第2章 负荷计算

第二章 供配电的负荷计算,第一节 负荷曲线第二节 用电设备的设备容量第三节 负荷计算的方法第四节 功率损耗和电能损耗 第五节 全厂负荷计算第六节 尖峰电流的计算 第七节 功率因数及无功功率补偿,第一节 负荷曲线,负荷曲线是电力负荷随时间变化的图形。一、日负荷曲线：负荷在一昼夜间（024h）变化情况。 制作：（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。（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。,二、年持续负荷曲线 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。 绘制方法如图2-2所示。图2-2是南方某厂的年负荷曲线，图中P1在年负荷曲线上所占的时间计算为 T1=200t1+165t2。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核定。 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 年负荷持续时间曲线的绘制（a）夏季日负荷曲线 （b）冬季日负荷曲线 （c）年负荷持续时间曲线,三、负荷曲线的有关物理量,1.年最大负荷和年最大负荷利用小时（1）年最大负荷Pmax年最大负荷是指全年中负荷最大的工作班内30分钟平均功率的最大值。（2）年最大负荷利用小时Tmax如图2-3所示，阴影为全年实际消耗电能，如果以Wa表示全年实际消耗的电能,则有：,图2-3 年最大负荷和年最大负荷利用小时,图2-4 年平均负荷,2.平均负荷和负荷系数（1）平均负荷Pav平均负荷就是指电力负荷在一定时间内消耗的功率的平均值。,年平均负荷Pav,如图2-4所示，阴影部分表示全年实际消耗的电能Wa，则：,（2）负荷系数 KL 负荷系数是指平均负荷与最大负荷的比值，有功负荷系数KaL和无功负荷系数KrL，即,有时也用表示有功负荷系数，用表示无功负荷系数。一般工厂=0.70.75，=0.760.82 注意：对单个用电设备或用电设备组，有：,第二节 用电设备的设备容量,一、 设备容量的定义 设备的銘牌额定功率PN经过换算至统一规定的工作制下的“额定功率”称为设备容量，用Pe来表示。,二、 设备容量的确定 1.长期工作制和短期工作制的用电设备长期工作制和短时工作制的设备容量就是所有设备的銘牌额定功率，即 Pe=PN 2.反复短时工作制的用电设备反复短时工作制的设备容量是指某负荷持续率的额定功率换算到统一的负荷持续率下的功率。,式中，PN为电焊机额定有功功率；SN为额定视在功率；N为额定负荷持续率； cosN为额定功率因数。,1）电焊机和电焊装置组 要求统一换算到=100%时的功率，即：,2）起重机（吊车电动机） 要求统一换算到=25%时的功率，即：,3）电炉变压器组 设备容量是指额定功率下的有功功率，即： Pe=SN*cosN,4）照明设备不用镇流器的照明设备的设备容量指灯头的额定功率，即： Pe= PN用镇流器的照明设备的设备容量要包括镇流器中的功率损失。荧光灯： Pe=1.2PN 高压水银灯、金属卤化物灯：Pe= 1.1 PN 照明设备的设备容量还可按建筑物的单位面积容量法估算：,式中：,是建筑物单位面积的照明容量，S为建筑物的面积。,第三节 负荷计算的方法,一、 计算负荷的估算法 1、单位产品耗电量法 有功计算负荷为：,式中，Wa为全年电能，Wa=am，m为年产量，a为单位产品的耗电量；Tmax为年最大负荷利用小时数。,2、单位面积负荷密度法 若已知车间生产面积S和负荷密度指标时，车间平均负荷为: Pav=*S， 车间计算负荷为:,二、需要系数法 Kd 所有用电设备的计算负荷并不等于其设备容量，两者之间存在一个比值关系，因此引进需要系数的概念，即,1、单组用电设备的计算负荷,式中，Kd为需要系数；Pe为设备容量；tg为设备功率因数角的正切值。,例2-1 已知某机修车间的金属切削机床组，有电压为380V的电动机30台，其总的设备容量为120kw。试求其计算负荷。,解：查表可得，Kd=0.16 0.2(取0.2计算)，cos=0.15, tg=1.73。根据公式得：PC= KdPe= 0.2120 = 24(KW) QC= PCtg= 241.73 = 41.52 (kvar) Sc= Pc/cos = 24/ 0.5 = 48 (kVA),2、多组用电设备的计算负荷,式中，n为用电设备组的组数，Kp、Kq分别为有功、无功同时系数，Pci，Qci为各用电设备组的计算负荷。,解 : (1) 冷加工机床：查附录表1可得Kd1=0.2，cos1=0.5，tg1=1.73 Pc1= Kd1Pe1=0.250=10kW Qc1=Pc1tg1=101.73=17.3kvar(2)通风机：Kd2=0.8，cos2=0.8，tg2=0.75 Pc2= Kd2Pe2=0.82.4=1.92kW Qc2=Pc2tg2=1.920.75=1.44kvar,例2-2 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，其中较大容量电动机有7.5kW2台，4kW2台，2.2kW8台；另接通风机1.2kW2台；电阻炉1台2kW。试求计算负荷（设同时系数Kp、Kq均为0.9）。,(3)电阻炉：因只1台，故其计算负荷等于设备容量 Pc3=Pe3=2kW Qc3=0 (4)车间计算负荷：,三、二项式法,(1)单组用电设备的计算负荷,式中，b、c为二项式系数；Pe是该组用电设备组的设备总容量；Px为x台最大设备的总容量，当用电设备组的设备总台数n2x时，则最大容量设备台数取x=n/2，且按“四舍五入”法取整，当只有一台设备时，可认为Pc=Pe；tg为设备功率因数角的正切值。,(2)多组用电设备的计算负荷,式中，（bPe）i为各用电设备组的平均功率,Pe是各用电设备组的设备总容量；cPx为每组用电设备组中x台容量较大的设备的附加负荷；（cPx）max为附加负荷最大的一组设备的附加负荷； tgmax为最大附加负荷设备组的功率因数角的正切值。,例2-3 试用二项式法来确定例2-2中的计算负荷。解: 求出各组的平均功率bPe和附加负荷cPx （）金属切削机床电动机组 查附录表1，取b1=0.14，c1=0.4，x1=5，cos1=0.5，tg1=1.73，x=5，则 (bPe)1=0.1450=7kW (cPx)1=0.4(7.52+42+2.21)=10.08kW,（）通风机组查附录表1，取b2=0.65，c2=0.25，cos2=0.8，tg2=0.75，n=22x，取x2=n/2=1，则 (bPe)2=0.652.4=1.56kW (cPx)2=0.251.2=0.3kW（） 电阻炉 (bPe)3=2kW (cPx)3=0,显然，三组用电设备中，第一组的附加负荷(cPx)1最大，故总计算负荷为 ：Pc=（bPe）i+（cPx）1=(7+1.56+2)+10.08=20.64kW,比较例2-2和例2-3的计算结果可知，按二项式法计算的结果比按需要系数法计算的结果大得多。 可见二项式法更适用于容量差别悬殊的用电设备的负荷计算。,Qc=（bPetg）i+（cPx） tg1 =(71.73+1.560.75+0)+10.081.73=30.72kvar,四、单相负荷计算,单相设备应尽可能地均匀分布在三相上，以使三相负荷保持平衡。单相负荷的计算如下： 1.三相线路中单相设备的总容量不超过三相总容量的15%时，单相设备可按三相负荷平衡计算。2.三相线路中单相设备的总容量超过三相总容量的15%时，应把单相设备容量换算为等效三相设备容量，再算出三相等效计算负荷。单相设备组等效三相设备容量的计算如下：,（1）单相设备接于相电压时Pe = 3Pem式中，Pem为最大负荷相所接的单相设备容量（2）单相设备接于线电压时,接于同一线电压时,接于不同线电压时设接于三个线电压的设备容量分别为P1、P2、P3，且cos1cos2cos3，P1P2P3，则等效三相设备容量为,（3）有的单相设备接于线电压、有的单相设备接于相电压时应将接于线电压的单相设备容量换算为接于相电压的设备容量，然后分别计算各相的设备容量。 将线电压的单相设备容量换算为相电压的设备容量的换算公式为：,PAB、PBC、PCA为接于AB、BC、CA相间的有功设备容量；PeA、PeB、PeC为换算为 A、B、C相的有功设备容量； QeA、QeB、QeC为换算为A、B、C相的无功设备容量；pAB-A、qAB-A等为有功和无功换算系数。,等效三相设备容量计算出来后，就可以算出等效三相计算负荷：第（1）和第（2）种情况可直接用需要系数法算出等效三相计算负荷；第（3）种情况的等效三相计算负荷取其最大有功负荷相的计算负荷的3倍，即,式中，Pcm为最大有功负荷相的有功计算负荷；Qcm为最大有功负荷相的无功计算负荷。,例2-4,某220/380V三相四线制线路上，装有220V单相电热干燥箱6台、单相电加热器2台和380V单相对焊机6台。电热干燥箱20kW2台接于A相，30kW1台接于B相，10kW3台接于C相；电加热器20kW2台分别接于B相和C相；对焊机14kW（=100%）3台接于AB相，20kW（=100%）2台接于BC相，46kW（=60%）1台接于CA相。试求该线路的计算负荷。解: 1.电热干燥箱及电加热器的各相计算负荷 查附录表1得 Kd=0.7，cos=1，tg=0，因此只要计算有功计算负荷 A相 PcA1=KdPeA=0.7202=28kWB相 PcB1=KdPeB=0.7(301+201)=35kWC相 PcC1=KdPeC=0.7(103+201)=35kW,2.对焊机的各相计算负荷查附录表1得 Kd=0.35，cos=0.7，tg=1.02查表2-4得 cos=0.7时pAB-A=pBC-B=pCA-C=0.8pAB-B=pBC-C=pCA-A=0.2 qAB-A=qBC-B=qCA-C=0.22qAB-B=qBC-C=qCA-A=0.8,先将接于CA相的46kW（=60%）换算至=100%的设备容量，即,（1）各相的设备容量为 A相 PeA=pAB-APAB+pCA-APCA =0.8143+0.235.63=40.73kW QeA=qAB-APAB+qCA-APCA =0.22143+0.835.63=37.74kvar,B相 PeB=pBC-BPBC+pAB-BPAB =0.8202+0.2143=40.4kW QeB=qBC-BPBC+qAB-BPAB =0.22202+0.8143=42.4kvarC相 PeC=pCA-CPCA+pBC-CPBC =0.835.63+0.2202=36.5kWQeC=qCA-CPCA+qBC-CPBC =0.2235.63+0.8202=39.84kvar,（2）各相的计算负荷为 A相 PcA2=KdPeA=0.3540.73=14.26kW QcA2=KdQeA=0.3537.74=13.21kvarB相 PcB2=KdPeB=0.3540.4=14.14kW QcB2=KdQeB=0.3542.4=14.84kvarC相 PcC2=KdPeC=0.3536.5=12.78kWQcC2=KdQeC=0.3539.84=13.94kvar,3.各相总的计算负荷（设同时系数为0.95）A相 PcA=K（PcA1+PcA2） =0.95（28+14.26）=40.15kW QcA= K（QcA1+QcA2） =0.95（0+13.21）=12.55kvarB相 PcB= K（PcB1+PcB2） =0.95（35+14.14）=46.68kW QcB= K（QcB1+QcB2） =0.95（0+14.84）=14.10kvar,C相 PcC= K（PcC1+PcC2） =0.95（35+12.78）=45.39kW QcC= K（QcC1+QcC2） =0.95（0+13.94）=13.24kvar4.总的等效三相计算负荷 因为B相的有功计算负荷最大，所以 Pcm= PcB=46.68kW Qcm=QcB=14.10kvar Pc=3Pcm=346.68=140.04kW Qc=3Qcm=314.10=42.3kvar,第四节 功率损耗和电能损耗,一、 供配电系统的功率损耗 供配电系统的功率损耗是指最大功率时功率损耗 。1、线路的功率损耗： (1)线路功率损耗 PWL=3IC2RWL*10-3 QWL= 3IC2XWL*10-3 式中，Ic为线路的计算电流（A）；RWL为线路每相的电阻（），RWL=R0L，R0为线路单位长度的电阻（/km），L为线路的计算长度（km）；XWL为线路每相的电抗（），XWL =X0L，X0为线路单位长度的电抗（/km）。 (2)变压器的功率损耗 估算法 PT=0.015Sc QT=0.06 Sc,精确法有功功率损耗铁损PFe 空载损耗P0可认为就是铁损，所以铁损又称为空载损耗。铜损PCu 负载损耗Pk可认为就是额定电流下的铜损PCu。 变压器的有功功率损耗为,PT P0+Pk2,式中，SN为变压器的额定容量；Sc为变压器的计算负荷；为变压器的负荷率（= Sc/SN）,无功功率损耗空载无功功率损耗 Q0 负载无功功率损耗 QL 变压器的无功功功率损耗为：,式中，I0%为变压器空载电流占额定电流的百分值;Uk%为变压器的短路电压百分值。,二、供配电系统的电能损耗（1） 线路电能损耗 最大损耗时间：当线路或变压器中以最大计算电流Ic流过小时后所产生的电能损耗，等于全年流过实际变化的电流时所产生的电能损耗。 线路电能损耗 WL=PWL*（2） 变压器的电能损耗 WT=P0*8760+Pk( SC/SN)2*,第五节 用户负荷计算,一、负荷计算原则是选择电源进线和一、二次设备的基本依据。逐级计算法（用需要系数法）：从用电设备向电源方向逐级计算负荷。二、负荷计算的步骤（以下图为依据）,1.供给单台用电设备的支线的计算负荷确定（如图中1点处）计算目的：用于选择其开关设备和导线截面计算负荷为：,2.用电设备组计算负荷的确定（如图中2点处）计算目的：用来选择车间配电干线及干线上的电气设备。计算负荷为：,3.车间干线或多组用电设备的计算负荷确定（如图中3点处）计算公式为：,4.车间变电所低压母线计算负荷的确定（如图中4点处）计算目的：以此选择车间变电所的变压器容量。,5.车间变电所高压母线的计算负荷确定（如图中5点处）计算目的：以次选择高压配电线及其上的电气设备。计算公式：,估算：,6.总降变电所二次侧的计算负荷确定（如图中6点处）计算负荷为：,7.总降变电所高压侧的计算负荷确定（如图中7点处）计算负荷为：,第六节 尖峰电流的计算,尖峰电流Ipk是指单台或多台用电设备持续12秒的短时最大负荷电流。它是由于电动机起动、电压波动等原因引起的，尖峰电流比计算电流大的多。计算尖峰电流的目的是选择熔断器、整定低压断路器和继电保护装置、计算电压波动及检验电动机自起动条件等。,1、单台用电设备供电的支线尖峰电流计算 尖峰电流就是用电设备的起动电流，即 Ipk = Ist = KstIN 式中，Ist为用电设备的起动电流；IN为用电设备的额定电流；Kst为用电设备的起动电流倍数 。,2、给多台用电设备供电的干线尖峰电流计算 计算公式为：,或,式中，Istmax为用电设备组中起动电流与额定电流之差为最大的那台设备的起动电流；（IstIN）max为用电设备组中起动电流与额定电流之差为最大的那台设备的起动电流与额定电流电流之和；K为上述n1台设备的同时系数，其值按台数多少选取，一般为0.71；Ic为全部设备投入运行时线路的计算电流。,例2-5 有一380V配电干线，给三台电动机供电，已知IN1 =5A，IN2 =4A，IN3 =10A，Ist1 =35A，Ist2 =16A，Kst3=3，求该配电线路的尖峰电流。,解： Ist1 IN1=355=30A Ist2 IN2=164=12A Ist3 IN3= Kst3IN 3IN3=31010=20A可见，（IstIN）max=30A，则Istmax=35A，取K=0.9，因此该线路的尖峰电流为 Ipk= K（IN2 +IN3）+ Istmax =0.9（4+10）+35=47.6A,第七节 功率因数和无功功率补偿一、功率因数的计算,1.瞬时功率因数,2.最大负荷功率因数,3.平均功率因数 （1）由消耗的电能计算,式中，Wa为某一时间内消耗的有功电能（kWh）；Wr为某一时间内消耗的无功电能（kVAh）。,（2）由计算负荷计算,4.供电部门对用户功率因数的要求 cos0.9,二、功率因数对供配电系统的影响及提高功率因数的方法,1、功率因数对供电系统的影响 电能损耗增加 P=3I2R, 电压损失增大,在功率因数降低后，不得不降低输送的有功功率P来控制电流I的值，这样就降低了供电设备的供电能力。,2. 提高功率因数的方法(1) 提高自然功率因数 自然功率因数是指未装设任何补偿装置的实际功率因数。提高自然功率因数，采用科学措施减少用电设备的无功功率的需要量，使供配电系统总功率因数提高。, 供电设备利用率降低,合理选择电动机的规格、型号防止电动机空载运行保证电动机的检修质量合理选择变压器的容量交流接触器的节电运行(2) 人工补偿功率因数 并联电容器 同步电动机补偿 调相机(仅发无功功率的同步发电机)补偿 动态无功补偿,三、并联电容器补偿,1、并联电容器的型号并联电容器的型号由文字和数字两部分组成，型号各部分所表示的意义如下：,例如：BW0.4-12-1型即为单相户内型十二烷基苯浸渍的并联电容器，额定电压为0.4kV、容量为12kvar。,2. 补偿容量和电容器台数的确定 （1）采用固定补偿 Qcc=Pav（tgav1tgav2）,式中，Qcc为补偿容量；Pav为平均有功负荷，Pav =Pc或Wa/t，Pc为负荷计算得到的有功计算负荷，为有功负荷系数，Wa为时间t内消耗的电能； tgav1为补偿前平均功率因数角的正切值；tgav2为补偿后平均功率因数角的正切值；,（2）采用自动补偿 Qcc=Pc（tg1tg2）,式中，QcN为单个电容器的额定容量（kvar）,例2-6 如某一工厂的计算负荷为2400kW，平均功率因数为0.67。要使其平均功率因数提高到0.9（在10kV侧固定补偿），问需要装设多大容量的并联电容器？如果采用BWF-10.5-40-1型电容器，需装设多少个？解 tgav1=tg(arccos0.67)=1.1080 tg av2=tg(arccos0.9)=0.4843,Qcc=Pav（tgav1tgav2） =0.752400(1.1080-0.4843)1122.66kvar n= Qcc /qcN=1122.66/40=28个考虑三相均衡分配，应装设30个，每相10个，此时并联电容器的实际值为3040=1200kvar，此时的实际平均功率因数为,满足要求。,四、 并联电容器的装设与控制1. 并联电容器的结线不同的接线方法其补偿的总容量不同： 形结线时,形结线时,高压电容器组接形；容量较小(450Kvar)或低压电容器组接形。,2.并联电容器的装设地点 (1)高压集中补偿 高压集中补偿是指将高压电容器组集中装设在工厂变电所的610kV母线上。补偿范围小，运行维护方便，投资少，利用率高，大中企业用。(2) 低压集中补偿低压集中补偿是指将低压电容器集中装设在车间变电所的低压母线上。补偿范围中，经济，维护方便，用户普遍应用。,(3) 单独就地补偿单独就地补偿（个别补偿或分散补偿）是指在个别功率因数较低的设备旁边装设补偿电容器组。补偿范围最大，效果最好，利用率低。,3.并联电容器的控制方式并联电容器的投切是随着负荷的变化，以某个参量进行分组投切控制的，有：按功率因数进行控制；按负荷电流进行控制。,五、补偿后全厂负荷和功率因数计算1.负荷计算若补偿装置装设地点在变压器一次侧，计算负荷为：,若补偿装置装设地点在变压器二次侧，则还要考虑变