工厂电力负荷及其计算

第二章工厂的电力负荷及计算

电力负荷的计算是正确选择供配电系统中导线、电缆、开关电器、变压器等电气设备基础，也是保障供配电系统安全可靠运行必不可少的环节。本章是分析工厂供配电系统和进行供电设计计算的基础。

本章知识点：掌握工厂电力系统的分级，了解负荷曲线的概念以及与之有关的几个物理量，掌握确定用电设备组计算负荷的常用方法（需用系数法），掌握功率损耗和电能损耗及工厂计算负荷的确定，了解尖峰电流的概念和计算方法。

2/4/20231工厂供电第二章工厂的电力负荷及计算本章主要学习以下内容：第一节电力负荷与负荷曲线的有关概念第二节三相用电设备组计算负荷的确定第三节单相用电设备组计算负荷的确定第四节工厂供电系统的功率损耗和电能损耗第五节工厂的计算负荷和年电能消耗量第六节尖峰电流的计算2/4/20232工厂供电第一节电力负荷与负荷曲线的有关概念一、电力负荷与电量1、电力负荷又叫电力负载，有两种含义：（1）指耗用电能的用电设备或用电单位（用户），如说重要负荷，不重要负荷、动力负荷、照明负荷等。（2）指用电设备或用电单位所耗用的电功率或电流大小，如说轻负荷（轻载）、重载、空载、满载等。2/4/20233工厂供电第一节电力负荷与负荷曲线的有关概念2、电量

用电设备所需要的电能设备，即功率在一段时间内的累积；二、负荷计算的目的和内容1、负荷计算的目的

工厂用电设备工作时的实际负荷不等于设备的额定负荷（安装容量）；在工厂供电系统设计时，如果直接采用额定容量进行设计势必造成浪费；应先计算出全部设备的实际负荷。2/4/20234工厂供电第一节电力负荷与负荷曲线的有关概念2、负荷计算的主要内容（1）求计算负荷：即正常工作时的实际最大负荷。目的是选择各级电压供电网络、变压器容量、电气设备的型号等；保证使其在通过正常最大工作电流时不至于过热而损坏。（选择设备）（2）求尖峰电流：目的用于计算电压波动、电压损失，选择熔断器和保护元件等。（校验设备）（3）求平均负荷：目的是计算全厂的电能需要两、电能损耗及选择无功补偿容量等；（节能措施）2/4/20235工厂供电

第一节电力负荷与负荷曲线的有关概念三、电力负荷的分级及其对供电的要求

工厂的电力负荷，按GB50052-95规定，根据其对供电可靠性的要求及中断供电造成的损失或影响的程度分为三级。1.一级负荷中断供电将造成人身伤亡者,或中断供电在政治、经济上造成重大损失者。一级负荷应由两个独立电源供电。2.二级负荷中断供电将在政治、经济上造成较大损失者。二级负荷应由两回线路供电，供电变压器亦应有两台。2/4/20236工厂供电3.三级负荷为一般电力负荷，不属于一、二级负荷者。对供电电源无特殊要求，一般由单回线路供电。四、用电设备的工作制1、连续工作制设备恒定负荷下运行，且运行时间长至足以使之达到热平衡状态。如通风机、水泵、压缩机、发电机组、照明灯等。2、短时工作制设备

恒定负荷下运行，短时间内连续工作，且能够达到热平衡状态。如机床的辅助电动机、控制阀门的电动机等。第一节电力负荷与负荷曲线的有关概念2/4/20237工厂供电第一节电力负荷与负荷曲线的有关概念3、断续周期工作制设备反复周期性短时工作，工作或停歇均不足达到设备的热平衡。如电焊机、吊车电动机等。断续周期工作制的设备，可用“负荷持续率（dutycycle又称暂载率）来表征其工作特征。负荷持续率为一个工作周期内工作时间与工作周期的百分比值，即式中：T为工作周期；t为工作周期内的工作时间；t。为工作周期内的停歇时间。

额定暂载率——是设备的额定参数；2/4/20238工厂供电第一节电力负荷与负荷曲线的有关概念五、负荷曲线（loadcurve）

1、负荷曲线

表示一组用电设备的功率随时间变化关系的图形。纵轴为功率，横轴为时间。

2/4/20239工厂供电第一节电力负荷与负荷曲线的有关概念2、负荷曲线的分类2/4/202310工厂供电第一节电力负荷与负荷曲线的有关概念3、负荷曲线的作用

负荷曲线能够直观的反映出用户的用电特点和规律；对于设计人员，获取资料有助于设计分析；对于运行人员，可以合理地、有计划地安排用户、车间、班次或者大容量设备的用电时间等，从而降低负荷高峰，填补负荷低谷，这种“消峰填谷”的办法可以使得负荷曲线比较平坦，有利于节电。4、特点电力负荷不等于设备的额定功率，而是设备的实际消耗功率；负荷曲线是有规律的；2/4/202311工厂供电第一节电力负荷与负荷曲线的有关概念5、负荷曲线绘制（1）日有功负荷曲线的绘制及意义主要采用描点和阶梯形绘制方法；意义：日有功负荷曲线与时间轴之间所围成的面积为一天所消耗的有功电量。2/4/202312工厂供电第一节电力负荷与负荷曲线的有关概念（2）年负荷持续时间曲线的绘制

绘制方法：年负荷持续时间曲线根据一年中具有代表性的夏季日负荷曲线和冬季日负荷曲线绘制。其夏季和冬季在全年计算中所有的天数影视当地的地理位置和气温情况而定。2/4/202313工厂供电第一节电力负荷与负荷曲线的有关概念绘制夏季日负荷曲线和冬季日负荷曲线，并绘制年持续负荷曲线的坐标系（横坐标最大值为365×24=8760h）。从夏季日负荷曲线和冬季日负荷曲线中的最大功率开始，以功率递减的顺序，依次绘制到年持续负荷曲线坐标系中。2/4/202314工厂供电第一节电力负荷与负荷曲线的有关概念（3）年持续负荷曲线的意义年持续负荷曲线与横轴所围成的面积代表了用户全年消耗的总电量。（4）注意日负荷曲线和年负荷曲线绘制的区别日负荷曲线按照时间先后绘制，而年持续负荷曲线是按照负荷的大小和累计时间来绘制。2/4/202315工厂供电第一节电力负荷与负荷曲线的有关概念六、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

负荷最大工作班：

一年中最大负荷月份内最少出现2～3次的最大负荷工作班（防止偶然性）。年最大负荷Pmax

：

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（半小时平均功率的最大值），因此年最大负荷也称为半小时最大负荷P30。2/4/202316工厂供电第一节电力负荷与负荷曲线的有关概念年最大负荷利用小时Tmax：

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。

即：，——全年消耗的电能量。Tmax——用电负荷均衡性的标志，越大越均衡。2/4/202317工厂供电第一节电力负荷与负荷曲线的有关概念2、平均负荷和负荷系数

（1）平均负荷Pav:

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Wt除以时间t的值，即年平均负荷Pav按全年（8760h）消耗的电能Wa来计算，即2/4/202318工厂供电第一节电力负荷与负荷曲线的有关概念（2）负荷系数:负荷系数又称负荷率，它是用电负荷的平均负荷Pav,与其最大负荷Pmax的比值，即

负荷系数用来表征负荷变化规律：其值越大，曲线越平坦，负荷波动越小。对用电设备来说，就是设备的输出功率P与设备额定容量PN的比值，即2/4/202319工厂供电第二节三相用电设备组计算负荷的确定

一、计算负荷通过负荷的统计计算求出的、用来按发热条件选择供电系统中各元件的负荷值，称为计算负荷。▲计算负荷的依据：发热条件——当以计算负荷连续运行时，设备的发热温度不会超过允许值。截面在16mm2

及以上的导体大约经30min后达到稳定温升值，由此可见，计算负荷实际上从负荷曲线上查得半小时最大负荷P30是基本相当的。所以计算负荷也可以认为就是半小时最大负荷P30。2/4/202320工厂供电第二节三相用电设备组计算负荷的确定▲计算负荷是供电设计计算的基本依据，计算负荷选择的是否合理直接影响到电器以及导向电缆选择的经济性：过大会造成投资以及有色金属所谓浪费；过小选择的电气设备长期处于过负荷运行状态下，增加电能损耗，产生过热，导致绝缘老化甚至烧毁；▲计算负荷情况复杂，影响因素诸多，难以精确计算；负荷是变化的；与设备的性能、生产组织、生产者的技能与能源供应的状况等多因素有关。▲计算负荷的方法比较多：估算法、需要系数法、二项式法、单相负荷计算等近似求解方法。2/4/202321工厂供电第二节三相用电设备组计算负荷的确定二、设备容量的确定1、用电设备的额定容量

铭牌上标出的容量（或功率）——；2、设备容量实际用电设备的实际工作性质决定了其并非一直工作在额定状态：有的长期工作，有的短期工作，有的反复工作；因而在求多个用电设备的实际消耗功率时，不能直接将其额定功率直接相加得到总的电力负荷。将用电设备的额定容量换算成统一的标准工作条件下（统一标准工作制下）的“额定容量”，称之为设备容量（设备功率）——或者。2/4/202322工厂供电第二节三相用电设备组计算负荷的确定3、设备容量的计算

设备容量计算与用电设备组的工作制有关:（1）一般连续工作制和短时工作制的用电设备组:

设备容量就是所有设备的铭牌额定容量之和。

（2）对断续周期工作制的用电设备组设备容量就是将所有设备在不同负荷持续率下的铭牌额定容量换算到一个统一的负荷持续率下的功率之和。换算的公式为：2/4/202323工厂供电第二节三相用电设备组计算负荷的确定电焊机组要求统一换算到ε=100%的设备容量，换算后的设备容量：吊车电动机组要求统一换算到ε=25％的设备容量。换算后的设备容量：2/4/202324工厂供电第二节三相用电设备组计算负荷的确定三、按需要系数法确定计算负荷1、基本公式

当设备台数较多，总容量够大，没有特殊的大型用电设备，用需用系数法。在计算范围内的用电设备组实际上不一定都同时运行，运行的设备也不可能都满负荷，同时设备本身和线路都有功率损耗，因此用电设备组的有功计算负荷应为：需要系数具体含义：是一个综合系数，它标志着用电设备投入时，从供电电网实际取用的功率与用电设备组设备功率之比。2/4/202325工厂供电第二节三相用电设备组计算负荷的确定有功计算负荷：

—为用电设备组的总设备容量。

无功计算负荷：

视在计算负荷：

计算电流：2/4/202326工厂供电第二节三相用电设备组计算负荷的确定例：已知机修车间的金属切削机床组，拥有电压为380V的三相电动机7.5kW3台；4kW8台；3kW17台；1.5kW10台。试求其计算负荷。

解：此机床组电动机的总容量为

Pe=7.5kW×3+4kW×8+3kW×17+1.5×10=120.5kW

查附录表1中“小批生产的金属冷加工机床电动机”项，得Kd=16-0.2(取0.2),cosΦ=0.5,tanΦ=1.73。因此求得:有功计算负荷无功计算负荷视在计算计算电流2/4/202327工厂供电第二节三相用电设备组计算负荷的确定2、多组用电设备的计算负荷

确定拥有多组用电设备的干线上和车间变电所低压母线的计算负荷时，应考虑各组用电设备的最大负荷不同时出现的因素。总的有功计算负荷为：总的无功计算负荷为：总的视在计算负荷为：总的计算电流为：

——同时系数，一般取为0.8~0.9。2/4/202328工厂供电第二节三相用电设备组计算负荷的确定四、按二项式法确定计算负荷

1、基本公式

当确定的用电设备台数较少而容量差别相当大的低压支线和干线的计算负荷时，采用二项式法确定计算负荷。

二项式法考虑了设备的平均负荷，还考虑了几台最大用电设备引起的附加负荷。2/4/202329工厂供电第二节三相用电设备组计算负荷的确定二项式法的基本公式是：其中：—设备组的平均负荷，是用电设备组的设备总容量；

—设备组中x台容量最大的设备投入运行时增加的附加负荷，其中是x台最大容量的设备总容量；

—为二项式系数，可查表。

2/4/202330工厂供电第二节三相用电设备组计算负荷的确定2、多组用电设备的计算负荷

利用二项式法确定多组用电设备总的计算负荷是，应考虑各组设备的最大负荷不同时出现的因素。应在各组设备中取其中一组最大的附加负荷，再加上各组的平均负荷。

总的有功计算负荷为：

总的无功计算负荷为：

2/4/202331工厂供电第二节三相用电设备组计算负荷的确定注意：

按二项式法确定计算负荷时，如果设备的台数n少于表中规定的最大容量设备台数x的2倍（即n<2x）时，其最大容量设备台数x应该适当取小。

一般按照x=n/2,且“四舍五入”修约规定取整数。2/4/202332工厂供电第三节单相用电设备组计算负荷的确定一、概述计算目的：

保证系统的三相负荷尽可能平衡，避免某一相过大或者过小；计算原则：

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，单相设备可按照三相平衡设备进行计算；

2、三相线路中单相设备的总容量超过三相总容量的15％时，需要把单相设备等效成三相设备容量，再与三相设备容量相加。本节将介绍如何将单相有功负荷等效成三相负荷，单相无功负荷的等效方法与之相同。2/4/202333工厂供电第三节单相用电设备组计算负荷的确定二、单相设备组等效三相负荷计算1、单相用电设备接于相电压

——等效三相容量；

——最大负荷相所接的单相设备容量之和。2/4/202334工厂供电第三节单相用电设备组计算负荷的确定2、单相用电设备接于线电压（1）接于同一线电压

——单相设备的最大容量。（2）接于不同线电压设接于不同线电压的设备容量分别为且，则等效的三相设备容量为：

2/4/202335工厂供电第三节单相用电设备组计算负荷的确定3、单相用电设备分别接于线电压和相电压

计算步骤为：（1）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；（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的换算公式参考P53）。（2）分别计算各相的设备容量和计算负荷；（3）总的等效三相有功计算负荷为其最大有功负荷相的有功计算负荷的3倍。2/4/202336工厂供电第四节工厂供电的功率损耗和电能损耗一、工厂供电系统的功率损耗

电流流过电力线路和变压器时，势必会有功率和电能损耗。在进行用户或全厂负荷计算时应该计入这部分损耗。本节介绍线路以及变压器的功率和电能损耗。2/4/202337工厂供电第四节工厂供电的功率损耗和电能损耗(一)线路功率损耗1.线路的有功功率损耗2.线路无功功率损耗2/4/202338工厂供电第四节工厂供电的功率损耗和电能损耗（二）变压器的功率损耗

变压器两个试验：变压器一、二次绕组中存在电阻和电抗，变压器的功率损耗包含有功功率损耗和无功功率损耗。2/4/202339工厂供电第四节工厂供电的功率损耗和电能损耗１．变压器有功功率损耗2/4/202340工厂供电第四节工厂供电的功率损耗和电能损耗

故变压器有功功率损耗为：

式中

—铁心损耗(铁耗)；

—绕组损耗(铜耗)；

—空载损耗；

—短路损耗。

2/4/202341工厂供电第四节工厂供电的功率损耗和电能损耗２．变压器无功功率损耗2/4/202342工厂供电第四节工厂供电的功率损耗和电能损耗故变压器无功功率损耗为：

式中:—变压器空载无功损耗

—变压器在额定负荷下,消耗在一、二次绕组电抗上的无功损耗。

—变压器空载电流占额定电流的百分比。

—变压器短路电压占额定电压的百分比。

2/4/202343工厂供电

在负荷计算中，低损耗电力变压器的有功损耗和无功损耗可按下式近似计算：

※记住:

第四节工厂供电的功率损耗和电能损耗2/4/202344工厂供电第四节工厂供电的功率损耗和电能损耗二、工厂供电系统的电能损耗(一)线路的电能损耗线路上全年的电能损耗：

年最大负荷损耗小时是一个假想时间，在此时间内，系统中的元件持续通过计算电流所产生的电能损耗，恰好等于实际负荷电流全年在元件上产生的电能损耗。

(二)变压器的电能损耗变压器全年的电能损耗:2/4/202345工厂供电第五节工厂的计算负荷和年电能消耗量一、工厂计算负荷的确定

1.逐级计算法

2.需要系数法

3.按年产量和年产值估算法下面介绍逐级计算法确定工厂计算负荷的步骤。2/4/202346工厂供电第五节工厂的计算负荷和年电能消耗量0.单台用电设备的计算负荷是用于选择其开关设备和导线截面积。1.单台用电设备组的计算负荷是用于选择车间配电干线以及干线上的电气设备（设备分组；设备容量计算；需要系数法计算用电设备组的计算负荷）。

2.车间变电所二次侧的计算负荷（多个用电设备组的计算负荷）是用于选择变压器容量和台数。3.车间变电所一次侧的计算负荷（车间变压器的损耗）是用于选择高压配电线及其上的电气设备（开关、熔断器等2/4/202347工厂供电第五节工厂的计算负荷和年电能消耗量4.配电所进线的计算负荷（配电所高压用电设备计算负荷），通过计算多个用电设备组的计算负荷，选择配电所进线和相应的电气设备。

5.总降压变电所低压侧的计算负荷是用于选择变压器及其二次侧开关和保护设备。6.主变压器功率损耗7.全厂计算负荷（主变压器高压侧计算负荷）用于选择主变一次侧设备。8.地区变电所供给全厂的总负荷（考虑高压输电线路的线损）用于选择电源容量以及配电线路截面积。

2/4/202348工厂供电第五节工厂的计算负荷和年电能消耗量二、工厂的功率因数、无功补偿及补偿后的工厂计算负荷1.工厂的功率因数（1）瞬时功率因数：它可由功率因数表直接测量，亦可由功率表、电压表和电流表间接测量。

瞬时功率因数只用来了解和分析工厂或设备在运行中无功功率的变化情况，以便采取适当的补偿措施。（2）平均功率因数：是电费调整的参考。（3）最大负荷时功率因数：2/4/202349工厂供电第五节工厂的计算负荷和年电能消耗量2.无功功率补偿假设功率因数由提高到，这时负荷需用的有功功率不变，减小无功和视在，相应的负荷电流就会减小，这将是系统的电能损耗和电压损耗相应降低。其优点：节约了电能、提高电压质量，而且可选较小容量的电气设备和导线和电缆。2/4/202350工厂供电第五节工厂的计算负荷和年电能消耗量补偿的办法是：并联电容器

装设的无功补偿装置的容量为：

在确定了总的补偿容量后，可根据所选并联电容器的单个容量来确定电容器个数：

由上式计算所得的电容器个数，对于单相电容器应取3的倍数，以便三相均衡分配。2/4/202351工厂供电第五节工厂的计算负荷和年电能消耗量3．无功补偿后的工厂计算负荷

装设了无功补偿以后则在确定补偿装设地点以前的总计算负荷时，应扣除无功补偿的容量。即总的无功计算负荷为：补偿后总的视在计算负荷:2/4/202352工厂供电三、工厂年电能消耗量的计算有功电能消耗量：无功电能消耗量：

为年平均有功负荷系数，一般取0.7～0.75,

为年平均无功负荷系数，一般取0.76～0.82。第五节工厂的计算负荷和年电能消耗量2/4/202353工厂供电第六节尖峰电流的计算一、概述尖峰电流是持续1～2s的短时最大负荷电流。尖峰电流产生的原因：主要是由于大容量发电机的启动、电压波动等原因造成的。与计算电流的区别:

计算电流——半小时平均电流的最大值；来源于计算负荷；尖峰电流——持续1～2s的短时最大负荷电流，尖峰电流比计算电流大得多。尖峰电流的计算目的：它用来计算电压波动，选择熔断器和低压断路器，整定继电保护装置及检验电动机自起动条件等。2/4/202354工厂供电第六节尖峰电流的计算二、用电设备尖峰电流的计算1、单台用电设备的尖峰电流就是其起动电流：

—用电设备的额定电