第二章 供配电的负荷计算

第二章供配电的负荷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、变压器等电气设备的基础，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、分类•负荷曲线的绘制•与负荷计算相关的几个物理量负荷计算的实用方法•设备容量的计算方法•估算法•需要系数法求解计算负荷•二项式法求解计算负荷•单相负荷的计算第二章供配电的负荷计算功率损耗与电能损耗的计算•线路的功率损耗计算•变压器损耗计算•电能损耗计算全厂负荷计算•逐级计算方法尖峰电流的计算•尖峰电流的基本概念•尖峰电流的计算方法功率因数和无功功率补偿第二章供配电的负荷计算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•负载是耗电设备（耗电并能完成某种任务的装置、器件等）电力负荷（功率）有功功率（有功负荷）无功功率（无功负荷）能量消耗的实际功率；三相电路中表示为：实际上是储能元件与电源之间能量交换的功率，三相电路中表示为：cos3UIPsin3UIQ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。有功电量用电设备所消耗的电能数量。单位：有功电度KW·h无功电量用电设备与电源之间交换能量的多少。单位：无功电度KVar·h第一节电力负荷与负荷计算二、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（需要负荷，假想负荷）：即正常工作时的实际最大负荷。目的是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于过热而损坏（选择设备）②求尖峰电流：目的是用于计算电压波动、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：目的是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）第二节负荷曲线与计算负荷一负荷曲线表示一组用电设备的功率随时间变化的图形，反映了用户用电的特点和规律。纵轴为功率、横轴为时间。1日有功负荷曲线负荷在一昼夜间的变化情况主要采用折线形和阶梯形绘制方法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•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：北方冬季200天：4800h夏季165天：3960h南方夏季200天：4800h冬季165天：3960hA冬季代表日负荷曲线B夏季代表日负荷曲线C年持续负荷曲线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=8670h）从夏季负荷曲线和冬季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：A冬季代表日负荷曲线B夏季代表日负荷曲线C年持续负荷曲线第二节负荷曲线与计算负荷假定P1在A图上有t小时，则全年以P1运行的总小时数为200t若某功率同时出现在冬季和夏季的日负荷曲线上，则二者换算后时间相加。如图中P2同时出现在冬季和夏季的日负荷曲线上，则换算之后的总时间为：200t1+165t2•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。•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积时间来绘制的。第二节负荷曲线与计算负荷第二节负荷曲线与计算负荷3负荷曲线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，可以合理的、有计划的安排用户、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。4特点•电力负荷不等于设备的额定功率，而是设备实际消耗的功率•负荷曲线是有规律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（去掉了偶然性）•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30分钟最大负荷；表示为：或者•年最大负荷利用小时Tmax物理意义：用户以全年最大负荷持续工作运行Tmax小时所消耗的电能等于全年实际消耗的电能。有功无功maxmaxmax,,SQP303030,,SQPmaxmaxPWTpmaxmaxQWTQ第二节负荷曲线与计算负荷•Tmax—用电负荷均衡性的标志，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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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,,8760WPavmaxmaxQQKPPKavrLavaL有功负荷系数无功负荷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：值越大，曲线越平坦，负荷波动越小；一般：3需要系数和利用系数•需要系数：（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、需要系数和利用系数，可以查表获得典型值。82.0~76.0;75.0~7.0NdPPKmaxNavlPPK第二节负荷曲线与计算负荷三、计算负荷•计算负荷——等效负荷；按此负荷持续运行导体所产生的最高温升，与按照实际变动负荷导体所产生的最高温升相等。•表示为：1用途及依据•按发热条件选择导体和电气设备：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；所以一般取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max30max30max30max30IIISSSQQQPPPCCCC2计算计算负荷要达到最高的恒定温升，故有：第二节负荷曲线与计算负荷•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：过大会造成投资变大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之下，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）——PN2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：三种工作制。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）——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相对应的设备容量的计算•连续工作制设备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。设备功率计算：•短时工作制设备特点：工作时间短，停歇时间长，工作时达不到热平衡状态，停歇时可达到热平衡状态设备功率计算：•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，工作或停歇都不足以达到设备的热平衡。如电焊机、吊车电动机等，工作周期一般小于10min额定负荷持续率：NePPNePPN第三节计算负荷的实用计算方法设备功率计算：电焊机组：标准负荷持续率为：设备功率：其中，为设备额定参数1%100100NNNNNNNeSPPPcos100NNNNSP,cos,,吊车电动机：标准负荷持续率为：设备功率：其中，为设备额定参数%2525nnnnnnneSPPPcos2225nnnnSP,cos,,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：需要将设备额定负荷持续率下的额定功率换算为标准负荷持续率下的设备功率。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设备额定负荷持续率设备额定功率设备标准负荷持续率设备容量对应对应额定功率设备容量计算负荷第三节计算负荷的实用计算方法二、估算法•单位产品耗电量法已知：年产量m；单位产品耗电量a，年最大负荷利用小时数Tmax，则企业全年电能Wa和有功计算负荷Pc为：•负荷密度法已知车间生产面积S(m2)，负荷密度指标ρ(KW/m2)，有功负荷系数KaL，则车间平均负荷Pav和车间计算负荷Pc为：maxTWPamWacaaLavcavKPPSP第三节计算负荷的实用计算方法三、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，即需要系数：用电设备组特点需要系数相近工艺性质基本相同wlNleCdKKPPK第三节计算负荷的实用计算方法•具体含义需要系数是一个综合系数，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。wlNleCdKKPPK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：NCCCCCCCdeCUSIQPSPQKPP3tan22三相平衡负载deKP——该用电设备组的设备功率之和——用电设备组的需要系数，可查表第三节计算负荷的实用计算方法例题：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KWPPNe1315.1103188431073.1tan,5.0cos,2.0dK第三节计算负荷的实用计算方法AUSIKVAQPSKVarPQKWKPPNCCCCCCCdeC6.7933.523.4573.12.26tan2.261312.022带入可得：通过以上例题可以看出：•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。•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，引入同时系数NCCCCCimicidiqCmicipmieidipCUSIQPSPKKQPKPKKP3tan221111#用电设备组2#用电设备组m#用电设备组CCCIQP,,qpKK,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。qpKK,解:(1)冷加工机床：查附录表1可得Kd1=0.2，cosφ1=0.5，tgφ1=1.73Pc1=Kd1Pe1=0.2×50=10kWQc1=Pc1tgφ1=10×1.73=17.3kvar例题一机修车间的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