第3章-电力负荷及负荷计算

电力负荷与负荷曲线的有关概念三相用电设备组计算负荷的确定尖峰电流及其计算第3章电力负荷及其计算第一节电力负荷与负荷曲线的有关概念一、电力负荷的分级及其对供电的要求1、电力负荷的概念（包含两个含义）“电力负荷”在不同的场合可以有不同的含义，它可以指用电设备或用电单位，也可以指用电设备或用电单位的功率或电流的大小。1．1工厂常用用电设备①生产加工机械的拖动设备；②电焊、电镀设备；③电热设备；④照明设备。1.1工厂常用用电设备铣床机床1．1工厂常用用电设备电焊机的工作特点是：（1）工作方式呈一定的同期性，工作时间和停歇时间相互交替。（2）功率较大。（3）功率因数很低。（4）一般电焊机的配置不稳定，经常移动。电焊设备1．1工厂常用用电设备1．1工厂常用用电设备1．1工厂常用用电设备④照明设备白炽灯、卤钨灯、荧光灯、高压汞灯、高压钠灯、钨卤化物灯和单灯混光灯等。照明设备的工作特点：（1）工作方式属长期连续工作方式。（2）除白炽灯、卤钨灯的功率因数为1外，其它类型的灯具功率因数均较低。（3）照明负荷为单相负荷，单个照明设备容量较小。（4）照明负荷在工厂总负荷中所占比例通常在10%左右。卤钨灯高压汞灯荧光灯高压汞灯荧光灯2、意义和目的:（1）求计算负荷,也称需用负荷a.作为按发热条件选择供配电系统各级电压供电网络变压器容量、导体和电气设备的依据。b.用来计算电压损失和功率损耗。c.在工程上为方便计算，亦可作为能量消耗量及无功功率补偿的计算依据。（2）求尖峰电流计算电压波动、选择熔断器等保护元件。（3）求平均负荷计算供配电系统中电能需要量，电能损耗和选择无功补偿装置等。二、用电设备工作制1.连续工作制设备这类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.短时工作制设备这类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、控制闸门的电动机等。3.断续周期工作制设备这类设备周期性地时而工作，时而停歇，如此反复运行，而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等。断续周期工作制的设备，可用“负荷持续率”（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ε表示，即𝜺=𝒕𝑻×𝟏𝟎𝟎%=𝒕𝒕+𝒕𝟎×𝟏𝟎𝟎%式中，T为工作周期；t为工作周期内的工作时间；t0为工作周期内的停歇时间。2.1负荷曲线及有关物理量⊙负荷曲线是表征电力负荷随时间变动情况的一种图形，反映了用户用电的特点和规律。⊙负荷曲线绘制在直角坐标上，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）。⊙按负荷对象不同分，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。图2-1是一班工厂的日有功负荷曲线，其中图2-1a是依点连成的负荷曲线，图2-1b是绘制成梯形的负荷曲线。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”。2.2.1日负荷曲线1.绘制的方法（1）以某个监测点为参考点，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2-1a。（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0.5h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是阶梯形负荷曲线,如图2-1b。2.特点（1）电力负荷是变化的，不等于额定功率。（2）电力负荷的变化是有规律的。2.1.2年持续负荷曲线﹡年负荷曲线又分为年运行负荷曲线和年持续负荷曲线。﹡年运行负荷曲线可根据全年日负荷曲线连接制成。﹡年持续负荷曲线的绘制，要借助一年中有代表性的冬季日负荷曲线和夏季日负荷曲线。绘制方法如图2-2所示。年负荷曲线，通常绘成负荷持续时间曲线，按负荷大小依次排列，如图2-2c所示，全年按8760h计。上述负荷曲线，根据其一年中具有代表性的夏日负荷曲线（图2-2a）和冬日负荷曲线（图2-2b）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，可近似的认为夏日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2-2c），其中P1在年负荷曲线上所占的时间T1=200(t1+t1’),P2在年负荷曲线上所占的时间T2=200t2+165t2’，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。横坐标依次以全年十二个月份的日期来分格。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工厂变电所在一年内的不同时间宜于投入几台运行，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。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。因此负荷曲线对于从事工厂供电设计和运行的人员来说，都是很必要的。2.1.3与负荷曲线的有关物理量1、年最大负荷和年最大负荷利用小时（１）年最大负荷Ｐmax指全年中负荷最大的工作班内（这一工作班的最大负荷不是偶然出现的，而是全年至少出现过２～３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P30。（２）年最大负荷利用小时Ｔmax年最大负荷利用小时Tmax是一个假想时间，在此时间内，电力负荷按年最大负荷Pmax（或P30）持续运行所消耗的电能，恰好等于该电力负荷全年实际消耗的电能，如图2-3所示。式中，Wa为年实际消耗的电能量。图2-32、平均负荷(1)平均负荷Pav平均负荷就是指电力负荷在一定时间t内平均消耗的功率，也就是电力负荷在该时间t内消耗的电能Wt与时间t的比值，即：年平均负荷Pav的说明如图2-3所示，年平均负荷Pav的横线与纵线两坐标轴所包围的矩形面积恰等于年负荷曲线与纵横两坐标轴所包围的面积Wa，即年平均负荷Pav为：（2）负荷系数负荷系数又称负荷率，是平均负荷与最大负荷的比值，用ΚL表示，即：PavΚL=Pmax负荷系数表示负荷曲线的不平坦程度，即表示负荷的波动程度，ΚL小于1.从发挥整个电力系统的效能来说，应尽量使工厂的不平坦的负荷曲线“削峰填谷’,提高负荷系数。（因电厂是全天候持续发电的，如果发出来的电不用掉，用于发电的能源也就浪费掉了。一个发电厂发电能力通常是固定的不轻易改变的，但是用电高峰通常在白天，造成白天电不够用，晚上则是低谷，有多余用不掉发的电都浪费了，针对此现象，电力系统就把一部分高峰负荷挪到晚上低谷期，从而就利用了晚上多余的电力，也就达到了节约能源的目的。）2.2用电设备的设备容量2.2.1设备容量的定义设备的銘牌额定功率PN经过换算至统一规定的工作制下的“额定功率”称为设备容量，用Pe来表示。2.2.2设备容量的确定1.连续工作制和短时工作制的用电设备连续工作制和短时工作制的设备容量就是所有设备的銘牌额定功率，即Pe=PN2.2三相用电设备组计算负荷的确定一、概述供电系统要能安全可靠地正常运行，其中各个元件（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。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大约需（3~4）т，т为发热时间常数。截面在16mm²及以上的导体，其т≥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P30（亦即年最大负荷Pmax）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Pc，无功计算负荷可表示为Qc，计算电流可表示为Ic,但考虑到“计算”的符号c易与“电容”的符号C相混淆，因此大多数供电书籍都借用半小时最大负荷P30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Q30、S30和I30。计算负荷是供电设计的基本依据，计算负荷确定得是否正确合理，直接影响到电器和电线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，从而造成更大损失。由此可见，正确确定计算负荷非常重要。但是，负荷情况复杂，影响计算的负荷因素很多，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。表3-1给出了常用电设备组的Kd值，供参考。从表中可以看出，不同类型的用电设备组的Kd值相差较大，计算时要正确判断用电设备组的类型，如机修车间的金属切削机床属于小批冷加工机床电机，而起重机、电动葫芦等属于吊车类。表3-1中的Kd值，在取值时，应注意设备的台数，当设备台数较少时，Kd适当取大一些，当设备台数较多时，Kd取偏低一些。当只有1-2台设备时，Kd≈1。在求出有功计算负荷P30后，可按下列公式计算出其余的计算负荷。无功计算负荷：𝑸𝟑𝟎=𝑷𝟑𝟎𝒕𝒂𝒏∅（式中，tan∅为对应用电设备组cos∅的正切值）视在计算负荷：𝑺𝟑𝟎=𝑷𝟑𝟎𝑪𝑶𝑺∅(式中，cos∅为用电设备组的平均功率因数）计算电流：𝑰𝟑𝟎=𝑺𝟑𝟎√𝟑𝑼𝑵（式中，UN为用电设备组的额定电压）如果一台三相电动机，则其计算电流应取为其额定𝑰𝟑𝟎=𝑰𝑵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）。3.功率因数功率因数是电力系统的一个重要的技术数据。功率因数是衡量电气设备效率高低的一个系数。功率因数低，说明电路用于交变磁场转换的无功功率大，从而降低了设备的利用率，增加了线路供电损失。在交流电路中，电压与电流之间的相位差(Φ)的余弦叫做功率因数，用符号cosΦ表示，在数值上，功率因数是有功功率和视在功率的比值，即：cosΦ=P/S。在交流电路中，电压与电流之间的相位差(Φ)的余弦叫做功率因数。用符号cosΦ表示，在数值上，功率因数是有功功率和视在功率的比值，即cosΦ=P/S功率因数的大小与电路的负荷性质有关，如白炽灯泡、电阻炉等电阻负荷的功率因数为1，一般具有电感或电容性负载的电路功率因数都小于1。功率因数是电力系统的一个重要的技术数据。功率因数是衡量电气设备效率高低的一个系数。功率因数低，说明电路用于交变磁场转换的无功功率大，从而降低了设备的利用率，增加了线路供电损失。所以，供电部门对用电单位的功率因数有一定的标准要求。基本分析：拿设备作举例。例如：设备功率为100个单位，也就是说，有100个单位的功率输送到设备中。然而，因大部分电器系统存在固有的无功损耗，只能使用70个单位的功率。很不幸，虽然仅仅使用70个单位，却要付100个单位的费用。在这个例子中，功率因数是0.7(如果大部分设备的功率因数小于0.9时，将被罚款)，这种无功损耗主要存在于电机设备中(如鼓风机、抽水机、压缩机等)，又叫感性负载。功率因数是马达效能的计量标准。一、什么是无