现代民用建筑供配电系统与设计

第2章现代民用建筑供配电系统与设计2.1概述2.2民用建筑供配电负荷的分级和计算2.3现代民用建筑供配电系统与设计2.4高层民用建筑供配电系统与设计2.5现代民用建筑自备电源和应急照明系统与设计2.1概述2.1.1现代民用建筑供配电系统的基本概念1.现代电力系统的构成现代电力系统是一个由电能的生产（发电）、输送与分配（输电、变电、配电）、消费（用电负荷）组成的。典型的电力系统结构示意图如图2-1所示。图2-1电力系统结构示意图2.1.1现代民用建筑供配电系统的基本概念图2-2是一个地区（或区域）电力系统典型结构示意图。图中：1-发电机；2-变压器；3-电灯；4-电动机；5-电热设备；6-电解冶炼；7-电气化铁路。图2-2电力系统及电力网示意图2.1.1现代民用建筑供配电系统的基本概念构成大型电力系统的优点：（1）提高了供电可靠性，由于大型电力系统的构成，能耐受较大的故障冲击，使得电力系统提高了稳定性抗干扰能力强。（2）电力系统运行具有灵活性，各地区可以通过电力网互相支援，从而为保证电力系统电力供应所必需的备用发电机组可以大大地减少。（3）形成电力系统便于发展大型机组，目前，我国区域性电力系统中，单机容量为200~600MW的发电机组已成为系统中的主力机组。（4）频率稳定。系统容量越大，频率变化幅度越小，电能质量越高；（5）利用峰谷效应，合理利用能源，实行经济调度，提高整个电力系统的经济效益；（6）大型电力系统利用地区资源优势，特别是能充分发挥水力发电等的作用。因此，发展跨区域的电力系统，乃至全国统一的电力系统是电力工业发展的必然趋势，是客观发展规律，也是衡量一个国家工业化水平高低的标志之一。2.1.1现代民用建筑供配电系统的基本概念2.电源电源是电能的生产系统，其功能是将各种一次能源转换成电能（二次能源），电源由有功电源和无功电源两部分组成。有功电源提供有功功率，供有功负荷需要；无功电源提供无功功率，满足无功负荷需要。通常所称发电厂的发电能力统指有功电源。按发电能源的类型，发电厂可分为水力发电厂、火力发电厂（燃油或燃煤）、核能发电采取各种方式将水的势能、热能、风能、核能、潮汐能、化学能、生物质能等不同的能量转换成电能。电力系统的无功电源有同步发电机、调相机、静止补偿器、并联电容器等。电力系统的无功电源问题总是和无功功率补偿及电压调节问题紧密联系的。它关系到电力系统的稳定，广大用户的电能质量及电力系统的经济运行。2.1.1现代民用建筑供配电系统的基本概念3.电力网与配电网电力网是指电力系统中不包括发电厂及负荷的电力输送与分配网络。电力网由输电网、变电所和配电网组成。输电网作为输送电能的主干渠道或系统之间互送电能的联络渠道，主要指以高电压或超高压将发电厂、变电所或变电所之间连接起来的电力网络。交流输电网按运行电压的高低又分为高压输电网（60~220kV）、超高压输电网（330kV以上，1000kV以下）和特高压输电网（1000kV及以上）。世界上首条投入运营的交流1000kV特高压线路由我国国家电网公司投资建设，从山西晋东南起至湖北荆门段，线路全长约640公里。配电网是在输电主干线将电力送到电能消费地区经过降压后，再向用户供电的分配手段。输电网与用户之间都属于配电网范围。配电网的电压可根据供电范围和供电容量的大小分为高压配电电压（35~110kV）、中压配电电压（6、10，20kV）和低压配电电压（220/380V、660V）。这种划分并不严格，不同的电力系统或不同的国家不尽相同。根据用电负荷的需要，配电方式也有多种型式。高、中压配电网多为三相三线制，低压配电网常为三相四线制、三相三线制和单相二线制，某些特殊负荷，如电气化铁道为单相交流供电等。2.1.1现代民用建筑供配电系统的基本概念4.负荷电能经过发电、输电、变电、配电等环节供应给用户，用户负荷是电能的消费系统，根据需要，电能可以转换成各种形式的能（如机械能、化学能、光能、热能、磁能等），以满足国民经济各行业及城乡居民的需要。用户对电力系统的要求是向它提供“充足、可靠、合格、安全、廉价”的电能。根据用电设备物理性能，负荷可分为有功负荷、无功负荷；根据电力系统停电后对用户造成损失的严重程度，又可分为重要负荷、非重要负荷。2.1.1现代民用建筑供配电系统的基本概念5.电力网的控制现代电力系统的控制系统主要包括:调度自动化与继电保护、安全稳定控制、电力系统通信等部分，正在向智能化方向发展。它是电力系统的重要组成部分，是保证现代电力系统安全优质经济运行的技术手段。完整的电力系统调度自动化系统包括：能量管理系统（EnergyManagementSystem-EMS）、配电管理系统（DistributionManagementSystem-DMS）两大部分。其中EMS最基本的要求是实现监控与数据采集（SupervisoryControlandDataAcquisition-SCADA），在此基础上，可以增加自动发电控制（AutomaticGenerationControl-AGC）、经济调度（EconomicDispatchControl-EDC）和安全分析等功能，以实现电力生产管理的高度自动化。2.1.2现代民用建筑供配电系统的特点和发展趋势1.现代民用建筑供配电系统的特点（1）高电压、大电流、高频率以及电压波动、电磁干扰等；（2）用电单位用电容量大和较高的电源电压；（3）电气安全的广泛性要求；（4）节约电能和经济运行；（5）适应不同的环境要求。2.现代民用建筑供配电的发展趋势1）电源的发展趋势：大型建筑物群采用高压甚至超高压供电。局部应用中压20kV和低压660V电压等级供电；低压660V电压等级已列入GB5002《供配电系统设计规范》。风能、太阳能、水力发电和生物质能等可再生能源，及天然气等清洁能源将成为电源的一种发展趋势。将会形成目前大型电力系统与分布式可再生能源发电系统相混合的供电系统。（2）电力系统发展趋势：正在向智能电力系统，或者叫坚强智能电网方向发展。（3）用电设备的发展趋势：用电设备向高分断能力、高绝缘水平、低损耗、免维护、智能化、小型化、方便操作的方向发展。（4）增强环境保护、安全和节能：电力系统中的许多用电设备本身及其线路存在电磁辐射和产生噪声的污染源，必须采取措施、开发新型产品以适应环境保护的要求。供电系统中的安全技术问题要和国际电工标准接轨，在理论上有所突破，设备上有所提高和完善。（5）利用电力电子技术和计算机技术：电力电子技术和计算机技术在供电部门和用电单位将会普遍应用。2.2民用建筑供配电负荷的分级和计算2.2.1民用建筑供配电负荷的分级和供电要求1.民用建筑供配电负荷的分级（1）一级负荷：1）中断供电将造成人身伤亡的负荷；2）中断供电将造成重大政治、经济损失的负荷；3）中断供电将影响有重大政治、经济意义的用电单位的正常工作，或造成公共场所秩序严重混乱的负荷。（2）二级负荷：1）中断供电将在政治上造成较大影响的负荷；2）中断供电将在经济上造成较大损失的负荷；3）中断供电将影响重要用电单位正常工作的负荷；4)中断供电将造成重要的公共场所秩序混乱的负荷。（3）三级负荷：不属于一级、二级负荷的均属于三级负荷。民用建筑用电负荷的具体分级见教材表2-1。2.2.1民用建筑供配电负荷的分级和供电要求2.民用建筑用电负荷对供电电源的要求（1）一级负荷1）一级负荷应由双重电源供电，当其一个电源发生故障时，另一路电源不应同时受到损坏，且能承担全部负荷。2）一级负荷中特别重要的负荷，除上述两路电源外，还必须增设应急电源。3）当用电负荷中含有大量一级负荷中的特别重要负荷或大量的消防负荷时，两路双重电源应同时供电。（2）二级负荷1）二级负荷应由两个电源供电，即应由两回线路供电，供电变压器亦应有两台（两台变压器不一定在同一变电所）。2）在负荷较小或地区供电条件困难时，可由一回6kV及以上专用架空线供电；当采用电缆线路时，应采用两根电缆组成的电缆段供电，其每根电缆应能承受100%的二级负荷。（3）三级负荷对于三级负荷供电无特殊要求，但应采取技术措施，尽可能不断电，以保证民用建筑中居民的生活用电。2.2.2民用建筑用电负荷的计算1.民用建筑用电负荷计算的目的和计算方法（1）负荷计算的目的准确的负荷计算，使设计工作建立在可靠的基础上，做出来的设计方案比较经济合理。（2）负荷计算的常用方法①单位面积功率法：该计算方法是根据不同建筑类别的建筑物单位面积的用电指标之和，确定负荷。②需用系数法：该计算方法是用设备功率乘以需用系数和同时系数，直接求出计算负荷。③二项式法：该计算方法是在设备组容量之和的基础上，考虑若干容量最大设备的影响，采用经验系数进行加权求和法计算负荷。2.2.2民用建筑用电负荷的计算2.负荷计算1）单位面积功率法确定负荷∑CSjSc=1000（2-1）式中：Sc—视在计算功率（k·VA）；C—各类建筑物的建筑面积（m2）；Sj—单位建筑面积的负荷容量指标（VA/m2）。目前国内各类建筑物的单位建筑面积用电指标参见表2-2、表2-3。2.2.2民用建筑用电负荷的计算2）需用系数法确定计算负荷（1）用电设备组的计算负荷式中：Pc——用电设备的有功计算功率，kW；Qc——用电设备的无功计算功率，kW；Sc——视在计算功率，kVA；Kn——需用系数见表2－4和2－5、2－6；tgϕ——用电设备功率因数角的正切值见表2－4、2－7。2.2.2民用建筑用电负荷的计算（2）配电干线或单项工程的计算负荷式中：Kpt——干线有功同时负荷系数，取0.8~0.9；也可查有关手册或表。Kqt——干线无功同时负荷系数，取0.93~0.97。2.2.2民用建筑用电负荷的计算（3）变、配电所的计算负荷式中：KPt——总有功同时负荷系数，取0.8~1.0；（也可查有关表）KQt——总无功同时负荷系数，取0.95~1.0。（也可查有关表）2.2.2民用建筑用电负荷的计算3）单相负荷计算（1）计算原则①单相负荷与三相负荷同时存在时，应将单相负荷换算为等效三相负荷，再与三相负荷相加。②在进行单相负荷换算时，一般采用计算功率，对需用系数法为需要功率。（2）单相负荷换算为等效三相负荷的一般方法①先将线间负荷换算为相负荷，各相负荷分别为：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、……相负荷的有功及无功换算系数，见表2－8。②各相负荷分别相加，选出最大相负荷，取其3倍作为等效三相负荷。2.2.2民用建筑用电负荷的计算（3）单相负荷换算为等效三相负荷的简化方法①只有线间负荷时，将各线间负荷相加，选取较大两项数据进行计算。现以Pab≥Pbc≥Pca为例：当Pbc0.15Pab时，当Pbc≤0.15Pab时，当只有Pab时，上式中：Pab、Pbc、Pca——接于ab、bc、ca线间负荷，kW；Pd——等效三相负荷，kW。②只有相负荷时，等效三相负荷取最大相负荷的3倍。③当多台单相用电设备的设备功率小于计算范围内三相负荷设备功率的15%时，按三相平衡负荷计算，不需换算。2.3现代民用建筑供配电系统与设计2.3.1现代民用建筑供配电系统中性点接地方式与选用1.中、高压系统（1）中性点不接地方式是指配电网的中性点与大地绝缘的一种运行方式。中性点不接地方式一般适用于对地电容电流小于10A的配电网络。（2）中性点经消弧线圈接地方式也称谐振接地方式，是指配电网中性点经消弧线圈与大地连接。中性点经消弧线圈接地方式一般适用于对地电容电流大于10A小于150A的配电网络。（3）中性点经低电阻接地方式指在中性点与大地之间接入一定阻值的电阻。中性点经低电阻接地方式一般适用于对地电容电流大于150A的配电网络。由于设备绝缘方面的投资在各级电压中所占的比重各不相同，我国现有中、高压系统的中性点接地方式在各级电压中具体应用情况为：（1）22