供配电技术 第二章 负荷计算

第二章负荷计算

内容提要：计算负荷的意义及计算目的工厂日负荷曲线正确选择供配电系统中导线、电缆、开关电器、变压器等分析供配电系统进行供电设计计算的基础2.1电力负荷对供电的要求

中断供电将造成人身伤亡者；中断供电将在政治、经济上造成重大损失者；如：重大设备损坏，重大产品报废，用重要原料生产的产品大量报废等；如：重要铁路枢纽，重要通信枢纽，重要宾馆，经常用于国际活动的大量人员集中的公共场所等用电单位中的重要电力负荷。1.一级负荷

2.二级负荷中断供电将在政治、经济上造成较大损失者；如：主要设备损坏，大量产品报废，连续生产过程被打乱需较长时间才能恢复，重点企业大量减产等。中断供电将影响重要用电单位的正常工作者；如：铁路枢纽、通讯枢纽等用电单位中的重要电力负荷，以及中断供电将造成大型影剧院、大型商场等大量人员集中的重要的公共场所秩序混乱者。

3.三级负荷

不属于一级和二级负荷者。

供电方式按下列情况考虑决定：

一级负荷：由两个独立电源供电，有特殊要求的一级负荷，两个独立电源且应来自不同的地点。

二级负荷：做到当发生电力变压器故障或电力线路常见故障时不致中断供电。在负荷较小或地区供电条件困难时，二级负荷可由一路6kV及以上专用架空线供电。

三级负荷：对供电电源无特殊要求。

独立电源的要求：发生任何一种故障时，两个电源的任何部分不致同时受到损坏。

满足这种要求的条件是：电源来自不同的发电机；电源来自发电厂、变电所的不同母线段，母线分段之间无联系，或虽有联系，但在其中一段发生故障时，能自动将其联系断开，不影响另一段母线继续供电。独立电源

按工作制的负荷分类电力负荷按其工作制可分为三类

1．连续工作制负荷

连续工作制负荷：指长时间连续工作的用电设备，其特点是负荷比较稳定，连续工作使其达到热平衡状态，其温度达到稳定温度。

这类设备：如泵类、通风机、压缩机、电炉、运输设备、照明设备等。

2．短时工作制负荷

短时工作制负荷：工作时间短、停歇时间长的用电设备。

运行特点：工作时其温度达不到稳定温度，停歇时其温度降到环境温度。

比例很小：如机床的横梁升降、刀架快速移动电动机、闸门电动机等。

3．反复短时工作制负荷

指时而工作、时而停歇、反复运行的设备。

运行特点：工作时温度达不到稳定温度，停歇时也达不到环境温度，如起重机、电梯、电焊机等。反复短时工作制负荷可用负荷持续率（或暂载率）ε

来表示，即

式中，为工作时间，为停歇时间，T为工作周期。

伊普西龙

2.2

计算负荷的意义及计算目的

正确估计工厂所需的电力和电量是一个非常重要的问题。估算的准确程度，影响工厂电力设计的质量。不合理的工厂电力需要量作为基础的国家电力系统的建设，将带来很大的危害。计算负荷的意义（A）

估算过高：将增加供电设备的容量，浪费有色金属，增加初投资和运行管理工作量。

估算过低：供电系统的线路及电气设备承担不了实际负荷电流而过热，加速绝缘老化，降低使用寿命，增大电能损耗，影响供电系统的正常可靠运行。校车怎么过不去？？？？！车

库

呢

？什么是计算负荷？

计算负荷：根据已知的工厂的用电设备安装容量确定的，预期不变的最大假想负荷。作为选择工厂电力系统供电线路的导线截面、变压器容量、开关电器及感等的额定参数的依据，所以非常重要。电力负荷曲线

电力负荷曲线：纵坐标为有功负荷P（或无功负荷Q），横坐标为时间t，每隔一定时间间隔△t绘制的负荷变化曲线。负荷曲线所包络的面积，是生产期间耗用的电能。图2-l为工厂日负荷曲线示例。

图2-1工厂日负荷曲线示例

负荷曲线是表征电力负荷随时间变动情况的一种图形，反映了用户用电的特点和规律。负荷曲线绘制在直角坐标系上，纵坐标表示负荷，横坐标表示对应的时间。日负荷曲线最大负荷工作班

负荷曲线：一般是取用电设备组最大负荷工作班的负荷曲线。

最大负荷工作班：不是指偶然出现的最大值的工作班，这种工作班每月应出现2~3次。年负荷曲线

横坐标依次以全年十二个月份的日期来分格。1．年最大负荷（annualmaximumload）

年最大负荷，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；全年至少出现过2～3次；年最大负荷也称为半小时最大负荷。2．年最大负荷利用小时

年最大负荷利用小时又称为年最大负荷使用时间，电力负荷按年最大负荷（或）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。图2.3用以说明年最大负荷利用小时。延伸到的横线与两坐标轴所包围的矩形面积，恰好等于年负荷曲线与两坐标轴所包围的面积，即全年实际消耗电能。因此年最大负荷利用小时图2.3年最大负荷与年最大负荷利用小时该值越大，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1．平均负荷

平均负荷，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t内消耗的电能除以时间t的值，即年平均负荷的横线与两坐标轴所包围的矩形面积，恰好等于年负荷曲线与两坐标轴所包围的面积，即全年实际消耗的电能。因此，年平均负荷为年平均负荷

图2-5用以说明：

2.2.1

计算负荷的估算法

1．单位产品耗电法

年产量

单位耗电量全年电能

2.

负荷系数KL

负荷系数：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两种

负荷系数又称负荷率或负荷填充系数，它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。有功负荷系数无功负荷系数负荷系数

它表征该设备或设备组的容量是否被充分利用负荷系数越接近1，表明负荷变动越缓慢；

2.2用电设备的设备容量1．长期工作制和短时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该设备的铭牌额定功率，即设备容量铭牌额定功率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：是指某负荷持续率下的额定功率换算到统一的负荷持续率下的功率。（1）电焊机和电焊机组（2）起重机（吊车电动机）

（1）电焊机和电焊机组

要求统一换算到ε＝100％时的功率，即（2）起重机（吊车电动机）

要求统一换算到ε＝25％时的额定功率，即

3．电炉变压器组

设备容量是指在额定视在功率下的有功功率，即

4．照明设备

（1）不用镇流器的照明设备（如白炽灯、碘钨灯）的设备容量就是其额定功率，即（2）用镇流器的照明设备

（如荧光灯、高压水银灯）的设备容量要包括镇流器中的功率损失，即荧光灯：

高压水银灯、金属卤化物灯：

2.3

负荷计算的方法故载流导体约经30min后可达到稳定温升值。

负荷的计算方法

估算法需要系数法二项式法单相负荷计算2.3.1

估算法估算法实为指标法在做设计任务书或初步设计阶段，尤其当需要进行方案比较时，按估算法计算比较方便。

1．单位产品耗电量法

企业全年电能Wa为有功计算负荷为年产量m

单位耗电量a

各种产品的单位耗电量

表2-2某企业的年最大负荷利用小时数2．负荷密度法若已知车间生产面积S（m2）负荷密度指标（kW／m2）时，车间平均负荷为车间计算负荷为有功负荷系数车间低压负荷估算指标

2.

需要系数法计算负荷需要系数设备容量按需要系数法

确定三相用电设备组计算负荷

例2-1已知某化工厂机修车间采用380V供电，低压干线上接有冷加工机床34台，其中11kW1台，4.5kW8台，2.8kW15台，1.7kW10台，试求该机床组的计算负荷？解：该设备组的总容量为查附表1得（取0.2）有功计算负荷无功计算负荷视在计算负荷计算电流

2.多组用电设备组的计算负荷

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2kW1台。试求计算负荷（设同时系数，均为0.9）。解查表A－1可得冷加工机床：

通风机：

电阻炉：因只1台，故其计算负荷等于设备容量

车间计算负荷为

3.二项式法

1．单组用电设备组的计算负荷2．多组用电设备组的计算负荷

考虑用电设备各组的最大负荷不同时出现的因素，在确定总计算负荷时，在各组用电设备中取一组最大的附加负荷，再加上各组用电设备的平均负荷，即X台中最大设备总容量该组用电设备组的设备总容量

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和附加负荷。（1）金属切削机床电动机组

查表A－1，取

则

X台中最大设备总容量该组用电设备组的设备总容量

（2）通风机组查表A－1，取因为n＝2<2x2取x2=n/2=1则

（3）电阻炉

显然，在三组用电设备中，第一组的附加负荷最大，故总计算负荷为

比较例2-2和例2-3的计算结果可知，二项式法计算的结果比按需要系数法计算的结果大得多。

二项式法适用于容量差别悬殊的用电设备的负荷计算。4.单相负荷计算

单相设备：如照明、电热、电焊等设备；单相设备应均匀分布在三相上，使三相负荷保持平衡；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。

5.照明计算负荷的确定

在确定了车间照明设备总容量后，按需要系数法单独计算车间照明设备的计算负荷，照明设备组的需要系数及功率因数值按表选取

功率因数cosφ

白炽灯荧光灯高压汞灯高压钠灯金属卤化物10.90.45~0.650.450.4~0.6110.90.45~0.650.450.4~0.6110.90.45~0.650.450.4~0.6110.90.45~0.650.450.4~0.61光源类别

需要系数K

生产车间办公室0.8~1

变配电所、仓库

0.5~0.7生活区宿舍0.6~0.8室外

1

单相设备组的等效三相设备容量计算单相设备接于相电压时单相设备接干线电压时接于同一线电压时接于不同线电压时且cosφ1≠cosφ2≠cosφ3，P1＞P2＞P3

为最大负荷相所接的单相设备容量

2.2.3

供电系统的功率损耗电能损耗变压器中的功率损耗，可按照下式计算

有功功率损失

变压器的有功功率损失，单位为kW；变压器的空载有功功率损失，单位为kW；变压器在额定负载下的铜损，单位为kW；

无功功率损失计算负荷的视在容量，单位为kVA；变压器的额定容量，单位为kVA；变压器的无功功率损失，单位为kvar；变压器的空载无功功率损失，单位为kvar；2.2.3

功率损耗和电能损耗（1）有功功率损耗有功功率损耗的计算公式为（2）无功功率损耗无功功率损耗的计算公式为2．变压器的功率损耗

（1）有功功率损耗（2）无功功率损耗

ΔQ0，是变压器空载时，由产生主磁通的励磁电流所造成的。

ΔQ，是变压器负荷电流在一次、二次绕组电抗上所产生的无功功率损耗，

4

用户负荷计算确定用户总计算负荷的供配电系统示意图

2.2.4

功率因数和无功功率补偿

多数用电设备：如感应电动机、电力变压器、电焊机及交流接触器等，它们都要从电网吸收大量无功电流来产生交变磁场，其功率因数均小于1。

功率因数：是衡量供配电系统是否经济运行的一个重要指标。

2.2.4

功率因数的计算1．瞬时功率因数

由功率因数表（相位表）直接测量也可用在同一时间测得的有功功率表、电流表和电压表的读数计算得到，可按下式计算：2．平均功率因数

是指在某一时间内的平均功率因数，也称加权平均功率因数。（1）由消耗的电能计算（2）由计算负荷计算3.

最大负荷时的功率因数最大负荷时的功率因数是指在年最大负荷（计算负荷）时的功率因数。计算公式为2.2.2功率因数对供配电系统的影响

1．功率因数对供配电系统的影响

具有电感特性的用电设备都需要从供配电系统中吸收无功功率，降低功率因数。功率因数太低，会给供配电系统带来电能损耗增加、电压损失增大和供电设备利用率降低等不良影响。

2．提高功率因数的方法

功率因数不满足要求时，先提高自然功率因数，再进行人工补偿。

（1）提高自然功率因数功率因数不足：先提高自然功率因数。自然功率因数：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：不添置任何补偿设备，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。

提高自然功率因数的主要方法

①合理选择电动机的规格、型号②防止电动机空载运行③保证电动机的检修质量④合理选择变压器的容量⑤交流接触器的节电运行（2）人工补偿功率因数

并联电容器人工补偿同步电动机补偿动态无功功率补偿

2.2.3

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：

2．补偿容量和电容器台数的确定

用电容器改善功率因数，可获得经济效益。如果电容过大，会引起电压升高，从而带来不良影响。用电容器进行无功补偿时，适当选择电容器容量。

3.无功补偿容量的计算（1）采用固定补偿

在变电所6～10kV高压母线上进行补偿时，采用固定补偿，补偿电容器不随负荷变化投入或切除，补偿容量按下式计算：（2）采用自动补偿在变电所0.38kV母线上进行补偿时，都采用自动补偿，即根据cosφ按功率因数设定值，自动投切电容器，即2.2.4并联电容器的装设与控制1．并联电容器的接线并联补偿的电力电容器多采用Δ形接线，对于低压（0.5kV以下）并联电容器，大多是做成三相的，其内部接成Δ形。

2．并联电容器的装设地点按并联电力电容器在用户供配电系统中的装设位置，并联电容器的补偿方式有3种，即高压集中补偿、低压集中补偿和单独就地补偿（个别补偿），如图2－7所示。（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总降压变电所的6～10kV母线上。图2－8高压集中补偿电容器组的接线电容器从电网上切除时会有残余电压，其值高达电网电压的峰值，对人身很危险。所以GB50053－94规定：电容器组应装设放电装置，使电容器两端的电压从峰值降到50V所需的时间，高压电容器不应大于5min，低压电容器不应大于1min。对高压电容器组，常利用电压互感器（如上图中的TV）的一次绕组来放电。电容器组的放电回路中不得装设熔断器或开关，以确保可靠放电，保护人身安全。（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或建筑物变电所的低压母线上。（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。图2－9低压集中补偿电容器组的接线图2－10感应电动机旁就地补偿的低压电容器组的接线3．并联电容器的控制方式

并联电容器的控制方式：固定控制和自动控制两种。

固定控制：并联电容器不随负荷的变化而投切。

自动控制：并联电容器的投切随着负荷的变化而变化，按某个参量进行分组投切控制，包括：

按功率因数进行控制；接负荷电流进行控制；接受电端的无功功率进行控制。2.4.5补偿后用户的负荷计算和功率因数计算若补偿装置装设地点在变压器一次侧，则有2．功率因数计算（1）固定补偿补偿后平均功率因数为

（2）自动补偿

一般计算其最大负荷时的功率因数，补偿后功率因数为例2-7某工厂建一10／0.4kV的车间变电所，车间变电所低压侧的计算视在功率Sc1为800kVA，无功计算负荷Qc1为540kvar，现要求车间变电所高压侧功率因数不低于0.9，如果在低压侧装设自动补偿电容器。问补偿容量需多少？补偿后车间总的机在计算负荷（高压侧）降低了多少？

解（1）补偿前的计算负荷和功率因数低压侧的有功计算负荷为低压侧的功率因数为变压器的功率损耗为变电所高压侧总的计算负荷为变电所高压侧的功率因数为（2）确定补偿容量要求在高压侧不低于0.9，补偿在低压侧进行，低压侧补偿后的功率因数为0.92来计算需补偿的容量。查表A-2选BW0.4-14-1型电容器，需要的数量为

n＝285.03／14＝21

实际补偿容量为

Qc＝21×14＝294kvar

补偿后的计算负荷和功率因数变电所低压侧视在计算负荷为此时变压器的功率损耗为变电所高压侧总的计算负荷为变电所高压侧的功率因数为

符合要求。

如结果小于0.9，则需重新计算，同时把一开始的设定值0.92取大一点，到的值满足要求为止。计算可得，需补偿的容量为294kvar，补偿后车间变电所高压测功率因数达到0.904，高压侧的总视在功率减少了77.86kVA。补偿前车间变电所变压器容量应选1000kVA，补偿后选800kVA即满足要求。

§2-3

全厂功率因数的确定

在设计阶段要根据设计计算的功率因数和供电局指定的功率因数，提出提高功率因数所用的补偿装置类型和容量。功率因数：不同用电设备组在最大负荷工作班利用系数时取得的，同时测定了无功电能的消耗量。功率因数的定义

功率因数的确定

多组用电设备或全厂自然功率因数正切的均权平均值。

工厂的自然功率因数均权平均正切值为，供电部门要求的功率因数正切值为，为简单起见，设计时也可以根据计算负荷求出的功率因数确定补偿容量。

经济电流密度

根据年运行费用最少的方法：目前仍沿用50年代年运行费用最少的原则。

年运行费与导线截面积的关系如下：经济截面与通过的最大电流成正比，但经济电流密度却是一个常数；经济电流密度与年最大负荷损耗时间成反比。

我国公布的Jn值如表2-9。小结

介绍了负荷曲线的基本概念、类别及有关物理量，讲述了用电设备容量的确定方法；重点介绍负荷计算的方法，讨论了功率损耗和电能损耗，论述了负荷计算的步骤；重点讨论了功率因数对供配电系统的影响及怎样进行无功补偿。小结

①负荷曲线：是表征电力负荷随时间变动情况的一种图形。