华工自动化企业供电第2章电力负荷的计算.ppt

第二章电力负荷的计算,内容提要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。本章主要学习以下几个内容：电力负荷与负荷计算电力负荷的基本概念；负荷计算的内容及目的；负荷曲线与计算负荷负荷曲线的基本概念、作用及分类负荷曲线的绘制与负荷计算相关的几个物理量,第二章电力负荷的计算,计算负荷的实用计算方法设备容量的计算方法；需要系数法求解计算负荷；二项式法求解计算负荷；单相负荷的计算尖峰电流计算尖峰电流的基本概念尖峰电流的计算方法功率损耗与电能损耗的计算线路的功率损耗计算变压器的功率损耗计算电能损耗计算全厂负荷计算逐级计算方法,第一节电力负荷与负荷计算,一电力负荷与电量1电力负荷(electricpowerload)用电设备需用的电功率简称负荷或功率。区别：负荷与负载负荷是功率；负载耗电设备（耗电并能完成某种任务的装置、器件等）；,第一节电力负荷与负荷计算,2电量用电设备所需用的电能数量，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）；在工厂供配电系统设计时，如果直接采用额定容量进行设计势必会造成浪费；应首先计算出全部设备的实际负荷。,第一节电力负荷与负荷计算,2、负荷计算的主要内容（1）求计算负荷（需用负荷，假想负荷）：即正常工作时的实际最大负荷。目的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：目的计算全厂的电能需要量、电能损耗以及选择无功补偿容量等；（节能措施）,三、负荷分级按对供电可靠性要求的负荷分类我国将电力负荷按其对供电可靠性的要求及中断供电在政治上、经济上造成的损失或影响的程度划分为三级。一级负荷一级负荷为中断供电将造成人身伤亡者；中断供电将在政治上、经济上造成重大损失者，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性生产过程被打乱而需要长时间恢复等；中断供电将有重大政治、经济影响的用电单位的正常工作的负荷者。一级负荷应由两个独立电源供电。,第一节电力负荷与负荷计算,2.二级负荷二级负荷为中断供电将在政治上、经济上造成较大损失者，如主要设备损坏、大量产品报废，连续性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；中断供电系统将影响重要用电单位正常工作的负荷者；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公共场所秩序混乱者。二级负荷应由两回线路供电，供电变压器亦应有两台。3.三级负荷三级负荷为不属于一级和二级负荷者。对一些非线性连续性生产的中小型企业，停电仅影响产量或造成少量产品报废的用电设备，以及一般民用建筑的用电负荷等均属三级负荷。三级负荷对供电电源没有特殊要求，一般由单回路电力线路供电。,第一节电力负荷与负荷计算,第二节负荷曲线与计算负荷,一、负荷曲线(loadcurve)1、负荷曲线表示一组用电设备的功率随时间的变化图形。纵轴为功率，横轴为时间。,第二节负荷曲线与计算负荷,2、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；对于运行人员而言，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。3、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；,第二节负荷曲线与计算负荷,4、负荷曲线分类,第二节负荷曲线与计算负荷,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。,第二节负荷曲线与计算负荷,（2）年持续负荷曲线的绘制根据日负荷曲线在全年的变化趋势特点，为了分析方便一般将其分为具有代表性两个类型：具有冬季日负荷特点的曲线冬季日负荷曲线；具有夏季日负荷特点的曲线夏季日负荷曲线；年持续负荷曲线的绘制需要借助于一年中具有代表性的夏季日负荷曲线和冬季日负荷曲线；夏季和冬季在全年中占的天数视地理位置和气温情况而定：,第二节负荷曲线与计算负荷,年持续负荷曲线的绘制方法：绘制夏季日负荷曲线和冬季日负荷曲线，并绘制年持续负荷的坐标系（注意横坐标最大值为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：,第二节负荷曲线与计算负荷,假定P1在（a）上有t1小时，则全年以P1运行的总小时数为：T1=200*t1；若某一功率同时出现冬季、夏季日负荷曲线上，则二者换算后的时间相加。图中的P5同时出现在冬季、夏季日负荷曲线中。则换算之后的总时间为：T5=(t5+t5)*200+t5*165（h）最后将对应的功率和时间绘制到年持续负荷曲线中。,第二节负荷曲线与计算负荷,（3）年持续负荷曲线的意义年持续负荷曲线与横轴所包围的面积代表了用户全年消耗的总电能。（4）注意日负荷曲线与年负荷曲线绘制的区别日负荷曲线是按照时间先后绘制，而年持续负荷曲线是按照负荷的大小和累计时间来绘制的。,第二节负荷曲线与计算负荷,二、与负荷计算相关的几个物理量1、年最大负荷和最大负荷利用小时数负荷最大工作班：一年中最大负荷月份内最少出现23次的最大负荷工作班（防止偶然性）。年最大负荷：全年中最大工作班内，半小时平均功率的最大值，也称为30分钟最大负荷；表示为：或者,第二节负荷曲线与计算负荷,年最大负荷利用小时数物理意义：用户以全年最大负荷持续工作运行小时所消耗的电能等于全年实际消耗的电能。即：有功无功用电负荷的均衡性的标志，越大越均衡；,第二节负荷曲线与计算负荷,2、平均负荷和负荷系数平均负荷(averageload)电力用户一段时间内消耗功率的平均值；表示为：；全年的平均有功负荷为：；负荷系数（loadcoefficient）最大工作班内平均负荷与最大负荷之比，又称负荷率、负荷曲线填充系数;,第二节负荷曲线与计算负荷,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；一般：；3、需用系数和利用系数需用系数：；（按最大值进行准备）利用系数：；（按实际需要值进行评价）对于相同类型的工厂或车间具有相近的负荷系数、需用系数和利用系数，可以查表获得典型值。,第二节负荷曲线与计算负荷,4、尖峰负荷和低谷负荷尖峰负荷在一昼夜间（连续24h内）用户出现的最大负荷（1h内平均值的最大值）；低谷负荷在一昼夜间（连续24h内）用户出现的最小负荷（1h内平均值的最小值）；尖峰负荷与低谷负荷的出现时间与具体行业有关，并呈现一定的规律性。,第二节负荷曲线与计算负荷,三、计算负荷(calculatedload)计算负荷等效负荷；按此负荷持续运行所产生的热效应，与按照实际变动负荷长期运行所产生的最大热效应相等。表示为：1、用途及依据按发热条件选择导体和电器设备：当以计算负荷连续运行时，设备的发热温度不会超过其允许值。导体的发热时间常数T=10min；实验表明：导体到达恒定温升的时间约为3T-4T；故一般取30min来保证导体达到恒定温升。,第二节负荷曲线与计算负荷,2、计算计算负荷要达到最高的恒定温升，故有：,第三节计算负荷的实用计算方法,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线电缆选择的经济性：过大会造成投资以及有色金属的浪费；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。本节主要介绍两种：需要系数法和二项式法。,第三节计算负荷的实用计算方法,一设备容量的确定1、用电设备的额定容量铭牌上标出的功率（或容量）Pn；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。将各种用电设备的额定功率换算成同一的标准工作条件下（统一标准工作制下）的“额定功率”，称之为设备功率（设备容量）Ps或者Pe。,第三节计算负荷的实用计算方法,3、用电设备的工作制以及对应设备容量的计算（1）连续工作制设备（长期工作制）特点：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、空气压缩机、发电机组、照明灯等；设备功率计算：；（2）短时工作制设备特点：恒定负荷下运行，短时间内连续工作，且能够达到热平衡。如：控制闸门的电动机；设备功率计算：,第三节计算负荷的实用计算方法,（3）断续周期工作制设备（反复短时工作制）特点：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。暂载率（dutycycle又称负荷持续率）：其中：表示设备的工作周期；额定暂载率注意:额定暂载率是设备的额定参数；,第三节计算负荷的实用计算方法,电焊机组：标准暂载率为：；设备功率：其中：为换算到标准暂载率下的设备负荷；为设备额定参数；,第三节计算负荷的实用计算方法,吊车电动机：标准暂载率为：设备功率：参数与上述相同,第三节计算负荷的实用计算方法,总结：周期短时工作的设备功率计算：需要将设备额定暂载率下的额定功率换算成标准暂载率下的设备功率。设备容量不是设备的计算负荷，实际上是换算到一定标准工作制下的额定负荷。实际中求解计算负荷的思路：,第三节计算负荷的实用计算方法,二、按需要系数法确定计算负荷设备分组：在所计算的范围内（如一条干线、一段母线或一台变压器），所有用电设备的计算负荷并不等于其设备容量之和，两者之间存在比值关系，即为需要系数：,第三节计算负荷的实用计算方法,具体含义：需要系数是综合系数，与需要系数的定义相结合，它标志着用电设备投入时，从供电网络实际取用的功率与用电设备组设备功率之比。,第三节计算负荷的实用计算方法,1、单个用电设备组的计算负荷其中：该用电设备组的设备功率之和；用电设备组的需用系数；可查表；,第三节计算负荷的实用计算方法,例1：某车间有一冷加工车床组，共有电压为380V的电动机39台（其中3台10KW，8台4KW，18台3KW，10台1.5KW），试用需要系数法求该设备组的计算负荷。解：该用电设备组为连续工作制，故查表得：,第三节计算负荷的实用计算方法,带入可得：通过上例题可以看出：(1)如果该车间只有此组负荷，计算得到的计算负荷实际上是该车间的低压进线的计算负荷。(2)计算某一个设备组设备容量的方法，为多设备组的计算提供基础。,第三节计算负荷的实用计算方法,2多个用电设备组的计算负荷如图，在配电干线或者变压器低压母线上，常有多个用电设备组同时工作，而考虑各用电设备组的最大负荷不一定同时出现，引入一同时系数其中：分别为有功同时系数和无功同时系数，一般情况下相等；,第三节计算负荷的实用计算方法,m为该配电干线或者车间变电所低压母线上所接的用电设备组总数；为其中某一设备组的参数；为该干线或低压母线上的计算电流；可见，为多组用电设备的干线或者变压器低压母线上的计算负荷及计算电流；如果在变压器的低压母线上装无功补偿装置，补偿容量为，则低压母线上的无功计算负荷为：,第三节计算负荷的实用计算方法,注意无功补偿的特点：此时的低压母线上的有功计算负荷不变化；无功补偿后：,第三节计算负荷的实用计算方法,注意几点：由于各用电设备组的功率因数不一定相同，总的视在功率计算负荷和计算电流不能利用各组的视在功率以及计算电流直接相加得到，应由下式计算：查表获得的需要系数以及同时系数是长期积累的经验数据，一般认为与设备的数量以及设备之间的容量差距是否悬殊等因素无关，但这种处理方法考虑不够全面，是有条件的：只有当设备台数较多、总容量够大、没有特殊的大型用电设备时，表中的需要系数才比较负荷实际。算法适用对象：求用户、全厂和大型车间变电所的计算负荷；而在确定设备台数比较少的而且容量相差悬殊的分支干线的计算负荷时，通常采用二项式法计算。,第三节计算负荷的实用计算方法,三、按二项式法确定计算负荷计算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。,第三节计算负荷的实用计算方法,1单个用电设备组的计算负荷计算公式：其中：设备组基本负荷；该用电设备组的设备功率之和；设备功率计算方法同前；附加负荷，为台大容量设备的功率之和，可以查表获得；二项式系数，与设备类型有关，可查表；,第三节计算负荷的实用计算方法,尖峰负荷产生的原因：大容量电动机的在某一阶段内满载运行或者频繁同时启动。,第三节计算负荷的实用计算方法,由计算得到的得：,第三节计算负荷的实用计算方法,2多个用电设备组的计算负荷依然考虑各组用电设备的最大负荷不同时出现的因素，在各组用电设备中取其中一组最大的附加负荷进行补偿。利用二项式法求解多个用电设备组的计算负荷的方法如下：,第三节计算负荷的实用计算方法,注意：按二项式法确定计算负荷时，如果设备的总数少于表中规定的最大容量设备台数的2倍（即）时，其最大容量设备台数应该适当取小。一般按照：且“四舍五入”修约规则取整。,第四节单相负荷的计算,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，再加上原有的三相负荷，从而得到总的三相电路的计算负荷。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。,第四节单相负荷的计算,一单相用电设备接于相电压其中：为等效三相设备负荷；为最大负荷相的单相设备功率之和；,第四节单相负荷的计算,二、单相设备接于线电压1、接于同一线电压时其中：为单相设备的最大容量；2、接于不同线电压时设接于三个线电压的设备容量分别为P1、P2、P3，且cos1cos2cos3，当P1P2P3时，则等效三相设备容量为：,第四节单相负荷的计算,三一般情况特点：系统中接于相电压、线电压的单相负荷均有；计算分两步进行：1、将接于线电压的单相负荷换算为接于相电压的单相负荷；设：为换算后接相电压的负荷；为接线电压的单相用电功率；引入有功功率转换系数：无功功率转换系数：,第四节单相负荷的计算,转换公式：注意：1、查表可见：无功换算系数也是如此；2、功率转换系数与功率因数有关；3功率转换都是通过有功功率转换而来的；,第四节单相负荷的计算,2、将各相负荷相加，选出最大负荷，取其3倍作为等效三相负荷。即：无功等效负荷计算方法同上；,第五节尖峰电流计算,尖峰电流:单台或者多台设备持续12S的短时最大负荷电流；表示为：；尖峰电流主要是由于大容量电动机的起动、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12S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选择熔断器、整定低压断路器和继电保护装置（整定继电保护装置的动作时间）、计算电压波动及检验电动机自起动条件等。,第五节尖峰电流计算,一、单台用电设备尖峰电流的计算实际上求给单台用电设备供电的支线尖峰电流；即：尖峰电流=设备的起动电流；其中：为用电设备的起动电流倍数；对于鼠笼型电动机一般为：57；对于绕线型电动机一般为：23；对于直流电动机一般为：1.7；对于电焊变压器一般为：3；,第五节尖峰电流计算,二、多台用电设备尖峰电流的计算实质求多台用电设备供电的干线尖峰电流；1一般情况：（设备不是同时起动）其中：设备中最大的起动电流；除具有最大起动电流的设备之外的其余（n-1）台电机设备的计算电流；为n-1台的同时系数；,第五节尖峰电流计算,2n台设备同时起动实质：求解给n台同时起动设备供电配电线路的尖峰电流；其中：所有参与同时起动设备的起动电流之和；,第六节功率损耗与电能损耗的计算,电流流过电力线路和变压器时，势必会功率和电能损耗。在进行用户或者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损耗。,第六节功率损耗与电能损耗的计算,一、供电线路的功率损耗参数意义：有功功率损耗；电流流过线路电阻引起的损耗；无功功率损耗；电流流过电路电抗引起的损耗；对于三相供配电线路：上式变换为：,第六节功率损耗与电能损耗的计算,注意：（1）单位：（2）利用计算电流求解，即得到的功率损耗是最大损耗功率。,第六节功率损耗与电能损耗的计算,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。,第六节功率损耗与电能损耗的计算,变压器有功功率损耗：故变压器的有功损耗为：,第六节功率损耗与电能损耗的计算,变压器无功功率损耗：故变压器无功功率损耗为：,第六节功率损耗与电能损耗的计算,三、供配电系统的年电能损耗（有功损耗）由于实际中负荷随时间不断变化，变压器以及线路中电能损耗难以精确计算，通常采用最大负荷损耗时间进行描述；的物理意义：当线路或者变压器中以最大计算电流流过小时后所产生的电能损耗与全年流过的实际电流所产生的损耗相等。与之间与有关，注意定义中采用的是计算电流而不是计算负荷，主要是考虑到无功负荷的影响。,第六节功率损耗与电能损耗的计算,1、线路注意：上式中采用计算电流进行求解，所以时间采用最大损耗时间。2变压器,注：此项已换算成计算负荷,第七节全厂负荷计算,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，是供配电设计的基础。根据用户的供配电系统图，从用电设备开始，朝电源方向逐级进行计算，最后求出用户总的计算负荷的方法逐级计算法。本节系统介绍逐级计算法确定用户计算负荷的步骤。,第七节全厂负荷计算,0单台用电设备的计算负荷目的：用于选择其开关设备和导线截面积。,第七节全厂负荷计算,1单个用电设备组的计算负荷,（1）设备分组；（2）设备容量计算;（3）需要系数或二项式法计算用电设备组的计算负荷；目的：用于选择车间配电干线以及干线上的电气设