电力能源负荷培训讲义

第2章电力负荷

2.1概述

电力负荷又称为电力负载，其具体含义视其使用的场合而定。一是指“电力用户”，即耗用电能的用电设备或用电单位，如重要负荷、不重要负荷、动力负荷、照明负荷等。二是指“电能消耗”，即用电设备或用电单位所耗用的电功率或电流的量值，如轻负荷（轻载）、重负荷（重载）、空负荷（空载）、满负荷（满载）等。2.1.1分类

1.按对供电可靠性的要求

可以分为三级。详见第1章“1.2.5供电可靠性”。

2.按工作制分类

（1）连续工作制负荷

即长时间连续工作的用电设备。特点是负荷比较稳定，连续工作的时间足以使其达到热平衡状态，其温度达到稳定温度。一般用电设备都属于这类工作制，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

在恒定负荷下运行的时间短（短于达到热平衡所需的时间），而停歇时间长（长到足以使设备各温度冷却到周围介质的温度）的用电设备。此类负荷在用电设备中占比例很小，如机床刀架快速移动电动机、排汚泵电动机等。

（3）反复短时工作制负荷

时而工作(工作时升温达不到稳定温度)，时而停歇(停歇时降温也达不到环境温度)，工作周期一般不超过10min，反复运行的设备。其运行特点是均不足以使设备达到热平衡，如起重机、电焊机、电冰箱等。

1）暂载率。反复短时工作制的负荷可用暂载率，或称为负荷持续率来度量：式中，T为工作周期；t为工作周期内的工作时间；t0为工作周期内的停歇时间。(2-1)

2）的换算,如断续周期工作制设备的实际运行的并非标称持续率（即铭牌持续率），其实际运行的功率应由其标称功率（即铭牌额定功率）换算得来。

按同一周期内等效发热的原则：电流I通过设备电阻R在时间t内产生的热量为0.24，得；同一电压的设备功率，因此；根据式（2-1）

，故设备功率与负荷持续率的平方根值成反比：

即设备在持续率下的功率为，换算到持续率下的设备功率为：(2-2)

①电焊机常取100%：（2-3）

②吊车常取：（2-4）3.按工作特性分类可分成如金属切削机床组、通风机组、整流设备组、电热设备组等不同类型的用电设备组。一般认为，每个设备组内各设备的用电规律一致，不同工厂同类设备组也相近。但不同国家技术水平不一致，故同一设备组用电规律彼此有差异，而分类方式则国际通用。a）折线法表示b）梯形法表示图2-1日有功负荷曲线图2-1中曲线和横坐标间的面积表示当时消耗的电能。2.1.2负荷曲线

负荷曲线是表征电力负荷随时间变动情况的一种绘在直角坐标纸上(纵坐标表示负荷的有功功率或无功功率值，横坐标表示对应的时间)的图形曲线，它直观地反映了负荷用电的规律和特点。

1.日负荷曲线

它反映用电负荷一昼夜（24h）的变化情况，有两种绘制方法。

1）折线法：将24h各时刻有功功率表读数逐点连成折线，如图2-1a所示。

2）梯形法：将各时间间隔（一般为半个小时）电能表记数连成阶梯形曲线，如图2-1b所示。2.年负荷曲线

它反映用电负荷全年（365d×24h/d=8760h）的变化情况。它分为如下两种形式.

1）年运行负荷曲线：按全年每日的最大负荷（通常取每日最大负荷的半小时平均值）绘制，横坐标依次以全年12月的固定日期来分格，称为年每日最大负荷曲线，如图2-2所示。拥有多台变压器的变电所，为降低电能损耗，提高供电系统的经济效益，可以此确定一年中的不同时期投入运行变压器的台数，即确定经济运行的方式。图2-2所示负荷在1/6（即6月1日）～1/10左右（尤其1/8）耗能最多，而1/12～1/3耗能最少，全年耗能差别不大。

2）年持续负荷曲线：借助于有代表性的冬季和夏季日负荷曲线绘出。夏季和冬季在全年中占的天数取决于地理位置和气候。一般我国北方近似为夏季165天、冬季200天，而南方近似为夏季200天、冬季165天。南方某厂的年持续负荷曲线，如图2-3所示。其负荷P1在年负荷曲线上仅夏季有两时段，所占的时间为；而负荷P2在年负荷曲线上夏、冬各一时间段，所占时间为，余类推。

图2-2年每日最大负荷曲线示例

两曲线区别在于：年运行负荷曲线按时间先后绘制，年持续负荷曲线按负荷大小和累积时间绘制。

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

图2-3年负荷持续时间曲线的绘制

2.1.3度量

各种负荷曲线直观地反映电力负荷变动的情况，通过对负荷曲线的分析，可更深入地掌握负荷变动的规律，并从中获得一些对设计和运行有关的物理量。

1.年最大负荷

一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为年最大负荷，也称半小时最大负荷，见图2-1。为排除偶然性，此最大工作班消耗电能最大的半小时，全年应至少出现2～3次。

2.平均负荷

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内的平均消耗功率，即

（2-5）式中,

Wt为时间t内消耗的电能量。

1）日有功平均负荷，如图2-1所示。

2）年平均负荷按全年（365D×24h/D=8760h）消耗的电能来计算，如图2-4所示，即：（2-6）3.负荷系数负荷系数是平均负荷与最大负荷之比，又称为负荷率。它表征负荷曲线波动、起伏的程度，它越接近1越平坦，故又称为负荷填充系数。一般说来，应尽量提高负荷系数，以充分发挥供电设备的供电能力，提高系统的供电效率。它又分两种度量。

（1）有功负荷系数（2-7）通常取0.7～0.75。（2）无功负荷系数（2-8）

通常为0.76～0.82。

式（2-7）、（2-8）中、、、，依次为有功负荷、无功负荷平均值及最大值。4.计算负荷与同时间内实际变动负荷热效应相等的假想持续负荷即为计算负荷。供配电工程中绘制的负荷曲线上的最大负荷（即半小时平均负荷），就是这个假想负荷，即。它也是以半小时时间间隔测绘的折线、梯形的负荷曲线上反映的最大值，即，故，参见图2-1。以半小时为时间间隔是因导线要通过额定电流（3～4）的时间才达到稳定温升（为对应的该导线截面的发热时间常数），最小截面导线的约10min，它的3倍即30min(更大截面的导线达到热平衡更短)。

5.年最大负荷利用小时

年最大负荷利用小时是电力负荷按年最大负荷(或）持续运行所消耗的电能与该电力负荷全年实际消耗的电能相等的假想时间，又称为年最大负荷使用时间，如图2-4所示。图2-4年最大负荷、年最大负荷利用小时与年平均负荷示意图年最大负荷利用小时按下式计算：（2-9）式中，为全年消耗的电能量。

年最大负荷利用小时是反映电力负荷特征的一个重要参数，与工厂的生产班制有明显关系。如一班制工厂Tmax≈1800～3000h，两班制工厂Tmax≈3500～4800h，三班制工厂Tmax≈5000～7000h。2.2设备组的负荷计算

计算负荷确定得是否正确合理，直接影响到电气设备和导线电缆的选择是否经济合理。如负荷确定过大，将使电气设备和导线电缆选得过大，造成浪费。如负荷确定过小，又将使电气设备和导线电缆处于过负荷运行，不仅增加电能损耗，更危险的是过热将导致设备和导线绝缘过早老化甚至烧毁，从而引发火灾。

负荷变化情况复杂，影响因素很多。虽各类负荷有一定的规律可循，但仍难准确确定计算负荷的大小。实际负荷与设备的性能、生产的组织、生产者的技能及能源的供应的状况等多种因素有关，也并非一成不变，因此负荷计算只能力求接近实际。

用电设备负荷计算是分部进行的，用电设备组负荷的计算是整个环节中最复杂、最关键的基础环节，其中尤以三相设备组最为基础。2.2.1三相用电设备组

普遍采用确定三相用电设备组计算负荷的方法是，需要系数法、利用系数法和功率密度法。需要系数法是国际上通用的确定计算负荷最简便、实用的方法。原用的二项式法的应用局限性较大，误差也大，渐趋淘汰。利用系数法将取代二项式法而被广泛应用。功率密度法多用于设备组，更多是对整个负荷用电的估算。

1.需要系数法

(1)基本公式

如前述，用电设备组的计算负荷指用电设备组从供电系统中取用的半小时最大负荷，也用表示。而用电设备组的设备容量是指用电设备组（除备用设备以外）所有的额定容量

之和，即

（2-10）

它们之间的关系按实际分析为：

（2-11）式中：为考虑设备组所有设备运行的同时性的同时系数；为考虑每台设备因被驱动设备的满载程度而对输入功率利用程度的负荷系数；为各设备运行的效率；为线路传输的效率。将定义为需要系数，则由式(2-11)得：（2-12）（2）计算步骤

1）求各设备组的有功计算负荷查附表(2-1)得到各设备组对应的需要系数，再按式(2-12)分别求出其有功计算荷。

需要系数与用电设备组的类别和工作状态(工作性质、设备台数、设备效率和线路损耗)关系极大，且与操作人员的技能及生产组织等多种因素有关。因此计算时先要正确判断用电设备组的类别，且应尽可能地查找当前现行资料，并最好根据实际情况加以修正。

2）求各设备组其余的计算负荷。求出有功计算负荷后，按下列各式分别求出其余的计算负荷：无功计算负荷：（2-13）式中，为对应于用电设备组的正切值。视在计算负荷：

3）求各设备组的计算电流。（2-14）式中，为用电设备组的平均功率因数。

①对于设备组：（2-15）式中，为用电设备组的额定电压。②对于单台三相电动机：其计算电流即为其额定电流：式中，为单台三相电动机的效率。（2-16）

4）确定多组用电设备共同的总计算负荷。此时应考虑各组用电设备的最大负荷不同时出现的因素，对其有功负荷和无功负荷分别计入一个同时系数（又称为参差系数或综合系数）和。

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：（2-17）

(2-18)（2-19）总的计算电流为：（2-20）式中，、依次为1～n组(所有设备组)的有功、无功计算负荷之和，常简化为和。①对车间干线：；·由用电设备组计算负荷直接相加计算时取：；；

②对低压母线：

·由车间干线计算负荷直接相加来计算时取：；；（3）注意事项

1）负荷计算中常用的单位为：有功功率kW；无功功率kvar；视在功率kV·A；电流A；电压kV。

2）计算多组设备总的计算负荷时，为简化和统一，一般不因设备台数多少修改查表得到的参数值。

3）求多组设备计算负荷和电流时，由于各组设备的功率因数不一定相同，总的视在计算负荷和计算电流一般不能用各组视在计算负荷或计算电流之和来计算，总的视在计算负荷也不能按式（2-14）计算，而应按式（2-19）计算。

2.利用系数法

利用系数法以概率论为理论基础。用利用系数法确定计算负荷时，不论计算范围大小，都必须求出该计算范围内用电设备有效台数及最大系数，然后算出结果。

（1）基本计算式

1）利用系数是用电设备组在最大负荷班消耗的设备功率的利用系数，于是用电设备组在最大负荷工作班消耗的平均负荷的有功功率及无功功率分别为（kW）（2-21）（kVar)(2-22)

式中，为用电设备组的有功功率（kW），=；为用电设备组的各单台设备的有功功率（kW）;为用电设备组的功率因数角对应的正切值。

2）多组用电设备组的利用系数按式（2-21）推得平均利用系数（2-23）式中，为各用电设备组平均有功功率之和（kW）；为各用电设备组的有功功率之和（kW）。对于单组设备:（2-24）

3）用电设备的有效台数。

是从等效发热的角度将不同设备功率和工作制的用电设备台数换算为相同设备功率和工作制的等效值，故（2-25）式中，为用电设备组各单台用电设备的有功功率（kW），如设备有效台数为4台及以上,且最大一台设备功率与最小一台设备功率的比值m时，。

4）附加系数。它表达的类型相同，总容量相同，组成各设备容量台数不完全相同的负荷曲线上计算负荷与平均功率的差异，实值是修正后的利用系数。根据及查表可得对应值。故计算负荷按下列式计算。

有功功率：（kW）无功功率：（kVar）(2-26)(2-27)视在功率：（kV·A）(2-28)计算电流：（A）(2-29)式中，为额定电压（kV）；为最大系数。（2）计算步骤

①由设备组查表得对应的利用系数,按式（2-21）与该设备组设备功率之乘积即该用电设备的。

②以各用电设备的及,根据式（2-23）求得平均利用系数(单组用电设备即)。

③根据式（2-25），求出用电设备组有效台数。

④根据及查表得用电设备组附加系数Km。

⑤根据式（2-26）～（2-29）求出计算负荷各相应值。3.比功率法按功率均分的理想化假设，以单位产量或单位面积上的功率求取总功率的方法称为比功率法，又称为功率密度法，这是用于估算的粗略方法。

因供配电系统中用电负荷一般都是三相负荷占绝大多数，所以在设计任务书或初步设计阶段，尤其是方案对比时，估算法不仅用于纯三相，也可以用于系统负荷的估算。根据对象不同，有如下两种估算方法。

（1）单位产品耗电估算法

适用于已知工矿企业的生产量n及每一单位产品电能消耗量w,先求出企业年电能需要量则最大有功功率为(2-30)（2-31）国家推行节能降耗政策以来，各行业、企业工艺更新、设备换代，原有的“单产电耗数据”多已过时，新的数据尚无权威提供，目前较难实施。

(2)单位面积耗电估算法(又称为负荷密度法)

适用于工矿企业及民用建筑,尤其是照明负荷的估算。已知用电负荷的使用面积S（）和负荷密度指标时，则平均负荷为：

（2-32）根据有关节能规范精神“单位面积耗电量法”将过渡到从节能限耗角度出发的“单位指标耗电量法”，而单位指标又分为现行（上限）值及（未来）目标值。2.2.2单相用电设备组供配电系统中，广泛使用三相设备外，还有如照明、电热、电焊这些单相设备。首先，应尽可能地将单相设备均匀分布在三相，以使三相负荷保持平衡。

单相负荷的计算处理原则为：三相线路中单相设备的总容量不超过三相总容量的15%时，单相设备按三相负荷平衡计算；三相线路中单相设备的总容量超过总容量的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。单相设备组等效为三相设备容量的计算又分为3种情况。

1.单相设备接于相电压

三相等效计算负荷为最大负荷相所接单相设备容量的3倍：

（2-33）2.单相设备接于线电压

（1）接于同一线电压由于容量为的单相设备接在线电压上产生的电流，应与等效三相设备容量产生的电流相等，因此其等效三相设备容量为：（2-34）

（2）接于不同线电压

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的换算公式为：W相:U相:V相:（2-35）（2-36）（2-37）式中，、、依次为接于WU、UV、VW相间的有功设备容量；、、依次为换算为W、U、V相的有功设备容量；、、依次为换算为W、U、V相的无功设备容量；、、……依次为接于WU、UV、VW相间的有功/无功设备容量换算为W、U、V相的有功/无功设备容量的换算系数，如下表所示。相间负荷换算为相负荷的功率换算系数

3.单相设备有的接于线电压、有的接于相电压

将接于线电压的单相设备容量按式（2-35)～(2-37）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，再按式（2-34）等效为三相容量。2.3损耗

电流流过电力线路和变压器时，一般都会产生功率和电能的损耗。

2.3.1线路因线路具有电阻和电抗，所以其功率损耗包括有功和无功两部分。

（1）有功功率损耗由电流流过线路电阻引起，其计算式为：（2-38）式中，为线路的计算电流（A）；为线路每相的电阻（），，L为线路单位长度的电阻(Ω/km)，L为线路的计算长度（km）。（2）无功功率损耗

由电流流过线路电抗引起，其计算式为：

（2-39）式中，为线路的计算电流（A）；为线路每相的电抗（），，为线路单位长度的电抗（）（一般对架空线路其值为0.4左右，对电缆线路其值为0.08左右）；L为线路的计算长度（km）。可通过查表得到。但是查不仅要根据导线（或电缆）截面，还要根据导线间的几何均距。其几何均距是三相线路各相导线间距离的几何平均值。如图2-5a所示A、B、C三相线路，其线间几何均距为：（2-40）

如导线为等边三角形排列（图2-5b），则

如导线为水平等距排列（图2-5c），则a)一般情况b)等边三角形排列c)水平等距排列图2-5三相线路的线间距离2.3.2变压器变压器同样具有电阻和电抗,所以其功率损耗也包括有功功率损耗和无功功率损耗两部分。1.有功功率损耗

1）铁损是变压器主磁通在铁心中产生的有功损耗。变压器空载时的损耗为空载损耗，由铁损和一次绕组中的有功损耗产生。空载电流很小，在一次绕组中产生的有功功率损耗也很小，可忽略不计，故空载损耗可认为就是铁损，所以铁损又称为空载损耗，可由变压器空载实验测定。变压器主磁通只与外加电压有关。当外加电压和频率恒定时，铁损与负荷无关，是定值。

2）铜损是变压器负荷电流在一次、二次绕组的电阻中产生的有功损耗，其值与负荷电流（或功率）的平方成正比。变压器负载试验（原称短路试验）时，一次侧施加的电压很小，铁心的主磁通很小，在铁心中产生的有功功率损耗可略去不计，故变压器的负载损耗△PK可近似为变压器在额定电流下的铜损，则可由变压器负载试验测得。因此变压器的有功功率损耗为：

或（2-42）式中，为变压器的额定容量；为变压器的计算负荷；为变压器的负荷率（=）；为变压器空载损耗；为变压器短路损耗。2.无功功率损耗

1）励磁损耗是变压器空载时，产生主磁通的励磁电流造成的无功功率损耗。它和绕组电压有关，与负荷无关，其值与励磁电流（或近似与空载电流）成正比，即（2-43）式中，为变压器空载电流占额定电流的百分值。

2）电抗损耗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，其值也与电流的平方成正比。因变压器绕组的电抗远大于电阻，故近似认为其在额定电流时的值与阻抗电压成正比，即（2-44）

式中，为变压器的阻抗电压百分值（近似为变压器短路电压与额定电压的百分比）。因此，变压器的无功功率损耗为

或（2-45）（2-46）以上（2-41）～（2-46）各式中，、、和均可由变压器产品资料中查得。在负荷计算中，低损耗电力变压器的功率损耗，还可按下列简化公式粗略估算：有功功率损耗（2-47）无功功率损耗（2-48）2.3.3电能损耗

供配电系统中的线路和变压器常年持续运行，其电能损耗相当可观，直接关系到供电系统的经济效益，应设法降低。1.年最大负荷损耗小时是线路或变压器中流过最大计算电流，产生相等于全年流过实际变化电流时的电能损耗的假想时间，它与年最大负荷利用小时和负荷功率因数有一定关系。图2-6为不同功率因数下的与和负荷功率因数的关系曲线。图2-6-关系曲线当，且线路电压不变时（2-49）2.线路的电能损耗

线路上全年的电能损耗按下式计算（2-50）式中，为通过线路的计算电流；为线路每相的电阻；为年最大负荷损耗小时。3.变压器的电能损耗1）铁损引起的电能损耗只要外施电压和频率不变，就固定不变。近似地等于其空载损耗，因此其全年电能损耗为（2-51）

2）铜损引起的电能损耗与负荷电流（或功率）平方成正比，即与变压器负荷率的平方成正比。而近似地等于其短路损耗，因此其全年电能损耗为（2-52）式中，为变压器的年最大负荷损耗小时。变压器全年的电能损耗为（2-53）4.全厂的电能消耗年电能消耗量除前述可用其年产量和单产耗电量估算外，可用其有功和无功计算负荷和按下式较精确的计算。年有功电能消耗量：（2-54）

年无功电能消耗量：（2-55）式中，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；为年实际工作小时数，一班制可取2300h，两班制可取4600h，三班制可取6900h。#2.4尖峰电流尖峰电流指单台或多台用电设备持续1～2s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。计算尖峰电流的目的是选择熔断器、断路器和继电保护装置，以及计算电压波动及检验电动力作用下的稳定性。给单台用电设备供电的支线的尖峰电流即用电设备的起动电流：

2.4.1单台用电设备（2-56）式中：为设备额定电流；为设备起动电流；为设备的起动电流倍数，笼型电动机为5～7，绕线型电动机为2～3，直流电动机为1.7，电焊变压器为3或稍大（详查样本或铭牌）。2.4.2多台用电设备

给多台用电设备供电的干线尖峰电流：（2-57）

或：（2-58）式中，、分别为用电设备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及起动电流与额定电流之差；起动电流与额定电流之差为最大的那台设备除外的其他n-1台设备的额定电流之和；为n-1台设备的同时系数，按台数多少选取，一般为0.7～1；为全部设备正常运行时线路的计算电流（所有设备额定电流之和乘同时系数）。例2-1：某线路供给5台电动机见下表，请计算此线路的尖峰电流。

例2-1条件解：①起动与额定电流差为：M1：42.0-8.3=33.7（A）M2：193.2-27.6=165.6（A）

M3：60.0-9.9=50.1（A）

M4：197.0-35.8=161.2（A）

M5：40.6-5.8=34.8（A）可见电动机M2起动电流与额定电流差最大(M4起动电流最大，但它与额定电流差次之)。

②设=0.9，由式（2-57）得：

或由式（2-58）得：

③分析：前者略小，因前项乘以同时系数0.9所致，在工程误差范围内。2.5功率因数

2.5.1度量

功率因数是衡量供配电系统电能利用程度及电气设备使用状况的一个重要电气参数。它随负荷和电源电压的变动而变动，因此它的度量也就有多种方法。1.瞬时功率因数它是针对某一时刻的功率因数值。用于观察功率因数的变化，即了解和分析用户或设备在用电过程中无功功率的变化状况，以便采取相应补偿措施，以及为日后进行设计提供参考依据。可由功率因数表（相位表）直接测量，也可用在同一时刻测得的有功功率表、电流表和电压表的读数按下式计算：式中，P为功率表测出的三相功率读数（kW）；U为电压表测出的线电压的读数（kV）；I为电流表测出的线电流读数（A）。

2.平均功率因数

某段时间内功率因数的平均值，也称为加权平均功率因数、均权平均功率因数。供电部门根据月平均功率因数调整用户的电费电价。平均功率因数低于规定标准时，增加一定比例的电费；而高于规定标准时，减少一定比例的电费。以此经济杠杆鼓励用户提高功率因数，达到提高系统运行经济性的目的。（2-59）（1）由消耗的电能计算

式中，为某一时间内消耗的有功电能（kWh），由有功电度表读数得出；为某一时间内消耗的无功电能（kvar.h），由无功电度表读数得出。若用户在电费计量点装设感性和容性的无功电度表来分别计量感性无功电能（）和容性无功电能（），则按以下公式计算：

（2-61）（2-60）（2）由计算负荷计算

（2-62）式中，为有功负荷系数（一般为0.7～0.75）；为无功负荷系数（一般为0.76～0.82）。3.最大负荷的功率因数它是年最大负荷（计算负荷）时的功率因数。《供电营业规则》规定：用户在当地供电企业规定的电网高峰负荷时的功率因数，应达到下列规定：“100kV.A及以上高压供电的用户功率因数为0.90以上。其他电力用户和大、中型电力排灌站、趸购转售电企业，功率因数为0.85以上。农业用电，功率因数为0.80……”此时的功率因数应视为最大负荷的功率因数。其计算式为：（2-63）2.5.2影响

供配电系统输送同样的有功功率时，若系统功率因数过低，伴随输送的无功功率将过大，主要会产生如下影响。

1）设备及供电线路的有功功率损耗增大。由于无功损耗的增大而引起的总电流的增加，使得系统中有功功率损耗增加。

2）电压损失增大。系统总电流增大，正比于系统中流过的电流的电压损失增加，使得调压困难、电压偏低，这对于生产和生活将造成很大的损失。

3）电气元件容量增大。系统中输送的总电流增加，使得各电气元件（如变压器、电器设备、导线）容量增大，从而使工厂内部的起动控制设备、测量仪表等规格尺寸增大，导致初投资增大。

4）发电设备出力降低。无功电流的增大，使发电机转子的去磁效应增加，电压降低，过度增加励磁电流，则使转子绕组的温升超过允许范围，为保证转子绕组的正常工作，发电机就不能达到预定的出力。2.5.3改善措施

1.无功功率补偿的原理

供配电系统中有大量的电动机、电焊机、气体放电灯及串电抗器的电弧炉等感性负荷，从而使系统感性无功大，至使功率因数低。要提高功率因数，必须投入容性无功，以抵消部分感性无功，使总的无功功率减小，这作法就是无功功率补偿。图2-7形象地反映这一过程。

投入容性无功，使系统感性无功由减小到，即使功率因数角从减到，也就是使功率因数由提高到。此时系统有功功率仍为不变，而视在功率由减小到。此时补偿的容性无功容量为：

（2-64）或：（2-65）

式中，称为无功补偿率，或比补偿容量。它表示要使1kW的有功功率由提高到所需要的无功补偿容量的kvar值，其单位为“kvar/kW”。

图2-7功率因数的提高与无功功率、视在功率的变化2.具体措施

（1）提高自然功率因数

不添置任何补偿设备，采取减小供电系统自身无功功率的措施，即提高自然功率因数。它不需要增加投资，是最经济的提高功率因数的方法。

1）正确选用异步电动机的型号和容量；

2）减少电动机的空载或轻载运行状况；

3）保证电动机的检修质量；

4）合理选择变压器的容量；

5）交流接触器节电运行。

（2）并联电力电容器补偿

这是应用最为广泛的提高系统功率因数的主要方式。

1)特点。

①有功损耗小，约为0.25%~0.5%，而同步调相机约为1.5%~3%。

②无旋转部分，运行维护方便。

③机动灵活，可按系统需要，增加或减少安装容量和改变安装地点。

④独立性强，个别电容器损坏不影响整个装置运行。

⑤动态补偿方式在短路时，同步调相机将增加短路电流，增大用户开关的断流容量，而电容补偿无此动态补偿方式的缺点。

⑥只能有级调节，而不能随无功变化进行平滑连续的自动调节。

⑦油浸电容器当通风不良及运行温度过高时易发生漏油、鼓肚、爆炸等故障，目前已普遍采用金属化电容器，无此担忧。

2）并联电容器。

①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接线：并联补偿的电力电容器大多做成三相，低压（0.5kV以下）并联电容器其内部接成三角形。③保护：并联电容器的主要故障形式是短路。对于低压电容器和容量不超过450kvar的高压电容器，可用熔断器作为相间短路保护；对于容量较大的高压电容器组，则需用高压断路器，设瞬时或短延时过电流保护作为相间短路保护。

电容器对电压敏感，一般规定电网电压不得超过电容器额定电压的10%。故凡电容器安装处的电网电压可能超过其额定电压10%时，应装设过电压保护装置。低压无功功率补偿配电屏（柜）内并联于电力电容器旁的避雷器，即为实现此保护功能。3）补偿方式。

①高压集中补偿。将高压电容器组集中装设在总降压变电所的10（6）kV母线上。它只能补偿总降压变电所的10（6）kV母线前的供配电系统的无功功率，而对无功功率在此后的供配电系统中引起的损耗无法补偿，因此补偿范围最小，经济效果较差。但由于装设集中，运行条件较好，维护管理方便，投资较少，且总降压变电所10（6）kV母线停电机会少，因此电容器利用率高。这种方式在一些大中型企业和大的民用用电用户中应用相当普遍。图2-8为接在变配电所10（6）kV母线上的高压集中补偿的结线图。电容器是形接线，装入成套的高压电容器柜。FU是为防电容器击穿时引起相间短路的高压熔断器，电压互感器TV作为电容器的放电装置。图2-8高压集中补偿的结线②低压集中补偿。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。它只能补偿车间变电所或建筑物变电所低压母线前变压器和高压配电线路及电力系统的无功功率，对变电所低压母线后的设备则不起作用。但其补偿范围比高压集中补偿更大，且该补偿方式能使变压器的视在功率减小，从而使变压器的容量选得较小，因此较经济。这种补偿多以低压配电屏这种成套方式实施。这种低压电容器补偿屏一般安装在低压配电室内，运行维护安全方便。该补偿方式在用户中应用相当普遍。图2-9为低压集中补偿的接线。电容器也采用形接线，和高压集中补偿不同的是，放电装置为放电电阻或220V、15～25W的白炽灯的灯丝电阻。如果用白炽灯放电，白炽灯还可起指示电容器组正常运行与否的作用。图2-9低压集中补偿的接线③高压、低压的就地补偿。它是在个别功率因数较低的高压、低压设备旁装设补偿电容器的单独就地补偿，亦称个别补偿或分散补偿。该方式能补偿安装部位以前的所有设备，因此补偿范围最大，效果最好。

但投资较大，且如果被补偿的设备停止运行，电容器组也同时被切除，电容器的利用率较低。同时小容量电容器单价高，电容器易受到机械震动及其他环境条件影响。所以这种补偿方式适用长期稳定运行、无功功率需要较大、或距电源较远、不便于实现其他补偿的场合。一般工厂企业高、低压大电动机采用这种方式。图2-10为直接在感应电动机旁的单独就地补偿的结线，其放电装置通常为用电设备本身绕组的电阻。图2-10感应电动机旁就地补偿的结线实际应用中，若能将多种补偿方式统筹考虑、合理布局，将取得很好的技术经济效益。总之，采用并联电容器作无功补偿装置时，宜就地平衡补偿。低压部分的无功功率宜由低压电容器补偿；高压部分的无功功率宜由高压电容器补偿；负荷平稳且经常使用的用电设备的无功功率宜单独就地补偿。补偿基本无功功率的电容器组宜在变配电所内集中补偿。在正常环境的车间内，低压电容器宜分散补偿。

上述4种方式装设位置及补偿范围如图2-11所示。

4）补偿的控制方式。

①手动投切。方式简单经济、便于维护，但不能按负荷变动情况及时进行补偿而达到理想的补偿要求。下列情况可采用手动投切：

·补偿低压基本无功功率的电容器组；

·常年稳定的无功功率；

·长期投入运行的变压器或变配电所内投切次数较少的高压电容器组。图2-11电力电容无功补偿4种方式的装设位置及补偿范围图2-12为手动投切控制的示例，投切控制元件如改用断路器，更方便对电容器组进行保护，但费用较高，尤其是不如接触器可用按钮在控制屏点动操作方便。

图2-12手动投切控制无功补偿②自动投切。采用无功自动补偿控制装置，按负荷变动情况进行补偿控制。可达到比较理想的无功补偿要求，但是投资较大，且维修比较麻烦。下列情况宜装设无功自动补偿装置：

·为避免过补偿，装设无功自动补偿装置在经济上合理时；

·为避免轻载时电压过高，造成某些用电设备损坏而装设无功自动补偿装置在经济上合理时；

·只有装设无功自动补偿装置才能满足在各种运行负荷情况下的电压偏差允许值时。

低压自动补偿装置的原理电路如图2-13。电路中的功率因数自动补偿控制器按电力负荷的变动及功率因数的高低，以一定的时间间隔（10～15s）自动控制各组电容器回路接触器KM的投切，使电网的无功功率自动得到补偿，保持功率因数在事先设定值，而不会过补偿、或欠补偿。图2-13低压自动补偿装置的原理电路③浮动式控制。将上述两种方式有机组合，便成为目前应用广泛，又相对合理的浮动式补偿控制方式。

·手动投切：控制投切系统需补偿的稳定部分。

·自动投切：控制投切系统需补偿的其余波动变化部分。

电气成套设备实际运用中常将手动投切设计为n－1面补偿屏，自动投切设计为1面补偿屏，组合使用。

（3）同步电动机补偿

专门用来产生无功功率的同步电机称为同步调相机，在过励磁或欠励磁的不同情况下，可以分别发出不同大小的容性或感性无功功率。它通过改变励磁电流来调节所产生的无功功率的容性或感性性质及无功功率的大小，以改善供配电系统的功率因数。由于它是旋转电机，因此损耗和噪声都较大，运行维护复杂。虽随着晶闸管变流技术的发展、励磁装置大幅度改进，但价格昂贵及响应速度慢的缺点，仍使这种旋转动作的补偿方式日渐为静止补偿装置所代替。

（4）静止式无功功率补偿

“静止”是相对于上述旋转式同步调相机而言。传统的电力电容器无功功率补偿方式是分级阶梯式调节，阻抗固定，响应速度慢，不能满足对波动频繁的无功负荷进行补偿的要求，也就是不能实现对无功功率的动态补偿。随着电力电子技术的发展及其在电力系统中的应用，使用晶闸管控制的静止型无功补偿装置日渐成为高要求、大功率无功功率补偿的重要手段。

1）静止无功功率补偿装置SVC。

①晶闸管控制电抗器TCR的基本结构为两个反向并联的晶闸管与一个分成两段的电抗器相串联后并联到电网，相当于交流调压的电感负载。通过改变晶闸管的触发延迟角来改变晶闸管的导通程度，从而改变这个“可控电感”从电网中吸收无功功率的程度。②晶闸管投切电容器TSC是两个反向并联采用整流半周控制的晶闸管，上串电抗器，下串电容器后并联到电网，根据电网的无功功率需求来投切这些电容器。串联电感对电容器投入电网时可能造成的冲击电流起抑制作用。电路多组并接，就成为了有级调节的、发出容性无功功率的动态无功补偿器。

③TCR+TSC为实现连续可调的发出容性无功功率的能力，将TSC和TCR相结合，兼得二者功能。

2）静止无功发生器SVG。将自换相桥式变流电路通过电抗器或直接并联在电网，适当地调节桥式电路交流侧输出电压的相位和幅值，或直接控制其交流侧电流，就可使该电路吸收或者发出满足要求的无功电流，实现动态无功补偿。SVG的调节速度快、运行范围宽，且在采用多重化、多电平或PWM技术等措施后，可大大减少补偿电流中的谐波分量，使用的电抗器和电容器容量远比SVC中使用的电抗器和电容器要小，这将大大缩小装置的体积。2.6系统负荷的计算

系统负荷的计算实际上是前述各节各种负荷计算方法的综合运用。从计算次序来说是从末级（负荷端）逐级向上到首级（电源端）的逐级倒算。下面以两类例题分别介绍其计算的步骤及方法。

2.6.1工矿用电负荷

1.求总降压变电所的计算负荷

例2-2写出求图2-14所示系统总降压变电所的计算负荷的步骤及算式。图2-14例2-2条件解：

1）计算供给单台用电设备的支线的计算负荷(图中1点处的负荷)分别用下列方法：

①断续周期工作设备暂载率转换，运用式（2-2）～（2-4）。

②线电压等效为相电压，运用式（2-35）～（2-37）。

③单相等效为三相，运用式（2-33）。

④设备效率转换：

（2-66）

式中：设备效率查表可得，也可计算得到。

2）计算用电设备组计算负荷(图中2点处的负荷)分别用下列方法：

①需要系数法：运用式（2-10）～（2-20）。

②利用系数法：运用式（2-21）～（2-29）。

3）计算车间干线或多组用电设备组的计算负荷(图中3点处的负荷P30.3)运用式（2-17）～（2-20），有功负荷的同时系数取0.85～0.95；无功负荷的同时系数取0.9～0.97。

4）计算车间变电所或建筑物变电所低压母线的计算负荷(图中4点处的负荷P30.4)运用式（2-17）～（2-20），有功负荷的同时系数取0.90～0.95，取0.93～0.97。

也有计算将3）、4）两点合并，取此时的同时系数计算（下面计算实例即按此）。

5）计算车间变电所或建筑物变电所高压母线的计算负荷(图中5点处的负荷P30.5)先按式（2-42）及（2-46）计算出的及，再代入：（2-67）

6）计算总降压变电所二次侧的计算负荷(图中6点处的负荷)若总降压变电所到车间或建筑物的距离较长，应考虑线路的功率损耗。其功率损耗，按式（2-38/39计算，再把总降压变电所二次侧各出线的计算负荷（已经考虑了线路损耗）相加并乘以同时系数（有功、无功负荷的同时系数可取0.8～0.97），即得企业总降压变电所二次侧的计算负荷，即：(2-68)

7）计算总降压变电所高压侧的计算负荷（图中7点处的负荷P）

先按5）类似方法，先按式（2-42）及（2-46）计算出的及，再代入：（2-69）2.求车间变电所的计算负荷

（1）例2-3某中型化工厂的蒸发干燥车间设备装机清单如下表所示，按需要系数法填写负荷计算书，并附计算过程。

1）说明。此例是一个将真实工程简化得出的综合题，灵活变化后可适用于不少场合。也可取其中某部分，解决单项具体问题。内容包括：

①用电设备容量的计算；

②各设备组的需要系数法负荷计算；

③车间变电所级的低压集中无功功率补偿量的计算；

④车间变电所变压器选用及相关计算，即完成车间变电所向上一级供电部门需提交参数的计算；

⑤按设计院使用的“负荷计算书”填写全部结果。2）条件，如下表。

例2-3条件(车间设备装机清单）（2）解例2-3

1）设备负荷的归整。

①电热干燥箱：尽可能均分三相，设为如下分配方式。

220-W：10kW×2

220-U：30kW

220-V：20kW

取功率最大相B，按式2-33：

=330=90（kW）

②焊机类：将暂载率统一化为该类标准值：

380-WU：14kW2（FC=100%）

380-UV：20kW1（FC=100%）

380-VW：30kW1（FC=60%）

仅需归算，按式（2-3）：=30=23.2（kW）将其各自归算到单相，按式（2-35）～（2-37），并查表得:

=0.89（142）+0.1123.2=27.5（kW）

=0.11（142）+0.8920=20.9（kW）

=0.11（201）+0.8923.3=22.8（kW）

取最大相（W相）折成三相功率，即：

计算负荷按式（2-33）：=327.5=82.5（kW）

有功按式（2-12）：=82.50.35=28.9（kW）

无功按式（2-13）：=2.6828.9=77.5（kvar）

③将设备按使用功能归类。

2）各类设备组负荷计算

①将车间装机的11类负荷按类组累计。②求其有功功率。

③求其无功功率。

3）车间变电所变压器低压侧负荷。按式（2-17）～（2-20）计算：

①求其有功功率：，此题取为0.9，故：②求其无功功率：，此题取为0.95，故：

③求其视在功率：，，

故：

④求其补偿量：由于，按要求需作无功功率补偿，实际中多采用低压侧集中补偿方式。且为留变动裕量，补偿后cos取0.95，其补偿量按式（2-64）计算：为便于工程实现取500kvar。也可根据，推得补偿后无功功率算得。⑤求其补偿后无功功率：

⑥求其补偿后视在功率：

⑦选择变压器。

4）折算到变压器高压侧负荷即车间变电所需供电负荷

①算变压器损耗。

有功损耗按式（2-42）：

无功损耗按式（2-44）：

②算变压器高压侧负荷。按式（2-68）得：

忽略线路损耗，按式（2-69）得：

③算其他参数。无功功率为：变压器负荷率为：④填表。2.6.2建筑用电负荷

例2-4某高层商业建筑，每层建筑面积6000m2共6层。其中一般照明（光源为荧光灯）容量640kW；应急照明（兼做一般照明光源为白炽灯）容量56kW；垂直消防电梯（交流兼做普通客梯）8台，每台15kW；扶梯（交流）30台，每台7.5kW；冷冻机三台，每台248kW；防排烟风机10台，每台15kW；通风机12台，每台11kW；消防泵两台（一用一备），每台37kW；喷淋泵两台(一用一备)，每台22kW；生活水泵两台（一用一备），每台22kW。若要将整个建筑低压0.38kV系统的功率因数提高到0.92以上，试求该建筑总的计算负荷？各设备计算参数见下表。例2-4条件(计算参数)2.解例2-4⑴按两大类计算各设备组的计算负荷。

1）消防负荷类。

①消防电梯查表2-6：Kx1=1.0Cosφ1=0.70,tanφ1=1.02，且Pe1=nPil=8x15=120(kW)，

故：Pc1=KxlxPe1=1.0x120=120(kW)

Qc1=Pc1xtanφ1=120x1.02=122.4(kvar)

②防排烟风机查上表：Kx2=1.0，Cosφ2=0.80,tanφ2=0.75，且Pe2=nPi2=10x15=150(kW)，

故：Pc2=Kx2xPe2=1.0x150=150(kW)

Qc2=Pc2xtanφ2=150x0.75=122.5(kvar)

③消防泵查上表：Kx3=1.0，Cosφ3=0.80,tanφ3=0.75，且消防泵两台一用一备，计算负荷时不计入备用容量故仅考虑一台Pe3=nPi3=1x37=37(kW)，

故：Pc3=Kx3xPe3=1.0x37=37(kW)

Qc3=Pc3xtanφ3=37x0.75=27.75(kvar)

④喷淋泵查表2-6：Kx4=1.0，Cosφ4=0.80,tanφ4=0.75，且喷淋泵两台一用一备，计算负荷时不计入备用容量故仅考虑一台Pe4=nPi4=1x22=22(kW)，

故：Pc4=Kx4xPe4=1.0x22=22(kW)

Qc3=Pc4xtanφ4=22x0.75=16.5(kvar)

⑤应急照明查表2-6：Kx5=1.0，Cosφ5=1.00,tanφ5=0.00，且Pe5=nPi5=1x56=56(kW)，

故：Pc5=Kx5xPe5=1.0x56=56(kW)

Qc5=Pc5xtanφ5=56x0.00=0.00(kvar)

∴消防总负荷：

Pc消防=Pc1+Pc2+Pc3+Pc4+Pc5=120+150+37+22+56=385.0(kW)

Qc消防=Qc1+Qc2+Qc3+Qc4+Qc5=122.4+112.5+27.75+16.5+0.00=279.15(kvar)

Sc消防===475.55(kV.A)2)非消防负荷类。

①一般照明查上表：Kx1=0.9，Cosφ1=0.70,tanφ1=0.48，且Pe1=nPi1=1x640=640(kW)，

故：Pc1=Kx1xPe1=0.9x640=576(kW)

Qc1=Pc1xtanφ1=576x0.48=276.48(kvar)

②扶梯查上表：Kx2=0.8，Cosφ2=0.70,tanφ2=1.02，且Pe2=nPi2=30x7.5=225(kW)，

故：Pc2=Kx2xPe2=0.8x225=180(kW)

Qc2=Pc2xtanφ2=180x1.02=183.6(kvar)③冷冻机查上表：Kx3=0.7，Cosφ3=0.80,tanφ3=0.75，且Pe3=nPi3=3x248=744(kW)，

故：Pc3=Kx3xPe3=0.7x744=520.8(kW)

Qc3=Pc3xtanφ3=520.8x0.75=390.6(kvar)

④通风机查上表：Kx4=0.6，Cosφ4=0.80,tanφ4=0.75，且Pe4=nPi4=12x111=132(kW)，

故：Pc4=Kx4xPe4=0.6x132=79.2(kW)

Qc3=Pc4xtanφ4=79.2x0.75=59.4(kvar)⑤生活水泵查上表：Kx5=1.0，Cosφ5=0.80,tanφ5=0.75，且生活水泵两台一用一备，计算负荷时不计入备用容量故仅考虑一台Pe5=nPi5=1x22=22(kW)，

故：Pc5=Kx5xPe5=1.0x22=22(kW)

Qc5=Pc5xtanφ5=22x0.75=16.5(kvar)

所以非消防总负荷：

Pc非消防=Pc1+Pc2+Pc3+Pc4+Pc5

=576+180+520.8+79.2+22

=1378(kW)

Qc非消防=Qc1+Qc2+Qc3+Qc4+Qc5

=276.48+183.6+390.6+59.4+16.5

=926.58(kvar)

Sc非消防==

=1660.55(kV.A)

（2）平时工作总负荷

由所有非消防负荷和平时工作的消防负荷组成，即非消防负荷、垂直消防电梯和应急照明负荷，分别为：

Pc平时=Pc非消防+Pc1消防+Pc5消防

=1378+120+56=1554(kW)

Qc平时=Qc非消防+Qc1消防+Qc5消防

=926.58+122.4+0.00=1048.98(kvar)

Sc平时==

=1874.91(kV.A)

（3）建筑物的总负荷

火灾时应急工作总负荷相对平时工作总负荷：消防负荷全部启动，增加了平时不工作的消防负荷。但同时火灾后削减了大量平时工作负荷。相互抵消，差异不大，故将“平时工作总负荷”视为等同于“应急工作总负荷”，即“建筑物的总负荷”。故：

Pc=Pc平时=1554(kW)

Qc=Qc平时=1048.98(kvar)

SC=Sc平时=1874.91(kV.A)

（4）无功补偿容量

补偿前的功率因数：Cosφ1===0.82，补偿后的功率因数要求：Cosφ2=0.92，查表得补偿率qc=0.27。

预计无功补偿容量应为：Qc=Pcqc=1554x0.27

=419.58(kvar)

如选用型号为BCMJ0.4-30-3的三相电容器(每个电容器额定容量30kvar)，则电容器个数为：

n==13.99约为14(个)

选用14个电容器，则无功补偿容量应为：

Q补=14x30=420(kvar)

补偿后无功功率为：Qc补后=Qc-Q补

=1048.98-420

=628.98(kvar)

补偿后各值为：Sc==

=1676.46(kV.A)

Ic===2547(A)

Cosφ=0.9270.93

达到题目要求。

教学指导

本章作为全书的重点章节，以负荷计算为重心。

1、介绍了自单台设备、单个设备组、多个设备组到系统，围绕负荷计算的一系列概念：包括定义、公式及曲线。不仅要了解，还要准确运用于计算。

2、需要系数法是负荷计算最常用的方法，要掌握其具体计算(包括公式、单位、计算过程)。

3、利用系数法是取代原二项式法的负荷计算新方法，仅了解其基本概念，为后续提高作基础储备。

4、“损耗”的概念及计算，必须溶于“系统负荷的计算”来理解和运用。

5、“尖峰电流”按“单台”考虑电力负荷对系统的反作用，为扩展知识。

6、“功率因数”及“无功功率补偿”是与节能有关的重要概念和措施，尤以“并联电力电容器的无功功率补偿”最常用，要求掌握相关知识及实际运用。对以电力电子技术为核心的“无功补偿新方法”仅要求有一个全面的概念，亦为后续提高作基础储备。

7、末节的“例2-3和例2-4”将相关计算公式及应用综合，进行系统负荷的实际计算。需对其计算步骤、方法彻底了解、熟练掌握，灵活运用。

练习题

2-1“电力负荷”的含义？变压器是“电力负荷”吗？

2-2“两路电源”与“两路独立电源”区別？“两路独立电源”如何取得？

2-3“电力负荷”按工作制分为几类，各类的特点如何？“断续工作制设备”的功率如何折算？

2-4