• No results found

Electrical Load Calculation Course

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2021

Share "Electrical Load Calculation Course"

Copied!
22
0
0

Loading.... (view fulltext now)

Full text

(1)

 

 

2013 

Ali Hassan 

Certified Energy Manager – AEE ‐ USA     

Electrical Load Estimation Course

(2)

About Author    Hi, I'm Ali Hassan el‐Ashmawy, I began my career from 1999  as a site electrical engineer then as area manager from 2001  then as electrical designer from 2003 then as senior  electrical designer from 2006 and up to date.  In my past experience, I designed and construct about 100  projects in different countries like Egypt, Kuwait, Indonesia, KSA, Gabon and Iraq.  My designs were approved by many international authorities like USA corps of  engineers and USA ministry of exterior – OBO Office.  I'm certified energy manger CEM from AEE – USA since 2006 and I hope to become a  well‐known designer in the field of electrical design.    To contact me please email to [email protected]     

(3)

  Course Description:  This course is intended to prepare the target persons with the ability to recognize,  understand, and perform preliminary electrical load calculation/estimation for any  building type by many calculation methods.    The target Persons:  Design engineers, new graduate engineers, under graduate engineering students.    Skills Development:  On completion of this course the target person will be able to:    • Recognize different calculation method for electrical load estimation.  • Understand the procedures and logic of each method for electrical load  estimation.  • Perform the calculations steps of each method for electrical load estimation.

(4)

Table of Contents    S/N  Item  Page  No.  Introduction  5  Importance of Electrical Load Estimation (Preliminary Load  Calculations)  5  Definition of Important terms in Load Estimation 3.1  Connected load  5  3.2  Demand load   5  3.3  Demand Interval  6  3.4  Maximum demand 3.5  Demand factor (in IEC, Factor of maximum utilization ku) 3.6  Coincidence factor (in IEC, Factor of simultaneity ks)  7  3.7  Diversity factor  10  3.7.1  Difference between demand and diversity factor  11  3.8  Load factor  18  Methods of Electrical load estimation  19  Preliminary Electrical Load estimate   19  5.1  Difference between preliminary and final load estimate  19  5.2  Preliminary load calculations sub‐methods  20  5.3  Space‐by‐Space Method (functional area method)  21  5.3.1  Usage conditions of Space‐by‐Space Method   21  5.3.2  Area Measurement in space by space method   21  5.3.3  Method of estimation by using Space‐by‐Space Method   21    First Case  21    Second case  25  5.4  The Building Method 29  5.4.1  Comparison between space‐by‐space and building methods  29  5.4.2  Usage conditions of Building Method 29  5.4.3  Area Measurement in Building Method  29  5.4.4  Method of estimation by using Building Method 29    First Case  30    Second case  31  5.5  Area method  35  5.5.1  Usage conditions of Area Method  35  5.5.2  Method of estimation by using Area Method   36    First: basic method  36    Second: Optional Method (Load centers method)  38  5.6  General notes for all methods of electrical load estimations  41     

(5)

1‐ Introduction    At the beginning of the project, in the draft design (early design) stage, the electrical  design professional should do the following:       • Make Analysis of load characteristics,   • Review The available voltage system types/classes and levels,  • Review the utility’s rate structure,   • Make roughly a key single‐line diagram and a set of subsidiary single‐line  diagrams. The key single‐line diagram should show the sources of power e.g.  generators, utility intakes, the main switchboard and the interconnections to  the subsidiary or secondary switchboards.   • Develop Demand factor relationship between connected loads and the actual  demand imposed on the system.        2‐ Importance of Electrical Load Estimation (Preliminary Load Calculations)    Electrical Load Estimation is very important in the draft design (early design) stage  because it help to:    • Plan the connection to upstream network and MV circuit configurations.   • Plan the transformers substation(s) (if any) and the main switchgear room.   • Apply to Power Company for supply.   • Calculate initial budget for the electrical works.         3‐ Definition of Important terms in Load Estimation:    There are many important terms which must be understood before performing the  load estimation, these terms are:     3.1 Connected load    It is the Sum of all the loads connected to the electrical system, usually expressed in  watts.       3.2 Demand load     It is the electric load at the receiving terminals averaged over a specified demand 

(6)

interval of time, usually 15 min., 30 min., or 1 hour based upon the particular utility’s  demand interval. Demand may be expressed in amperes, kilo‐amperes, kilo‐watts,  kilo‐vars, or kilo‐volt‐amperes.       3.3 Demand Interval    It is the period over which the load is averaged, usually 15 min., 30 min., or 1 hour.         3.4 Maximum demand    It is the greatest of all demands that have occurred during a specified period of time  such as 5 minutes, 15 minutes, 30 minutes or one hour. For utility billing purposes  the period of time is generally one month.       3.5 Demand factor (in IEC, Factor of maximum utilization ku)     In normal operating conditions the power consumption of a load is sometimes less  than that indicated as its nominal power rating.     The demand factor is the ratio of the maximum demand on a system to the total  connected load of the system.       Demand factor = Maximum demand load / Total load connected       Notes:    • This factor must be applied to each individual load, with particular attention  to electric motors, which are very rarely operated at full load.   • Demand factors for buildings typically range between 50 and 80 percent of  the connected load. For most building types, the demand factor at the service  where the maximum diversity is experienced is usually 60 to 75 percent of  the connected load. Specific portions of the system may have much higher  demand factors, even approaching 100 percent.              

(7)

3.6 Coincidence factor (in IEC, Factor of simultaneity ks)    It is a matter of common experience that the simultaneous operation of all installed  loads of a given installation never occurs in practice, i.e. there is always some degree  of diversity and this fact is taken into account for estimating purposes by the use of a  simultaneity factor (ks).     The coincidence factor is the ratio of the maximum demand of a system, or part  under consideration, to the sum of the individual maximum demands of the  subdivisions.       Coincidence factor = Maximum system demand / Sum of individual maximum  demands       Notes:    • The factor ks is applied to each group of loads (e.g. being supplied from a  distribution or sub‐distribution board).       Example#1 (see Fig.1):     5 storeys apartment building with 25 consumers, each having 6 kVA of installed  load.     Calculate the following:    1. The total installed load,  2. The apparent‐power supply,  3. The main service size,  4. The third level service size.        Solution:    1‐ Calculation of The total installed load,    From Fig.1, The total installed load for the building will be the sum of the installed  loads in the (5) storeys which will be as follows:    Ground floor: 

(8)

There are (4) consumers, the installed loads in this storey = 4consumers x 6 KVA  installed load per consumer = 24 KVA    First Floor:  There are (6) consumers, the installed loads in this storey = 6 x 6 = 36 KVA    Second Floor:  There are (5) consumers, the installed loads in this storey = 5 x 6 = 30 KVA    Third Floor:  There are (4) consumers, the installed loads in this storey = 4 x 6 = 24 KVA    Forth Floor:  There are (6) consumers, the installed loads in this storey = 6 x 6 = 36 KVA    So, the total installed load for the building = 24 + 36 + 30 + 24 + 36 = 150 kVA       Fig (1) 

(9)

  Table#1: Factor of simultaneity (ks) for Apartments Block    From Table#1 in above, it is possible to determine the magnitude of currents in  different sections of the common main feeder supplying all floors.   For vertical rising mains fed at ground level, the cross‐sectional area of the  conductors can evidently be progressively reduced from the lower floors towards the  upper floors. These changes of conductor size are conventionally spaced by at least  3‐floor intervals.     2‐ Calculation of apparent power    From Table#1, since the number of downstream consumers = 25, the Factor of  simultaneity ks = 0.46  So, the apparent‐power supply required for the building = 150 KVA x 0.46 = 69 kVA     3‐ Calculation of The main service size    The current entering the rising main at ground level (main service size) = (150 x 0.46  x 1000) / (400 x √3) = 100 A     4‐ Calculation of The third level service size    The current entering the third floor (the third level service size) = sum of currents  delivered to third and fourth floors   The number of consumers in the third and fourth floors = 4 + 6 =10 consumers    From Table#1, for number of downstream consumers = 10, the Factor of  simultaneity ks = 0.63 

(10)

  So, the current entering the third floor (the third level service size) = (36 + 24) x 0.63  x 1000 / (400 x √3) = 55 A       3.7 Diversity factor    the diversity factor is the reciprocal of the coincidence factor.     Diversity factor = Sum of individual maximum demands / Maximum system  demand       Notes:    • The Diversity Factor is applied to each group of loads (e.g. being supplied  from a distribution or sub‐distribution board).       Example#2:     Consider that a feeder supplies five users with the following load conditions:    • On Monday, user one reaches a maximum demand of 100 amps;  • On Tuesday, two reaches 95 amps;  • On Wednesday, three reaches 85 amps;  • On Thursday, four reaches 75 amps;  • On Friday, five reaches 65 amps.  • The feeder’s maximum demand is 250 amps.     Calculate the Diversity Factor for this feeder?      Solution:    The diversity factor can be determined as follows:     Sum of total demands = 100 + 95 + 85 + 75 + 65 = 420 A    Diversity factor = Sum of total demands ÷ Maximum demand on feeder = 420 A ÷  250 A = 1.68             

(11)

Example#3:     Calculate the size of a main feeder from substation switchgear that is supplying five  feeders with connected loads of 400, 350, 300, 250 and 200 kilovolt‐amperes (kVA)  with demand factors of 95, 90, 85, 80 and 75 percent respectively. Use a diversity  factor of 1.5.       Solution:    1‐ Calculate demand for each feeder:     Feeder#1 demand = 400 kVA × 95% = 380 kVA   Feeder#2 demand = 350 kVA × 90% = 315 kVA   Feeder#3 demand = 300 kVA × 85% = 255 kVA   Feeder#4 demand = 250 kVA × 80% = 200 kVA   Feeder#5 demand = 200 kVA × 75% = 150 kVA     2‐ Sum all of the individual demands = 380 + 315 + 255 + 200 + 150 = 1,300 kVA     3‐ If the feeder were sized at unity diversity, then the size of the main feeder = 1,300  kVA ÷ 1.00 = 1,300 kVA     However, using the diversity factor of 1.5, the size of the main feeder = 1,300 kVA ÷  1.5 = 866 kVA.       3.7.1 Difference between demand and diversity factor:    Most of the electrical engineers confuse between the demand and diversity factors,  to solve this confusion, don't forget that:      • The Demand factor must be applied to each individual load, with particular  attention to electric motors, which are very rarely operated at full load.   • The Diversity Factor is applied to each group of loads (e.g. being supplied  from a distribution or sub‐distribution board).         Example #4:     An industrial building consists of (3) nos. workshops A, B & C, each workshop will  include the following loads:  

(12)

Workshop A:  • 4 nos. lathe with 5 KVA each,   • 2 nos. pedestal drill with 2 KVA each,   • 5 nos. sockets outlets 10/16 A on one circuit with 18 KVA total,   • 30 nos. fluorescent lamps on one circuit with 3 KVA total.     Workshop B:   • One nos. Compressor with 15 KVA,   • 3 nos. sockets outlets 10/16 A on one circuit with 10.6 KVA total,   • 10 nos. fluorescent lamps on one circuit with 1 KVA total.       Workshop C:   • 2 nos. ventilation fans with 2.5 KVA each,   • 2 nos. Oven with 15 KVA each,   • 5 nos. sockets outlets 10/16 A on one circuit with 18 KVA total,   • 20 nos. fluorescent lamps on one circuit with 2 KVA total.       • Draw a key single line diagram for this building?   • Determine both the demand (utilization) factor and simultaneity factor with  the help of tables # 2 & 3 in below?   • Calculate the demand load for each level in the key single line diagram?           Table#2: Factor of simultaneity for distribution boards (IEC 60439) 

(13)

table#3: Factor of simultaneity according to circuit function      solution:      Follow the solution steps in below and in fig.2.    fig.2 

(14)

  Step#1: List all the loads in each workshop and write the apparent power of each  load in KVA beside it.   Step#2: write the utilization factor for each load, IEC gives Ku estimation values for  these loads as follows:   • For motor Ku = 0.8   • For socket outlets Ku = 1 (depend on the type of appliances being supplied  from the sockets concerned)   • For light circuits Ku= 1     The Table of Calculation for Steps# 1&2 will be as follows:    Workshop 

Name  Load Type  Load No. 

Apparent  Power  (KVA)  Utilization  Factor  Max.  Apparent  Power  Demand  Max.KVA  Workshop  A:  lathe  No.1  5  0.8  4  No.2  5  0.8  4  No.3  5  0.8  4  No.4  5  0.8  4  pedestal drill  No.1  2  0.8  1.6  No.2  2  0.8  1.6  5 nos. sockets outlets 10/16 A  18  1  18  30 nos. fluorescent lamps  3  1  3  Workshop  B:  Compressor  15  0.8  12  3 nos. sockets  outlets 10/16 A    10.6 1  10.6  10 nos. fluorescent  lamps    1 1  1  Workshop  C:  ventilation fan  No.1  2.5 1  2.5  No.2  2.5 1  2.5  Oven  No.1  15 1  15  No.2  15 1  15  5 nos. sockets outlets 10/16 A  18 1  18  20 nos. fluorescent lamps  2 1  2    Step#3: calculate the Max. Demand apparent power in KVA for each load = apparent  power X Ku for each load.       Step# 4: group same type of loads on one distribution panel/box and this will be the  first Level of distribution (LEVEL 1).  

(15)

  Step# 5: in level 1 and from table #2, write the simultaneity factor for each  distribution panel/box and from table # 3 write the simultaneity factor for each for  each separate load.     Step# 6: calculate the Max. Demand apparent power in KVA for each distribution  panel/box = sum of all branch loads’ Max. Demand apparent power in KVA X  simultaneity factor for each distribution panel/box.    The Table of Calculation will be as follows:    Worksho p Name  Load Type  Load  No.  Appar ent  Power  (KVA)  Utilizat ion  Factor  Max.  Appar ent  Power  Dema nd  Max.K VA  Level‐1  simultan eity  factor  Appar ent  Power  Dema nd  Max.K VA  Worksho p A:  lathe  No.1  5  0.8  4  0.75  14.4  No.2  5  0.8  4  No.3  5  0.8  4  No.4  5  0.8  4  pedestal drill  No.1  2  0.8  1.6  No.2  2  0.8  1.6  5 nos. sockets outlets 10/16 A  18  1  18  0.2  3.6  30 nos. fluorescent lamps  3  1  3  1  3  Worksho p B:  Compressor  15  0.8  12  1  12  3 nos. sockets  outlets 10/16 A    10.6 1  10.6  0.4  4.3  10 nos. fluorescent  lamps    1 1  1  1  1  Worksho p C:  ventilation fan  No.1  2.5 1  2.5  1  35  No.2  2.5 1  2.5  Oven  No.1  15 1  15  No.2  15 1  15  5 nos. sockets outlets 10/16 A  18 1  18  0.28  5  20 nos. fluorescent lamps  2 1  2  1  2    Step# 7: group the distribution panel/box in each workshop in one main distribution  panel/box. So, we will have (3) main distribution panel/box for the (3) workshops  and this will be the second level of distribution (LEVEL 2).      

(16)

Step# 8: in level 2 and from table #2, write the simultaneity factor for each main  distribution panel/box.     Step# 9: calculate the Max. Demand apparent power in KVA for each main  distribution panel/box = sum of all branch distribution boxes’ Max. Demand  apparent power in KVA X simultaneity factor for each main distribution panel/box.     The Table of Calculation will be as follows:  Worksh op  Name  Load Type  Load  No.  App aren Pow er  (KVA Utiliz ation  Facto Max.  App aren Pow er  Dem and  Max. KVA  Level‐1  Level‐2  simult aneity  factor  App aren t  Pow er  Dem and  Max. KVA  simult aneity  factor   App aren t  Pow er  Dem and  Max. KVA  Works hop A:  lathe  No.1 5  0.8  4  0.75  14.4  0.9  18.9     No.2 5  0.8  4     No.3 5  0.8  4     No.4 5  0.8  4  pedestal drill  No.1 2  0.8  1.6     No.2 2 0.8 1.6  5 nos. sockets outlets  10/16 A  18  1  18  0.2  3.6  30 nos. fluorescent  lamps  3  1  3  1  3  Works hop B:   Compressor     15  0.8  12  1  12  0.9  15.6   3 nos. sockets  outlets 10/16 A     10.6 1  10.6  0.4  4.3  10 nos.  fluorescent  lamps     1 1  1  1  1  Works hop C:   ventilation fan  No.1 2.5 1  2.5  1  35  0.9  37.8     No.2 2.5 1 2.5 Oven  No.1 15 1  15     No.2 15 1 15 5 nos. sockets outlets  10/16 A  18 1  18  0.28  5  20 nos. fluorescent  lamps   2 1 2 1 2  

(17)

  Step# 10: group the (3) main distribution panel/box in one main general distribution  board MGDB and this will be the third level of distribution (LEVEL 3).     Step# 11: in level 3 and from table #2, write the main general distribution board  MGDB.     Step# 12: calculate the Max. Demand apparent power in KVA for main general  distribution board MGDB = sum of the (3) workshop main distribution boxes’ Max.  Demand apparent power in KVA X simultaneity factor for main general distribution  board MGDB.    The Table of Calculation will be as follows:      Workshop  Name  Load Type  Load  No.  App aren Pow er  (KVA Utiliz ation  Facto Max.  App aren Pow er  Dem and  Max. KVA 

Level‐1 Level‐2  Level‐3 

simult aneity  factor   App aren t  Pow er  Dem and  Max. KVA  simult aneity  factor   App aren t  Pow er  Dem and  Max. KVA  simult aneity  factor   App aren t  Pow er  Dem and  Max. KVA  Works hop A:  lathe  No. 1  5  0.8  4  0.75  14. 4  0.9  18. 9  0.9  65     No. 2  5  0.8  4     No. 3  5 0.8 4    No. 4  5  0.8  4  pedestal drill  No. 1  2 0.8 1.6    No. 2  2  0.8  1.6   5 nos. sockets outlets  10/16 A  18 1 18 0.2 3.6 30 nos. fluorescent  lamps  3  1  3  1  3              Works hop B:   Compressor     15  0.8  12  1  12  0.9  15. 6   3 nos. sockets  outlets 10/16 A     10. 6 1  10. 6  0.4  4.3  10 nos.  fluorescent  lamps     1 1  1  1  1             

(18)

hop C:   1  8     No. 2  2.5 1 2.5 Oven  No. 1  15 1  15     No. 2  15 1 15 5 nos. sockets outlets  10/16 A  18 1  18  0.28  5  20 nos. fluorescent  lamps   2 1 2 1 2     3.8 Load factor      The load factor is the ratio of the average load over a designated period of time,  usually 1 year, to the maximum load occurring in that period.     Load factor = Average load / Maximum load       Free download    You can download tables for different factors listed above by clicking the following  links:    • IEEE Demand Factor Values  Unified Facilities Criteria ‐UFC‐ Demand Factor Values  NEC Demand Factor Values  Demand Factor Values From Other Regulations  Diversity Factor Values  Unified Facilities Criteria ‐UFC‐Load Factor Values  IEC Factor of Simultaneity Values               

(19)

4‐ Methods of Electrical load estimation      There are (5) methods for Electrical Load Estimation, which are:     A‐ Preliminary load calculation    This method is subdivided into (3) sub‐methods as follows:     1. Space by space (functional area method),   2. Building method.   3. Area method.     B‐ NEC load calculations.    C‐ Final load calculations.         Note:      In this course, I will explain the preliminary load estimation methods, and the two  other methods; NEC load calculations and Final load calculations will be explained  later in course " EE‐3: Basic Electrical design course – Level II ”, because the  preliminary load estimation methods are used in the early design phase while the  other two methods are applied in the final stages of design.         5‐ Preliminary Electrical Load estimate     5.1 Difference between preliminary and final load estimate    before going through the calculation steps for Preliminary Electrical Loads, we need  to highlight the main differences between the load estimation or calculation by the  preliminary and final methods. The following table shows these differences as  follows:  S/N  Preliminary load calculations  Final load calculations  1  Units of Loads will be in (W/ft2)  watts per square foot or/and  (VA/ft2) volt‐amperes per square  foot    Units of Loads will be in KW (kilo‐watt),  or/and KVA (kilo‐volt‐ampere), or/and HP  (horse power) 

(20)

2  units are used interchangeably  because unity power factor is  assumed  Units can’t used interchangeably. So, Hp  will be converted to kVA; and kVA may be  multiplied by the estimated power factor  to obtain kW if required    3  Unity power factor is assumed  Different values of power factors  according to load types.  4  Demand and load factors values  will be selected from tables  based on the designer estimation  and they will be Used to  calculate the transformer and  service size.  Demand and load factors values  are Real  values that will document and reflect the  number, the type, the duty rating  (continuous, intermittent, periodic, short  time, and varying), and the wattage or  volt‐ampere rating of equipment supplied  by a common source of power, and the  diversity of operation of equipment  served by the common source.    5  The connected load will be  estimated based on area or  population  Actual demand load will be calculated  based on summation of individual  building connected loads modified by  suitable demand and diversity factors  6  Easy and Fast calculations  economical, cost effective calculations  insuring that items of equipment and  materials are adequate to serve existing,  new, and future load demands        5.2 Preliminary load calculations sub‐methods:    As I indicated before, this method is subdivided into (3) sub‐methods as follows:     1. Space by space (functional area method),   2. Building method.   3. Area method.       Note:    A particular design may use one Preliminary load estimate method or a combination  from two or even the three methods.          

(21)

5.3 Space‐by‐Space Method (functional area method)    In the Space‐by‐Space Method, the building will be divided into different space  based on its function like offices, conference halls, corridors and lobbies, shops,  parking areas, workshops and etc.   The Load density in (W/ft2) or/and (VA/ft2) is prescribed for these different spaces,  these load densities in addition to spaces area will be used to estimate the  preliminary electrical load of this building as described in below.         5.3.1 Usage conditions of Space‐by‐Space Method     • The Space‐by‐Space Method is used only for individual spaces in the building.   • The Space‐by‐Space Method may be used for any building or portion of a  building.       5.3.2 Area Measurement in space by space method     The square footage is measured from the outside surface of exterior walls to the  centerline of walls between interior partitions of the spaces.   And the sum of the Gross Interior Area equals the total Gross Area of the building.       5.3.3 Method of estimation by using Space‐by‐Space Method     in this method, we have two cases as follows:     • First case: availability of grouped load density (i.e. one value covering all  lighting, general power and power loads) in (W/ft2) or/and (VA/ft2) for each  space.  • Second case: availability of individual load density (i.e. individual values for  lighting, general power and power loads) in (W/ft2) or/and (VA/ft2) for each  space.        First case:    Method of estimation by using Space‐by‐Space Method will be as follows:     1‐ Divide the building into different space based on its function (for example, office, 

(22)

Visit the following link: 

 

http://www.electrical‐

knowhow.com/2012/12/electrical‐pdf‐courses.html

 

 

You can download the Course by just click on its

name. After downloading, you will need to enter

your password to open the file.

To get your password, you must be a member

and to be a member you must register by click on

the phrase “Join this site" in left bottom side of

any page, above the images of our members.

After finishing your registration, send email to

[email protected], asking for your

password and I will send it with email reply.

 

References

Related documents

Library and Information Services Marketing in Pakistan: a Profile - Walqueline da Silva Araújo and Márcio Bezerra da Silva (Brazil) Relationship Marketing in Brazilian

2(I)–(V), we find that: (1) employing different types of equity results in different optimal defensive resource allocations, and the cost of equity increases convexly in

In this thesis, we study the coverage problem of a 3D indoor space using a Lattice based domain approach that focuses on two specified parameters, a set of candidate

MKTSHARE indicates that successful bidders increase their market share by around 8% per annum in the three years following a takeover, although the increase is not reflected by

This results can be explained by two facts: (1) The case with less disequilibrium compaction had the lowest permeability prior to the tectonic event what resulted in a larger

The study addresses the relationship of intervention that includes in-class coaching and indicators of quality, including child outcomes for kindergarten readiness, environmental

ROBERT You mean it’s not good enough for you to have lunch with Jerry and me and chat about it?. EMMA What the hell are you