第二章建筑供配电的负荷计算

第二章建筑供配电的负荷计算刘红宇第二章建筑供配电的负荷计算第一节计算负荷的意义和计算目的在进行建筑供配电设计时，基本的原始资料有各种用电设备的产品铭牌数据（如额定容量、额定电压）、建设规模、负荷密度等，这是设计的依据。但是，这些原始资料要变成供配电系统设计所需要的假想负荷——计算负荷，才能进行设计。不能简单地用设备额定容量做为计算负荷，这是因为所安装的设备并非都同时运行；运行着设备的负荷性质不同；同类设备实际负荷也并不是每一时刻都等于设备的额定容量，而是在不超过额定容量的范围内，时大时小地变化着。求计算负荷的这项工作称为负荷计算。负荷计算主要包括：(1)求计算负荷，也称需用负荷。目的是为了合理的选择供配电系统各级电压供电网络、主接线、变压器容量和电器设备型号等。(2)求尖峰电流。用于计算电压波动、电压损失、选择熔断器和保护元件等。(3)求平均负荷。用来计算供配电系统中电能需要量、电能损耗和选择无功补偿装置等。求计算负荷意义重大，估算过高，导致有色金属的浪费和工程投资的增加。反之，如估算过低，又会使供电系统的线路及电气设备由于承担不了实际负荷电流而过热，加速其绝缘老化的速度，降低使用寿命，增大电能损耗，影响供配电系统的正常可靠运行。第二章建筑供配电的负荷计算第二节用电设备的主要特征按工作制分有连续运行、短时运行和反复短时运行三类。(1)连续运行工作制：是指工作时间较长，连续运行的用电设备，绝大多数用电设备属于此类工作制。如通风机、压缩机、各种泵类、照明、各种电炉、机床、电解电镀设备等。(2)短时运行工作制：是指工作时间短，停歇时间相当长的用电设备的工作制。如金属切削机床用的辅助机械(横梁升降，刀架快速移动装置等)、水闸用电机等，这类设备的数量很少，不计入计算负荷。第二章建筑供配电的负荷计算(3)断续周期工作制：这类工作制的设备周期性地时而工作，时而停歇，如此反复运行，好像有固定周期一样，而工作周期一般不超过10min。此设备有两种：电焊用变压器和吊车、行车用电动机。断续周期工作制的设备，可用“负荷持续率”(又称暂载率)来表示其工作特征。负荷持续率为一个工作周期内工作时间与工作周期的百分比值，用JC（ε）表示，即设备容量的计算负荷计算不考虑备用设备的容量，而且要注意，此容量的计算与用电设备组的工作制有关。1．对一般连续工作制和短时工作制的用电设备组设备容量是所有设备的铭牌额定容量之和。2．对断续周期工作制的用电设备组设备容量是将所有设备在不同负荷持续率下的铭牌额定容量换算到一个规定的负荷持续率下的容量之和。第二章建筑供配电的负荷计算第三节负荷曲线及计算负荷一、负荷曲线负荷曲线是用来表示用电功率随时间变化关系的图形。它反映了用户用电的特点和规律。该曲线绘制在直角坐标系内，纵坐标表示电力负荷，横坐标表示时间（小时为单位）。根据纵坐标表示的负荷性质不同，可分有功负荷曲线和无功负荷曲线。根据横坐标表示的持续工作时间的不同，又可分为负荷班、日、星期、月、季度和年负荷曲线。日负荷曲线代表用户一昼夜(0时～24时)实际用电负荷的变化情况。如图2-1(a)所示。年负荷曲线代表用户全年(8760h)内用电负荷变化规律。负荷曲线按负荷对象分，有单位的、大楼的或某类设备的负荷曲线。通常，为了使用方便，负荷曲线多绘制成阶梯形。如图2－1(b)为某工厂的阶梯形的日负荷曲线。第二章建筑供配电的负荷计算年负荷曲线1、负荷持续时间曲线，按负荷大小依次排列，如图2-2c所示，全年按8760h计。上述年负荷曲线，根据其一年中具有代表性的夏日负荷曲线(图2-3a)和冬日负荷曲线(图2-3b)来绘制。其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。例如在我国北方，可近似地认为夏日165天，冬日200天；而在我国南方，则可近似地认为夏日200天，冬日165天。假设绘制南方某厂的年负荷曲线(图2-2c)，其中P1在年负荷曲线上所占的时间T1=200(t1+t1′)，P2在年负荷曲线上所占的时间T2=200t2+165t2′，其余类推。第二章建筑供配电的负荷计算年负荷曲线的另一种形式，是按全年每日的最大负荷(通常取每日最大负荷的半小时平均值)绘制的，称为年每日最大负荷曲线，如图所示。横坐标依次以全年十二个月份的日期来分格。这种年最大负荷曲线，可以用来确定拥有多台电力变压器的变电所在一年内的不同时期宜于投入几台运行，即所谓经济运行方式，以降低电能损耗，提高供电系统的经济效益。第二章建筑供配电的负荷计算二、与负荷计算有关的几个物理量(一)年最大负荷和最大负荷利用小时数年最大负荷是指全年中最大工作班内半小时（30分钟）平均功率的最大值，并用符号Pm、Qm和Sm分别表示年有功、无功和视在最大负荷。半小时（30分钟）平均最大功率P30所谓最大工作班，是指一年中最大负荷的工作班次，最大负荷最少出现2～3次的最大负荷，而不是偶然出现的某一个工作班。年最大负荷利用小时数Tm，是一个假想时间。其物理意义是，如果用户以年最大负荷(如Pm)持续运行Tmh，则所消耗的电能恰好等于全年实际消耗的电能。如图2-3(c)所示，年持续负荷曲线与两轴所包络的面积，等于Pm与Tm的乘积(即面积I等于面积Ⅱ)，所以Tm可表达为：年最大负荷利用小时是反映电力负荷特征的一个重要参数，与工厂的生产班制有明显的关系。例如一班制工厂，Tmax≈1800～3000h；两班制工厂，Tmax≈3500～4800h；三班制工厂，Tmax≈5000～7000h。第二章建筑供配电的负荷计算(二)平均负荷和负荷系数(1)平均负荷是指电力用户在一段时间内消耗功率的平均值，记作Pav，Qav，Sav如图所示为平均有功负荷，其值为用户在由0到t时间内所消耗的电能Wp(kWh)除以时间t，即：(2)负荷系数又称负荷率，它是用电负荷的平均负荷Pav与其最大负荷Pm的比值.对负荷曲线来说，负荷系数亦称负荷曲线填充系数，它表征负荷曲线不平坦的程度，即表征负荷起伏变动的程度。从充分发挥供电设备的能力、提高供电效率来说，希望此系数越高越趋近于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”，提高负荷系数。负荷系数通常以百分值表示。负荷系数(负荷率)的符号有功负荷率用α、无功负荷率用β表示，即：第二章建筑供配电的负荷计算(三)需用系数在供配电系统设计和运行中，常使用需用系数Kd，其与Pm、Pe的关系为：需用系数是一个综合系数，Kd只能靠测量统计确定。上述各种因素可供设计人员在变动的系数范围内选用时参考。表2-3为某些工厂的全厂需用系数及功率因数。表2-4为用电设备组的需用系数。表2-5为照明用电设备需用系数。表2-6电气光源的功率因数。表2-7为民用建筑用电设备需用系数；表2-8为单机负载率。(四)利用系数（不讲）第二章建筑供配电的负荷计算三、计算负荷定义求计算负荷，也称需用负荷。目的是为了合理的选择供配电系统各级电压供电网络、主接线、变压器容量和电器设备型号等。如何选？用按发热条件选择供电系统中各元件的负荷值。根据计算负荷选择的电气设备和导线电缆，如果以计算负荷连续运行，其发热温度不会超过允许值。第二章建筑供配电的负荷计算一般选P30作为Pm，作为计算负荷使用。原因（1）选择设备时要考虑到最严重的情况下也能正常运行。（最大负荷）（2）由于导体通过电流达到稳定温升的时间大约需(3～4)τ，τ为发热时间常数。截面在16mm2及以上的导体，其r≥10min，因此载流导体大约经30min(半小时)后可达到稳定温升值。由此可见，计算负荷实际上与从负荷曲线上查得的半小时最大负荷P30(亦即年最大负荷Pmax)是基本相当的。所以计算负荷也可以认为就是半小时最大负荷。第二章建筑供配电的负荷计算第四节求计算负荷的方法一、按需用系数法确定计算负荷(一)三相用电设备组的计算负荷：公式例题第二章建筑供配电的负荷计算(二)多个用电设备组的计算负荷多个用电设备组同时工作，各个用电设备组的最大负荷也非同时出现，因此计算总负荷时，应再计入一个同时系数(或叫同期系数，混合系数)KΣ。具体计算如下：第二章建筑供配电的负荷计算三、计算负荷的估算方法(一)单位产品耗电量法当已知企业年生产量为n，每生产单位产品电能消耗量为ω(见表)，则：（二)负荷密度法当已知车间生产面积或某建筑面积负荷密度ρ时，车间的平均负荷或某建筑的平均负荷可按下式计算：(三)其他估算法:第二章建筑供配电的负荷计算五、单相负荷计算在工厂里，除了广泛应用的三相设备外，还应用有电焊机、电炉、电灯等各种单相设备。在民用中有大量的单相负荷。单相设备接在三相线路中，应尽可能均衡分配，使三相负荷尽可能均衡。1、如果三相线路中单相设备的总容量不超过三相设备总容量的15％，则不论单相设备如何分配，单相设备可与三相设备综合按三相负荷平衡计算。2、如果单相设备容量超过三相设备容量的15％时，则应将单相设备容量换算为等效三相设备容量，再与三相设备容量相加。3、由于确定计算负荷的目的，主要是为了选择线路上的设备和导线(包括电缆)，使线路上的设备和导线在通过计算电流时不致过热或损坏，因此在接有较多单相设备的三相线路中，不论单相设备接于相电压还是线电压，只要三相负荷不平衡，就应以最大负荷相有功负荷的3倍作为等效三相有功负荷，以满足安全运行的要求。（等效原则）第二章建筑供配电的负荷计算单相设备组等效三相负荷的计算1．单相设备接于相电压时的等效三相负荷计算等效三相设备容量Pe应按最大负荷相所接单相设备容量Pemφ的3倍计算，即等效三相计算负荷则按前述需要系数法计算。2．单相设备接于线电压时的等效三相负荷计算3．单相设备分别接于线电压和相电压时的等效三相负荷计算首先应将接于线电压的单相设备换算为接于相电压的设备容量，然后分相计算各相的设备容量和计算负荷。总的等效三相有功计算负荷为其最大有功负荷相的有功计算负荷P30mφ的3倍，即总的等效三相无功计算负荷为最大有功负荷相的无功计算负荷Q30mφ的3倍，即第二章建筑供配电的负荷计算线电压的单相设备容量换算为接于相电压的设备容量1、负荷均摊法：即2、系数法：第二章建筑供配电的负荷计算四、民用建筑负荷计算照明：一般用电插座每个可按100W计算：需要系数：按逐级计算法确定总计算负荷：第二章建筑供配电的负荷计算第六节供配电系统的功率损耗与电能需要量计算一、供电线路的功率损耗三相供电线路的有功功率损耗△P，无功功率损耗△Q分别按下式计算：第二章建筑供配电的负荷计算二、变压器的功率损耗变压器的损耗包括有功功率损耗△PT和无功功率损耗△QT。(一)有功功率损耗有功功率损耗又由两部分组成。其一为空载损耗，又称铁损(固定损耗），它是变压器主磁通在铁芯中产生的有功损耗（磁滞、涡流）。因为变压器主磁通只与外加电压有关，当外加电压u和频率f恒定时，铁损也为常数，与负荷大小无关。空载损耗可由空载实验确定。另一部分是短路损耗，又称铜损，它是变压器负荷电流在一次、二次绕组的电阻中产生的有功损耗，其值与负荷电流平方(或功率)成正比。短路损耗可由短路实验确定。所以双卷变压器有功功率损耗表达式为(二)无功功率损耗同样，无功功率损耗也由两部分组成。一部分是变压器空载时，由产生主磁通励磁电流所造成的无功损耗。另一部分是由变压器负荷电流在一、二次绕组电抗上产生的无功损耗（漏磁通）。其表达式为：第二章建筑供配电的负荷计算三、无功补偿及补偿后的计算负荷无功补偿的必要性电力系统中使用的输变电设备及电力用户的用电设备，如电力变压器、电抗器、感应电动机、电焊机、高频炉、日光灯等大部分具有电感的特性。它们在建立交变磁场时需从电力系统中吸收无功功率。但无功功率并不是实际作功的功率，电力系统中的发电设备在其发出的视在功率为一定时，无功功率需求的增加，将会造成发出的有功功率的下降而影响