建筑电气——电气设计人员必知的低压配电设计知识

低压配电系统主电路的设计中有几个要点问题：

第一个问题：负荷分级和配电分级；

第二个问题：负荷容量的计算；

第三个问题：各配电设备主电路的设计、连接电缆的设计。

这些问题非常繁杂，又很重要。因此在国家标准和规范中，对这些问题有很详尽的操作规范和规程。这些国家标准中，最具有代表性的就是GB50054-2011《低压配电设计规范》。小编在论及低压配电规范时将以这部标准为准。 以下小编 按顺序来阐述这些问题。

（1）负荷分级和配电系统分级

1）电力负荷

电力负荷通常有两种含义：一是指电气设备和导线中流过的功率或电流大小；二是指耗用电能的设备或用户。负荷分级与配电网中某负荷的重要性有关，例如电梯的重要性比热水器要高得多，前者中断供电可能会出现人身伤害事故，后者几乎不会产生什么重大影响。

根据国标GB 50052-2009《供配电系统设计规范》的规定，工厂的电力负荷，根据其对供电可靠性的要求及中断供电造成的损失或影响的程度分为三级。负荷分级的数字越低，则负荷的重要性就越高。例如一类负荷比三类负荷更重要。

配电系统分级则与距离电源的远近有关。距离电源越近，低压配电系统的能量就越大，短路容量也越大。

用于在各配电分级之间连接电缆会大幅度地削减短路容量，因此配电系统分级也可以用配电电缆来分界。配电分级的数字越小，则配电分级的级别就越高。例如一级配电系统的短路容量要大于三级配电系统。

对于低压配电系统来说，负荷分级和配电系统分级是两个重要的概念。我们来看看两者的定义和要点。

2）负荷分级

电力负荷应根据供电的可靠性要求及中断供电在人身伤害、政治、经济上所造成的影响进行分级：

① 一类负荷

a. 中断供电将造成人身伤亡；

b. 中断供电将在政治和经济上造成重大损失。例如：重大设备损坏，重大产品报废、连续生产过程被打乱且需要长时间才能恢复。

c. 中断供电将影响有重大政治、经济意义的用电单位正常工作。例如：重要交通枢纽、重要通信枢纽、大型体育场馆、经常用于国际活动的大量人员集中公共场所等用电单位。

供电要求： 一类负荷应当由两路电源供电。当一路电源发生故障时，另一路电源不应同时受到损坏；一类负荷中特别重要的负荷，除了由两路电源供电外，尚应增设应急电源，并严禁将其他负荷接入应急供电系统。

② 二类负荷

a. 中断供电将在政治、经济上造成较大损失；

b. 中断供电将影响重要用电单位的正常工作。

供电要求： 二类负荷建议由两路电源供电。

③ 三类负荷

不属于一类和二类负荷者均为三类负荷。

供电要求 ： 一般要求。

对于具体的民用建筑来说，一般一类负荷就是可能产生人身伤害的设备，如电梯和消防设备等；二类负荷则包括常用的空调机组、水泵机组、扶梯、办公照明、居民生活用电等等；三类负荷一般是指广告照明及夜景照明等等。

3）配电系统分级
配电系统分级是指处于相同的配电设备内，并且具有相同的短路分断容量的多组电器设备。从低压电网的进线侧开始，到最终用电负荷一般有三级配电设备。

① 一级低压配电设备又被称为PCC低压配电柜。一级配电设备担任了电能的接受、电能的分配和电能的馈送任务，一般安装在总变配电所或总降压变电所内。这里的PCC是Power Control Center(电能控制中心)的缩写。 

② 二级配电设备是车间级或区间级的配电中心，一般由馈电中心PCC开关柜和电动机控制中心MCC开关柜组成。这里的MCC是Motor Control Center(电动机控制中心)的缩写。 

③ 三级配电设备是就地照明配电箱、动力配电箱或入户配电箱，其控制对象是最终用电设备。各级配电设备之间往往用电缆连接。

又叫作 低压电网 的系统图 。 整个低压电网中存在三级配电设备，而用电设备既包括电动机还包括照明设备。

设计民用建筑或工矿企业的低压电网时，其依据就是低压系统的负荷计算，以及负荷的工作制、使用参数、保护参数等。

4）低压系统配电负荷计算

负荷计算的内容包括：

① 确定计算负荷，作为按发热条件选择配电变压器、导体及电器的依据，并用来计算电压损失和功率损耗。 在工程上，常常把计算负荷作为电能消耗量以及无功功率补偿的计算依据。

②  确定尖峰电流，用以检验电压波动和选择保护电器。

③ 确定一类和二类负荷，用以确定备用电源或者应急电源的容量参数。

④ 确定季节性负荷，从经济运行条件出发，来考虑电力变压器的容量及台数。

⑤ 根据负荷计算的结果，计算出各级配电系统的运行电流电压参数，计算出短路容量。

⑥ 设计和配置各级配电系统的元器件的型号规格及参数，确定连接电缆的截面及长度等参数。

可见负荷计算的重要性。

（2）负荷计算的几个原则和方法

1）负荷计算与工作制的关系

用电设备的工作制包括：

① 连续运行工作制

指连续工作、在恒定负荷下长时间运行且足以使之达到热平衡状态的用电设备。如通风机水泵、空气压缩机、机床，电炉电解设备和照明装置等。

② 短时运行工作制

指在恒定负荷下运行的时间短(短于达到热平衡状态所需的时间)，而停歇时间长(长到足以使设备温度冷却到周围介质的温度)的用电设备。如金属切削机床上的辅助电动机(如进给电动机，横梁升降电动机)、控制闸门的电动机等。

③ 反复短时运行工作制

指设备周期性地时而工作，时而停歇，如此反复循环运行，而工作周期一般不超过10min，无论工作或停歇，均不足以使设备达到热平衡。如电焊机和吊车电动机等。

2）负荷计算的原则

负荷计算的原则是将不同工作制下的用电设备额定功率更换为统一的长期工作制下的设备功率。

在这个原则下，连续工作制下的用电设备的额定功率当然就等于额定功率，而断续或者短时工作制下的电动机设备功率，则采用需要系数法或者二项式法，统一换算到负载持续率为25%时的有功功率。

3）利用需要系数确定计算负荷的三个原则

计算负荷也称需要负荷或最大负荷。当我们按计算负荷选配低压电器及连接电缆后，用电设备及配电设备在实际运行中其最高温升不会超过其允许值。

我们知道，在长期工作制下，由于配电电器和电缆从通过电流起到达稳定温升的时间大约为3-4T，T为发热时间常数。由于电缆大约经过30min后可达到稳定的温升值，因此采用半小时的最大负荷作为计算负荷，可使按发热条件选择电气设备和导线更为合理。

确定用电设备组计算负荷的方法有需要系数法和二项式法。需要系数法更为简便，这也是需要系数法得到广泛应用的原因。

需要系数法确定计算负荷有四个原则。 这四个原则分述如下：

第一个原则：设备分组。

根据用电设备的明细情况，将具有相近工作性质的用电设备分在同一组内。

第二个原则： 确定用电设备的设备容量。

用电设备的工作制不尽相同，即有长期工作制的，也有短时工作制和反复短时工作制的。因此，这些设备铭牌上标定的额定功率首先要换算成统一规定工作制下的额定功率，然后才能相加。

原理： 用电设备组的计算负荷，是指用电设备组从供电系统中取用的半小时最大负荷P30，如下图所示。 考虑到实际情况下，用电设备组的所有设备不一定都同时运行，即设备组在最大负荷时运行的设备容量小于全部设备的总容量； 运行的设备也不可能都处于满载运行，即设备组在最大负荷时的输出功率也要小于此时运行的设备容量。

同时还考虑到在传送功率的过程中不仅设备本身有功率损 耗，配电线路也有功率损耗。 因此用电设备组的有功计算负荷则可表示为：

实际上，需要系数不仅与用电设备组的工作性质、设备台数、设备效率和线路损耗等因素有关，而且也与操作工人的技术熟练程度和生产组织等多种因素有关，因此应尽可能通过实际分析确定，使之尽量接近实际。

在与电力负荷计算的相关书籍上都给出了各种用电设备的需要系数。

有功计算负荷(kW)：P30=KdPe

无功计算负荷(kvar)：Q30=P30tanψ

视在计算负荷(kVA)：S30=P30/COSψ

计算电流(A)：

在利用需要系数法计算电力负荷时，要注意以下问题：

1）由于需要系数是按车间范围设备台数较多的情况来确定的，所以需要系数值一般较低，例如冷加工机床组的需要系数值平均0.2左右。因此，需要系数法较适合用于确定车间的计算负荷。如果采用需要系数法来计算干线或分支线上用电设备组的计算负荷，应适当将数值取大点。

2）需要系数的大小与用电设备的类别和工作状态有极大的关系，因此在计算时首先要正确判断用电设备的类别和工作状态，否则将造成错误。例如机修车间的金属切削机床电动机就属于小批生产的冷加工机床电动机，因为金属切削就是冷加工而机修不可能是大批生产。又如压塑机、拉丝机和锻锤等，应该属热加工机床。再如起重机、行车实际上都属于吊车类。

多组用电设备计算负荷的确定：

确定有多组用电设备的干线上或车间变电所低压母线上的计算负荷时，应该考虑各组用电设备的最大负荷不同时出现的因素。因此在确定低压母线或低压干线上的计算负荷时，应该结合具体情况对其有功负荷和无功负荷分别计入一个同时系数K∑p（有功负荷同时系数）和K∑q（无功负荷的同时系统）。

1）车间干线

取K∑p=0.85～0.95，K∑q=0.9～0.97。

2）低压母线

当由用电设备组的计算负荷组直接相加来计算时，可取K∑p=0.85～0.9，K∑q=0.85～0.95；

当由车间干线计算负荷直接相加来计算时，可取K∑p=0.9～0.95，K∑q=0.93～0.97。

注意： 由于各组设备的功率因数不一定相同，因此总的视在计算负荷和计算电流不能用各组的视在计算负荷或计算电流之和来计算，总的视在计算负荷也不能按用电设备组的视在计算负荷公式来进行计算。