第二章 电力负荷及其计算

二.单相设备组等效三相负荷的计算一.概述第三节单相用电设备组计算负荷的确定三.按二项式法确定计算负荷二.按需要系数法确定计算负荷一.概述第二节三相用电设备组计算负荷的确定三.负荷曲线及有关的物理量二.用电设备的工作制一.电力负荷的分级及其对供电的要求第一节电力负荷与负荷曲线的有关概念第二章电力负荷及其计算习题复习思考题二.用电设备尖峰电流的计算一.概述第六节尖峰电流及其计算三.工厂年耗电量的计算二.工厂的功率因数、无功补偿及补偿后的工厂计算负荷一.工厂计算负荷的确定第五节工厂的计算负荷和年耗电量二.工厂供电系统的电能损耗一.工厂供电系统的功率损耗第四节工厂供电系统的功率损耗和电能损耗第二章电力负荷及其计算内容提要：本章首先介绍电力负荷的含义、分级及其对供电电源的要求，用电设备的工作制及负荷曲线和有关物理量的概念，然后重点讲述用电设备组计算负荷的计算，工厂供电系统功率损耗、电能损耗及其计算负荷和耗电量的计算，最后讲述尖峰电流的计算。本章内容是工厂供电系统运行分析和设计计算的基础。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电源的要求(一).电力负荷的概念电力负荷（electricpowerload）又称电力负载，有两种含义：(1).电力负荷指耗用电能的用电设备或用电单位（用户），如说重要负荷、动力负荷、照明负荷等。(2).电力负荷指用电设备或用电单位所耗用的电功率或电流大小，如说轻负荷（轻载）、重负荷（重载）、空负荷（空载、无载）、满负荷（满载）等。电力负荷的具体含义，视其使用的具体场合而定。(二).电力负荷的分级按GB50052-1995《供配电系统设计规范》规定，电力负荷根据其对供电可靠性的要求及其中断供电造成的损失或影响分为三级：1.一级负荷（firstorderload）一级负荷为中断供电将造成人身伤亡者；或者中断供电将在政治、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生产过程被打乱需长时间才能恢复等。在一级负荷中，当中断供电将发生中毒、爆炸和火灾等情况的负荷，以及特别重要场所的不允许中断供电的负荷，应视为特别重要的负荷。(三).各级负荷对供电电源的要求1.一级负荷对供电电源的要求由于一级负荷属于重要负荷如果中断供电造成的后果十分严重，因此要求由两个电源供电，当其中一个电源发生故障时，另一个电源应不致同时受到损坏。一级负荷中特别重要的负荷，除上述两个电源外，还必须增设应急电源。为保证对特别重要负荷的供电，严禁将其他负荷接入应急供电电源。常用的应急电源可使用下列几种电源：1）独立于正常电源的柴油发电机组；2）供电网络中独立于正常电源的专门供电线路；3）蓄电池；4）干电池。2.二级负荷对供电电源的要求二级负荷也属于重要负荷，要求由两回路供电，供电变压器也应有两台（这两台变压器不一定在同一变电所）。在其中一回路或一台变压器发生常见故障时，二级负荷应不致中断供电，或中断供电后能迅速恢复供电。只有当负荷较小或者当地供电条件困难时，二级负荷可由一回6kV及以上的专用架空线路供电。这是考虑架空线路发生故障时，较之电缆线路发生故障时易于发现且易于检查和修复。如果采用电缆线路，则必须采用两根电缆并列供电，每根电缆应能承担全部二级负荷。3.三级负荷对供电电源的要求三级负荷属于不重要的一般负荷，对供电电源没有特殊要求。2.二级负荷（secondorderload）二级负荷为中断供电将在政治、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。3.三级负荷（thirdorderload）三级负荷为一般电力负荷，指所有不属于上述一、二级负荷者。二.用电设备的工作制工厂的用电设备，按其工作制（duty-type）分为以下三类：1.连续工作制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），而停歇的时间长（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（例如进给电动机）以及控制闸门的控制电动机等。3.断续周期工作制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”（dutycycle,又称暂载率）来表征其工作特征。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（2-1）%100%100otttTt式中T为工作周期；t为工作周期内的工作时间；to为工作周期内的停歇时间。断续周期工作制设备的额定容量（铭牌功率）PN是对应于某一额定负荷持续率的。如果实际运行的负荷持续率，则实际容量Pe应按同一周期内等效发热条件进行换算。由于电流I通过电阻R的设备在t时间内产生的热量为，因此在设备产生相同热量的条件下，；而在同一电压下，设备容量；又由式（2-1）知，同一周期T的负荷持续率。因此，即设备容量与负荷持续率的平方根成反比。如果设备在下的容量为PN，则换算到ε下的设备容量为Pe为NNRtI2tI/1IPttIP/1NNNePP（2-2）图2-1日有功负荷曲线a）依点连成的负荷曲线b）绘成梯形的负荷曲线三.负荷曲线及有关的物理量负荷曲线（loadcurve）是表征电力负荷随时间变动情况的一种图形，绘在直角坐标纸上，纵坐标表示负荷（有功功率或无功功率）值，横坐标表示对应的时间，一般以小时（h）为单位。负荷曲线按负荷对象分，有工厂的、车间的和设备的负荷曲线。按负荷的功率性质分，有有功和无功负荷曲线。按所表示的负荷变动的时间分，有年的、月的、日的和工作班的负荷曲线。图2-1是一班制工厂的日有功负荷曲线，其中图2-1a是依点连成的平滑的负荷曲线，图2-1b是依点绘成的梯形的负荷曲线。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”（即“计算负荷”，将在后面第二节介绍）。图2-3年每日最大负荷曲线年负荷持续时间曲线根据其一年中具有代表性的夏日负荷曲线（如图2-2a）和冬日负荷曲线（如图2-2b）来绘制。其夏日和冬日在全年负荷计算中所用的天数，应视当地的地理位置和气温情况而定。例如在我国北方，可近似地取夏日165天，冬日200天，而我国南方，可近似地取夏日200天，冬日165天。假如绘制南方某厂的年负荷曲线（如图2-2c），其P1在年负荷曲线上所占的时间，而P2在年负荷曲线上所占的时间，其余类推。另一种形式的年负荷曲线，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12个月的日期来分格。这种年最大负荷曲线可用来确定多台变压器在一年中的不同时期宜于投入几台运行，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。)(200111ttT图2-2年负荷持续时间曲线的绘制a）夏日负荷曲线b）冬日负荷曲线c）年负荷持续时间曲线年负荷曲线，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，全年时间按8760h计。222165200ttT年最大负荷利用小时按下式计算：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，并从中可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供电工程设计和运行的人员来说，都是很必要的。下面介绍与负荷曲线及负荷计算有关的几个物理量。图2-4年最大负荷和年最大负荷利用小时1.年最大负荷和年最大负荷利用小时(1).年最大负荷（annualmaximumload）年最大负荷Pmax就是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，全年应至少出现过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（utilizationhoursofannualmaximumload）年最大负荷利用小时又称年最大负荷使用时间Tmax，它是一个假想时间，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，恰好等于该负荷全年实际消耗的电能，如图2-4所示。maxmaxPWTa(2-3)式中Wa为全年消耗的电能量。年最大负荷利用小时是反映电力负荷特征的一个重要参数，它与工厂的生产班制有明显的关系。例如一班制工厂，Tmax=1800~3000h；两班制工厂，Tmax=3500~4800h；三班制工厂，Tmax=5000~7000h。(2).负荷系数（loadcoefficient）负荷系数又称负荷率，是用电负荷的平均负荷Pav与其最大负荷Pmax的比值，即2.平均负荷和负荷系数(1).平均负荷（averageload）平均负荷Pav，就是电力负荷在一定时间内平均消耗的功率，即式中Wt为时间t内消耗的电能量。年平均负荷Pav按全年（8760h）消耗的电能Wa来计算（参看图2-5），即tWPtav（2-4）hWPaav8760（2-5）图2-5年平均负荷maxPPKavL（2-6）对负荷曲线来说，负荷系数亦称负荷曲线填充系数，它表征负荷曲线不平坦的程度，即负荷起伏变动的程度。从充分发挥供电设备的能力、提高供电效率来说，希望此系数越高越趋近于1越好。从发挥整个电力系统的效能来说，应尽量使用户的不平坦的负荷曲线“削峰填谷”，提高负荷系数。对用电设备来说，负荷系数是设备的输出功率P与设备额定容量PN的比值，即（2-7）负荷系数（负荷率）有时用符号β表示。在需要区分有功和无功时，则用α表示有功负荷系数，用β表示无功负荷系数。NLPPK第二节三相用电设备组计算负荷的确定一.概述供电系统要能够可靠地正常运行，就必须正确地选择系统中的所有元件，包括电力变压器、开关设备和导线电缆等。所选元件除应满足工作电压和频率的要求外，最重要的是要满足负荷电流的要求，因此有必要对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、用以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（calculatedload）。根据计算负荷选择的电气设备和导线电缆，如以计算负荷持续运行，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(4~5)τ，τ为发热时间常数。截面在16mm2及以上的导体，其τ≥10min，因此载流导体大约经30min即大约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P30。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，但是考虑到“计算”（calculate）的缩写下角标c容易与“电容”符号C相混淆，特别是计算电流与电容电流有可能出现在同一场合而发生混淆。因此本书（其他大多数供电书籍也是如此）借用半小时最大负荷P30来表示有功计算负荷，而无功计算负荷表示为Q30，视在计算负荷表示为S30，计算电流表示为。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，直接影响到电气设备和导线电缆的选择是否经济合理。如果计算负荷确定过大，将使电气设备和导线电缆选得过大，造成浪费。如果计算负荷确定过小，又将使电气设备处于过负荷下运行，不只是增加了电能损耗，更危险的是产生过热，导致绝缘过早老化甚至烧毁，引发火灾！由此可见，正确确定计算负荷意义重大。但由于负荷情况复杂，影响计算负荷的因素很多，虽然各类负荷的变化有一定的规律可循，但是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，它与设备性能、生产组织、生产者的技能熟练程度及能源供应的状况等多种因素有关，因此