第2章 电力负荷及其计算

第2章电力负荷及其计算第2章电力负荷及其计算2.1负荷曲线2.2用电设备的工作制与设备容量的计算2.3三相用电设备组计算负荷的确定2.4单相用电设备组计算负荷的确定2.5功率损耗和电能损耗的计算2.6用电单位计算负荷和年电能消耗量的计算2.7尖峰电流的计算2.8供配电系统的功率因数和无功功率补偿基本技能训练中小型工厂计算负荷的确定思考题与习题第2章电力负荷及其计算2.1负荷曲线2.1.1日负荷曲线日负荷曲线表示负荷在一昼夜24小时内的变化曲线。图2-1表示某工厂的日有功负荷曲线。第2章电力负荷及其计算图2-1日有功负荷曲线(a)依点连成的负荷曲线；(b)绘成梯形的负荷曲线第2章电力负荷及其计算日负荷曲线可用测量的方法绘制。绘制的方法有：(1)以某个监测点为参考点，在24小时内各个时刻记录有功功率表的读数，依点连成的负荷曲线，如图2-1(a)所示；(2)通过接在供电线路上的电能表，每隔半小时将其读数记录下来，求出0.5小时的平均功率，再依次将这些点画在坐标上，连成阶梯状的负荷曲线，如图2-1(b)所示。为便于计算，负荷曲线多绘成梯形。其时间间隔取得愈短，曲线愈能反映负荷的实际变化情况。第2章电力负荷及其计算2.1.2年负荷曲线年负荷曲线反映负荷全年(8760小时)的变化情况，如图2-2所示。年负荷曲线通常绘成年负荷持续时间曲线，如图2-2(c)所示。它是根据某一年中具有代表性的夏日负荷曲线(见图2-2(a))和冬日负荷曲线(见图2-2(b))来绘制的。其中，夏日和冬日在全年中所占的天数应视当地的地理位置和气温情况而定。一般北方地区可近似认为夏日165天，冬日200天；南方地区则可近似认为夏日200天，冬日165天。绘制时以负荷使用时间为横坐标，按负荷大小依次排列，全年按8760小时计。从年负荷持续时间曲线能明显看出：一个企业在一年内不同负荷值所持续的时间，从而可以对系第2章电力负荷及其计算图2-2(a)夏日负荷曲线；(b)冬日负荷曲线；(c)年负荷持续时间曲线第2章电力负荷及其计算另一种形式的年负荷曲线是按全年每日最大负荷(通常取每日最大负荷的半小时平均值)来绘制的，如图2-3所示。横坐标依次以全年12个月份的日期来分格。这种负荷曲线主要用来确定拥有多台电力变压器的用户变电所在一年内不同时期宜于投入几台运行，即所谓的经济运行方式，以降低电能损耗，提高供电的经济效益。负荷曲线对于从事供电设计和运行的人员来说是十分重要的，通过对负荷曲线的分析，可以更深入地掌握负荷变动的规律，从中获得一些对设计和运行有用的资料。第2章电力负荷及其计算图2-3年每日最大负荷曲线第2章电力负荷及其计算2.1.3与负荷曲线有关的物理量1.年最大负荷和年最大负荷利用小时1)年最大负荷年最大负荷Pmax是指在全年负荷最大的工作班内，消耗电能最大的半小时的平均功率，也称为半小时最大负荷，用P30表示。第2章电力负荷及其计算2)年最大负荷利用小时年最大负荷利用小时Tmax是指负荷以年最大负荷Pmax持续运行一段时间后，消耗的电能恰好等于该电力负荷全年实际消耗的电能Wa，这段时间就是年最大负荷利用小时Tmax。如图2-4所示，阴影部分即为全年实际消耗的电能，因此年最大负荷利用小时为(2-1)年最大负荷利用小时的大小表明了工厂消耗电能是否均匀，Tmax越大，则负荷越平稳。它与工厂的生产班制有明显的关系。一般地，一班制工厂Tmax1800～3000h；两班制工厂Tmax≈3500～4800h；三班制工厂Tmax≈5000～7000h。maxamaxPWT第2章电力负荷及其计算图2-4年最大负荷和年最大负荷利用小时第2章电力负荷及其计算2.平均负荷和负荷系数1)平均负荷平均负荷Pav是指电力负荷在一定时间内消耗功率的平均值，即(2-2)式中，Wt为t时间内消耗的电能，单位为kW·h；t为实际用电时间，单位为h。平均负荷也可以通过负荷曲线来计算。如图2-5所示，年负荷曲线与两坐标轴所包围的曲线面积(即全年消耗的电能Wa)恰(2-3)tWPtav8760tavWP第2章电力负荷及其计算图2-5年平均负荷第2章电力负荷及其计算2)负荷系数负荷系数KL又称为负荷率，是指平均负荷与最大负荷的比值，即(2-4)负荷系数表征负荷曲线的不平坦程度，也就是负荷变动的程度。从充分发挥供电设备的能力、提高供电效率来说，希望负荷系数越高、越趋向于1越好。从发挥整个电力系统的效能来说，应尽量使不平坦的负荷曲线“削峰填谷”，以提高负荷系数。有时用α来表示有功负荷系数，用β来表示无功负荷系数。对于一般工厂，α=0.7～0.75，β=0.76～0.8。对单个用电设备和用电设备组而言，负荷系数就是设备的输出功率P与设备额定容量PN的比值，它表征该设备或设备组的容量是否被充分利用，即(2-5)maxavLPPKNLPPK第2章电力负荷及其计算2.2用电设备的工作制与设备容量的计算2.2.1用电设备的工作制用电设备按其工作制不同，可分为长期连续工作制、短时1.长期连续工作制这类设备长期连续工作，其特点是负荷比较稳定，连续工作发热足以使之达到热平衡状态，温度达到稳定温升，如通风机、泵类、空气压缩机、电机发电机组、电阻炉、照明灯、机床主轴电动机、机械化运输设备等。第2章电力负荷及其计算2.短时工作制这类设备运行时间短且停歇时间长。在运行时间内，用电设备来不及发热到稳定温升就开始冷却，而其发热足以在停歇时间内冷却到周围介质的温度，如机床上的辅助电动机、控制闸门的电动机等。第2章电力负荷及其计算3.反复短时工作制这类设备周期性地时而工作，时而停歇，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。通常用“暂载率”(又称“负荷持续率”)来描述此类设备的工作特征。暂载率是指一个周期内工作时间与工作周期的百分比值，用ε表示，即(2-6)式中，T为工作周期；t为工作周期内的工作时间；t0为工作周期内的停歇时间。反复短时工作制设备的额定容量，一般是对应于某一标准暂载率的。%100%1000tttTt第2章电力负荷及其计算2.2.2设备容量的计算每台用电设备的铭牌上都标有额定容量，但各用电设备的工作条件不同，并且同一设备所规定的额定容量在不同的暂载率下工作时，其输出功率是不同的。因此作为用电设备组的额定容量就不能简单地直接相加，而必须换算成同一工作制下的额定容量，然后才能相加；对同一工作制有不同暂载率的设备，其设备容量也要按规定的暂载率进行统一换算。经过换算至统一规定的工作制下的“额定容量”称为设备容量，用Pe表示。第2章电力负荷及其计算1.长期工作制和短时工作制的用电设备组设备容量Pe等于所有用电设备的铭牌上的额定容量之和。2.反复短时工作制的用电设备组设备容量Pe是将所有设备在不同暂载率下的铭牌额定容量换算到一个规定的暂载率下的容量之和，换算式为(2-7)式中，εN为对应于铭牌额定功率PN的额定暂载率；ε为对应于设备容量PeNNePP第2章电力负荷及其计算1)电焊机组的容量换算要求设备容量统一换算到ε=100%，则换算后的设备容量为(2-8)式中，PN为电焊机额定有功功率；SN为额定视在功率；εN为额定暂载率；ε100为其值为100%的暂载率(在计算中取1)；cosφ为额定功率因数。100NN100NNecosSPPNNNNecosSPP第2章电力负荷及其计算2)吊车电动机组的容量换算要求容量统一换算到ε=25%，则换算后的设备容量为(2-9)式中，PN为额定有功功率；εN为额定暂载率；ε25为其值为25%的暂载率(在计算中取为0.25)NN25NNe2PPP第2章电力负荷及其计算3.照明设备(1)白炽灯、卤钨灯的设备容量就是灯泡上标出的额定功率。(2)荧光灯考虑镇流器上的功耗，其设备容量应为灯泡额定功率的1.2～1.3倍。(3)高压汞灯考虑镇流器的功耗，其设备容量应为灯泡额定功率的1.1倍；自镇式高压汞灯设备容量与灯泡额定功率相等。(4)高压纳灯考虑镇流器的功耗，其设备容量应为灯泡额定功率的1.1倍。(5)金属卤化物灯考虑镇流器的功耗，其设备容量应为灯泡额定功率的1.1倍。第2章电力负荷及其计算2.3三相用电设备组计算负荷的确定2.3.1概述1.计算负荷的概念供配电系统运行时的实际负荷并不等于所有用电设备额定功率之和。这是因为用电设备不可能全部同时运行，每台设备也不可能全部满负荷运行，各种用电设备的功率因数也不可能完全相同。因此，供配电系统在设计过程中，必须找出这些用电设备的等效负荷。通过负荷的统计计算求出的用来按发热条件选择供配电系统各元件的负荷值，称为计算负荷。第2章电力负荷及其计算在设计计算中取“半小时最大负荷”作为计算负荷。因为中小截面(35mm2以下)的导线的发热时间常数T一般在10min以上，导体达到稳定温升的时间约为(3～4)T，即对于多数导体发热并达到稳定温升的时间约为30min，所以只有持续30min以上的平均最大负荷值才有可能构成导体的最高温升。持续时间很短的尖峰电流虽然负荷值大，但不能使导体达到最高温升，因为导体的温升还未升高到相应负荷的温升，尖峰电流就已消失了。因此，计算负荷与稳定在半小时以上的最大负荷是基本相当的。通常用P30、Q30、S30、I30分别表示有功计算负荷、无功计算负荷、视在计算负荷、计算电流。第2章电力负荷及其计算2.负荷计算的目的供配电系统要能安全可靠地正常运行，系统中的各元件(如电力变压器、开关、导线及电缆)都必须选择合适，除了应满足工作电压和频率的要求外，最重要的是应满足负荷电流的要求。因此负荷计算的目的就在于正确地确定负荷值，为设计供配电系统提供可靠的依据，并作为合理选择供配电系统所有组成元件的重要依据。第2章电力负荷及其计算如果计算负荷偏小，将使导线、开关设备和变压器在运行时电能损耗增加，并产生过热，引起电气设备绝缘老化，过早损坏，从而破坏正常生产的条件；反之，计算负荷偏大，将增加各种供电元件的容量，增加有色金属消耗量，增大基建投资，使大量设备不能充分发挥其作用，给国家造成很大的浪费。负荷计算准确可使设计工作建立在可靠的基础资料之上，得出的工程设计方案也会经济合理。所以，电力负荷计算是供电设计中的一项重要工作。目前，普遍采用的确定用电设备组计算负荷的方法有需要系数法和二项式系数法。第2章电力负荷及其计算2.3.2按需要系数法确定计算负荷1.用电设备组计算负荷的确定一个车间有很多台用电设备，它们的负荷曲线也都不相同。在进行负荷计算时，应当根据其工作特点进行分组，每一组用电设备总的设备容量Pe是该组内各设备的设备容量的总和。同一用电设备组内包含有多台同类型设备，这些设备实际上不一定都同时运行，运行的设备也不太可能都满负荷，同时设备本身有功率损耗，配电线路也有功率损耗。因此在确定设备组的计算负荷时应考虑一个系数，即按需要系数法确定用电设备组有功计算负荷的基本公式为P30=KdPe(2-10)第2章电力负荷及其计算式中，Pe为用电设备组的设备容量；Kd为需要系数，它的物理表达式为(2-11)式中，KΣ为设备组的同时系数，即设备组在最大负荷时运行的设备容量与全部设备容量之比；KL为设备组的负荷系数，即设备组在最大负荷时的输出功率与运行的设备容量之比；ηe为设备组的平均效率，即设备组在最大负荷时的输出功率与取用功率之比；ηWL为配电线路的平均效率，即配电线路在最大负荷时的末端功率(亦即设备组取用功率)与首端功率(亦即计算负荷)之比。由式(2-11)可知，需要系数是由上述几个影响计算负荷的因素综合而成的一个系数。eWLeLdPKKK第2章电力负荷及其计算实际上，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、线路损耗等因素有关，而且与工人的技术熟练程度、生产组织等多种因素有关。因此，应尽可能通过实测分析确定，使之尽量接近实际。附录中的附表1-1列出了各种用电设备组的需要系数值，供读者参考。注意：附表1-1所列需要系数值是按车间范围内设备台数较多的情