【變電站規劃】負載估算和變壓器大小計算（Loading Estimation & Tx Calculation）

在變電站規劃以及整個樓宇配電系統的規劃的過程中，對於電氣工程師來説最重要的一步也就應該是負載/負荷估算這項工作了。那麽如何有效地進行負載估算，不至於低估或者高估整個項目的負載容量，以及如何確定變壓器大小以及進一步確定變壓器數量，對於初學者來説，是一項挑戰。

負載計算（Loading Calculation）

在前期規劃中，對於整個項目用電負載的估算，我們最常用的方法就是用整體面積法來計算。在項目初期，由於僅僅知道項目的性質，例如：商業寫字樓、酒店、住宅、學校、商場等等，可以參考其他同類型建築的負載密度（VA/sq.m）根據面積來估算。這裏要留意，對於商業綜合體，可以把不用性質的區域分開來計算，最後相加來確定縂負載。

如果業主有嚴格要求不同的區域供電要分開提供，那麽變壓器的數量可以分開估算，例如：酒店需要xxxkVA負載，提供xxx台變壓器；辦公部分需要xxxkVA負載。提供xxx台變壓器。這樣的做法讓整個樓宇配電系統根據功能分區獨立運行，每個系統出現故障不會直接影響其他功能分區，這樣也有利於後期的管理和運營。當然，為每個功能區域都提供獨立的變壓器以及配電系統的話相應的建造成本和後期維護成本也會增加。

當然，直接用總面積估算的話一般會有很多問題，因爲，整個樓宇的用電系統的負載并不是根據樓宇面積的增大或減少而成綫性比例關係。例如，對於大型項目，如果使用水冷機組一般會比空氣製冷機組的效率高，那麽平均每平米的用電量則會較低。又比如，項目的餐廳的厨房設施若有提供煤氣作爲燃料，當然會比用電來加熱省電許多，項目的縂負載也會下降。

而且，對於不同等級的建築物負載密度也會不同，同一品牌的五星級酒店的負荷密度一定會比三星級的高，高級寫字樓負載密度一定比普通的寫字樓要高，所以瞭解到的建築物的性質越多，越有利於我們對負荷密度參數的把控。因此，我們可以看到直接用總面積進行估算的話，誤差也會是比較大的。考慮的越細緻，誤差才能進一步縮小。

在項目規劃初期，我們可以利用面積進行整體估算，但到了變壓器房設計階段，我們就要給電力公司提供詳細的負載計算表來證明整個項目的負載情況。在詳細設計中整個建築的負載一般由兩部分相加得來，第一部分就是根據具體功能分區的用電負載根據面積計算得來，當然，這裏的負載僅僅包括照明及小動力的用電。

第二部分就是大型用電設施以及各個系統的用電量，包括暖通（供熱及供冷）系統、消防系統、給排水系統、電梯及扶梯系統、弱電系統等等，也包括用戶提出的特殊設備的用電量。這些都是負載計算的常規操作，詳細計算方法我們就不再過多介紹了。那麽在實際的負載計算中會出現哪些困難，計算過程中我們又需要重點留意那些參數呢？

A. 功率密度（Power Density, VA/sq.m）

在估算普通照明及小動力時，功率密度這個參數主要都是源自其他項目的設計經驗。我們在估算項目的功率密度時，也可以細化功率密度為“照明的功率密度”+“小動力的功率密度”。

這裏，“照明的功率密度”可以根據當地的設計標準進行預留，但由於設計標準往往是要求的最大值，再考慮綠建設計對照明功率的要求，“照明的功率密度”可以在設計標準的基礎上再下調15到20個百分點。

B. 負載係數（Loading Factor）和分流係數（Diversity Factor）

負載係數和分流係數可以説是負載計算中最重要的參數了，也可以看作是常常決定了負荷計算的結果，并且是在縂連接功率（Total Connected Loads）基本確定的情況下，最有可能調整的參數。

在大型項目中，尤其是對於冷氣機組、冷氣設備這類大型負載，分流係數設置在0.9和設置在0.8的往往能節省出來一台變壓器的容量。因此，在負載計算中，對負載係數和分流係數的把控極爲重要。

這裏要簡單解釋一下負載係數（Loading Factor）和分流係數（Diversity Factor），初學者往往會在這兩個概念上有所混淆。負載係數指的是對某一個負載，長期運行在某個功率，這個功率和額定功率的百分比。例如，某電動機額定功率為15kW，但這個電動機在實際運行過程中往往并非滿負荷運載，假設一般實際運行功率為12kW，那麽它的負載係數就是12kW/15kW = 0.8。

分流係數則是對於一組/一類用電設備而定義的。因爲在正常情況下，不會所有負載都一起運行，比如對於一個房間，不會所有燈具、冷氣設備都一起運作，也不會所有的插座都連接了用電設備，即使所有插座都連接了用電設備，但設備也不可能一起運作。因此分流係數則代表可能同時有多少百分比的設備一起運行。

這個兩個參數都比較難把控，有些設備每次運行都會是滿負荷運行，比如冷氣的分體機、給排水/消防設備的水泵等等。一般負載係數都直接考慮為1。然而，對於大型的冷氣機組，一般都不會滿負荷運行，因此可以向生產廠家或者運營單位獲取其他項目的使用經驗，來確定負載係數。

而對於分流係數，可以想其他專業獲取相關運行資料，例如，可以向冷氣專業詢問是否所有房間的冷氣設備會一起開啓，同時開啓的冷氣設備最大一般為百分之多少等等。這些係數也可以根據不同項目的的設計經驗以及實際的運行數據來做參考，進行設置。

C. 變壓器縂分流係數（Diversity Factor of Transformer）

正常情況下，負載計算是不會用到變壓器的縂分流係數的，也就是説一般不會在縂負載結果上再乘以0.8或者0.9，因爲在每個系統或者每個設備的負載係數和分流係數中已經考慮到了這些。但是根據我們所接觸的以往香港項目的經驗，以及電力公司提供的實際用電數據，我們得出，實際負荷常常小過變壓器容量很多，也就是項目負荷的估算一般都大過實際運行功率很多。

爲什麽會出現這種情況，其實，主要還是我們在設計是對負載係數和分流係數的把控有所誤差。下面是香港某大學宿舍的2016-2018年三年中變壓器側測得的最大用電負載。

我們可以看到，變壓器的設計容量為2250A，而實際用電的最高峰僅平均大約為600A，最大的功率也沒超過750A。這個數值甚至連變壓器容量的一半都不到。從這個例子可以看出，由於我們在負載估算時計算的結果一般是整個項目的最大容量，我們常常會高估整個項目的用電情況，從而高估了變壓器的需求量。其實，在提交予電力公司的申請資料時，電力公司也會仔細審查所要求的負載容量。近年來，由於用電負荷的增大，中電（CLP）則要求在申請供電時，如果要求的縂負荷大於22MVA，用戶端必須配合建造一間132kV的變電站。因此，我們在初步設計的時候則需要考慮清楚，是不是需要這麽大的用電需求。

D. 兩路供電時的負載計算（Loading Calculation for Dual Feed）

對於兩路供電的負載，我們應該如何計算呢？這個我們要分情況討論。

第一種情況，負載的兩路供電為自動切換。假定一路失電，ATS切換之後其他非兩路供電的負載無影響，在這種情況下，兩路供電的負載需要同時計算在兩條回路的變壓器之上。

如下圖，對於變壓器“A”，計算的負載應爲“負載A1”+“負載A2”，而對於對於變壓器“B”，雖然“負載B1”為後備但在計算的負載時仍應加上“負載B1”，縂負載應爲“負載B1”+“負載B2”。

第二種情況，負載的兩路供電為手動切換。當其中一路失電之後，要考慮負載在手動切換之前是否會强切系統中的某些負載（因爲若不强切，直接轉換的話，負載容量則會超過變壓器的設計容量）。因此，變壓器的設計容量應該等於正常設計容量減去强切容量再加上兩路給電的負載容量。在這種情況下，我們就要比較正常情況與失電情況下變壓器的負載要求，選擇較大值。在計算中需要假設正常情況負載不超過變壓器容量的85%，失電切換後的容量不超過變壓器容量的100%（因爲失電狀況只是暫態，不會長期運行在100%）。

如下圖，對於變壓器“A”，計算的負載仍“負載A1”+“負載A2”，而對於對於變壓器“B”，由於手動切換，而且手動切換前保證變壓器不會超載需要切斷“負載B3”，那麽縂負載應是（“負載B1”+“負載B2”）/ 100%和（“負載B2”+“負載B3”）/ 85%的最大值。

第三種情況，稍微複雜，可以看作是第二種情況的延申。倘若正常供電的那一路負載的備用回路并不只來自同一只變壓器，而是分散在了其他幾隻變壓器的時候。這樣，因爲每一隻變壓器都有正常供電回路和備用回路，我們就要計算每一隻變壓器在失電時的負荷情況，然後比較出最大的用電負載。

如下圖，假設變壓器“A”中的“負載A2”由變壓器“B”中的“負載B1”和變壓器“D”中的“負載D1”共同提供後備，同時，變壓器“C”中的“負載C2”由變壓器“B”中的“負載B2”和變壓器“D”中的“負載D2”共同提供後備。

那麽變壓器的最大縂負載總結如下：

結語

綜上所述，我們可以簡單瞭解到負載估算時可能出現的問題以及可以調整的地方。下一篇文章，我們重點介紹當我們計算得出項目縂負載后如何安排變壓器的大小和數量以及需要注意的問題。