电力工程基础之电力负荷计算概述

第二章电力负荷计算电力工程基础南京理工大学第二章电力负荷计算2.1电力负荷与负荷曲线2.2计算负荷的意义2.3确定计算负荷的方法2.4尖峰电流的计算2.5无功功率补偿1/13/20232.1电力负荷与负荷曲线电力负荷（electricpowerload）又称电力负载，有两种含义：一是指耗用电能的用电设备或用户，如说重要负荷、一般负荷、动力负荷、照明负荷等。另一种是指用电设备或用户耗用的功率或电流大小，如说轻负荷（轻载）、重负荷（重载）、空负荷（空载）、满负荷（满载）等。电力负荷的具体含义视具体情况而定。1/13/2023

一、电力负荷的分级及供电要求

供电方式:由两个独立电源供电；设应急电源。1．一级负荷：中断供电将可能造成人身伤亡；或造成重大设备损坏，重大产品报废，产生重大的经济损失；或在政治造成重大影响。2．二级负荷：中断供电将造成主要设备损坏，大量产品报废，重点企业大量减产，或在政治、经济上造成较大损失。供电方式:由双回路供电。3．三级负荷：所有不属于一、二级负荷的电力负荷。供电方式:对供电电源无特殊要求。

2.1电力负荷与负荷曲线1/13/2023

二、用电设备的工作制1．连续运行工作制（长期工作制）：这类工作制的设备在长期连续负荷下运行，且运行时间长到足以使之达到热平衡状态。

2．短时运行工作制（短时工作制）：这类工作制的设备在恒定负荷下运动的时间短（短于达到热平衡所需的时间），而停歇时间长（长到足以使设备温度冷却到周围介质的温度）。

2.1电力负荷与负荷曲线1/13/20233．断续周期工作制（反复短时工作制）：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，而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。暂载率（负荷持续率）：指设备工作时间与工作周期的百分比值，即吊车：标准暂载率有15%、25%、40%和60%四种电焊机：标准暂载率有50%、65%、75%和100%四种

二、用电设备的工作制2.1电力负荷与负荷曲线1/13/2023

三、负荷曲线1．负荷曲线的分类按性质分：有功负荷曲线和无功负荷曲线

按负荷持续时间分：日负荷曲线、月负荷曲线和年负荷曲线2．负荷曲线的绘制2.1电力负荷与负荷曲线日负荷曲线（图2.1）：逐点描绘法、梯形曲线法年负荷曲线：年最大负荷曲线（图2.3）：或称运行年负荷曲线。图2.3年最大负荷曲线1/13/2023图2.1日有功负荷曲线a）折线图b）梯形图2.1电力负荷与负荷曲线作用：电力系统调度部门用于安排发电计划;电力系统计划部门用于进行电力系统的电力电量平衡和确定运行方式(如调峰容量、调压和无功补偿方式等)以及进行安全分析;1/13/20231/13/2023取夏季为200天，冬季为165天，则图中功率P1所占时间为：图2.2全年时间负荷曲线的绘制a）夏季典型日负荷曲线b）冬季典型日负荷曲线c）全年时间负荷曲线2.1电力负荷与负荷曲线全年时间负荷曲线（图2.2）：或称年负荷持续曲线。1/13/2023

四、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数年最大负荷Pmax：指全年中消耗电能最多的半小时的平均功率，即年最大负荷利用小时数Tmax：在此时间内，用户以年最大负荷持续运行所消耗的电能恰好等于全年实际消耗的电能，如图2.4所示。可见：年负荷曲线越平坦，Tmax越大；年负荷曲线越陡，Tmax越小。图2.4年最大负荷与年最大负荷利用小时数2.1电力负荷与负荷曲线1/13/2023

四、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数2.1电力负荷与负荷曲线1/13/20232．平均负荷与负荷系数平均负荷Pav：在一定时间t内消耗的平均功率，即负荷系数

KL：平均负荷与最大负荷的比值，即年平均负荷为（图2.5）:可见，KL越大，负荷曲线越平坦，负荷波动越小。图2.5年平均负荷2.1电力负荷与负荷曲线1/13/2023计算负荷：通过负荷的统计计算求出的、用以按发热条件选择导体和电气设备的一个假想的持续负荷值，称为计算负荷，用Pc（和Qc、Sc、Ic

）表示。通常把根据半小时平均负荷所绘制的负荷曲线上的“最大负荷”称为计算负荷，并作为按发热条件选择电气设备的依据，因此2.2计算负荷的意义一般中小截面导体的发热时间常数τ为10min以上，而导体通过电流达到稳定温升的时间大约为3τ～4τ，即载流导体大约经半小时（30min）后可达到稳定温升值1/13/20233．二项式系数b、c。1．需要系数Kd：负荷曲线中的最大有功计算负荷Pmax与全部用电设备设备容量之比值，即2．利用系数Ku：负荷曲线中的平均计算负荷Pav与全部用电设备的设备容量之比值，即2.2计算负荷的意义常用的几个系数1/13/2023

一、概述求计算负荷的方法有：需要系数法、二项式系数法、利用系数法和单位产品耗电量法等。

二、按需要系数确定计算负荷1．设备容量Pe的确定对长期工作制和短时工作制的用电设备：对反复短时工作制的用电设备：其设备容量是指换算到统一暂载率下的额定功率。2.3确定计算负荷的方法折算方法：按同一周期等效发热条件进行换算。1/13/2023吊车电动机组（包括电葫芦、起重机、行车等）的设备容量：指统一换算到ε=25%时的额定功率（kW），即∴2.3确定计算负荷的方法1/13/2023电焊机及电焊变压器的设备容量：指统一换算到ε=100%时的额定功率（kW），即 照明设备的设备容量：白炽灯、碘钨灯的设备容量：等于灯泡上标注的额定功率；荧光灯应考虑镇流器中的功率损失（约为灯泡功率的20%），其设备容量应为灯管额定功率的1.2倍；高压水银荧光灯和金属卤化物灯也应考虑镇流器中的功率损失（约为灯泡功率的10%），其设备容量可取灯管额定功率的1.1倍。2.3确定计算负荷的方法1/13/20232．单台用电设备的计算负荷对长期连续工作的单台用电设备：对需要计及效率的单台用电设备（如电动机）：3．用电设备组的计算负荷式中，P30、Q30、S30的单位分别为kW、kvar、kVA；Kd为需要系数，查附录表1。2.3确定计算负荷的方法1/13/20231/13/2023需要系数Kd的意义各用电设备因工作情况不同，可能不同时工作，因此应考虑一个同时使用系数

;各用电设备在工作时，不一定全部在满负荷下运行，因此应考虑一个负荷系数

;各用电设备的平均效率;

线路的供电效率。

因此，用电设备组的计算负荷为:2.3确定计算负荷的方法1/13/2023[例2.1]已知某机修车间的金属切削机床组，拥有380V的三相电动机7.5kW3台，4kW8台，3kW17台，1.5kW10台。试用需要系数法求其计算负荷。解：此机床组电动机的总容量为查附录表1中“小批生产的金属冷加工机床电动机”项，得（取0.16），。因此可求得

1/13/2023有功计算负荷 无功计算负荷 视在计算负荷 计算电流

1/13/20232.多组用电设备的计算负荷当车间配电干线上有多组用电设备时，各组用电设备的最大负荷不同时出现，此时应计入一个同时系数。2.3确定计算负荷的方法对车间干线，取

对低压母线，分如下两种情况：（1）由用电设备组计算负荷直接相加来计算时，取（2）由车间干线计算负荷直接相加来计算时，取1/13/20231/13/20231/13/20231/13/20232.3确定计算负荷的方法

二、按二项式系数法确定计算负荷1．对同一工作制的单组用电设备式中，b、c为二项式系数，可查附录表1；为由x台容量最大用电设备投入运行时增加的附加负荷（kW）；为该用电设备组的平均负荷（kW）。xcP1/13/20231/13/20232．对不同工作制的多组用电设备2.3确定计算负荷的方法式中，为各用电设备组附加负荷中的最大值；为各用电设备组平均负荷的总和；为与对应的功率因数角的正切值；为各用电设备组对应的功率因数的正切值。xcP1/13/2023[例2.3]已知某机修车间的金属切削机床组，拥有380V的三相电动机7.5kW3台，4kW8台，3kW17台，1.5kW10台。试用二项式法求其计算负荷。1/13/20231/13/20231/13/20231/13/20232.4尖峰电流的计算尖峰电流：持续1~2s的短时最大负荷电流，主要由用电设备起动所引起。尖峰电流主要用来计算电压波动、选择熔断器和自动开关等电气设备，也用来整定继电保护装置和校验电动机的自启动条件等。1/13/2023

一、单台用电设备的尖峰电流单台用电设备的尖峰电流就是其启动电流，即

二、多台用电设备不同时启动时的尖峰电流或式中，和分别为用电设备中启动电流与额定电流之差最大的那台设备的启动电流及其启动电流与额定电流之差；2.4尖峰电流的计算鼠笼型电机：5~7；绕线型电机：2~3；直流电机：1.5~2。为同时系数，取0.7-1；1/13/2023

三、用电设备同时自启动的尖峰电流如果有一组用电设备需同时参与自启动，则其尖峰电流等于所有用电设备的启动电流之和，即式中，n为参与自启动的用电设备台数；和为分别对应于第i台用电设备的起启电流倍数和额定电流。2.4尖峰电流的计算1/13/20231/13/20232.5无功功率补偿一、功率因数低的不良影响1．使供电网络中的功率损耗和电能损耗增大。2．使供电网络的电压损失增大，影响负荷端的电压质量。3．使供配电设备的容量不能得到充分利用，降低了供电能力。4．使发电机的出力下降，发电设备效率降低，发电成本提高。因为功率因数越低，在保证输送同样的有功功率时，系统中输送的总电流越大，从而使输电线路上的功率损耗和电能损耗增加。由于发电机、变压器都有一定的额定电压和额定电流，在正常情况下不允许超过额定值，根据，功率因数越低，输出的有功功率越小，使设备的容量不能得到充分利用，降低了供电能力。当有功功率保持不变时，功率因数越低，无功电流越大，对发电机转子的去磁效应越大，端电压越低，发电机就达不到预定的出力。

由于，当P、R、X一定时，功率因数越低，Q越大，则越大。1/13/2023可由功率因数表（相位表）直接读出，或由电压表、电流表和功率表在同一时刻的读数按下式求出：2.5无功功率补偿二、功率因数的计算1.瞬时功率因数：

指某一规定时间内，功率因数的平均值。其计算公式为：2.均权功率因数：

瞬时功率因数值代表某一瞬间状态的无功功率的情况。式中，Wp为某一时间内消耗的有功电能（kW·h）；Wq为同一时间内消耗的无功电能（kvar·h）。1/13/20232.5无功功率补偿指在年最大负荷（即计算负荷）时的功率因数。其计算公式为：3.最大负荷时的功率因数：

注意：在供电设计中考虑无功补偿时，严格地讲，应按均权功率因数是否满足要求来计算，但为简便起见，常按最大负荷时的功率因数来计算补偿容量。我国供电部门每月向工业用户收取电费，就是按月均权功率因数的高低来调整的。并规定：高压供电的用户，其功率因数不应低于0.9，其他电力用户的功率因数不应低于0.85。若达不到以上要求，应进行人工补偿，否则要加收电费。1/13/2023三、提高功率因数的方法2.5无功功率补偿

提高自然功率因数的方法不加任何补偿设备，采取措施减少供电系统中无功功率的需要量，称为提高自然功率因数。用小容量的电动机代替负荷不足的大容量电动机。正确选用感应电动机的型号和容量当电动机的负荷系数KL＞70%时，可以不换；当KL＜40%时，必须换小电机；当40%＜KL＜70%时，则需经过技术经济比较后再进行更换。降低感应电动机的端电压就降低了感应电动机的无功功率需要量，从而可提高系统的功率因数。对负荷不足的电动机可用降低外加电压的办法提高功率因数。1/13/20232.7无功功率补偿限制感应电动机的空载运行提高感应电动机的检修质量合理使用变压器感应电动机同步化运行

1/13/20232.7无功功率补偿2．提高功率因数的补偿法采用移相电容器（即静电电容器）采用同步电动机采用同步调相机静电电容器具有重量轻、安装方便、投资小、故障范围小、有功功率损耗小、易于维护等优点，是目前工业企业中应用最广泛的无功补偿装置。调节同步电动机的励磁电流，使其在超前功率因数下运行，就能向电网输送无功功率，因而能提高企业的功率因数。同步调相机实质上是空载运行的同步电动机，专门向电网输送无功功率，大容量的同步调相机主要装设在电力系统的区域性变电所，作为该地区的无功补偿电源，用于提高该地区的功率因数和电压质量。1/13/20232.7无功功率补偿四、电容器并联补偿的工作原理在工业企业中，绝大部分电气设备的等值电路可视为电阻R和电感L的串联电路，其功率因数可表示为：当在R、L电路中并联接入电容器C后，如图2-8a）所示，回路电流为：图2-8电容器无功补偿原理图1/13/20232.7无功功率补偿欠补偿：补偿后电流落后电压，如图2-8b）所示。过补偿：补偿后电流超前电压，如图2-8c）所示。一般都不采用过补偿，因为这将引起变压器二次侧电压的升高，会增大电容器本身的损耗，使温升增大，电容器寿命降低，同时还会使线路上的电能损耗增加。1/13/2023五、电容器的补偿方式1．电容器的接线方式低压电容器一般接成三角形。高压电容器组宜接成星形，但容量较小（450kvar及以下）时可接成三角形。由于，而，因此电容器接成三角形时的容量为采用星形接线时的3倍。若电容器采用三角形接线，一电容器断线时，三相线路仍能得到无功补偿；而采用星形接线时，一相电容器断线，该相将失去无功补偿，造成三相负荷不平衡。但是，电容器采用三角形接线时，任一电容器击穿将造成两相短路，有可能发生电容器爆炸；而采用星形接线时，若一相电容器击穿，短路电流数值相对较小。因此星形接线较之三角形接线安全多了。2.7无功功率补偿1/13/20232．电容器的装设位置（补偿方式）高压集中补偿：将高压电容器组集中安装在企业或地方总降压变电所6～10kV母线上。低压分组补偿：将低压电容器组分散安装在各车间变电所低压母线上。个别补偿：将电容器组直接安装在需要进行无功补偿的各个用电设备附近。1/13/2023必须指出：电容器从电网上切除后有残余电压，其最高可达电网电压的峰值。所以电容器组应装设放电装置，且其放电回路中不得装设熔断器或开关设备，以免放电回路断开，危及人身安全。