《供配电技术》课件4 电力负荷及其计算

省级职业教育专业教学资源库成果教材新时代职业教育课证融通新形态一体化教材供配电技术主编

申九菊

乔志杰

赵晓东项目四

电力负荷及其计算目录电力负荷和负荷曲线短路计算计算负荷的确定4.1电力负荷和负荷曲线

4.1.1

电力负荷的分级1.一级负荷符合下列情况之一的，应视为一级负荷：①中断供电造成人身伤亡。②中断供电在经济上造成重大损失，如重大设备损坏、大量产品报废、采用重要原料生产的产品大量报废、国民经济中重点企业的生产过程需要很长时间才能恢复等。③中断供电影响重要用电单位的正常工作，如重要交通枢纽、重要通信枢纽、大型体育场馆、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电力负荷。2.二级负荷符合下列情况之一的，应视为二级负荷：①中断供电将在经济上造成较大损失，如主要设备损坏、大量产品报废、连续生产过程被打乱需要较长时间才能恢复、重点企业大量减产等。②中断供电影响较重要用电单位的正常工作，如交通枢纽、通信枢纽等用电单位中的重要电力负荷，中断供电造成大型影剧院、大型商场等较多人员集中的重要公共场所秩序混乱。3.三级负荷三级负荷属于一般性电力负荷，对供电没有特殊要求。中、小型机械类工厂中常用重要电力负荷的级别分类如表所示。4.1.1

电力负荷的分级电力负荷按功能分为照明负荷和动力负荷。照明负荷为单相负荷，在三相系统中很难做到三相平衡；动力负荷可视为三相平衡。电力负荷按行业分为工业负荷、非工业负荷和居民用电负荷等。电力负荷按工作制可分为以下3类。1.长期连续工作制长期连续运行，负荷比较稳定，如通风机、空气压缩机、电动发电机组、电炉和照明灯等。虽然机床电动机的负荷变动较大，但也属于长期连续工作制。2.短时工作制工作时间较短，停歇时间相对较长，如机床上的某些辅助电动机（进给电动机、升降电动机等）。3.断续周期工作制周期性地工作—停歇—工作，如此反复运行，工作周期一般不超过10min，如电焊机和起重机械。4.1.2

电力负荷的类别4.1.3用电设备的额定容量、负荷系数和负荷持续率1.用电设备的额定容量用电设备的额定容量，是指用电设备在额定电压下、在规定的使用寿命内能连续输出或耗用的最大功率。电动机、电炉和电灯等设备的额定容量，用有功功率PN表示，单位为瓦（W）或千瓦（kW）。变压器、互感器和电焊机等设备的额定容量，用视在功率SN表示，单位为伏安（VA）或千伏安（kVA）。电容器类设备的额定容量，用无功功率Qc表示，单位为乏（var）或千乏（kvar）。4.1.3用电设备的额定容量、负荷系数和负荷持续率2.用电设备的负荷系数用电设备的负荷系数（或称负荷率）KL，定义为用电设备在最大负荷时输出或耗用的功率P与用电设备额定容量PN的比值，即负荷系数表示用电设备额定容量的利用程度，负荷系数有时也用β表示。3.用电设备的负荷持续率用电设备的负荷持续率，又称暂载率或相对工作时间，符号为ε，定义为一个工作周期T内的工作时间t与T的百分比，即式中，t0为工作周期T内的停歇时间，T、t、t0的单位均为秒（s）。4.1.4

负荷曲线1.负荷曲线的类型负荷曲线是指用来表示电力负荷随时间变化的曲线。负荷曲线按电力负荷的对象分为工厂、车间或用电设备的负荷曲线；按电力负荷的功率性质分为有功负荷曲线和无功负荷曲线；按电力负荷的表示时间分为年、月、日和工作班的负荷曲线；按电力负荷的绘制方式分为依点连成的负荷曲线和梯形负荷曲线，如图所示。4.1.4

负荷曲线2.负荷曲线的绘制负荷曲线通常绘制在直角坐标，横坐标表示负荷变化时间，纵坐标表示负荷大小。负荷曲线中应用较多的为年负荷曲线，通常是根据冬日和夏日负荷曲线绘制。年负荷曲线如图所示，图（a）年负荷持续时间曲线的负荷从大到小进行排列，反映了全年的负荷变化与负荷持续时间（全年按8760h）之间的关系。图（b）年每日最大负荷曲线是按全年每日的最大半小时平均负荷来绘制，反映了全年中不同时段的电能消耗。4.1.4

负荷曲线3.和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。年最大负荷Pmax，是指全年中负荷最大的工作班内（该工作班的最大负荷不是偶然出现的，是在负荷最大的月份内至少出现过2～3次）电能消耗最多的半小时平均负荷P30。年最大负荷利用小时Tmax，是指假设电力负荷按年最大负荷Pmax(P30)持续运行时，在Tmax时间内电力负荷消耗的电能，恰好与电力负荷全年实际消耗的电能相等，如图所示。因此，年最大负荷利用小时是一个假想时间，计算方式如下式中，Wa表示电力负荷全年实际消耗的电能。年最大负荷利用小时是反映电力负荷特征的重要参数，与企业的生产班制有直接的关系。4.1.4

负荷曲线（2）平均负荷和负荷曲线填充系数。平均负荷Pav，是指电力负荷在一定时间t内平均消耗的功率，计算方式如下式中，Wt为时间t内消耗的电能。年平均负荷Pav，是指电力负荷全年平均消耗的功率，如图所示，计算方式如下式中，Wa为电力负荷全年实际消耗的电能。负荷曲线填充系数β，是将波动起伏的负荷曲线“削峰填谷”，求出平均负荷Pav与最大负荷Pmax的比值，也称负荷系数或负荷率，计算方式如下负荷曲线填充系数表示负荷曲线不平坦的程度，即负荷变化的程度。从发挥整个电力系统能效来说，应设法提高负荷曲线填充系数的值。因此，供配电系统在运行过程中必须进行负荷调整。4.2

计算负荷的确定4.2.1

计算负荷概述计算负荷是指用统计计算求出的，用来选择和校验变压器的容量及开关设备、连接该负荷的电力线路的负荷值。同时，它也是选择仪器仪表、整定继电保护的重要数据。如果计算负荷确定过大，则会引起所选变压器的容量、电气设备和导线截面选择过大，造成资源浪费；如果计算负荷确定过小，则会引起所选变压器的容量不足或电气设备、电力线路在运行时电能损耗增加，产生过热、绝缘加速老化等现象，甚至发生事故。通常用P30、Q30、S30、I30分别表示有功计算负荷、无功计算负荷、视在计算负荷和计算电流。确定计算负荷的方法主要有需要系数法和二项式系数法。需要系数法是普遍采用的确定计算负荷的基本方法。二项式系数法应用的局限性较大，但在确定设备台数较少、设备容量差别很大的分支干线的计算负荷时，采用二项式系数法较采用需要系数法更加合理且计算简便。4.2.2

单个用电设备的计算负荷对于单台电动机，供电线路在30min内出现的最大平均负荷即计算负荷，计算方式如下式中，PN为电动机的额定功率；ηN为电动机在额定负荷下的效率。对于单个白炽灯、单台电热设备、电炉变压器等，用电设备的额定容量可以直接作为计算负荷，即P30=PN对于单台反复短时工作制的设备，用电设备的额定容量可以直接作为计算负荷，对于起重机和电焊类设备，还需要根据负荷持续率进行换算。4.2.3

用电设备组的计算负荷1.需要系数法需要系数法确定用电设备组计算负荷的基本公式如下断续周期工作制的用电设备常用的有电焊机和起重机电动机，它们的容量换算要求如下。（1）电焊机组的容量换算。即（2）起重机电动机组的容量换算。起重机电动机组的容量要求统一换算到ε=25%，因此根据式得换算后的设备容量为4.2.3

用电设备组的计算负荷（1）单组用电设备的计算负荷。有功计算负荷无功计算负荷视在计算负荷计算电流（2）多组用电设备的计算负荷。当确定多组用电设备的计算负荷时，应考虑多组用电设备的最大负荷必定不会同时出现的因素，引入一个同时系数K∑，同时系数K∑的取值如表所示。为了确定多组用电设备的计算负荷，首先分别求出各组用电设备的计算负荷P30i、Q30i，然后结合不同情况求出多组用电设备总的计算负荷。总的有功计算负荷总的无功计算负荷总的视在计算负荷总的计算电流4.2.3

用电设备组的计算负荷4.2.3

用电设备组的计算负荷2.二项式系数法采用二项式系数法确定有功计算负荷的基本公式为（1）如果用电设备组只有1～2台设备，则可以认为P30=Pe，即b=1，c=0。对于单台电动机，P30=PN/η，η为电动机的效率。当设备台数较少时，功率因数cosφ可适当取大。（2）用电设备组有功计算负荷的计算方法直接根据式，其余计算负荷的计算与需要系数法相同。（3）采用二项式系数法确定多组用电设备的总计算负荷时，要考虑各组用电设备的最大负荷不会同时出现的因素。与需要系数法不同的是，不是引入一个小于1的同时系数，而是在各组用电设备中取其中最大的一组附加负荷(cPx)max，再加上各组的平均负荷bPe，求出用电设备组的总计算负荷。先求出各组用电设备的计算负荷P30i、Q30i，则总的有功计算负荷为总的无功计算负荷为4.2.4

单相用电设备的计算负荷1.单相设备接于相电压时单相设备既可接在A相，也可接在B相或C相，其三相等效设备容量为式中，Pemφ为最大负荷相所接的单相设备容量；Ped为三相等效设备容量。2.单相设备接于线电压时容量为Peφ的单相设备接于线电压时，其三相等效设备容量为4.2.5

全工厂的计算负荷1.需要系数法计算全工厂的计算负荷已知全工厂用电设备总容量Pe的条件下，乘以工厂的需要系数Kd，即可求出全工厂的有功计算负荷，即式中，Kd为全工厂的需要系数，可根据表选取。其他计算负荷的求法如前所述。全工厂计算负荷的需要系数及功率因数如表所示。4.2.5

全工厂的计算负荷2.逐级推算法计算全工厂的计算负荷逐级推算法确定全工厂计算负荷的计算步骤如下所述。（1）计算各用电设备组的计算负荷，如P30(6)。（2）计算干线上的计算负荷，如P30(5)，只需将多组用电设备的计算负荷之和乘以同时系数K∑即可。（3）计算低压母线上的计算负荷，如P30(3)。线路损耗分为有功损耗ΔPWL1和无功损耗ΔQWL，计算方式如下（4）计算高压馈电线上的计算负荷，如P30(2)。（5）计算全工厂的计算负荷，如P30(1)。4.2.5

全工厂的计算负荷3.按年产量估算全工厂的计算负荷将工厂年产量A乘以单位产品的耗电量a，可得工厂全年的用电量Wa，再将Wa除以工厂的年最大负荷利用小时数Tmax，即可计算出工厂的有功计算负荷P30，计算公式为无功计算负荷、视在计算负荷和计算电流的计算方法与需要系数法相同。4.3短路计算4.3.1

短路产生的原因1.电气绝缘损坏电气绝缘损坏既有可能是电气设备长时间运行，其绝缘材料自然老化损坏；也有可能是电气设备本身质量不好，绝缘强度不够被正常电压击穿；还有可能是电气设备绝缘层受到外力损伤导致短路。2.鸟兽损害鸟兽损害如鸟类及蛇鼠等小动物跨越在裸露的不同电位的导体之间，或者被鼠类咬坏电气设备或导体的绝缘层，都会造成短路故障。3.误操作例如，带负荷误拉高压隔离开关，很可能导致三相弧光短路。又如，误将较低电压的电气设备投入较高电压的电路中造成电气设备的击穿短路。4.3.2

短路的基本形式在三相电力系统中，短路的种类（虚线表示短路回路）如图所示，短路的基本形式有三相短路、两相短路、单相短路和两相接地短路。4.3.3

无限大容量电力系统发生三相短路电流分析1.无限大容量电力系统的概念无限大容量电力系统，是指其容量相对于用户供配电系统容量大得多的电力系统，当用户供配电系统的负荷发生变动甚至短路时，电力系统变电所馈电母线上的电压能基本保持不变。如果电力系统的电源总阻抗不超过短路电流总阻抗的5%~10%，或电力系统容量超过用户供配电系统容量的50倍，则可将电力系统视为无限大容量电力系统。4.3.3

无限大容量电力系统发生三相短路电流分析2.无限大容量电力系统发生三相短路的物理过程如图（a）所示为无限大容量电力系统发生三相短路的三相电路图。由于三相对称，因此该三相电路图可用如图（b）所示等效单相电路图来表示。如图所示为无限大容量电力系统发生三相短路前后电压、电流的变化曲线。4.3.3

无限大容量电力系统发生三相短路电流分析3.和短路有关的物理量（1）短路电流周期分量。（2）短路电流非周期分量。（3）短路全电流。（4）短路冲击电流。或（5）短路稳态电流。短路稳态电流是指短路电流非周期分量衰减完毕后的短路全电流，其有效值用I∞表示。在无限大容量电力系统中，I"=I∞=lk。4.3.4

无限大容量电力系统短路电流的计算1.短路电流计算概述在计算短路电流时，首先要绘出计算电路图，在计算电路图上，将短路计算所考虑的各元件的额定参数表示出来，并将各元件依次编号，然后确定短路计算点。在等效电路图上，只需将计算的短路电流所流经的一些主要元件表示出来，并标明序号和阻抗值，一般分子标序号，分母标阻抗值，然后将等效电路简化。短路计算中有关物理量一般采用以下单位：电流单位为“千安”(kA)；电压单位为“千伏”(kV)；短路容量和断流容量单位为“兆伏安”(MVA)；设备容量单位为“千瓦”(kW)或“千伏安”(kVA)；阻抗单位为“欧姆”(Q)等。必须说明，本书计算公式中各物理量的单位除特别标明以外，均采用国际单位制(SI制)的基本单位：伏(V)、安(A)、瓦(W)、伏安(VA)、欧姆(Ω)等。因此后面推导的公式一般不标明物理量的单位。4.3.4

无限大容量电力系统短路电流的计算2.采用欧姆法进行三相短路计算三相短路电流周期分量有效值可用下式计算若不计电阻，则三相短路电流周期分量有效值为三相短路容量按照下式计算4.3.4

无限大容量电力系统短路电流的计算3.采用标幺值法进行三相短路计算（1）选基准。（2）计算基准电流和基准电抗。计算基准电流：计算基准电抗：（3）计算电抗标幺值。①电力系统的电抗标幺值：②电力变压器的电抗标幺值：③电力线路的电抗标幺值：4.3.4

无限大容量电力系统短路电流的计算（4）三相短路电流周期分量有效值。（5）三相短路电流周期分量有效值的标幺值。（6）三相短路容量。4.3.4

无限大容量电力系统短路电流的计算4.两相短路电流的计算当无限大容量电力系统发生两相短路时，如图所示，其两相短路电流周期分量有效值（简称两相短路电流）为如果只计算电抗，则两相短路电流为因为故4.3.4

无限大容量电力系统短路电流的计算5.单相短路电流的计算当大接地电流系统或三相四线制系统发生单相短路时，根据对称分量法可求出单相短路电流为在工程设计中，可利用下式计算单相短路电流|ZP-0|为单相短路回路的阻抗，按照下式计算4.3.5

短路电流的效应及稳定度检验1.短路电流的动力效应与动稳定度检验（1）短路电流的动力效应。当电力系统发生短路时，短路电流特别是短路冲击电流使相邻导体之间产生很大的电动力F，根据电工原理可知如果电力系统发生两相短路，则两相短路冲击电流

通过两相导线产生的电动力最大，电动力为如果电力系统发生三相短路，则三根导体中只有一相能达到冲击值，但三相短路冲击电流为两相短路冲击电流的

倍，即

，两者相比，可以证明，三相短路冲击电流在中间相产生的电动力最大，电动力为4.3.5

短路电流的效应及稳定度检验（2）短路动稳定度的检验。①一般电气设备的动稳定度检验条件。对于一般的电气设备，通常制造厂家都会提供该设备满足动稳定条件的电流峰值imax，或是动稳定的倍数Kd（满足动稳定条件的电流是额定电流峰值的倍数）。