，指全年中最大工作班内（最少出现2～3次）半小时平均功率的最大值，并用符号Pmax、Qmax和Smax分别表示年有功、无功和视在功率最大值。最大负荷利用小时数年最大负荷（如Pmax）持续运行Tmax小时所消耗的电能恰好等于全年实际消耗的电能,Tmax=Wa/PmaxTmax的大小表明负荷耗能是否均匀，Tmax越大，则负荷越平稳。第一节负荷计算的意义与基本概念103.负荷曲线中的几个物理量平均负荷电力用户一段时间内消费功率的平均值Pav、Qav、Sav年平均有功负荷：Pav=Wa/8760负荷系数也称负荷率、负荷曲线填充系数是指平均负荷与最大负荷之比，它表征了负荷变动的程度。负荷系数越接近于1，则负荷曲线越平坦，负荷波动越小第一节负荷计算的意义与基本概念113.负荷曲线中的几个物理量需要系数查阅表2-2~表2-7利用系数负荷曲线上最大有功负荷设备组的额定负荷“需要系数法”求解计算负荷查阅表2-7~表2-8“利用系数法”求解计算负荷平均有功负荷设备组功率因数角第一节负荷计算的意义与基本概念124.负荷计算的主要内容第一节负荷计算的意义与基本概念13用电设备的工作制第二节14第二节用电设备的工作制？15第二节用电设备的工作制断续周期工作制的设备，通常用暂载率ε表征其工作特征，取一个工作周期内的工作时间与工作周期的百分比值暂载率εT-----工作周期t-----工作周期内的工作时间t0-----工作周期内的停歇时间16负荷计算的方法第三节17第三节负荷计算的方法根据《民用建筑设计规范》规定，负荷计算方法选取原则：

需要系数法:

用于初步设计及施工图设计阶段的负荷计算；单位指标法:

用于方案设计阶段进行电力负荷估算。对于住宅，在设计的各个阶段均可采用单位指标法。18N―单位数量（m2、户、床）KP―单位有功负荷密度（W/m2

、W/户、W/床）KS―单位视在负荷密度（VA/m2

、VA/户、VA/床)住宅楼宾馆写字楼商业楼2.5~4KVA/户70~100VA/m290~110VA/m2100~130VA/m2第三节负荷计算的方法2.单位指标法确定计算负荷查阅p28：表2-919国内外部分旅馆变压器的装机容量和用电指标20(kW)2.需要系数法确定计算负荷有功计算负荷PC——有功计算负荷/kWPe——设备额定容量/kWKX——需要系数第三节负荷计算的方法……？21第三节负荷计算的方法K

：同时使用系数，为在最大负荷工作班某组工作着的用电设备容量与接于线路中全部用电设备总额定容量之比；KL：负荷系数，用电设备不一定满负荷运行，此系数表示工作着的用电设备实际所需功率与其额定容量之比ηwl：线路供电效率；η：用电设备组在实际运行功率时的平均效率。

需要系数KX22实际上，上述系数对于成组用电设备是很难确定的，如一个生产企业或车间来说，生产性质，工艺特点，加工条件，技术管理和劳动组织以及工人操作水平等因素，都对KX有影响。所以KX只能靠测量统计确定,见相关手册。上述各种因素可供设计人员在变动的系数范围内选用时参考。

需要系数KX第三节负荷计算的方法设备台数多时，KX取较小值；设备台数少时，KX取较大值。23建筑类别KX建筑类别KX一般旅馆、招待所0.7～0.8一般办公楼0.7～0.8高级旅馆、招待所0.6～0.7高级办公楼0.6～0.7旅游宾馆0.35～0.45科研楼0.8～0.9电影院、文化馆0.7～0.8发展与交流中心0.6～0.7剧场0.6～0.7教学楼0.8～0.9礼堂0.5～0.7图书馆0.6～0.7体育练习馆0.7～0.8托儿所、幼儿园0.8～0.9体育馆0.65～0.75小型商业、服务业用房0.85～0.9展览厅0.5～0.7综合商业、服务楼0.75～0.85门诊楼0.6～0.7食堂、餐厅0.8～0.9一般病房楼0.65～0.75高级餐厅0.7～0.8高级病房楼0.5～0.6火车站0.75～0.78锅炉房0.9～1博物馆0.82～0.92民用建筑照明负荷需要系数KX

第三节负荷计算的方法24户数需要系数KX多层住宅高层住宅全电气化住宅1～100.8～10.8～10.93～110～200.7～0.80.75~0.850.93～0.9121～1000.54～0.60.55～0.630.45～0.85100～2000.46～0.540.45～0.550.32～0.38>2000.42～0.460.43～0.450.30～0.32《重庆地区住宅电气设计标准》

第三节负荷计算的方法查阅p17-表2-2~表2-725(kW)2.需要系数法确定计算负荷有功计算负荷第三节负荷计算的方法……？PC——有功计算负荷/kWPe——设备额定容量/kWKX——需要系数26(1)用电设备额定容量的计算在每台用电设备的铭牌上都有“额定功率”PN，但由于各用电设备的额定工作方式不同，不能简单地将铭牌上规定的额定功率直接相加，必须先将其换算为同一工作制下的额定功率，然后才能相加。经过换算至统一规定的工作制下的“额定功率”称为“设备额定容量”、“设备容量”或“设备负荷”，用Pe表示。

计算设备额定容量中的几个注意点第三节负荷计算的方法27铭牌实际运行如何换算？按同一周期内等效发热条件进行换算，

发热量计算公式为I2Rt，在设备产生相同热量的条件下在同一电压下同一周期T的负荷持续率所以28长期工作制、短期工作制：设备容量Pe=其铭牌功率PN。断续周期工作制：起重机、电梯用电动机统一换算到暂载率εe=25%电焊机统一换算到暂载率εe=100%第三节负荷计算的方法29(2)照明设备的设备容量①白炽灯、碘钨灯：设备容量就等于灯泡上标注的额定功率；②荧光灯、高压水银荧光灯、金属卤化物灯：还要考虑镇流器中的功率损失第三节负荷计算的方法30(3)不对称单相负荷的设备容量

当有多台单相用电设备时，应将它们均匀地分接到三相上，力求减少三相负载不对称情况。单相负荷容量的最大差值<三相总负荷的10%时，可按三相对称分配考虑。单相负荷容量的最大差值>三相总负荷的10%时，则供配电设备容量Pe应按三倍最大相负荷的原则进行换算。注意区分相负荷与线负荷，并进行换算。换算方法详见附录2第三节负荷计算的方法31(4)备用设备的容量不列入设备总容量

无论是小区或高层建筑，都有相当一部分的备用设备，如小区的备用通风机、水泵、鼓风机、空压机，高层建筑中的备用生活水泵、空调制冷设备等，这些备用设备的容量在计算时不能列在设备总容量之中。消防水泵、专用消防电梯以及在消防状态下才使用的送风机、排烟机等，及在非正常状态下使用的用电设备与非火灾等正常情况下对比后取较大者列入计算负荷；当夏季有制冷的空调系统，而冬季则利用锅炉采暖时，由于后者用电设备容量小于前者，因此锅炉的用电设备容量也不计入总用电设备容量。第三节负荷计算的方法32(kW)(kVar)或(kVA)计算电流2.需要系数法确定计算负荷A有功计算负荷无功计算负荷视在计算负荷——设备额定容量/kW——用电设备功率因数角——额定电压/kV第三节负荷计算的方法慎用！33例题2-1已知小型冷加工机床车间0.38kV系统，拥有设备如下：（1）机床35台总计98.00KW：（Kx1=0.20cosφ1=0.50tgφ1=1.73）（2）通风机4台总计5.00KW：（Kx2=0.80cosφ2=0.80tgφ2=0.75）（3）电炉4台总计10.00KW：（Kx3=0.80cosφ3=1.00tgφ3=0.00）（4）行车2台总计5.60KW：（Kx4=0.80cosφ4=0.80tgφ4=0.75ε4=15%）（5）电焊机3台总计17.50KVA：（Kx5=0.35cosφ5=0.60tgφ5=1.33ε5=65%）试求：每组负荷的计算负荷（Pc、Qc、Sc、Ic）？第三节负荷计算的方法34解：（1）机床组为连续工作制设备,故

（2）通风机组为连续工作制设备,故

第三节负荷计算的方法机床35台总计98.00KW；Kx1=0.20cosφ1=0.50tgφ1=1.73通风机4台总计5.00KW；Kx2=0.80cosφ2=0.80tgφ2=0.7535（3）电炉组为连续工作制设备,故

（4）行车组的设备功率为统一换算到负载持续率ε=25%时的有功功率：第三节负荷计算的方法电炉4台总计10.00KW；Kx3=0.80cosφ3=1.00，tgφ3=0.00行车2台总计5.60KW；Kx4=0.80cosφ4=0.80tgφ4=0.75ε4=15%36第三节负荷计算的方法（5）电焊机组的设备功率为统一换算到负载持续率ε=100%时的有功功率：电焊机3台总计17.50KVA；Kx5=0.35cosφ5=0.60tgφ5=1.33ε5=65%

电焊机组机床组通风机组电炉组行车组配电干线总计算负荷？37第三节负荷计算的方法配电干线上或变电所低压母线上，常有多个用电设备组同时工作，但各个用电设备组的最大负荷并非同时出现。在求计算负荷时，应再计入一个同时系数（或叫同期系数）K∑，具体计算如下：有功功率无功功率视在功率计算电流多组用电设备组的计算负荷K∑p、K∑q-----有功功率、无功功率同时系数，分别取0.8～1.0和0.93～1.0。38电焊机组机床组通风机组电炉组行车组配电干线第三节负荷计算的方法例题2-2：已知条件同例题2-1。当有功功率同时系数K∑p=0.9；无功功率同时系数K∑q=0.95时。试求：车间总的计算负荷（Pc、Qc、Sc、Ic）解：通过上题的计算，已求出(1)机床组：Pc1=19.60KWQc1=33.91Kvar(2)通风机组：Pc2=4.00KWQc2=3.00Kvar(3)电炉组:Pc3=8.00KWQc3=0.00Kvar(4)行车组:Pc4=3.47KWQc4=2.60Kvar(5)电焊机组：Pc5=2.96KWQc5=3.94Kvar用于配电干线以及变电所电力变压器容量的选择39序号用电设

备名称设备容量（kW）计算系数

计算负荷

台数总容量暂载率KXcosφtanφP（kW）Q（kvar）S（kVA）I（kA）1机床组3598

0.20.51.7319.6033.9139.1759.582通风机组45

0.80.80.754.003.005.007.63电炉组410

0.810.008.000.008.0012.174行车25.60.150.80.80.753.472.604.346.65电焊机317.5kVA0.650.350.61.332.963.944.937.5

同时系数

0.900.95

小计

34.2341.2353.5981.52为了使结果一目了然，便于审核，实际工程设计中常用第三节负荷计算的方法负荷计算书40第三节负荷计算的方法例题2-3：七层住宅中的一个单元，一梯二户，每户容量按6kW计，每相供电负荷分配如下：L1供一、二、三层；L2供四、五层；L3供六、七层，照明系统图见2-4。求此单元的计算负荷？41第三节负荷计算的方法解：本单元的设备总容量：

Pe=层数×每层户数×每户容量=7×2×6kW=84kW每相容量：PeL1=供电层数×每层户数×每户容量=3×2×6kW=36kW

PeL2=供电层数×每层户数×每户容量=2×2×6kW=24kW

PeL3=供电层数×每层户数×每户容量=2×2×6kW=24kW最大相与最小相负荷之差：最大相与最小相负荷之差与总负荷之比：不对称单相负荷的设备容量如何计算？42第三节负荷计算的方法故本单元的设备等效总容量：查表2-6可知：KX=0.8，cosφ=0.9，tgφ=0.48有功功率

无功功率视在功率计算电流若有负荷接于线电压呢？43补充例题1如图所示220/380V三相四线制线路上，接有220V单相电热干燥箱4台，其中2台10kW接于A相，1台30kW接于B相，1台20kW接于C相。此外接有380V单相对焊机4台，其中2台14kW（ε=100％）接于AB相间，1台20kW（ε=100％）接于BC间，1台30kW（ε=60％）接于CA相间。试求此线路的计算负荷。第三节负荷计算的方法44解：

(1)电热干燥箱的各相计算负荷查表得因此只需计算其有功计算负荷：A相B相C相第三节负荷计算的方法45(2)对焊机的各相计算负荷先将接于CA相间的30kW（ε=60%）换算至ε=100%的容量，即查表得再查得

时的功率换算系数第三节负荷计算的方法2台14kW（ε=100％）接于AB相间，1台20kW（ε=100％）接于BC间，1台30kW（ε=60％）接于CA相间46因此各相的有功和无功设备容量为

A相B相

C相第三节负荷计算的方法47各相的有功和无功计算负荷为A相B相C相第三节负荷计算的方法48(3)各相总的有功和无功计算负荷A相B相C相第三节负荷计算的方法49(4)总的等效三相计算负荷因B相的有功计算负荷最大，故取B相计算其等效三相计算负荷，由此可得以上计算也可列成单相负荷计算表，从略。第三节负荷计算的方法50意义：尖峰电流是持续时间为1~2秒的短时最大负荷电流。为了选择熔断器和自动开关、整定继电保护装置，以及检验电动机自启动，必须计算尖峰电流。单台电动机尖峰电流的计算K：启动电流倍数，设备启动电流与其额定电流的比值鼠笼式异步电动机绕线式异步电动机：6~7：2~3尖峰电流的计算第三节负荷计算的方法51

多台电动机供电回路尖峰电流的计算第三节负荷计算的方法(KIN)max:尖峰电流最大的一台电动机的启动电流

：其余电动机正常运行电流Istmax：尖峰电流最大的那台电动机的启动电流；：其余的n-1台电动机额定电流之和；Kt：

n-1台电动机的同时系数，一般取0.7～1.0。52第三节负荷计算的方法自起动电动机组尖峰电流的计算所有参与自起动电动机的起动电流之和n——参与自启动的电动机台数；Ijfi——第i台自启动电动机的启动电流；53第三节负荷计算的方法例2-4：有一0.38kV的配电支线，给电动机供电，已知，K1=5，IrM1=4A，K2=4，IrM2=4A，K3=3，IrM3=10A，K4=2.8，IrM4=5A。求该配电线路的尖峰电流。假设同时系数Kt为1.0，电动机非自启动。解：由已知条件，第3台电动机起动时的起动电流最大，故配电线路尖峰电流应为54建筑用电负荷的特征第四节55第四节建筑用电负荷特征北京大型公共建筑能耗比例商场政府办公楼空调系统26％照明27％电梯8％电脑29％开水器10％宾馆写字楼56电力负荷在高层建筑中的分布位置用电负荷遍布整个大楼的各层；地下层（或大楼底部）是用电负荷集中的地方（空调设备、生活水泵、消防泵、喷淋泵）顶层（或顶部）也是用电负荷集中区（电梯机房、风机、加压泵）超高层建筑的中部位置（分区电梯机房、中间泵站、分区空调设备的布置多在大楼的中部）。第四节建筑用电负荷特征57竖向配电干线图58第四节建筑用电负荷特征59第四节建筑用电负荷特征60第四节建筑用电负荷特征61建筑供配电系统无功功率的补偿第五节62第五节建筑供配电系统无功功率的补偿根本原因：供配电系统中无功功率的存在。1.功率因数低的原因

变压器和电动机

利用电磁感应原理工作，其绕组有电感存在，需要线路供给大量的无功功率；

线路

存在有一定的电抗，也会需要无功功率；

气体放电灯

镇流器是电感性负荷，也需要无功功率

……63第五节建筑供配电系统无功功率的补偿2.提高功率因数的意义使电力系统的设备容量得到充分利用减少有功损耗减少电压损失可减少有色金属消耗量64可由相位表（功率因数表）直接测出，或由功率表、电压表和电流表的读数通过下式求得（间接测量）：运行过程中某一瞬间的功率因数值第五节建筑供配电系统无功功率的补偿3.功率因数的计算1)瞬时功率因数652）

均权（平均）功率因数

某一规定时间内，功率因数的平均值。WP——某一时间内消耗的有功电能（kW·h）；有功电度表测量WQ——某一时间内消耗的无功电能（kvar·h）；无功电度表测量

我国电业部门每月向工业用户收取电费，就规定电费要按月平均功率因数来调整。上式可以计算已投入运行的用电单位的功率因数。第五节建筑供配电系统无功功率的补偿660.90为标准值的功率因数调整电费表减收电费增收电费实际功率因数月电费减少％实际功率因数月电费增加％实际功率因数月电费增加％0.900.000.890.50.757.50.910.150.881.00.748.00.920.300.871.50.738.50.930.450.862.00.729.00.940.600.852.50.719.50.95~1.000.750.843.00.7010.00.833.50.6911.00.824.00.6812.00.814.50.6713.00.805.00.6614.00.795.50.6515.00.786.0功率因数自0.64及以下，每降低0.01电费增加2％0.776.50.767.067对于正在进行设计的工业企业则采用下述的计算方法：3）

总平均功率因数PC----全企业的有功功率计算负荷，kW；QC----全企业的无功功率计算负荷，kvar；α----有功负荷系数，一般为0.7~0.75；β----无功负荷系数，一般为0.76~0.82。第五节建筑供配电系统无功功率的补偿68指在最大负荷（即计算负荷）时的功率因数《供电营业规则》规定：“用户在当地供电企业规定的电网高峰负荷时的功率因数应达到下列规定：100kVA及以上高压供电的用户功率因数为0.90以上。其他电力用户和大、中型电力排灌站、趸购转售企业，功率因数为0.85以上。”无功补偿第五节建筑供配电系统无功功率的补偿4)最大负荷时功率因数69第五节建筑供配电系统无功功率的补偿4.无功补偿措施705.并联电容器的补偿原理CuiRLi1提高了整个电路的功率因数但原负载cosφ1未变第五节建筑供配电系统无功功率的补偿71呈电容性。呈电感性

功率因数补偿到什么程度？理论上可以补偿成以下三种情况:呈电阻性第五节建筑供配电系统无功功率的补偿72结论：在角相同的情况下，补偿成容性要求使用的电容容量更大，经济上不合算，所以一般工作在欠补偿状态。感性（较小）容性（较大）C

较大功率因数补偿成感性好，还是容性好？

一般情况下很难做到完全补偿（即：）过补偿欠补偿

φ第五节建筑供配电系统无功功率的补偿73补偿容量可以用功率三角形确定：可见并联C前后：有功功率P不变；无功功率Q减少，视在功率减少。如图：QCQPQLj1S1jS第五节建筑供配电系统无功功率的补偿74QC----补偿容量（kVar）PC----总计算负荷（kW）

----无功补偿后的功率因数（要求达到0.90以上）

1----无功补偿前的负荷功率因数QC=

PC(tg

1－tg

）（kVar)第五节建筑供配电系统无功功率的补偿6.补偿电容的容量计算补偿率查阅p32表2-10《补偿率》75在确定总补偿容量Qc之后，就可根据所选并联电容器单只容量Qc1决定并联电容器的个数：

n=Qc/Qc1

三相电容器，通常在其内部接成三角形只有当电容器的额定电压低于运行电压时，才接成星形。取相近偏大的整数;若为单相电容器,则应取3的整数倍相同的电容器，接成三角形接线，因电容器上所加电压为线电压，所补偿的无功容量则是星形接线的三倍。若是补偿容量相同，采用三角形接线比星形接线可节约电容值三分二。第五节建筑供配电系统无功功率的补偿？767.

电容器的补偿方式1、个别补偿：直接安装在用电设备附近。

特点：补偿效果好，能减少配电线路上的电能损耗。但这种补偿方式总的投资较大，电容器组利用率较低。3、分组（分散）补偿：分散安装在各配电干线或动力配电箱旁。

特点：在1和2之间。2、集中补偿：集中安装在变配电所的高压或低压侧。

特点：初投资较少，便于集中管理，满足用电单位总功率因数的要求。但无法减少配电线路上的电能损耗。

第五节建筑供配电系统无功功率的补偿778.并联电容器组的投切方式1．手动投切(1)补偿低压基本无功功率的电容器组。(2)常年稳定的无功功率。(3)配电所内的高压电容器组。2．自动投切(1)避免过补偿，装设无功自动补偿在经济上合理时；(2)避免在轻载时电压过高，造成某些用电设备损坏(例如白炽灯烧毁或缩短使用寿命)等损失，而装设无功自动补偿在经济上合理时。(3)必须满足在所有负荷情况下都能改善电压变动率，只有装设无功自动补偿装置才能达到要求时。第五节建筑供配电系统无功功率的补偿78补充例题

某工厂的计算负荷为2400kW，功率因数为0.67。根据规定应将功率因数提高到0.9（在10kV侧固定补偿），如果采用BWF-10.5-40-1型并联电容器，需装设多少个？并计算补偿后的实际功率因数。解：tan

1=tan(arccos0.67)=1.108 tan

2=tan(arccos0.9)=0.484

Qc=Pc（tan

1-tan

2）

=2400×(1.108-0.484)=1497.6(kVar)

n=Qc/Qc1=1497.6/40≈38(个)，每相装设13个。此时的实际补偿容量为Qc=39×40=1560(kvar)，所以补偿后实际平均功率因数为第五节建筑供配电系统无功功率的补偿额定电压额定容量1：单相3：三相表2-1179典型建筑工程的负荷计算第六节80第六节典型建筑工程的负荷计算课后阅读例2-681供配电系统中的能量损耗第七节82第七节供配电系统中的能量损耗有功功率损耗空载损耗（铁损）+短路损耗（铜损）△PT——变压器的有功功率损耗（kW）；△P0

——变压器的空载有功功率损耗（kW），可在产品手册查出；△Pk

——变压器在满载有功功率损耗（kW），可在产品手册查出；SC——计算负荷的视在容量（kVA）；SN——变压器的额定容量（