华工自动化企业供电第2章电力负荷的计算

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。1.一级负荷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+t``5*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2~3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maxmaxmax,,SQP303030,,SQP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；maxTmaxTmaxmax/PWTpmaxmax/QWTQmaxT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;tWPtav/avavavSQP,,8760/WPav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。82.0~76.0;75.0~7.0ndPPK/maxnavlPPK/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。cccSQP,,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：nePPnePP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；%100xggtttxgttn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；1%100100nnnnnnneSPPPcos100ePnnnnSP,cos,,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%2525nnnnnnneSPPPcos2225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：ecndPPPPKmax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。maxcldneNwlPPKKKPP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；ePdK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：nePPKWPPne131105.1183843102.0dK73.1tan,5.0cos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