0第2章 电力负荷及其计算

第2章电力负荷及其计算供配电工程山东农业大学电气工程系2第2章负荷计算及无功补偿2.1负荷曲线与计算负荷2.2用电设备额定容量的确定2.3负荷计算的方法2.4功率损耗与电能损耗2.5工厂的计算负荷和年电能消耗量2.6建筑用电负荷的计算方法2.7功率因数与无功功率补偿2.8尖峰电流计算32.1负荷曲线与计算负荷“电力负荷”在不同的场合可以有不同的含义，它可以指用电设备或用电单位，也可以指用电设备或用电单位的功率或电流的大小。一、工厂常用用电设备简介4①生产加工机械的拖动设备；②电焊、电镀设备；③电热设备；④照明设备。5机床设备起重运输设备功能金属切削金属压力加工功能起吊搬运物料运输客货车床铣床刨床钻床磨床组合机床镗床冲床锯床剪床砂轮机吊车行车输送机电梯自动扶梯1.生产机械的拖动设备生产机械的拖动设备62．电焊和电镀设备电焊设备电焊机的工作特点是：（1）工作方式呈一定的同期性，工作时间和停歇时间相互交替。（2）功率较大。（3）功率因数很低。（4）一般电焊机的配置不稳定，经常移动。7电镀设备的工作特点是：（1）工作方式是长期连续工作的。（2）供电采用直流电源，需要晶闸管整流设备。（3）容量较大，功率因数较低。电镀的作用：防止腐蚀，增加美观，提高零件的耐磨性或导电性等，如镀铜、镀铬。电镀设备83．电热设备电热设备的工作特点是：（1）工作方式为长期连续工作方式。（2）电力装置一般属二级或三级负荷。（3）功率因数都较高，小型的电热设备可达到1。主要用于各种零件的热处理主要用于矿石熔炼、金属熔炼主要用于熔炼和金属材料热处理红外线加热、微波加热和等离子加热等94．照明设备白炽灯、卤钨灯、荧光灯、高压汞灯、高压钠灯、钨卤化物灯和单灯混光灯等。照明设备的工作特点：（1）工作方式属长期连续工作方式。（2）除白炽灯、卤钨灯的功率因数为1外，其它类型的灯具功率因数均较低。（3）照明负荷为单相负荷，单个照明设备容量较小。（4）照明负荷在工厂总负荷中所占比例通常在10%左右。10高压钠灯高压钠灯11高压汞灯高压汞灯卤钨灯卤钨灯12管形氙灯金属卤化物灯135．工厂用电负荷的分类序号车间用电设备负荷级别1金属加工车间价格昂贵、作用重大，稀有的大型数控机床一级价格贵，作用大，数量多的数控机床二级2铸造车间冲天炉、鼓风机、30t及以上的浇铸起重机三级3热处理车间井式炉专用淬火起重机、井式炉油槽抽油泵二级4锻压车间锻造专用起重机、水压机、高压水泵、油压机二级5电镀车间大型电镀用整流设备、自动流水作业生产线二级6模具成型车间隧道窑鼓风机、卷扬机二级7层压制品车间压塑机及供热锅炉二级表2－1小型机械类工厂中常用重要电力负荷的级别分类14序号车间用电设备负荷级别8线缆车间冷却水泵、鼓风机、润滑泵、高压水泵、水压机、真空泵、液压泵、收线用电设备、漆泵电加热设备二级9空压站单台60m3/min以上空压机二级有高位油箱的离心式压缩机、润滑油泵二级离心式压缩机润滑油泵一级表2－1小型机械类工厂中常用重要电力负荷的级别分类152.1负荷曲线与计算负荷二、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）。161．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；按负荷对象不同，分用户、车间或某类设备负荷曲线。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。172日负荷曲线日负荷曲线表示负荷在一昼夜间（0~24h）变化情况。如图2-1。日负荷曲线可用测量的方法绘制。绘制的方法是：（1）以某个监测点为参考点，在24h中各个时刻记录有功功率表的读数，逐点绘制而成折线形状，称折线形负荷曲线，见图2-1a。（2）通过接在供电线路上的电度表，每隔一定的时间间隔（一般为半小时）将其读数记录下来，求出0.5h的平均功率，再依次将这些点画在坐标上，把这些点连成阶梯状的是阶梯形负荷曲线，图2-1b所示。183年负荷曲线年负荷曲线反映负荷全年（8760h）变动情况。如图2-2所示。年负荷曲线又分为年运行负荷曲线和年持续负荷曲线。年运行负荷曲线可根据全年日负荷曲线间接制成；年持续负荷曲线的绘制，要借助一年中有代表性的冬季日负荷曲线和夏季日负荷曲线。通常用年持续负荷曲线来表示年负荷曲线，绘制方法如图2-2所示。其中夏季和冬季在全年中占的天数视地理位置和气温情况而定。一般在北方，近似认为冬季200天，夏季165天；在南方，近似认为冬季165天，夏季200天。图2-2是南方某用户的年负荷曲线，图中P1在年负荷曲线上所占的时间计算为T1=200t1+165t2。19注意：日负荷曲线是按时间的先后绘制，而年负荷曲线是按负荷的大小和累计时间绘制。分析负荷曲线可以了解负荷变动的规律，对供电设计人员来说，可从中获得一些对设计有用的资料；对运行来说，可合理地、有计划地安排用户、车间、班次或大容量设备的用电时间，降低负荷高峰，填补负荷低谷，这种“削峰填谷”的办法可使负荷曲线比较平坦，从而达到节电效果。2021222．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。23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。24Tmax是反映工厂负荷是否均匀的一个重要参数。该值越大，则负荷越平稳。如果年最大负荷利用小时为8760h，说明负荷常年不变（实际不太可能）。Tmax与用户的性质和生产班制有关，例如一班制工厂，Tmax约为1800～3000h，两班制工厂，Tmax约为3500～4800h,三班制工厂，Tmax约为5000～7000h，居民用户Tmax约为1200～2800h。25表2-2某些企业的年最大负荷利用小时数电器工厂42806420工厂类别年最大负荷利用小时数（h）有功负荷无功负荷重型机械制造厂37704840机床厂43454750工具厂41404960滚珠轴承厂53006130起动运输设备厂33003880汽车拖拉机厂49605240农业机械制造厂53304220仪器制造厂30803180汽车修理厂43703200车辆修理厂35603660金属加工厂43555880263.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/87602728•负荷系数在最大工作班内，平均负荷与最大负荷之比。avmPPavmQQ一般工厂年负荷系数年平均值为：α=0.7~0.75β=0.76~0.8229负荷系数又称负荷率或负荷填充系数，他表征负荷曲线不平坦的程度，负荷系数越接近1，负荷越平坦。所以用户应尽量提高负荷系数，从而充分发挥供电设备的供电能力、提高供电效率。有时也用α表示有功负荷系数，用β表示无功负荷系数。一般工厂α=0.7~0.75，β=0.76~0.82他表征该设备或设备组的容量是否被充分利用。对于单个用电设备或用电设备组，负荷系数是指设备的输出功率P和设备额定容量PN之比值，即LNPKP30三、计算负荷（30lculatedload）计算负荷是供电设计计算的基本依据，它是选择供电系统中各元件的依据，故非常重要。计算负荷的定义：通过负荷的统计计算求出的，用来按发热条件选择导体和电器设备的一个假想负荷。以这个不变的“假想负荷”持续运行所产生的热效应与实际运行的变动的负荷所产生的最大热效应相等31计算负荷的数值与半小时最大负荷P30基本相等，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，所以用P30来表示有功计算负荷（KW），无功计算负荷表示为Q30（Kvar），视在计算负荷表示为S30（KVA），计算电流表示为I30（A）。也有用Pc(Qc、Sc、Ic)表示的。计算负荷的物理意义：设有一电阻为R的导体，在一定时间内通过一变动负荷，其最高温升达到τ值，如果这根导体在相同的时间内通过另一不变负荷其最高温升也达到τ值，则这个不变负荷就是该变动负荷的计算负荷，即计算负荷和实际负荷最高温升是等值的。32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。较大截面的导体发热时间常数往往大于10min，30min还不能达到稳定温升。)142(30max30max30max30maxIIISSSQQQPPPdefdefcdefdefcdefdefcdefdefc34四、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。35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。计算负荷是供电设计计算的基本依据。计算负荷的确定是否合理，将直接影响到电器设备和导线电缆的选择是否经济合理。计算负荷不能定得太大，否则选择的电器设备和导线电缆将会过大而造成投资和有色金属的浪费；计算负荷也不能定得过小，否则选择的电器设备和导线电缆将会长期处于过负荷下运行，增加电能损耗，产生过热，导致绝缘过早老化甚至烧毁。返回目录362.2用电设备额定容量的确定一、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）37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。38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。39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40二、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。41（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