供配电技术项目2

项目二负荷计算与短路电流计算任务1能力目标SubTitle知识目标掌握用电设备的工作制及负荷曲线；掌握确定用电设备计算负荷的两种计算方法；学会计算或估算电力负荷的大小；了解无功补偿的方法。一电力负荷和负荷曲线

计算或估算电力负荷是对供配电系统中导线、电缆、开关、各种电气设备、变压器等进行正确选择和分析的基础，是保障供配电系统安全可靠运行必不可少的环节。长期连续工作制设备1）电力负荷的工作制及用电设备的容量1.短时工作制设备2）这类用电设备的特点是工作时间很短，而停歇时间相对较长，如水闸用电动机、机床上的某些辅助电动机等。对于短时工作制设备，其设备容量也是设备铭牌上的额定功率。反复短时工作制设备3）一个工作周期内工作时间占整个周期的比值称为负荷持续率（暂载率）ε。ε=[t/(t+t0)]×100%式中，t为工作时间；t0为停歇时间。对起重电动机应统一换算到ε=25%，PN为换算前设备铭牌额定功率；Pe为换算后的设备容量；εN为设备铭牌暂载率；ε25为值为25%的暂载率。对电焊机设备，应统一换算到ε=100%，例2-1

某小批量生产车间380V线路上接有金属切削机床12台（其中，12kW的4台，10.5kW的6台，5kW的2台），车间有380V电焊机3台（每台容量20kVA，εN=65%，cosφN=0.5），车间有吊车1台（7.5kW，εN=25%），试计算此车间的设备容量。

解（1）金属切削机床属于长期连续工作制设备，所以12台金属切削机床的总容量为Pe1=∑Pei=（4×12+6×10.5+2×5）kW=121kW

（2）电焊机的设备容量。电焊机属于反复短时工作制设备，它的设备容量应统一换算到ε=100%，所以3台电焊机的设备容量为（3）吊车的设备容量。吊车属于反复短时工作制设备，它的设备容量应统一换算到ε=25%，所以1台吊车的容量为（4）车间的设备总容量为

Pe=121+24.2+7.5=152.7kW年最大负荷和年最大负荷利用小时年最大负荷利用小时Tmax是指负荷以年最大负荷Pmax持续运行时，在此时间内消耗的电能恰好等于该电力负荷全年实际消耗的电能Wa，这段等效时间就是年最大负荷利用小时Tmax，阴影部分即全年实际消耗的电能。Tmax=Wa/Pmax1）与负荷曲线相关的参数年最大负荷利用小时Tmax是一个反映工厂负荷特征的重要参数，它的大小表明了工厂消耗电能是否均匀，Tmax越大，则负荷越平稳。它与工厂的生产班制有较大的关系，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）平均负荷、年平均负荷和负荷系数。平均负荷Pav是指电力负荷在一定时间内消耗的功率的平均值，Pav=Wt/t式中，Wt为t时间内消耗的电能，kW·h；t为实际用电时间，h。①年平均负荷是全年工厂负荷消耗的总功率除以全年总小时数。Pav=Wa/8760②负荷系数又称为负荷率，用KL表示，是年平均负荷Pav与年最大负荷Pmax的比值，即KL=Pav/Pmax负荷系数反映负荷曲线的不平坦程度，即负荷变动的程度。计算负荷的概念1.供配电系统运行时的实际负荷并不等于所有用电设备的额定功率之和。这是由于用电设备不可能全部同时运行，而且运行时每台设备也不可能全部满负荷运行，同时各种用电设备的功率因数也不可能完全相同。因此，供配电系统在设计过程中，必须找出这些用电设备的等效负荷。全年中负荷最大工作班内消耗电能最大的半小时的平均功率，称为半小时最大负荷P30。通常把半小时最大负荷P30称为计算负荷。

通常用P30、Q30、S30、I30分别表示负荷的有功计算负荷、无功计算负荷、视在计算负荷和计算电流。按需要系数法确定计算负荷2.1）单台用电设备的计算负荷对单台用电设备宜取Kd=1①单台电动机计算负荷为P30=PN/ηN式中，PN为电动机的额定功率，kW；ηN为电动机在额定负荷下的效率。②单台电热设备、电炉变压器、白炽灯等设备来说，计算负荷等于其额定容量，P30=PN③单台反复短时工作制的设备，计算负荷也等于其设备容量④起重机、电焊机类设备，要根据负荷持续率进行换算。2）用电设备组的计算负荷直接采用需要系数法进行计算。有功计算负荷为P30=KdPe无功计算负荷为Q30=P30tanφ视在计算负荷为计算电流为例2-2某小批量生产车间380V线路上接有金属切削机床共12台（其中，12kW的4台，10.5kW的6台，5kW的2台），车间有380V电焊机3台（每台容量20kVA，εN=65%，cosφN=0.5），车间有吊车1台（7.5kW，εN=25%），试用需要系数法计算此车间的计算负荷。解：（1）金属切削机床组的计算负荷。查附录3，取需要系数和功率因数为Kd=0.2，cosφ=0.5，tanφ=1.73，P30(1）=KdPe1=0.2×121=24.2kWQ30(1）=P30(1）tanφ=24.2×1.73≈41.87kvarS30(1）=≈48.4kVAI30(1）=≈73.5A（2）电焊机组的计算负荷。查附录3，取需要系数和功率因数为Kd=0.35，cosφ=0.6，tanφ=1.33，P30(2）=KdPe2=0.35×24.2≈8.5kWQ30(2）=P30(2）tanφ=8.5×1.33≈11.31kvarS30(2）=≈14.15kVAI30(2）=≈21.5A（3）吊车组的计算负荷。查附录3，取需要系数和功率因数为Kd=0.15，cosφ=0.5，tanφ=1.73，P30(3）=KdPe3=0.15×7.5≈1.1kWQ30(3）=P30(3）tanφ=1.1×1.73≈1.9kvarS30(3）=≈2.2kVAI30(2）=≈3.3A（4）全车间的总计算负荷。查附录3，取同时系数K∑=0.8，所以全车间的计算负荷为P30=K∑·∑Pei=0.8×(24.2+8.5+1.1）≈20.3kWQ30=K∑·∑Qei=0.8×(41.87+14.7+1.9）≈35.1kvarS30=≈40.5kVAI30=≈61.5A按二项式系数法确定计算负荷3.在计算设备台数较少，而且各台设备容量相差悬殊的车间干线和配电箱的计算负荷时宜采用二项式系数法。P30=bPe+cPx式中，b、c为二项式系数，根据设备的名称、类型、台数通过查附录3选取；bPe为用电设备组的平均负荷，Pe为用电设备组的设备总容量；Px为用电设备中x台容量最大的设备容量之和，cPx指用电设备中x台容量最大的设备投入运行时增加的附加负荷。Q30、S30、I30的计算公式与前述需要系数法相同。当只有一台或两台用电设备时，P30=Pe。按二项式系数法确定计算负荷时，如果设备总台数n少于附录3中规定的最大容量设备台数x的2倍(n<2x），其最大容量设备台数x适当取小，建议取x=n/2，并按四舍五入的规则取整数。采用二项式系数法确定多组用电设备的总计算负荷时，需要考虑各组用电设备最大负荷不同时出现的因素。只能在各组用电设备中取其中一组最大的附加负荷，再加上各组用电设备的平均负荷，由此求出设备组的总计算负荷，即总有功计算负荷为P30=∑（bPe）i+(cPx）max总无功计算负荷为Q30=∑（bPetanφ）i+(cPx）maxtanφmax

式中，（bPe）i为各用电设备组的平均负荷；（cPx）max为各组中最大的一组附加负荷；tanφmax为最大附加负荷（cPx）max的设备组的tanφ。求出P30、Q30、S30和I30。例2-3

某小批量生产车间380V线路上接有金属切削机床共12台（其中，12kW的4台，10.5kW的6台，5kW的2台），接有通风机3台（1.2kW），车间有吊车3台（23.2kW的1台，29.5kW的2台，εN=25%），试用二项式系数法计算此车间的计算负荷。（1）求金属切削机床组的计算负荷。查附录3，取二项式系数为b=0.14，c=0.4，x=5，cosφ=0.5，tanφ=1.73，则(bPe）1=0.14×121≈16.9kW(cPx）1=0.4×(12×4+10.5×1）=23.4kW解：先求各组的bPe和cPx。

（2）通风机组的计算负荷。查附录3，取二项式系数为b=0.65，c=0.25，x=2，cosφ=0.8，tanφ=0.75，则(bPe）2=0.65×3.6≈2.3kW(cPx）2=0.25×2.4=0.6kW（3）求吊车组的计算负荷。查附录3，取二项式系数为b=0.06，c=0.2，x=3，(因n<2x,故取x=n/2，按四舍五入的规则取整数，则x=2），cosφ=0.5，tanφ=1.73，则(bPe）3=0.06×(23.2×1+29.5×2）=4.9kW(cPx）3=0.25×29.5×2=14.8kW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P30=∑（bPe）i+(cPx）max=（11.1+2.3+4.9）+23.4=41.7kWQ30=∑（bPetanφ）i+(cPx）1tanφ1

=（11.1×1.73+2.3×0.75+4.9×1.73）+23.4×1.73≈69.9kvarS30=≈81.4kVAI30=≈123.7A三单相用电设备计算负荷的确定

（1）单相设备接于相电压时，等效三相设备容量Pe等于最大负荷相所接的单相设备容量Pemφ乘以3Pe=3Pemφ

（2）单相设备接于线电压时，等效三相设备容量Pe按单相设备容量Peφ的3倍计算Pe=

Peφ四电气照明负荷的确定照明设备容量的确定1.（1）不用镇流器的照明设备，其设备容量为灯头的额定功率，即Pe=PN（2）需要用镇流器的照明设备，其设备容量一般略高于灯头的额定功率，即Pe=1.1PN（3）照明设备的额定容量还可以按建筑物的单位面积容量法估算，即PN=ωA/1000式中，ω为建筑物单位面积的照明容量，W/m2；A为建筑物面积，m2。照明计算负荷的确定2.光源类别需要系数Kd功率因数cosφ白炽灯荧光灯高压汞灯高压钠灯金属卤化物灯生产车间办公室0.8～110.9（0.55）0.45～0.650.450.40～0.61变配电所、仓库0.5～0.710.9（0.55）0.45～0.650.450.40～0.61生活区宿舍0.6～0.810.9（0.55）0.45～0.650.450.40～0.61室外110.9（0.55）0.45～0.650.450.40～0.61

照明设备组的需要系数及功率因数值五全厂计算负荷的确定逐级推算法1.P305为所有出线上的计算负荷之和，再乘上同时系数K∑。P304=P305+ΔPWL2，需要考虑线路WL2的损耗ΔPWL2。P303为低压母线所有出线的计算负荷P304之和，乘上同时系数K∑。P302=P303+ΔPWL1+ΔPT，需要考虑线路WL1的损耗ΔPWL1和变压器T的损耗ΔPT。计算负荷P301为高压配电所几条高压配电线路计算负荷乘上同时系数K∑。逐级推算法示意图电力变压器的功率损耗，在一般的负荷计算中，可以采用简化公式近似计算。简化公式如下。有功功率损耗为ΔPT=0.015S30无功功率损耗为ΔQT=0.065S30需要系数法2.在已知全厂用电设备总容量Pe的条件下，乘以一个工厂的需要系数Kd即可求得全厂的有功计算负荷P30，即P30=KdPe式中，Kd为全厂负荷的需要系数值。全厂的无功计算负荷Q30、视在计算负荷S30和计算电流I30可分别按前述方法计算。工厂类别需要系数功率因数汽轮机制造厂0.380.88锅炉制造厂0.270.73柴油机制造厂0.320.74重型机床制造厂0.320.71仪器仪表制造厂0.370.81电机制造厂0.330.81石油机械制造厂0.450.78电线电缆制造厂0.350.73开关电器制造厂0.350.75橡胶厂0.50.72通用机械厂0.40.72全厂负荷的需要系数及功率因数例2-4已知某开关电器制造厂用电设备的总容量为3000kW，试估算该厂的计算负荷。解：查表取Kd=0.35，cosφ=0.75，则tanφ=0.88，可得P30=KdPe=（0.35×3000）kW=1050kWQ30=P30tanφ=1050×0.88=924kvar按年产量或年产值估算全厂的计算负荷3.（1）按年产量估算全厂的计算负荷。将工厂的年产量A乘以工厂的单位产品耗电量a，即可求出工厂的全年耗电量Wa为Wa=Aa各类工厂的单位产品耗电量a可由有关设计单位根据实测的统计资料确定，也可从有关设计手册查取。求出工厂的全年耗电量Wa后，可得到全厂的有功计算负荷为P30=Wa/Tmax式中，Tmax为工厂的年最大负荷利用小时。Q30、S30、I30的计算，与上述需要系数法相同。（2）按年产值估算全厂的计算负荷。将工厂的年产值B乘以工厂的单位产值耗电量b，即可求出工厂的全年耗电量Wa为Wa=Bb各类工厂的单位产值耗电量b可由有关设计单位根据实测的统计资料确定，也可从有关设计手册查取。求出工厂的全年耗电量Wa后，可由式（7-32）得到全厂的有功计算负荷P30。Q30、S30、I30的计算与上述需要系数法相同。六功率因数及无功功率补偿功率因数1.瞬时功率因数可由功率因数表(相位表）直接测量，也可用功率表、电压表和电流表瞬间测取的读数计算得到，即cosφ=P/UI式中，P为三相功率表读数，kW；I为电流表测量的线电流的读数，A；U为电压表测量的线电压的读数，kV。瞬时功率因数1）平均功率因数2）平均功率因数是指某一规定时间内的功率因数的平均值。cosφ=式中，WP为某一时间内耗用的有功电能，由有功电度表读出；WQ为某一时间内耗用的无功电能，由无功电度表读出。最大负荷时的功率因数3）cosφ=P30/S30式中，P30为工厂的有功计算负荷；S30为工厂的视在计算负荷。无功功率补偿2.

另一种是采用人工补偿装置来提高功率因数，人工补偿装置可采用同步电动机或安装移相电容器。提高功率因数通常有两种途径：一种是提高自然功率因数，即在不添加任何附加补偿设备的前提下，合理选择和使用电气设备，改善它们的运行方式，提高检修质量，但自然功率因数的提高往往很有限；若用户所需的有功功率P30不变，则加装无功补偿装置后，功率因数由cosφ1提高到cosφ2，无功功率将由Q30.1减小到Q30.2，视在功率将由S30.1减小到S30.2，相应的负荷电流I30也将减小。无功功率补偿容量为Qc=P30（tanφ1-tanφ2）式中，P30为有功计算负荷；φ1、φ2为补偿前后功率因数角；Qc为无功补偿容量。人工补偿装置最常用的是并联电容器。在确定了总的补偿容量Qc后，就可根据选定的并联电容器的单台容量qc来确定电容器的个数n。n=Qc/qc总的有功计算负荷为P′30=P30总的无功计算负荷为Q′30=Q30-QC总的视在计算负荷为S′30=总的计算电流为例2-5某小型工厂变电所，其变压器低压侧的有功计算负荷为420kW，无功计算负荷为350kvar。为了使工厂的功率因数不低于0.9，如果在变电所低压侧装设并联电容器进行补偿，需装设多少补偿容量？补偿前后所选变压器的容量有何变化？解:（1）补偿前的变压器容量和功率因数。变电所低压侧的视在计算负荷为S30(2）=kVA=546.72kVA变电所低压侧的功率因数为cosφ(2）=420546.72≈0.77未考虑无功补偿时，主变压器的容量应选择为630kVA（参看附录4）。（2）无功补偿容量。显然，变压器低压侧的功率因数较低，考虑到变压器的无功功率损耗远大于有功功率损耗，因此在变压器低压侧进行无功功率补偿时，低压侧的功率因数应略高于0.90才能满足要求。取补偿后cos=0.93。低压侧无功补偿容量为Qc=420×(tanarccos0.77-tanarccos0.93）≈182.61kvar取Qc=185kvar。（3）补偿后工厂的功率因数。补偿后变压器低压侧的计算负荷为无功补偿后变压器的容量可选为500kVA。变压器损耗为

变压器高压侧的计算负荷为补偿后工厂的功率因数为满足要求。补偿后变压器的容量减少了，同时不仅减少了投资，还减少了电费的支出，提高了功率因数。任务2能力目标SubTitle知识目标了解短路故障的原因、危害及种类掌握短路电流的计算方法一短路故障的原因.危害及种类短路故障的危害1.

（2）短路电流将在导体和电气设备中产生巨大的电动力，使导体或电气设备发生机械损坏。（3）短路使系统电压严重降低，电气设备正常工作受到破坏。

（1）短路电流通过导体时，将使导体或电气设备产生大量热量，导体温度急剧升高，从而破坏设备绝缘，甚至可能把电气设备烧毁。（4）短路会造成大范围停电，越靠近电源，停电范围越大,造成严重损失。（5）严重的短路将使电力系统运行的稳定性遭到破坏，使并联运行的发电机组失去同步，进而造成电力系统解裂，甚至崩溃，这是短路故障最严重的后果。（6）单相短路产生的不平衡电流，在周围空间将产生不平衡的交变磁场，对附近的通信线路、电子设备及其他弱电控制系统产生严重的电磁干扰，影响其正常工作。短路故障的种类2.在高压电路中发生三相短路时ish=2.55I〞Ish=1.51I〞在低压电路中发生三相短路时ish=1.84I〞Ish=1.09I〞短路后第一个周期的短路电流周期分量ip的有效值。

I〞=I∞=Ik二短路电流的计算短路电流的具体计算步骤2.最后计算短路电流和短路容量。计算等效电路中各主要元件的阻抗。绘出等效电路图。确定短路计算点。首先绘出计算电路图。短路电流计算电路示意图短路等效电路图采用有名值法进行短路计算3.在无限大容量系统中，三相短路电流周期分量的有效值。式中，UC为短路点的短路计算电压；Z∑为短路回路的总阻抗；R∑为短路回路的总电阻；X∑为短路回路的总电抗。在高压电路的短路计算中，通常总电抗远比总电阻大，所以一般只计电抗，不计电阻。在低压电路的短路计算中，只有当短路回路的总电阻R∑＞X∑/3时才计入电阻。若不计电阻，则三相短路电流周期分量的有效值为

三相短路容量为

电力系统的阻抗1）电力系统的电抗为式中，UC为高压馈电线的短路计算电压，可直接采用短路点的短路计算电压；SOC为系统出口断路器的断流容量，其值可查阅产品样本。如果只有断路器的开断电流IOC的数据，则其断流容量为式中，UN为断路器的额定电压。电力变压器的阻抗2）（1）变压器的电阻RT。RT可由变压器的短路损耗ΔPk近似地计算，即RT=ΔPk(UC/SN)2式中，UC为短路点的短路计算电压；SN为变压器的额定容量；ΔPk为变压器的短路损耗，其值可查阅有关手册或产品样本。（2）变压器的电抗XT。XT可由变压器的短路电压Uk%来近似计算式中，Uk%为变压器的短路电压百分值，可查阅产品样本。电力线路的阻抗3）（1）线路的电阻RWL。RWL可由导线或电缆的单位长度电阻R0值求得。RWL=R0L式中，R0为导线或电缆单位长度的电阻，可查阅有关手册或产品样本；L为线路长度。（2）线路的电抗XWL。XWL可由导线或电缆的单位长度电抗X0值求得。XWL=X0L式中，X0为导线或电缆的单位长度电抗，可查产品样本；L为线路长度。电力线路每相的单位长度电抗平均值单位：Ω/km线路结构