第3章 负荷计算及无功补偿

第3章负荷计算及无功补偿供配电技术南京师范大学电气工程系2第3章负荷计算及无功补偿3.1负荷曲线与计算负荷3.2用电设备额定容量的确定3.3负荷计算的方法3.4功率损耗与电能损耗3.5变电所中变压器台数与容量的选择3.6功率因数与无功功率补偿33.1负荷曲线与计算负荷3.1.1负荷曲线负荷曲线（loadcurve）是指用于表达电力负荷随时间变化情况的函数曲线。在直角坐标系中，纵坐标表示负荷（有功功率或无功功率）值，横坐标表示对应的时间（一般以小时为单位）。41．负荷曲线的分类按负荷的功率性质分：可分为有功负荷曲线和无功负荷曲线；按所表示的负荷变动的时间分：可分为日负荷、月负荷和年负荷曲线。5672．年最大负荷和年最大负荷利用小时数（1）年最大负荷Pmax年最大负荷Pmax就是全年中负荷最大的工作班内消耗电能最大的半小时的平均功率，因此年最大负荷也称为半小时最大负荷P30。（2）年最大负荷利用小时数Tmax年最大负荷利用小时数又称为年最大负荷使用时间Tmax，它是一个假想时间，在此时间内，电力负荷按年最大负荷Pmax(或P30)持续运行所消耗的电能，恰好等于该电力负荷全年实际消耗的电能。8下图为某厂年有功负荷曲线，此曲线上最大负荷Pmax就是年最大负荷，Tmax为年最大负荷利用小时数。93.平均负荷Pav平均负荷Pav，就是电力负荷在一定时间t内平均消耗的功率，也就是电力负荷在该时间内消耗的电能W除以时间t的值，即Pav=W/t年平均负荷为Pav=Wa/8760103.1.2计算负荷（calculatedload）通常将以半小时平均负荷为依据所绘制的负荷曲线上的“最大负荷”称为计算负荷，并把它作为按发热条件选择电气设备的依据，用Pca(Qca、Sca、Ica)或P30(Q30、S30、I30)表示。11规定取“半小时平均负荷”的原因：一般中小截面导体的发热时间常数τ为10min以上，根据经验表明，中小截面导线达到稳定温升所需时间约为3τ=3×10＝30（min），如果导线负载为短暂尖峰负荷，显然不可能使导线温升达到最高值，只有持续时间在30min以上的负荷时，才有可能构成导线的最高温升。123.1.3负荷计算的意义和目的负荷计算主要是确定计算负荷，如前所述，若根据计算负荷选择导体及电器，则在实际运行中导体及电器的最高温升不会超过允许值。计算负荷是设计时作为选择工厂供配电系统供电线路的导线截面、变压器容量、开关电器及互感器等的额定参数的依据。正确确定计算负荷意义重大，是供电设计的前提，也是实现供电系统安全、经济运行的必要手段。返回目录133.2用电设备额定容量的确定3.2.1用电设备的工作方式用电设备按其工作方式可分为三种：（1）连续运行工作制（长期工作制）（2）短时运行工作制（短暂工作制）（3）断续运行工作制（重复短暂工作制）14连续运行工作制（长期工作制）在规定的环境温度下连续运行，设备任何部分温升均不超过最高允许值，负荷比较稳定。如通风机水泵、空气压缩机、皮带输送机、破碎机、球磨机、搅拌机、电机车等机械的拖动电动机，以及电炉、电解设备、照明灯具等，均属连续运行工作制的用电设备。15短时运行工作制（短暂工作制）用电设备的运行时间短而停歇时间长，在工作时间内，用电设备的温升尚未达到该负荷下的稳定值即停歇冷却，在停歇时间内其温度又降低为周围介质的温度，这是短暂工作的特点。如机床上的某些辅助电动机（如横梁升降、刀架快速移动装置的拖动电动机）及水闸用电动机等设备。这类设备的数量不多。16断续运行工作制（重复短暂工作制）用电设备以断续方式反复进行工作，其工作时间（t）与停歇时间（t0）相互交替。工作时间内设备温度升高，停歇时间温度又下降，若干周期后，达到一个稳定的波动状态。如电焊机和吊车电动机等。断续周期工作制的设备，通常用暂载率ε表征其工作特征，取一个工作周期内的工作时间与工作周期的百分比值，即为ε，即：式中t，t0——工作时间与停歇时间，两者之和为工作周期T。%1000tttTt173.2.2用电设备额定容量的计算在每台用电设备的铭牌上都有“额定功率”PN，但由于各用电设备的额定工作方式不同，不能简单地将铭牌上规定的额定功率直接相加，必须先将其换算为同一工作制下的额定功率，然后才能相加。经过换算至统一规定的工作制下的“额定功率”称为“设备额定容量”，用Pe表示。18（1）长期工作制和短时工作制的设备容量Pe=PN（2）重复短暂工作制的设备容量①吊车机组用电动机（包括电葫芦、起重机、行车等）的设备容量统一换算到ε=25%时的额定功率（kW），若其εN不等于25%时应进行换算，公式为:②电焊机及电焊变压器的设备容量统一换算到ε＝100%时的额定功率（kW）。若其铭牌暂载率εN不等于100%时，应进行换算，公式为:nNNNePPP2%25NNNNNeSPPcos19（3）电炉变压器的设备容量电炉变压器的设备容量是指在额定功率因数下的额定功率（kW），即：Pe=PN=SN·cosＮ20（4）照明设备的设备容量①白炽灯、碘钨灯设备容量就等于灯泡上标注的额定功率（kW）；②荧光灯还要考虑镇流器中的功率损失（约为灯管功率的20%），其设备容量应为灯管额定功率的1.2倍（kW）；③高压水银荧光灯亦要考虑镇流器中的功率损失（约为灯泡功率的10%），其设备容量应为灯泡额定功率的1.1倍（kW）；④金属卤化物灯：采用镇流器时亦要考虑镇流器中的功率损失（约为灯泡功率的10%），故其设备容量应为灯泡额定功率的1.1倍（kW）。21（5）不对称单相负荷的设备容量当有多台单相用电设备时，应将它们均匀地分接到三相上，力求减少三相负载不对称情况。设计规程规定，在计算范围内，单相用电设备的总容量如不超过三相用电设备总容量的15%时，可按三相对称分配考虑，如单相用电设备不对称容量大于三相用电设备总容量的15%时，则设备容量Pe应按三倍最大相负荷的原则进行换算。22设备接于相电压或线电压时，设备容量Pe的计算如下：•单相设备接于相电压时Pe＝3Pe·m式中Pe——等效三相设备容量；Pe·m——最大负荷所接的单相设备容量。•单相设备接于线电压时式中Pe·l——接于同一线电压的单相设备容量。leePP3返回目录233.3负荷计算的方法负荷计算的方法有：需要系数法、二项式法、利用系数法、形状系数法、附加系数法.需要系数法比较简便因而广泛使用。这里仅介绍需要系数法。24需要系数需要系数考虑了以下的主要因素：式中K——同时使用系数，为在最大负荷工作班某组工作着的用电设备容量与接于线路中全部用电设备总额定容量之比；KL——负荷系数，用电设备不一定满负荷运行，此系数表示工作着的用电设备实际所需功率与其额定容量之比；ηwl——线路供电效率；η——用电设备组在实际运行功率时的平均效率。wlLdKKK25实际上，上述系数对于成组用电设备是很难确定的，而且对一个生产企业或车间来说，生产性质,工艺特点，加工条件，技术管理和劳动组织以及工人操作水平等因素，都对Kd有影响。所以Kd只能靠测量统计确定,见附录表3~5。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。263.3.1需要系数法由负荷端逐级向电源端进行计算271．单台用电设备的计算负荷（1）有功计算负荷：考虑到单台用电设备总会有满载运行的时候，其计算负荷Pca·1为式中Pe—换算到统一暂载率下的电动机的额定容量；η—用电设备在额定负载下的的效率。（2）无功计算负荷：Qca·1=Pca·1tan式中—用电设备功率因数角。计算目的：用于选择分支线导线及其上的开关设备。ecaPP1·282.用电设备组的计算负荷（1）有功计算负荷：Pca·2=Kd∑PeKd—用电设备组的需要系数，见附录表3；∑Pe—用电设备组的设备额定容量之和，但不包括备用设备容量。（2）无功计算负荷：Qca·2=Pca·2tanwmtanwm值见附录表3。（3）视在计算负荷：计算目的：用于选择各组配电干线及其上的开关设备。22222cacacaQPS29当Kd值有一定变动范围时，取值要作具体分析。如台数多时，一般取用较小值，台数少时取用较大值；设备使用率高时，取用较大值，使用率低时取用较小值。当一条线路内的用电设备的台数较小（n3台）时，一般是将用电设备额定容量的总和作为计算负荷，或者采用较大的Kd值(0.85~1)。303．确定车间配电干线或车间变电所低压母线上的计算负荷（1）总有功计算负荷：Pca·3＝Ｋ∑ΣPca·2（2）总无功计算负荷：Qca·3＝Ｋ∑ΣQca·2（3）总视在计算负荷：Pca·3、Qca·3、Sca·3ΣPca·2、ΣQca·2－各用电设备组的有功、无功计算负荷的总和Ｋ∑－最大负荷时的同时系数。考虑各用电设备组的最大计算负荷不会同时出现而引入的系数。Ｋ∑的范围值见附录表6。注意：当变电所的低压母线上装有无功补偿用的静电电容器组，其容量为Qc3,则当计算Qca·3时，要减去无功补偿容量，即Qca·3＝Ｋ·ΣQca·2－Qc3计算目的：用于选择车间配电干线及其上的开关设备，或者用于低压母线的选择及车间变电所电力变压器容量的选择。23233cacacaQPS314.确定车间变电所中变压器高压侧的计算负荷Pca·4＝Pca·3+ΔPTQca·4＝Qca·3+ΔQTPca·４、Qca·４、Sca·４－车间变电所中变压器高压侧的有功、无功及视在计算负荷（kW、kvar及kVA）ΔPT、ΔQT－变压器的有功损耗与无功损耗（kW、kvar）。计算目的：用于选择车间变电所高压配电线及其上的开关设备32在计算负荷时，车间变压器尚未选出，无法根据变压器的有功损耗与无功损耗的理论公式进行计算，因此一般按下列经验公式估算：对SJL1等型电力变压器：ΔPT≈0.02Sca·3（kW）ΔQT≈0.08Sca·3（kvar）对SL7、S7、S9、S10等低损耗型电力变压器：ΔPT≈0.015Sca·3（kW）ΔQT≈0.06Sca·3（kvar）式中Sca·3－变压器低压母线上的计算负荷（kVA）。335.确定全车间变电所中高压母线上的计算负荷Pca·5＝ΣPca·4+P4mQca·5＝ΣQca·4+Q4mP4m、Q4m—车间高压用电设备的有功及无功计算负荷。计算目的：用于车间变电所高压母线的选择。25255cacacaQPS346.确定总降压变电所出线上的计算负荷Pca·6=Pca·5+ΔPL≈Pca·5Qca·6=Qca·5+ΔQL≈Qca·5Sca·6≈Sca·5ΔPL、ΔQL—高压线路功率损耗，由于一般工厂范围不大，线路功率损耗小，故可忽略不计。计算目的：用于选择总降压变电所出线及其上的开关设备。357.确定总降压变电所低压侧母线的计算负荷Pca·7＝ＫΣΣPca·６Qca·7＝ＫΣΣQca·６注意：如果在总降压变电所６~10kV二次母线侧采用高压电容器进行无功功率补偿，则在计算总无功功率Qca·7时，应减去补偿设备的容量Qc7，即Qca·7＝ＫΣΣQca·６-Qc7计算目的：用于选择总降压变电所低压母线以及选择总降压变电所主变压器容量。27277cacacaQPS368．确定全厂总计算负荷Pca·8＝Pca·7+ΔPTQca·8＝Qca·7+ΔQT计算目的：全厂总计算负荷的数值可作为向供电部门申请全厂用电的依据，并作为原始资料进行高压供电线路的电气计算，选择高压进线导线及进线开关设备。28288cacacaQPS37例3.3.1一机修车间的380V线路上，接有金属切削机床电动机20台共50kW；另接通风机3台共5kW；电葫芦4个共6kW（FCN=40%）试求计算负荷。解：冷加工电动机组：查附录表3可得Kd=0.16~0.2（取0.2），cos=0.5，tan=1.73，因此Pca(1)=Kd∑Pe=0.2×50=10(kW)Qca(1)=Pca(1)tanwm=10×1.73=17.3(kvar)Sca(1)=P