电力负荷计算及功率因数补偿ppt课件

第2章电力负荷计算及功率因数补偿,返回总目录,电力负荷的分类负荷计算的目的及意义供配电系统的功率损耗与电能损耗用户负荷计算尖峰电流及其计算本章小结习题与思考题,本章内容,电力负荷的分类,一、电力负荷的分类电力负荷按用途分，有照明负荷和动力负荷，前者为单相负荷，在三相系统中很难达到平衡；后者一般可视为平衡负荷。按行业分，有工业负荷、非工业负荷和居民生活负荷等。工厂用电设备，按其工作制(duty-type)可分以下3类。,本章首先简单介绍工厂电力负荷的分级及有关概念，然后着重讲述用电设备组计算负荷和工厂计算负荷的确定方法，电力系统的功率损耗与电能损耗的计算，尖峰电流及其计算方法，最后讲述功率因数的确定及补偿。本章内容是工厂供电系统运行分析和设计计算的基础。,(1)连续运行工作制(continuousrunningduty-type)是指工作时间较长，连续运行的用电设备，绝大多数用电设备都属于此类工作制。即这类工作制的设备在恒定负荷下运行，且运行时间长到足以使之达到热平衡状态，如通风机、水泵、空气压缩机、电动机发电机组、电炉和照明灯等。机床电动机的负荷，一般变动较大，但其主电动机一般也是连续运行的。(2)短时运行工作制(short-timeduty-type)是指工作时间很短，停歇时间相当长的用电设备的工作制。这类工作制的设备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(长到足以使设备温度冷却到周围介质的温度)，如机床上的某些辅助电动机(例如进给电动机)、控制闸门的电动机等。这类设备的数量很少，求计算负荷一般不考虑短时运行工作制的用电设备。,电力负荷的分类,(3)断续周期工作制(intermittentperiodicduty-type)是指有规律的，时而工作，时而停歇，反复运行的用电设备的工作制，其工作周期一般不超过10min，无论工作或停歇，均不足以使设备达到热平衡。如电焊机和吊车电动机、电焊用变压器等。断续周期工作制的设备，可用“负荷持续率”(dutycycle，又称暂载率)来表示其工作特征。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，用表示，即(2-1)式中工作周期；工作周期内的工作时间；工作周期内的停歇时间。,def,电力负荷的分类,断续周期工作制设备的额定容量(铭牌功率)，是对应于某一标称负荷持续率的。如果实际运行的负荷持续率，则实际容量应按同一周期内等效发热条件进行换算。由于电流通过电阻的设备在时间内产生的热量为，因此在设备产生相同热量的条件下，；而在同一电压下，设备容量；又由式(2-1)知，同一周期的负荷持续率。因此，即设备容量与负荷持续率的平方根值成反比。由此可知，如果设备在下的容量为，则换算到实际下的容量为(2-2),电力负荷的分类,进行电力设计的基本原始资料是用电部门提供的用电设备安装容量。这些用电设备品种多，数量大，工作情况复杂。如何根据这些资料正确估计所需的电力和电量是一个非常重要的问题。估计的准确程度，影响电力设计的质量，如估算过高，将增加供电设备的容量，使供配电系统复杂，浪费有色金属，增加初期投资和运行管理工作量；而估算过低，又会使供配电系统投入运行后，供电系统的线路和电气设备由于承担不了实际负荷电流而过热，加速绝缘老化的速度，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。求计算负荷的工作称为负荷计算。计算负荷是根据已知的用电设备安装容量确定的、预期不变的最大假想负荷。这个负荷是设计时作为选择供配电系统供电线路的导线截面、变压器容量、开关电器及互感器等的额定参数的依据，所以非常重要。,负荷计算的目的及意义,一、负荷及负荷曲线,负荷计算的目的及意义,1.电力负荷的分级及对供电电源的要求电力负荷(electricpowerload)又称电力负载，有两种含义：一种是指耗用电能的用电设备或用户，如说重要负荷、一般负荷、动力负荷、照明负荷等；另一种是指用电设备或用户耗用的功率或电流大小，如说轻负荷(轻载)、重负荷(重载)、空负荷(空载)、满负荷(满载)等。电力负荷的具体含义视具体情况而定。1)电力负荷的分级电力负荷，按GB500521995供配电系统设计规范规定，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3级：(1)一级负荷(firstorderload)。符合下列情况之一时，应为一级负荷：中断供电将造成人身伤亡时；中断供电将在政治、经济上造成重大损失时，例如重大设备损坏、重大产品报废、用重要原料生产的产品大量报废、国民经济中重点企业的连续生产过程被打乱需要长时间才能恢复等；中断供电将影响有重大政治、经济意义的用电单位的正常工作，例如重要交通枢纽、重要通信枢纽、重要宾馆、大型体育场馆、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。,负荷计算的目的及意义,在一级负荷中，当中断供电将发生中毒、爆炸和火灾等情况的负荷，以及特别重要的场所不允许中断供电的负荷，应视为特别重要的负荷。(2)二级负荷(secondorderload)。符合下列情况之一时，应为二级负荷：中断供电将在政治、经济上造成较大损失时，例如主要设备损坏、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，例如交通枢纽、通信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、大型商场等较多人员集中的重要的公共场所秩序混乱时。(3)三级负荷(thirdorderload)。三级负荷为一般电力负荷，所有不属于上述一、二级负荷者均属三级负荷。2)各级电力负荷对供电电源的要求(1)一级负荷对供电电源的要求。对于一级负荷必须考虑有两路独立电源供电，在发生事故时，在继电保护装置正确动作的情况下，两路电源不会同时丢失或失去一路电源，在允许的时间内第二路电源自动投入。,负荷计算的目的及意义,一级负荷中特别重要的负荷，除上述两路电源外，还必须增设应急电源。为保证对特别重要负荷的供电，严禁将其他负荷接入应急供电系统。常用的应急电源可使用下列几种电源：独立于正常电源的发电机组；供电网络中独立于正常电源的专门馈电线路；蓄电池；干电池。(2)二级负荷对供电电源的要求。二级负荷也要求有两路独立电源供电，当工作电源失去时，由运行人员手动操作投入备用电源。供电变压器也应有两台(这两台变压器不一定在同一变电所)。只有当负荷较小或者当地供电条件困难时，二级负荷可由一回路6kV及以上的专用架空线路供电。这是考虑架空线路发生故障时，较之电缆线路发生故障时易于发现且易于检查和修复。当采用电缆线路时，必须采用两根电缆并列供电，每根电缆应能承受全部二级负荷。(3)三级负荷对供电电源的要求。由于三级负荷为不重要的一般负荷，因此它对供电电源无特殊要求。,负荷计算的目的及意义,二、负荷曲线的概念负荷曲线(loadcurve)是表征电力负荷随时间变动情况的一种图形，它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(有功功率或无功功率)，横坐标表示对应的时间(一般以小时为单位)。负荷曲线按负荷对象分，有工厂的、车间的或某类设备的负荷曲线。按负荷性质分，有有功和无功负荷曲线。按所表示的负荷变动时间分，有年的、月的、日的或工作班的负荷曲线。1)日负荷曲线日负荷曲线表示负荷在一昼夜间(0h24h)的变化情况，图2.1是一班制工厂的日有功负荷曲线。日负荷曲线可用测量的方法绘制。绘制方法如下。(1)以某个检测点为参考点，在24h中各个时刻记录有功功率表的读数，逐点绘制而成折线形状，称折线形负荷曲线，见图2.1(a)；,负荷计算的目的及意义,(2)通过接在供电线路上的电度表，每隔一定的时间间隔(一般为半小时)将其读数记录下来，求出半小时的平均功率，再依次将这些点画在坐标上，把这些点连成阶梯状的成梯形的负荷曲线，如图2.1(b)所示。为便于计算，负荷曲线多绘成梯形，横坐标一般按半小时分格，以便确定“半小时最大负荷”(将在后面介绍)。当然，其时间间隔取得越短，曲线越能反映负荷的实际变化情况。日负荷曲线与横坐标所包围的面积代表全日所消耗的电能。(a)折线形负荷曲线(b)梯形负荷曲线图2.1日有功负荷曲线,负荷计算的目的及意义,2)年负荷曲线年负荷曲线，通常绘成负荷持续时间曲线(loaddurationcurve)，按负荷大小依次排列，如图2.2(c)所示，全年按8760h计。(a)夏日负荷曲线(b)冬日负荷曲线(c)年负荷持续时间曲线图2.2年负荷持续时间曲线的绘制,负荷计算的目的及意义,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2.2(a)所示)和冬日负荷曲线(图2.2(b)所示)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，可近似地认为夏日165天，冬日200天；而在我国南方，则可近似地认为夏日200天，冬日165天。假设绘制南方某厂的年负荷曲线(图2.2(c)所示)，其中在年负荷曲线上所占的时间，在年负荷曲线上所占的时间，其余类推。年负荷曲线的另一种形式，是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)绘制的，称为年每日最大负荷曲线，如图2.3所示。横坐标依次以全年12个月的日期来分格。这种年最大负荷曲线，可以用来确定拥有多台电力变压器的变电所在一年内的不同时期宜于投入几台运行，即所谓经济运行方式，以降低电能损耗，提高供电系统的经济效益。年负荷曲线的另一种形式，是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)绘制的，称为年每日最大负荷曲线，如图2.3所示。横坐标依次以全年12个月的日期来分格。这种年最大负荷曲线，可以用来确定拥有多台电力变压器的变电所在一年内的不同时期宜于投入几台运行，即所谓经济运行方式，以降低电能损耗，提高供电系统的经济效益。,负荷计算的目的及意义,从各种负荷曲线上，可以直观地了解电力负荷变动的情况。通过对负荷曲线的分析，可以更深入地掌握负荷变动的规律，并可从中获得一些对设计和运行有用的资料。因此了解负荷曲线对于从事供配电系统设计和运行的人员来说，都是很必要的。图2.3年每日最大负荷曲线注意：日负荷曲线是按时间的先后绘制，而年负荷曲线是按负荷的大小和累积时间绘制的。,3.与负荷曲线和负荷计算有关的物理量分析负荷曲线可以了解负荷变化的规律。对供电设计人员来说，可从中获得一些对设计有用的资料；对运行人员来说，可合理地、有计划地安排用户、车间、班次或大容量设备的用电时间，降低负荷高峰，填补负荷低谷，这种“削峰填谷”的办法可使负荷曲线比较平坦，从而达到节电效果。1)年最大负荷和年最大负荷利用小时(1)年最大负荷(annualmaximumload)：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，而是在负荷最大的月份内至少出现过2次3次)消耗电能最大的半小时的平均功率。因此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(utilizationhoursofannualmaximumload)：假设电力负荷按年最大负荷(或)持续运行时，在时间内电力负荷所消耗的电能恰好等于该电力负荷全年实际消耗的电能，如图2.4所示。因此，年最大负荷利用小时是一个假想时间。,负荷计算的目的及意义,图2.4年最大负荷和年最大负荷利用小时年最大负荷利用小时的计算公式为Tmax(2-3)式中年实际消耗的电能量。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的关系。例如一班制工厂，1800h3000h；两班制工厂，3500h4800h；三班制工厂，5000h7000h。,def,负荷计算的目的及意义,2)平均负荷和负荷系数(1)平均负荷(averageload)：电力负荷在一定时间内平均消耗的功率，也就是电力负荷在该时间内消耗的电能除以时间的值，即Pav(2-4)年平均负荷的说明如图2.5所示。年平均负荷的横线与两坐标轴所包围的矩形截面恰等于年负荷曲线与两坐标轴所包围的面积，即年平均负荷为Pav(2-5)图2.5年平均负荷,def,def,负荷计算的目的及意义,(2)负荷系数(loadcoefficient)KL：用电负荷的平均负荷与其最大负荷的比值，即KL(2-6)对负荷曲线来说，负荷系数亦称负荷曲线填充系数，它表征负荷曲线不平坦的程度，即表征负荷起伏变动的程度。从充分发挥供电设备的能力、提高供电效率来说，希望此系数越高越趋近于1越好。从发挥整个电力系统的效能来说，应尽量使不平坦的负荷曲线“削峰填谷”，提高负荷系数。对用电设备来说，负荷系数就是设备的输出功率与设备额定容量的比值，即KL(2-7)负荷系数通常以百分值表示。负荷系数(负荷率)的符号有时用表示；有的情况下有功负荷率用、无功负荷率用表示。,负荷计算的目的及意义,二、负荷的计算方法1.三相用电设备组计算负荷的确定1)概述供电系统要能安全可靠地正常运行，其中各个元器件(包括电力变压器、开关设备及导线、电缆等)都必须选择得当，除了应满足工作电压和频率的要求外，最重要的就是要满足负荷电流的要求。因此有必要对供电系统中各个环节的电力负荷进行统计计算。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(calculatedload)。根据计算负荷选择的电气设备和导线电缆，如果以计算负荷连续运行，其发热温度不会超过允许值。由于导体通过电流达到稳定温升的时间需34，为发热时间常数。截面在16mm2及以上的导体，其10min，因此载流导体大约经30min(半小时)后可达到稳定温升值。由此可见，计算负荷实际上与从负荷曲线上查得的半小时最大负荷(亦即年最大负荷)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。本来有功计算负荷可表示为，无功计算负荷可表示为，计算电流可表示为，但考虑到“计算”的符号c易与“电容”的符号C相混淆，因此大多数供电类书籍都借用半小时最大负荷来表示有功计算负荷，无功计算负荷、视在计算负荷和计算电流相应地表示为、和。,负荷计算的目的及意义,负荷计算的目的及意义,计算负荷是供电设计计算的基本依据。计算负荷确定得是否正确合理，直接影响到电器和导线电缆的选择是否经济合理。如果计算负荷确定得过大，将使电器和导线电缆选得过大，造成投资和有色金属的浪费；如果计算负荷确定得过小，又将使电器和导线电缆处于过负荷下运行，增加电能损耗，产生过热，导致绝缘过早老化甚至燃烧引起火灾，同样会造成更大损失。由此可见，正确确定计算负荷意义重大。但是，负荷情况复杂，影响计算负荷的因素很多，虽然各类负荷的变化有一定的规律可循，但仍难准确确定计算负荷的大小。实际上，负荷也不是一成不变的，它与设备的性能、生产的组织、生产者的技能及能源供应的状况等多种因素有关。因此，负荷计算只能力求接近实际。我国目前普遍采用的确定用电设备计算负荷的方法，有需要系数法和二项式法。需要系数法是国际上普遍采用的确定计算负荷的基本方法，最为简便。二项式法的应用局限性较大，但在确定设备台数较少而容量差别悬殊的分支干线的计算负荷时，较之需要系数法合理，且计算也较简便。本书只介绍这两种计算方法。关于以概率论为理论基础而提出的取代二项式法的利用系数法，由于其计算比较烦锁而未得到普遍应用，此略。,负荷计算的目的及意义,2)按需要系数法确定计算负荷(1)基本公式。用电设备组的计算负荷，是指用电设备组从供电系统中取用的半小时最大负荷，如图2.6所示。用电设备组的设备容量，是指用电设备组所有设备(不含备用的设备)的额定容量之和，即=。而设备的额定容量，是设备在额定条件下的最大输出功率(出力)。但是用电设备组的设备实际上不一定都同时运行，运行的设备也不太可能都满负荷，同时设备本身有功率损耗，因此用电设备组的有功计算负荷应为(2-8)式中设备组的同时系数，即设备组在最大负荷时运行的设备容量与全部设备容量之比；设备组的负荷系数，即设备组在最大负荷时输出功率与运行的设备容量之比；设备组的平均效率，即设备组在最大负荷时输出功率与取用功率之比；配电线路的平均效率，即配电线路在最大负荷时的末端功率(亦即设备组取用功率)与首端功率(亦即计算负荷)之比。,负荷计算的目的及意义,令式(2-8)中的，这里的称为需要系数(demandcoefficient)。可知需要系数的定义式为(2-9)即用电设备组的需要系数，为用电设备组的半小时最大负荷与其设备容量的比值。由此，可得按需要系数法确定三相用电设备组有功计算负荷的基本公式为P30=(2-10)实际上，需要系数不仅与用电设备组的工作性质、设备台数、设备效率和线路损耗等因素有关，而且与操作人员的技能和生产组等多种因素有关，因此应尽可能地通过实测分析确定，使之尽量接近实际。,图2.6用电设备组的计算负荷说明,def,负荷计算的目的及意义,表2-1列出了工厂各种用电设备组的需要系数值，供参考。,表2-1用电设备组的需要系数、二项式系数及功率因数,负荷计算的目的及意义,如果用电设备组的设备总台数,=,需要系数,，则取,（续表）,负荷计算的目的及意义,必须注意：表2-1所列需要系数值是按车间范围内设备台数较多的情况来确定的，所以需要系数值一般都比较低，例如冷加工机床组的需要系数值平均只有0.2左右。因此需要系数法较适用于确定车间的计算负荷。如果采用需要系数法来计算分支干线上用电设备组的计算负荷，则表2-1中的需要系数值往往偏小，宜适当取大。只有1台2台设备时，可认为=1，即=。对于电动机，由于它本身功率损耗较大，因此当只有一台电动机时，其=/，这里为电动机额定容量，为电动机效率。在适当取大的同时，也宜适当取大。这里还要指出：需要系数值与用电设备的类别和工作状态关系极大，因此在计算时，首先要正确判明用电设备的类别和工作状态，否则将造成错误。例如机修车间的金属切削机床电动机，应属小批量生产的冷加工机床电动机，因为金属切削就是冷加工，而机修不可能是大批量生产；压塑机、拉丝机和锻锤等，应属热加工机床；起重机、行车、电动葫芦等，均属吊车类。,如果用电设备组的设备总台数n2x，则取n=x/2，且按“四舍五入”的修约规则取其整数。这里的和的值均为白炽灯照明的数值。如为荧光灯照明，则取=0.9，=0.48；如为高压汞灯或钠灯照明，则取=0.5，=1.73。,负荷计算的目的及意义,在求出有功计算负荷后，可按下列各式分别求出其余的计算负荷。无功计算负荷为=(2-11)式中对应于用电设备组的正切值。视在计算负荷为(2-12)式中用电设备组的平均功率因数。计算电流为(2-13)式中UN用电设备组的额定电压。如果为一台三相电动机，则其计算电流应取为其额定电流，即(2-14)负荷计算中常用的单位：有功功率为“千瓦”(kW)，无功功率为“千乏”(kvar)，视在功率为“千伏安”(kVA)，电流为“安”(A)，电压为“千伏”(kV)。,负荷计算的目的及意义,【例2.1】已知某机修车间的金属切削机床组，拥有380V的三相电动机7.5kW3台，4kW8台，3kWl7台，1.5kWl0台。试求其计算负荷。解：此机床组电动机的总容量为=7.5kW3+4kW8+3kW17+1.5kW10=120.5kW查表2-1中“小批量生产的金属冷加工机床电动机”项，得=0.160.2(取0.2)，=0.5，=1.73。因此可求得：有功计算负荷=0.2120.5kW=24.1kW；无功计算负荷=24.1kW1.73=41.7kvar；视在计算负荷=24.1kW/0.5=48.2kVA；计算电流=48.2kVA/(0.38kV)=73.2A。(2)设备容量的计算。需要系数法基本公式中的设备容量，不含备用设备的容量，而且要注意，此容量的计算与用电设备组的工作制有关。对一般连续工作制和短时工作制的用电设备组，设备容量是所有设备的铭牌额定容量之和。,负荷计算的目的及意义,对断续周期工作制的用电设备组，设备容量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规定的负荷持续率下的容量之和。容量换算的公式如式(2-2)所示。断续周期工作制的用电设备常用的有电焊机和吊车电动机，各自的换算要求如下：(a)电焊机组。要求容量统一换算到=100%(电焊机的铭牌负荷持续率有20%、40%、50%、60%、75%、100%等多种，而=100%时，=1，换算最为简便，因此规定其设备容量统一换算至=100%；表2-1中电焊机的需要系数及其他系数也都是对应于=100%的)，因此由式(2-2)可得换算后的设备容量为即(2-15)式中，PN、SN为电焊机的铭牌容量(前者为有功功率，后者为视在功率)；为与铭牌容量对应的负荷持续率(计算中用小数)；为其值等于100%的负荷持续率(计算中用1)；为铭牌规定的功率因数。,负荷计算的目的及意义,(b)吊车电动机组。要求容量统一换算到=25%(吊车即起重机的铭牌负荷持续率有15%、25%、40%、60%等，而=25%时，=0.5，对其换算相对较为简便，因此规定其设备容量统一换算至=25%；表2-1中吊车组的需要系数及其他系数也都是对应于=25%的)，因此由式(2-2)可得换算后的设备容量为(2-16)式中PN吊车电动机的铭牌容量；与铭牌容量对应的负荷持续率(计算中用小数)；其值等于25%的负荷持续率(计算中用0.25)。(3)多组用电设备计算负荷的确定。确定拥有多组用电设备的干线上或车间变电所低压母线上的计算负荷时，应考虑各组用电设备的最大负荷不同时出现的因素。因此在确定多组用电设备的计算负荷时，应结合具体情况对其有功负荷和无功负荷分别计入一个同时系数(又称参差系数或综合系数)和，其取值如下所述。,负荷计算的目的及意义,对车间干线，取=0.850.95=0.900.97对低压母线，分两种情况：由用电设备组计算负荷直接相加来计算时，取=0.800.90=0.850.95由车间干线计算负荷直接相加来计算时，取=0.900.95=0.930.97总的有功计算负荷为(2-17)总的无功计算负荷为(2-18)以上两式中的和分别为各组设备的有功和无功计算负荷之和。,负荷计算的目的及意义,总的视在计算负荷为(2-19)总的计算电流为(2-20)注意：由于各组设备的功率因数不一定相同，因此总的视在计算负荷和计算电流一般不能用各组的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(2-12)计算。此外应注意：在计算多组设备总的计算负荷时，为了简化和统一，各组的设备台数不论多少，各组的计算负荷均按附表1所列计算系数计算，而不必考虑设备台数少而适当增大和的问题。【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7.5kWl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。,负荷计算的目的及意义,解：先求各组的计算负荷。(1)金属切削机床组。查表2-1，取=0.2，=0.5，=1.73，故=0.250kW=10kW=10kW1.73=17.3kvar(2)通风机组。查表2-1，取=0.8，=0.8，=0.75，故=0.83kW=2.4kW=2.4kW0.75=1.8kvar(3)电阻炉。查表2-1，取=0.7，=1，=0，故=0.72kW=1.4kW=0因此总的计算负荷为(取=0.95，=0.97)=0.95(10+2.4+1.4)kW13.1kW=0.97(17.3+1.8+0)kW18.5kvar=kVA22.7kVA=22.7kVA/(0.38kV)34.5A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2-2所示。,负荷计算的目的及意义,3)按二项式法确定计算负荷(1)基本公式。二项式法的基本公式为(2-21)式中(二项式第一项)用电设备组的平均功率，其中是用电设备组的总容量，其计算方法如前需要系数法所述；(二项式第二项)用电设备组中台容量最大的设备投入运行时增加的附加负荷，其中是台最大容量的设备总容量；b、c二项式系数。其余的计算负荷、和的计算与前述需要系数法的计算相同。,表2-2例2.2的电力负荷计算表(按需要系数法),负荷计算的目的及意义,表2-1中也列有部分用电设备组的二项式系数b、c和最大容量的设备台数x值，供参考。但必须注意：按二项式法确定计算负荷时，如果设备总台数少于表2-1中规定的最大容量设备台数x的2倍，即n2x时，其最大容量设备台数x宜适当取小，建议取为n=2x，且按“四舍五入”修约规则取整数。例如某机床电动机组只有7台时，则其=7/24。如果用电设备组只有1台2台设备时，则可认为=。对于单台电动机，则=，其中为电动机额定容量，为其额定效率。在设备台数较少时，也宜适当取大。由于二项式法不仅考虑了用电设备组最大负荷时的平均负荷，而且考虑了少数容量最大的设备投入运行时对总计算负荷的额外影响，所以二项式法比较适于确定设备台数较少而容量差别较大的低压干线和分支线的计算负荷。但是二项式计算系数b、c和x的值，缺乏充分的理论根据，且只有机械工业方面的部分数据，从而使其应用受到一定局限。,负荷计算的目的及意义,【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：由表2-1查得b=0.14，c=0.4，x=5，=0.5，=1.73。而设备总容量为=120.5kW(见例2.1)。而x台最大容量的设备容量为=7.5kW3+4kW2=30.5kW因此，按式(2-21)可求得其有功计算负荷为=0.14120.5kW+0.430.5kW=29.1kW按式(2-11)可求得其无功计算负荷为=29.1kW1.73=50.3kvar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,负荷计算的目的及意义,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/T161992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”。(2)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，亦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，而是在各组用电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，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)式中最大附加负荷的设备组的平均功率因数角的正切值。关于总的视在计算负荷和总的计算电流，仍分别按式(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，均按表2-1所列数值。,负荷计算的目的及意义,【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：先求各组的和：(1)金属切削机床组。查表2-1得b=0.14，c=0.4，x=5，=0.5，=1.73，故=0.1450kW=7kW=0.4(7.5kW1+4kW3+2.2kW1)=8.68kW(2)通风机组。查表2-1得b=0.65，c=0.25，x=5，=0.8，=0.75，故=0.653kW=1.95kW=0.253kW=0.75kW(3)电阻炉。查表2-1得b=0.7，c=0，x=0，=1，=0，故=0.72kW=1.4kW=0以上各组设备中，附加负荷以为最大，因此总计算负荷为=(7+1.95+1.4)kW+8.68kW=19kW=(71.73+1.950.75+0)kvar+8.681.73kvar=28.6kvarkVA=34.3kVA=34.3kVA/(0.38kV)=52.1A,负荷计算的目的及意义,按一般工程设计说明书要求，以上计算可列成表2-3所示电力负荷计算表。,表2-3例2.4的电力负荷计算表(按二项式法),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，这也更为合理。,负荷计算的目的及意义,2.单相用电设备组计算负荷的确定1)概述在工厂里，除了广泛应用的三相设备外，还应用有电焊机、电炉、电灯等各种单相设备。单相设备接在三相线路中，应尽可能均衡分配，使三相负荷尽可能均衡。如果三相线路中单相设备的总容量不超过三相设备总容量的15%，则不论单相设备如何分配，单相设备可与三相设备综合按三相负荷平衡计算。如果单相设备容量超过三相设备容量的15%时，则应将单相设备容量换算为等效三相设备容量，再与三相设备容量相加。由于确定计算负荷的目的，主要是为了选择线路上的设备和导线(包括电缆)，使线路上的设备和导线在通过计算电流时不致过热或损坏，因此在接有较多单相设备的三相线路中，不论单相设备接于相电压还是线电压，只要三相负荷不平衡，就应以最大负荷相有功负荷的3倍作为等效三相有功负荷，以满足安全运行的要求。2)单相设备组等效三相负荷的计算(1)单相设备接于相电压时的等效三相负荷计算。等效三相设备容量应按最大负荷相所接单相设备容量中的3倍计算，即=3(2-24)等效三相计算负荷则按前述需要系数法计算。,负荷计算的目的及意义,(2)单相设备接于线电压时的等效三相负荷计算。由于容量为的单相设备接在线电压上产生的电流，这一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=(2-25)(3)单相设备分别接于线电压和相电压时的等效三相负荷计算。首先应将接于线电压的单相设备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和计算负荷。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=3(2-26)总的等效三相无功计算负荷为最大有功负荷相的无功计算负荷中的3倍，即=3(2-27)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。,负荷计算的目的及意义,A相：PA=pAB-APAB+pCA-APCA(2-28)QA=qAB-APAB+qCA-APCA(2-29)B相：PB=pBC-BPBC+pAB-BPAB(2-30)QB=qBC-BPBC+qAB-BPAB(2-31)C相：PC=pCA-CPCA+pBC-CPBC(2-32)QB=qCA-CPCA+qBC-CPBC(2-33)式中PAB、PBC、PCA接于AB、BC、CA相间的有功设备容量；PA、PB、PC换算为A、B、C相的有功设备容量；QA、QB、QC换算为A、B、C相的无功设备容量；pAB-A、qAB-A、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换算系数，其值如表2-4所列。,负荷计算的目的及意义,表2-4相间负荷换算为相负荷的功率换算系数,负荷计算的目的及意义,【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。另有380V单相对焊机4台，其中2台14kW(=100%)接于AB相间，1台20kW(=100%)接于BC相间，1台30kW(=60%)接于CA相间。试求此线路的计算负荷。解：(1)电热干燥箱的各相计算负荷。查表2-1得=0.7，=1，=0。因此只需计算其有功计算负荷。A相：=0.7210kW=14kWB相：=0.7130kW=21kWC相：=0.7120kW=14kW,图2.7例2.5的电路,负荷计算的目的及意义,(2)对焊机的各相计算负荷。先将接于CA相间的30kW(=60%)换算至=100%的容量，即=30kW=23kW查表2-1得=0.35，=0.7，=1.02；再由表2-4查得=0.7时的功率换算系数pAB-A、pBC-B、pCA-C=0.8，pAB-B、pBC-C、pCA-A=0.2，qAB-A、qBC-B、qCA-C=0.22，qAB-B、qBC-C、qCA-A=0.8。因此对焊机换算到各相的有功和无功设备容量为A相：=0.8214kW+0.223kW=27kW=0.22214kvar+0.823kvar=24.6kvarB相：=0.820kW+0.2214kW=21.6kW=0.2220kvar+0.8214kvar=26.8kvarC相：=0.823kW+0.220kW=22.4kW=0.2223kvar+0.820kvar=21.1kvar,负荷计算的目的及意义,各相的有功和无功计算负荷为A相：=0.3527kW=9.45kW=0.3524.6kvar=8.61kvarB相：=0.3521.6kW=7.56kW=0.3526.8kvar=9.38kvarC相：=0.3522.4kW=7.84kW=0.3521.1kvar=7.39kvar(3)各相总的有功和无功计算负荷A相：=+=14kW+9.45kW=23.5kW=8.61kvarB相：=+=21kW+7.56kW=28.6kW=9.38kvar,负荷计算的目的及意义,C相：=+=14kW+7.84kW=21.8kW=7.39kvar(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相计算等效三相计算负荷，由此可得=3=328.6kW=85.8kW=3=39.38kvar=28.1kvar=90.3kVA=90.3kVA/(0.38kV)=137A以上计算可以列成表格，限于篇幅，这里从略。,供配电系统的功率损耗与电能损耗,电流流过电力线路和变压器时，势必要引起功率和电能损耗。在进行用户或全厂负荷计算时，应计入这部分损耗。一、线路的功率损耗与电能损耗1.线路的功率损耗线路的功率损耗包括有功和无功两大部分。1)线路的有功功率损耗有功功率损耗是电流通过线路电阻所产生的，按下式计算：(2-34)式中线路的计算电流；线路每相的电阻，其中l为线路长度，为线路单位长度的电阻值，可查有关手册或产品样本。2)线路的无功功率损耗无功功率损耗是电流通过线路电抗所产生的，按下式计算：(2-35)式中线路的计算电流；线路每相的电抗。,电抗，其中l为线路长度，为线路单位长度的电抗阻值，可查有关手册或产品样本。但是查架空线路的值，不仅要根据导线截面，而且要根据导线之间的几何均距。所谓几何均距，是指三根线路各相导线之间距离的几何平均值。如图2.8(a)所示A、B、C三相线路，其线间几何均距为(2-36)如导线为等边三角形排列(见图2.8(b)，则；如导线为水平等距排列(见图2.8(c)，则。,供配电系统的功率损耗与电能损耗,def,(a)一般情况(b)等边三角形排列(c)水平等距排列图2.8三相架空线路的线间距离,2.线路的电能损耗计算线路上全年的电能损耗是由于电流通过线路电阻产生的，可按下式计算：(2-37)式中通过线路的计算电流；线路每相的电阻；年最大负荷损耗小时。年最大负荷损耗小时，是假设供配电系统元件(含线路)持续通过计算电流(即最大负荷电流)时，在此时间内所产生的电能损耗恰与实际负荷电流全年在此元件(含线路)上产生的电能损耗相等。年最大负荷损耗小时与年最大负荷利用小时有一定关系。由式(2-3)和式(2-5)可得下列关系：在负荷及线路电压一定时，因此故,供配电系统的功率损耗与电能损耗,因此全年电能损耗为(2-38)由式(2-37)和式(2-38)可得与的关系：(2-39)不同的-关系曲线，如图2.9所示。已知和，可由相应的曲线查得。,供配电系统的功率损耗与电能损耗,图2.9-关系曲线,二、变压器的功率损耗与电能损耗1.变压器的功率损耗计算变压器的功率损耗也包括有功和无功两大部分。1)变压器的有功功率损耗变压器的有功功率损耗由两部分组成：(1)铁心中的有功功率损耗简称“铁损”。它在变压器一次绕组的外施电压和频率不变的条件下是固定不变的，与负荷无关。铁损可由变压器空载实验测定。变压器的空载损耗可认为就是铁损，因为变压器的空载电流很小，在一次绕组中产生的有功功率损耗可略去不计。(2)一、二次绕组中的功率损耗俗称“铜损”。它与负荷电流(或功率)的平方成正比。铜损可由变压器短路实验测定。变压器的短路损耗(亦称负载损耗)。可认为就是铜损，因为变压器二次侧短路时，一次侧的短路电压(亦称阻抗电压)很小，在铁心中产生的有功功率损耗可略去不计。,供配电系统的功率损耗与电能损耗,因此，变压器的有功功率损耗为(2-40)式中变压器的额定容量；变压器的计算负荷。2)变压器的无功功率损耗变压器的无功功率损耗也由两部分组成：(1)用来产生磁通即励磁电流的一部分无功功率。它只与一次绕组电压有关，与负荷无关。它与励磁电流或近似地与空载电流成正比，即(2-41)式中变压器空载电流占额定一次电流的百分值。,供配电系统的功率损耗与电能损耗,(2)消耗在变压器一、二次绕组电抗上的无功功率。额定负荷下的这部分无功损耗用表示。由于变压器的电抗远大于电阻，因此近似地与阻抗电压(即短路电压)成正比，即(2-42)式中%变压器阻抗电压占额定一次电压的百分值。这部分无功损耗与负荷电流(或功率)的平方成正比。因此，变压器的无功功率损耗为(2-43)式(2-40)式(2-43)中的、和(即)等均可从有关手册或产品样本中查得。在电力负荷计算中，通常采用简化公式。对S7、SL7、S9等型低损耗电力变压器的功率损耗，可采用下列简化公式计算。有功功率损耗：(2-44)无功功率损耗：(2-45)式中变压器的计算负荷。,供配电系统的功率损耗与电能损耗,2.变压器的电能损耗计算变压器的电能损耗包括铁损和铜损两部分。(1)全年的铁损产生的电能损耗：可近似地按其空载损耗计算，即(2-46)(2)全年的铜损产生的电能损耗：与负荷电流平方成正比，即与变压器负荷率(即)成正比，可近似地按其短路损耗计算，即(2-47)由此可得变压器全年的电能损耗为(2-48)式中变压器的年损耗小时，可查图2.9的曲线。,供配电系统的功率损耗与电能损耗,确定用户的计算负荷是选择电源进线和一、二次设备的基本依据，是供配电系统设计的重要组成部分，也是与电力部门签定用电协议的基本依据。确定等效三相设备容量用户计算负荷的方法很多，可根据不同情况和要求采用不同的方法。在制定计划、初步设计，特别是方案比较时可用较粗略的方法。在供电设计中进行设备选择时，则应进行较详细的负荷计算。,用户负荷计算,一、按逐级计算法确定用户的计算负荷,根据用户的供配电系统图，从用电设备开始，朝电流方向逐级计算，最后求出用户总的计算负荷的方法称为逐级计算法。,如图2.10所示，用户的计算负荷(这里以有功负荷为例)应该是高压配电所母线上所有高压配电线计算负荷之和，再乘上一个同时系数。而高压配电线的计算负荷，应该是该线路所供用户变电所低压侧的计算负荷，加上变压器的功率损耗和高压配电线的功率损耗。依此类推。但对一般企业供配电系统来说，由于其高低压配电线路一般不长，所以在确定企业计算负荷时往往略去不计。,图2.10企业供电系统中各部分的计算负荷和功率损耗,用户负荷计算,将用户用电设备的总容量(不包括备用设备容量)乘上一个需要系数，可得到企业的有功计算负荷，即(2-49)用户的无功计算负荷、视在计算负荷和计算电流，分别按式(2-11)、式(2-12)和式(2-13)计算。,用户负荷计算,二、按需要系数法确定用户的计算负荷,三、按年产量估算用户计算负荷,将用户年产量A乘以单位产品耗电量，就可得到企业全年的耗电量W：(2-50)各类用户的单位产品耗电量可由有关设计单位根据实测统计资料确定，亦可查有关设计手册。在求出年耗电量W后，除以用户的年最大负荷利用小时，就可求得用户的有功计算负荷：(2-51)其他计算负荷、的计算，与上述需要系数法相同。,尖峰电流(peakcurrent)是指单台或多台用电设备持续时间1s2s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，它与计算电流不同，计算电流是指半小时最大电流，尖峰电流比计算电流大得多。计算尖峰电流的目的是选择熔断器和低压断路器，整定继电保护装置，计算电压波动及检验电动机自起动条件等。,尖峰电流及其计算,一、给单台用电设备供电的支线尖峰电流计算,单台用电设备的尖峰电流就是其起动电流(startingcurrent)，因此尖峰电流为(2-52)式中用电设备的起动电流；用电设备的额定电流；用电设备的起动电流倍数(可查产品样本或铭牌，对笼型电动机一般为57，对绕线转子电动机一般为23，直流电动机一般为17，对电焊变压器一般为3或稍大)。,单台用电设备的尖峰电流就是其起动电流(startingcurrent)，因此尖峰电流为,引至多台用电设备的线路上的尖峰电流按下式计算：(2-53)或(2-54)式中和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其起动电流与额定电流之差；将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；上述n-1台的同时系数，按台数多少选取，一般为0.71；全部设备投入运行时线路的计算电流。,尖峰电流及其计算,二、给多台用电设备供电的干线尖峰电流计算,【例2.6】有一条380V配电干线，给3台电动机供电。已知=5A，=4A，=10A，=35A,=16A，=3，求该配电线路的尖峰电流。解：=35A5A=30A=16A4A=12A=310A10A=20A可见，=30A，则=35A，取=0.9，因此该线路的尖峰电流为=0.9(4+10)A+35A=47.6A,尖峰电流及其计算,用户中绝大多数用电设备，如感应电动机、电力变压器、电焊机、电弧炉及气体放电灯等，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。而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。一、功率因数的确定工厂电力供应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为提高功率因数所用的补偿装置类型和容量。在设计阶段应用的功率因数是不同用电设备在最大负荷工作班测定利用系数时取得的，因为在这一段时间内，同时也测定了无功电能的消耗量。即(2-55)式中某组用电设备在最大负荷工作班内的有功电能消耗量；某组用电设备在最大负荷工作班内的无功电能消耗量。,功率因数的确定与补偿,对于多组用电设备或全厂自然功率因数(由用电设备本身性质决定的功率因数称为自然功率因数)正切的均权平均值，在设计阶段可以按下式计算：(2-56)设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，则补偿容量可按下式计算：