工厂供电第二章

江南大学通信与控制工程学院电气工程系PlantPowerSupply

工厂供电

工厂供电

第二章

工厂的电力负荷及其计算本章的重点：三相用电设备组负荷的计算。两种计算方法：（1）需要系数法；（2）二项式系数法。供电系统的功率损耗和电能损耗。全厂负荷的计算。123第二章工厂的电力负荷及其计算

第一节工厂的电力负荷与负荷曲线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一.工厂电力负荷的分级及其对供电电源的要求二.工厂用电设备的工作制三.负荷曲线及有关物理量一.概述二.按需要系数法确定计算负荷三.按二项式法确定计算负荷一.概述二.单相设备组等效三相负荷的计算一.工厂计算负荷的确定第四节工厂的计算负荷及年耗电量的计算二.工厂年耗电量的计算第五节尖峰电流及其计算复习思考题习题一.概述二.用电设备尖峰电流的计算第一节电力负荷和负荷曲线一、负荷的分级和对供电的要求（一）工厂电力负荷的分级电力负荷的两种含义用电设备或用电单位耗用的电功率或电流大小依据：1供电的可靠性；2中断供电在政治、经济上所造成的损失或影响。1、一级负荷：中断供电造成政治、经济重大损失。如：重要的国家机关；国家电视台，机场等。2、二级负荷：中断供电会造成政治、经济比较大的损失。如：医院（手术室）、学校，体育场等。3、三级负荷：为一般的电力负荷。但是，也有可靠性的要求，不是可以随意停止供电的。（二）各级负荷对供电电源的要求1，一级负荷：要求两个独立电源供电。对其中特别重要的负荷，配置专用应急电源，而且严禁其它负载接入应急电源。2，二级负荷：要求由两回路供电；供电变压器也应两台。负荷较小或两路供电有困难时，可有一路6KV以上的专用架空线供电；若供电线路从配电所引出采用电缆，必须用两根电缆，每根能承受全部二级负荷，且同时运行，互为“热备用”。3，三级负荷：无特殊要求。二、用电设备的工作制1、长期连续

工作制：设备长期运行，负荷比较稳定。2、短时工作制：设备工作时间

很短，停歇时间相当长。如：机床的辅助电动机。3、断续周期工作制：周期性工作，时停、时运行，工作周期一般少于10min（如电焊机，吊车电动机等）。

可用负荷持续率表示其工作状态。注意：断续周期工作的设备，在计算负荷时，必须按实际负荷率换算其设备容量。按实际负荷率换算其设备容量。三、工厂负荷曲线（一）绘制及类型图2-11、绘制：纵坐标有功功率无功功率横坐标时间2、类型：工厂、车间、设备的。有功功率、无功功率。年、月、日、工作班。（二）有关的物理量1、年最大负荷和最大负荷利用

小时。（图２－2）（１）年最大负荷Ｐｍａｘ定义：全年负荷最大的工作班内，消耗电能最大的半小时平均功率。Ｐｍａｘ＝Ｐ３０（２）年最大负荷利用小时。定义：是假想的时间。在该时间内，电力负荷按Ｐｍａｘ所消耗的电能等于全年实际消耗的电能。（图２－3）。工厂日有功负荷曲线图2-2年负荷持续时间曲线的绘制a)夏日负荷曲线b)冬日负荷曲线c)年负荷持续时间曲线上述年负荷曲线，根据其一年中具有代表性的夏日负荷曲线（图2-2a）和冬日负荷曲线（图2-2b）来绘制。其夏日和冬日在全年中所占的天数，应视当地的地理位置和气温情况而定。例如在我国北方，可近似地取夏日165天，冬日200天；而在我国南方，则可近似地取夏日200天，冬日165天。假设绘制南方某厂的年负荷曲线（图2-2c），其中P1在年负荷曲线上所占的时间T1=200(t1+t1′)，P2在年负荷曲线上所占的时间T2=200t2+165t2′)

，其余类推。图2-3年每日最大负荷曲线

一年实际消耗的电能：

所以，

Tmax是反映电力负荷特性的一个重要参数；它与工厂的生产班制有关：

一班制：Tmax=1800~2500小时；

二班制：Tmax=3500~4500小时；

三班制：Tmax=5000~7000小时。2、平均负荷与负荷系数

Page42/图24/5（1）平均负荷Pav其中：Wt时间t内消耗的电能。所以，年平均负荷：

8760为一年的小时数。

（2）负荷系数：有称负荷率；对负荷曲线有称负荷曲线的充填系数，表示负荷变化的程度。定义：对于用电设备：其中：P设备输出功率。

PN设备额定功率。图2-4年最大负荷和年最大负荷利用小时图2-5年平均负荷第二节三相用电设备组计算负荷的确定一、概述计算负荷是供电设计计算的基本依据。因为截面>16mm2的导体的发热时间常数一般都>10min，而导体通过电流达到稳定温升（这正是负荷计算的重要依据）一般要3~4（约30min）；此间消耗的电能与负荷曲线上半小时消耗的电能相当；所以，计算负荷用下标“30”表示。如P30（KW）、Q30（Kvar）、S30（KVA）、I30（A）等。负荷计算的方法：

1、需要系数法；2、二项式系数法。图2-6用电设备组的计算负荷说明二、需要系数法（一）单组用电设备的计算公式：Pe设备组所有设备（不包括备用设备）的额定容量PN之和。K

设备组的同时系数；KL设备组的负荷系数；

e设备组的平均效率；

wl配电线路的平均效率。其中：

Kd为需要系数。Page434/附表1：查Kd。

Kd表示用电设备组在最大负荷时，需要的有功功率与设备容量之比。所以：

注意：附表1中的Kd值是按车间内设备台数比较多的情况确定的。一般偏低。因此：（1）需要系数法适用于车间及车间以上的计算负荷。（2）计算干线或分支线的负荷时，附表的Kd偏小，适当取大。（COS

也适当取大）。（3）只有1~2台设备时，认为：Kd=1；P30=Pe。（4）只有1台电动机时，P30=Pe

/。电动机效率。其余负荷的计算：

无功负荷

Q30=P30•tan

Kvar

视在负荷

S30=P30/COS=KVA

计算电流

I30=S30/A一台三相电动机：I30=IN=PN/•COS•

A例2-1已知某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0.2)，，

因此可求得：

有功计算负荷无功计算负荷视在计算负荷计算电流

（二）设备容量Pe的计算

Pe与设备组的工作制有关1、长期连续工作制和短时工作制：2、断续周期工作制：设备容量要按标准负荷持续率进行换算。公式如下：

N设备的实际负荷持续率。

设备的标准负荷持续率。一般：电焊机为100%；

吊车为25%时换算最简便。例21：单组负荷的计算题中“机修车间”即“小批量生产”之意。（1）电焊机组：一般的标准负荷持续率

=100%。（2）吊车电动机组：标准负荷持续率

=25%。（三）多组用电设备负荷的计算考虑以下两个因数：1、各组用电设备不同时工作在最大负荷状态。2、所有设备未必同时启动，未必都运行。所以，多组问题负荷计算时应该考虑：

有功同时系数KP，

无功同时系数Kq。K

的具体取值见：

Page47例2-2

某机修车间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7.5kW1台，4kW3台，2.2kW7台)，通风机2台共3kW，电阻炉1台2kW。试确定此线路上的计算负荷。

解：先求各组的计算负荷

(1)金属切削机床组查附录表1，取故

(2)通风机组查附录表1，取故(3)电阻炉查附录表1，取故因此总的计算负荷为（取）

34.522.718.513.1取19.113.85523车间总计01.4010.721电阻炉31.82.40.750.80.832通风机217.3101.730.50.25020切削机床1计算负荷需要系数容量台数n设备名称序号表2-1例2-2的电力负荷计算表（按需要系数法）在实际工程设计说明书中，为了使人一目了然，便于审核，常采用计算表格的形式，如表2-1所示。例22是多组问题，有金属切削机床组；通风机组；电阻炉。所以，求总负荷时必须考虑同时系数K

。三、二项式系数法

需要系数法对于设备组中的大容量设备没有特别考虑；所以，设备台数少、容量差别大时，如低压分支线或干线，计算结果偏小。（一）基本公式：其中：b、c为二项式系数；x为x台最大容量的设备总容量。设备组的平均负荷设备组的x台大容量设备的附加负荷Pe与需要系数法一样。X台最大容量的设备总容量Q30=P30tanS30=I30=S30/Px的计算：1、当设备台数n<2x时，x=n/2，按

“四舍五入”取整数。2、1~2台时P30=Pe。3、单台电动机：P30=PN/。例2--3：单组问题；请与例2--1的计算结果进行比较。（二）多组问题。总的有功功率：总的无功功率：例2--4：多组问题；请与例2--2的计算结果进行比较。各组有功平均负荷的总和各组中最大的一个有功附加负荷各组无功平均负荷的总和最大的一个有功附加负荷的正切值比较例2-1和例2-3的计算结果可以看出，按二项式法计算的结果比按需要系数法计算的结果稍大，特别是在设备台数较少的情况下。供电设计的经验说明，选择低压分支干线或分支线时，按需要系数法计算的结果往往偏小，以采用二项式法计算为宜。我国建筑行业标准JGJ/T16-1992《民用建筑电气设计规范》也规定：“用电设备台数较少、各台设备容量相差悬殊时，宜采用二项式法。”例2-3试用二项式法来确定例2-1所示机床组的计算负荷。解：由附录表1查得。

设备总容量(见例2-1)为

X台最大容量的设备容量为因此按式（2-21）可求得其有功计算负荷为

按式（2-11）可求得其无功计算负荷为按式（2-12）可求得其视在计算负荷为按式（2-13）可求得其计算电流为关于总的视在计算负荷S30

和总的计算电流I30，仍按式（2-19）和式（2-20）计算。为了简化和统一，按二项式法计算多组设备的计算负荷时，也不论各组设备台数多少，各组的计算系数b、c、x和等，均按附录表1所列数值。例2-4试用二项式法确定例2-2所述机修车间380V线路的计算负荷。解：先求各组的bPe

和cPx

(1)金属切削机床组查附录表1，取故，(2)通风机组查附录表1，取，故，(3)电阻炉查附录表1，取，故，多组用电设备计算负荷的确定采用二项式法确定多组用电设备总的计算负荷时，也应考虑各组用电设备的最大负荷不同时出现的因素，但不是计入一个同时系数，而是在各组设备中取其中一组最大的有功附加负荷(cPx)max，再加上各组的平均负荷bPe，由此求得其总的有功计算负荷为

(2-22)

总的无功计算负荷为

(2-23)式中为最大附加负荷(cPx)max的设备组的平均功率因数角的正切值。以上各组设备中，附加负荷以cPx(1)为最大，因此总计算负荷为

按一般工程设计说明书要求，以上计算可列成表2-2所示电力负荷计算表。表2-2例2-4的电力负荷计算表(按二项式法)cb最大容量台数x总台数n52.134.328.6195523总计01.40100.70201电阻炉31.46+0.561.95+0.750.750.80.250.653352通风机212.1+15.07+8.681.730.50.40.1421.750520金属切削机床1计算负荷二项式系数容量设备台数用电设备组名称序号比较例2-2和例2-4的计算结果可以看出，按二项式法计算的结果较之按需要系数法计算的结果大得比较多，这也更加合理。第三节单相用电设备组的负荷计算一、概述1、三相线路中的单相设备应尽可能均衡分配。2、若：

P单相.总〈15%P三相.总则：不管单相设备任何分配，都按三相平衡负荷计算。3、单相负荷计算的原则

转换成等效三相负荷再计算。等效转换的方法：不论单相设备接相电压或线电压；总以最大负荷相有功负荷的3倍作为等效三相有功负荷。二、等效三相负荷的计算（1）单相设备接相电压

P30、Q30、S30、I30都可以用前面的方法计算等效三相负荷最大负荷相的单相设备容量（2）单相设备接同一线电压

单相设备接线电压的电流：

等效三相设备的电流：因为：所以：（2）单相设备接不同线电压（三）单相设备部分接线电压、部分接相电压时计算步骤：将接线电压的单相设备的容量转换为接相电压的设备容量。分相计算各相的设备容量和计算负荷。选出最大有功负荷相的有功负荷选出最大有功负荷相的无功负荷总的等效三相

有功负荷总的等效三相

无功负荷

接线电压的单相设备容量转换成接相电压的设备容量的公式（2---30、31、32、33、34、35）结构简介：转换成接相电压的容量接线电压的单相设备容量接线电压的单相设备容量转换系数转换系数转换系数可以按负荷的COS

从P54/表23查出3.单相设备分别接于线电压和相电压时的负荷计算首先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，然后分相计算各相的设备容量与计算负荷。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，即

总的等效三相无功计算负荷为最大负荷相的无功计算负荷Q30.mφ

的3倍，即

关于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问题，可按下列换算公式进行换算：

(2-26)(2-27)A相(2-28)(2-29)B相(2-30)(2-31)C相(2-32)(2-33)式中PAB、PBC、PCA分别为接于AB、BC、CA相间的有功设备容量；

PA、PB、PC分别为换算为A、B、C相的有功设备容量；QA、QB、QC分别为换算为A、B、C相的无功设备容量；pAB-A、qAB-A…….分别是接于AB、……等相间的设备容量换算为A、……等相设备容量的有功和无功功率换算系数，如表2-3所列。例25：1、这是单相设备负荷的计算问题；2、单相设备部分接线电压，部分接相电压；3、题中有“对焊机”，其Pe应该换算。例2-5如图2-7所示220/380V三相四线制线路上，接有220V单相电热干燥箱4台，其中2台10kW接于A相，1台30kW接于B相，1台20kW接于C相。此外接有380V单相对焊机4台，其中2台14kW（ε=100％）接于AB相间，1台20kW（ε=100％）接于BC间，1台30kW（ε=60％）接于CA相间。试求此线路的计算负荷。表2-3相间负荷换算为相负荷的功率换算系数0.290.530.670.80.880.961.161.441.63-0.29-0.050.090.220.30.380.580.861.050.50.360.280.20.160.110-0.17-0.270.50.640.720.80.840.891.01.171.271.00.90.80.70.650.60.50.40.35负

荷

功

率

因

数功率换算系数图2-7例2-5的电路解：

(1)电热干燥箱的各相计算负荷查附录表1得因此只需计算其有功计算负荷：A相B相C相

(2)对焊机的各相计算负荷先将接于CA相间的30kW（ε=60%）换算至ε=100%的容量，即

查附录表1得再由表2-3查得时的功率换算系数因此各相的有功和无功设备容量为

A相B相

C相各相的有功和无功计算负荷为A相B相C相

(3)各相总的有功和无功计算负荷A相B相C相(4)总的等效三相计算负荷因B相的有功计算负荷最大，故取B相计算其等效三相计算负荷，由此可得以上计算也可列成单相负荷计算表[文献10]，限于篇幅，

从略。第四节工厂供电系统的功率损耗和电能损耗*逐级计算工厂计算负荷。Fig2--9/Page57；原则：从用户向电源方向逐级计算。P30.6是单组设备。合理选择需要系数法；二项式系数法P30.5分支线总负荷，多组问题。P30.4低压配电线的总负荷；应计入配电线的损耗：

PWL2。P30.3变压器低压母线总负荷，多组问题。P30.2高压配电线的总负荷：应该计入变压器损耗

PT。配电线损耗

PWL1。P30.1高压母线总负荷，多组问题。所以，求各级负荷时应该计算线路、变压器、开关电器的损耗；其中开关电器的损耗一般可以忽略。图2-8工厂供电系统中各部分的计算负荷和功率损耗（只示出有功部分）P30.6是单组设备。合理选择需要系数法；二项式系数法P30.5分支线总负荷，多组问题。P30.4低压配电线总负荷；应计入配电线的损耗：

PWL2。P30.3变压器低压母线总负荷，多组问题。P30.2高压配电线的总负荷：应该计入变压器损耗

PT。配电线损耗

PWL1。P30.1高压母线总负荷，多组问题。一、工厂供电系统的功率损耗（一）线路的功率损耗1、有功功率损耗：

RWL线路每相电阻。2、无功功率损耗：

XWI线路每相电抗。其中：注意：求XWL时，查X0不仅与线路的截面有关；而且与线间几何均距aav有关。（图2---10）其中：查附录3--7（二）变压器的功率损耗1、有功损耗铁芯的损耗；一次电压和频率不变时与负荷无关。一二次绕组的损耗。与负荷电流（或功率）的平方成正比。变压器的空载损耗；可认为是铁损。可以从附表查到。变压器的短路损耗，可认为是铜损。可以从附表查到。2、无功损耗产生主磁通的损耗。即产生激磁电流或空载电流I0。I0%变压器空载电流占额定电流的百分比。可以查附表8获得。一二次绕组的电抗的损耗。与负荷有关UK%：变压器短路电压占额定电压的百分比在工程计算中，变压器的有功/无功损耗可以按以下公式估算：

一般变压器（SJL1系列）：

低损耗变压器（SL7、SL9等）：二工厂供电系统的电能损耗

电能损耗=功率损耗功率损耗时间电能损耗除了生产和生活外，供电系统的元件；如线路、变压器等也损耗电能。（一）线路：根据定义：Pmax

Tmax=Pav8760h所以：

Pav=PmaxTmax/8760h=P30Tmax/8760h

如果：COS=1；线路电压不变；则：Pav

Iav；P30I30。

所以：Iav=I30

Tmax

/8760h线路的年有功电能损耗：

Wa=3Iav2RWL8760h=3I302RWLTmax2/8760h

Wa=3I302RWL

关于

：1、为最大负荷损耗小时。是一个假想时间；在时间内，线路通过I30所消耗的电能等于实际电流全年消耗的电能。2、当COS=1

时；

=Tmax2/8760h。3、

可以从Page60/表2--11的曲线查到。

与COS有关。（二）变压器铁芯损耗，与负荷大小无关电阻损耗，与负荷大小有关空载损耗即铁芯损耗短路损耗即电阻损耗第五节工厂计算负荷的确定一、逐级计算法：前面已经叙述。二、需要系数法：其中Kd为全厂的需要系数，可以从Page435/附表2查到。三、按年产量或年产值计算：（一）按年产量：

Wa=A•aP30=Wa/Tmax全年的电能损耗年产量单位产品耗电量年最大负荷利用小时（二）按年产值：

Wa=B•b年产值单位产值耗电量四、工厂的功率因数和无功功率的补偿（一）类型1、瞬时功率因数：用于实时了解无功功率的变化，以采取适当的补偿。2、平均功率因数从定义出发有：Wp有功能耗，

KW•h。由有功电度表读出。Wq无功能耗，

Kvar•h。由无功电度表读出。3、最大负荷时的COS：规定：最大负荷时

高压供电COS0.9；

低压供电COS0.85；达不到以上要求，应该考虑无功功率补偿，以提高功率因数。

P30=P30`补偿前后不变。S30补偿前的视在功率S30`补偿后的视在功率

补偿前的功率因数角`补偿后的功率因数角补偿后的无功功率Q30`应该补偿的无功容量Qc（二）无功功率补偿补偿前的无功功率Q30其中；

qc为无功补偿率或比补偿容量，可由附表9查出。单位：Kvar/KW。补偿用电容器的个数：

n=Qc/qc；n应该取3的倍数。（三）补偿后的计算负荷：1、有功功率不变；P30=P30`，2、无功功率减小；Q30`=Q30-Qc，3、视在功率减小；例题2--6低损耗变压器：

PT=0.015S30QT=0.06S30P30=650KWQ30=800Kvar高压侧：COS0.9补偿的容量：Qc=？补偿前后S30=？

因为变压器的无功损耗很大；所以，在低压侧的无功补偿应该大于0.9。这儿取0.92。由上式可以看出，在变电所低压侧装设了无功补偿装置以后，由于低压侧总的视在负荷减小，从而可使变电所主变压器容量选得小一些，这不仅可降低变电所的初投资，而且可减少工厂的电费开支，因为我国供电企业对工业用户是实行的“两部电费制”：一部分叫基本电费，按所装设的主变压器容量来计费，规定每月按kVA容量大小交纳电费，容量越大，交纳的电费也越多，容量减小了，交纳的电费就减少了。另一部分叫电能电费，按每月实际耗用的电能kW•h来计算电费，并且要根据月平均功率因数的高低乘一个调整系数。凡月平均功率因数高于规定值的，可减交一定百分率的电费。由此可见，提高工厂功率因数不仅对整个电力系统大有好处，而且对工厂本身也是有一定经济实惠的。例2-6某厂拟建一降压变电所，装设一台主变压器。已知变电所低压侧有功计算负荷为650kW，无功计算负荷为800kvar。为了使工厂变电所高压侧的功率因数不低于0.9，如在低压侧装设并联电容器进行补偿时，需装设多少补偿容量？并问补偿前后工厂变电所所选主变压器容量有何变化？解：(1)补偿前应选变压器的容量和功率因数变压器低压侧的视在计算负荷为

主变压器容量的选择条件为SNT>S30(2)，因此在未进行无功补偿时，主变压器容量应选为1250kVA（参看附录表5）。这时变电所低压侧的功率因数为(2)无功补偿容量按规定变电所高压侧的，考虑到变压器的无功功率损耗ΔQT

远大于其有功损耗ΔPT

，一般，因此在变压器低压侧进行无功补偿时，低压侧补偿后的功率因数应略高于0.9，这里取。要使低压侧功率因数由0.63提高到0.92，低压侧需装设的并联电容器容量为

取

(3)补偿后的变压器容量和功率因数补偿后变电所低压侧的视在计算负荷为因此补偿后变压器容量可改选为800kVA，比补偿前容量减少450kVA。

变压器的功率损耗为变电所高压侧的计算负荷为补偿后工厂的功率因数为，满足要求。由此例可以看出，采用无功补偿来提高功率因数能使工厂取得可观的经济效果。五.工厂年电能消耗量的计算年有功电能消耗量年无功电能消耗量α——年平均有功负荷系数，α=0.7—0.75β——年平均无功负荷系数，β

=0.76—0.82Ta——年实际工作小时数，一班：Ta=2300h。二班：Ta=4600h，三班，Ta=6900h

二.工厂年耗电量的计算

工厂的年耗电量可用工厂的年产量和单位产品耗电量进行估算，如前面式（2-35）所示。

工厂年耗电量较精确的计算，可利用工厂的有功和无功计算负荷P30与Q30，即

年有功电能消耗量(2-47)年无功电能消耗量