電力負(fù)荷及其計(jì)算計(jì)算

第2章工業(yè)企業(yè)電力負(fù)荷計(jì)算供配電技術(shù)東北大學(xué)秦皇島分校自動(dòng)化工程系1/19/20241第2章工業(yè)企業(yè)電力負(fù)荷計(jì)算2.1電力負(fù)荷及負(fù)荷曲線2.2計(jì)算負(fù)荷及其確定方法2.3供電系統(tǒng)中的功率損耗和電能損耗

1/19/202422.1電力負(fù)荷及負(fù)荷曲線2.1.1負(fù)荷曲線電力負(fù)荷：工廠企業(yè)中的電力負(fù)荷是指電氣設(shè)備或線路中通過的功率或電流負(fù)荷曲線〔loadcurve〕：是指用于表達(dá)電力負(fù)荷隨時(shí)間變化情況的函數(shù)曲線。在直角坐標(biāo)系中，縱坐標(biāo)表示負(fù)荷〔有功功率或無功功率〕值，橫坐標(biāo)表示對(duì)應(yīng)的時(shí)間〔一般以小時(shí)為單位〕。1/19/202431．負(fù)荷曲線的分類按負(fù)荷的功率性質(zhì)分：可分為有功負(fù)荷曲線和無功負(fù)荷曲線；按所表示的負(fù)荷變動(dòng)的時(shí)間分：可分為日負(fù)荷、月負(fù)荷和年負(fù)荷曲線。1/19/202441/19/202451/19/202462．年最大負(fù)荷和年最大負(fù)荷利用小時(shí)數(shù)〔1〕年最大負(fù)荷Pmax年最大負(fù)荷Pmax就是全年中負(fù)荷最大的工作班內(nèi)消耗電能最大的半小時(shí)的平均功率，因此年最大負(fù)荷也稱為半小時(shí)最大負(fù)荷P30。〔2〕年最大負(fù)荷利用小時(shí)數(shù)Tmax年最大負(fù)荷利用小時(shí)數(shù)又稱為年最大負(fù)荷使用時(shí)間Tmax，它是一個(gè)假想時(shí)間，在此時(shí)間內(nèi)，電力負(fù)荷按年最大負(fù)荷Pmax(或P30)持續(xù)運(yùn)行所消耗的電能，恰好等于該電力負(fù)荷全年實(shí)際消耗的電能。1/19/20247以下圖為某廠年有功負(fù)荷曲線，此曲線上最大負(fù)荷Pmax就是年最大負(fù)荷，Tmax為年最大負(fù)荷利用小時(shí)數(shù)。1/19/202483.平均負(fù)荷Pav

平均負(fù)荷Pav，就是電力負(fù)荷在一定時(shí)間t內(nèi)平均消耗的功率，也就是電力負(fù)荷在該時(shí)間內(nèi)消耗的電能W除以時(shí)間t的值，即Pav=W/t 年平均負(fù)荷為Pav=Wa/8760

1/19/202492.1.2計(jì)算負(fù)荷〔calculatedload〕通常將以半小時(shí)平均負(fù)荷為依據(jù)所繪制的負(fù)荷曲線上的“最大負(fù)荷〞稱為計(jì)算負(fù)荷，并把它作為按發(fā)熱條件選擇電氣設(shè)備的依據(jù)，用Pca(Qca、Sca、Ica)或P30(Q30、S30、I30)表示。

1/19/202410規(guī)定取“半小時(shí)平均負(fù)荷〞的原因： 一般中小截面導(dǎo)體的發(fā)熱時(shí)間常數(shù)τ為10min以上，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)說明，中小截面導(dǎo)線到達(dá)穩(wěn)定溫升所需時(shí)間約為3τ=3×10＝30〔min〕，如果導(dǎo)線負(fù)載為短暫尖峰負(fù)荷，顯然不可能使導(dǎo)線溫升到達(dá)最高值，只有持續(xù)時(shí)間在30min以上的負(fù)荷時(shí)，才有可能構(gòu)成導(dǎo)線的最高溫升。1/19/2024112.1.3計(jì)算負(fù)荷的意義和計(jì)算目的 負(fù)荷計(jì)算主要是確定計(jì)算負(fù)荷，如前所述，假設(shè)根據(jù)計(jì)算負(fù)荷選擇導(dǎo)體及電器，那么在實(shí)際運(yùn)行中導(dǎo)體及電器的最高溫升不會(huì)超過允許值。計(jì)算負(fù)荷是設(shè)計(jì)時(shí)作為選擇工廠供配電系統(tǒng)供電線路的導(dǎo)線截面、變壓器容量、開關(guān)電器及互感器等的額定參數(shù)的依據(jù)。正確確定計(jì)算負(fù)荷意義重大，是供電設(shè)計(jì)的前提，也是實(shí)現(xiàn)供電系統(tǒng)平安、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的必要手段。返回目錄1/19/2024122.2計(jì)算負(fù)荷及其確定方法2.2.1用電設(shè)備的工作方式用電設(shè)備按其工作方式可分為三種：〔1〕連續(xù)運(yùn)行工作制〔長(zhǎng)期工作制〕〔2〕短時(shí)運(yùn)行工作制〔短暫工作制〕〔3〕斷續(xù)周期工作制〔重復(fù)短暫工作制〕1/19/202413連續(xù)運(yùn)行工作制〔長(zhǎng)期工作制〕在規(guī)定的環(huán)境溫度下連續(xù)運(yùn)行，設(shè)備任何局部溫升均不超過最高允許值，負(fù)荷比較穩(wěn)定。如通風(fēng)機(jī)水泵、空氣壓縮機(jī)、皮帶輸送機(jī)、破碎機(jī)、球磨機(jī)、攪拌機(jī)、電機(jī)車等機(jī)械的拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)，以及電爐、電解設(shè)備、照明燈具等，均屬連續(xù)運(yùn)行工作制的用電設(shè)備。1/19/202414短時(shí)運(yùn)行工作制〔短暫工作制〕用電設(shè)備的運(yùn)行時(shí)間短而停歇時(shí)間長(zhǎng)，在工作時(shí)間內(nèi)，用電設(shè)備的溫升尚未到達(dá)該負(fù)荷下的穩(wěn)定值即停歇冷卻，在停歇時(shí)間內(nèi)其溫度又降低為周圍介質(zhì)的溫度，這是短暫工作的特點(diǎn)。如機(jī)床上的某些輔助電動(dòng)機(jī)〔如橫梁升降、刀架快速移動(dòng)裝置的拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)〕及水閘用電動(dòng)機(jī)等設(shè)備。這類設(shè)備的數(shù)量不多。1/19/202415斷續(xù)周期工作制〔重復(fù)短暫工作制〕用電設(shè)備以斷續(xù)方式反復(fù)進(jìn)行工作，其工作時(shí)間〔t〕與停歇時(shí)間〔t0〕相互交替。工作時(shí)間內(nèi)設(shè)備溫度升高，停歇時(shí)間溫度又下降，假設(shè)干周期后，到達(dá)一個(gè)穩(wěn)定的波動(dòng)狀態(tài)。如電焊機(jī)和吊車電動(dòng)機(jī)等。斷續(xù)周期工作制的設(shè)備，通常用暫載率ε表征其工作特征，取一個(gè)工作周期內(nèi)的工作時(shí)間與工作周期的百分比值，即為ε，即：式中：t，t0——工作時(shí)間與停歇時(shí)間，兩者之和為工作周期T。1/19/2024162.2.2用電設(shè)備額定容量的計(jì)算 在每臺(tái)用電設(shè)備的銘牌上都有“額定功率〞PN，但由于各用電設(shè)備的額定工作方式不同，不能簡(jiǎn)單地將銘牌上規(guī)定的額定功率直接相加，必須先將其換算為同一工作制下的額定功率，然后才能相加。經(jīng)過換算至統(tǒng)一規(guī)定的工作制下的“額定功率〞稱為“設(shè)備額定容量〞，用Pe表示。1/19/202417〔1〕長(zhǎng)期工作制和短時(shí)工作制的設(shè)備容量Pe=PN〔2〕重復(fù)短暫工作制的設(shè)備容量①吊車機(jī)組用電動(dòng)機(jī)〔包括電葫蘆、起重機(jī)、行車等〕的設(shè)備容量統(tǒng)一換算到ε=25%時(shí)的額定功率〔kW〕，假設(shè)其εN不等于25%時(shí)應(yīng)進(jìn)行換算，公式為:1/19/202418②電焊機(jī)及電焊變壓器的設(shè)備容量統(tǒng)一換算到ε＝100%時(shí)的額定功率〔kW〕。假設(shè)其銘牌暫載率εN不等于100%時(shí)，應(yīng)進(jìn)行換算，公式為:〔3〕電爐變壓器的設(shè)備容量電爐變壓器的設(shè)備容量是指在額定功率因數(shù)下的額定功率〔kW〕，即：Pe=PN=SN·cosＮ1/19/202419〔4〕照明設(shè)備的設(shè)備容量①白熾燈、碘鎢燈設(shè)備容量就等于燈泡上標(biāo)注的額定功率〔kW〕；②熒光燈還要考慮鎮(zhèn)流器中的功率損失〔約為燈管功率的20%〕，其設(shè)備容量應(yīng)為燈管額定功率的1.2倍〔kW〕；③高壓水銀熒光燈亦要考慮鎮(zhèn)流器中的功率損失〔約為燈泡功率的10%〕，其設(shè)備容量應(yīng)為燈泡額定功率的1.1倍〔kW〕；④金屬鹵化物燈：采用鎮(zhèn)流器時(shí)亦要考慮鎮(zhèn)流器中的功率損失〔約為燈泡功率的10%〕，故其設(shè)備容量應(yīng)為燈泡額定功率的1.1倍〔kW〕。1/19/202420〔5〕不對(duì)稱單相負(fù)荷的設(shè)備容量 當(dāng)有多臺(tái)單相用電設(shè)備時(shí)，應(yīng)將它們均勻地分接到三相上，力求減少三相負(fù)載不對(duì)稱情況。設(shè)計(jì)規(guī)程規(guī)定，在計(jì)算范圍內(nèi)，單相用電設(shè)備的總?cè)萘咳绮怀^三相用電設(shè)備總?cè)萘康?5%時(shí)，可按三相對(duì)稱分配考慮，如單相用電設(shè)備不對(duì)稱容量大于三相用電設(shè)備總?cè)萘康?5%時(shí)，那么設(shè)備容量Pe應(yīng)按三倍最大相負(fù)荷的原那么進(jìn)行換算。1/19/202421設(shè)備接于相電壓或線電壓時(shí)，設(shè)備容量Pe的計(jì)算如下：?jiǎn)蜗嘣O(shè)備接于相電壓時(shí)

Pe＝3Pe·m

式中：Pe——等效三相設(shè)備容量； Pe·m

——最大負(fù)荷所接的單相設(shè)備容量。單相設(shè)備接于線電壓時(shí)

式中Pe·l——接于同一線電壓的單相設(shè)備容量。返回目錄1/19/2024222.2.3負(fù)荷計(jì)算的方法負(fù)荷計(jì)算的方法有： 需用系數(shù)法、二項(xiàng)式法、利用系數(shù)法、形狀系數(shù)法、附加系數(shù)法需用系數(shù)法比較簡(jiǎn)便因而廣泛使用。這里重點(diǎn)介紹需要系數(shù)法。1/19/202423需用系數(shù) 需用系數(shù)考慮了以下的主要因素：式中：K

——同時(shí)使用系數(shù)，為在最大負(fù)荷工作班某組工作著的用電設(shè)備容量與接于線路中全部用電設(shè)備總額定容量之比；KL——負(fù)荷系數(shù)，用電設(shè)備不一定滿負(fù)荷運(yùn)行，此系數(shù)表示工作著的用電設(shè)備實(shí)際所需功率與其額定容量之比；ηwl——線路供電效率；η——用電設(shè)備組在實(shí)際運(yùn)行功率時(shí)的平均效率。1/19/202424

實(shí)際上，上述系數(shù)對(duì)于成組用電設(shè)備是很難確定的，而且對(duì)一個(gè)生產(chǎn)企業(yè)或車間來說，生產(chǎn)性質(zhì)，工藝特點(diǎn)，加工條件，技術(shù)管理，和勞動(dòng)組織以及工人操作水平等因素，都對(duì)Kd有影響。所以Kd只能靠測(cè)量統(tǒng)計(jì)確定,見表2~4。上述各種因素可供設(shè)計(jì)人員在變動(dòng)的系數(shù)范圍內(nèi)選用時(shí)參考。1/19/202425需用系數(shù)法

由負(fù)荷端逐級(jí)向電源端進(jìn)行計(jì)算1/19/2024261．單臺(tái)用電設(shè)備的計(jì)算負(fù)荷〔1〕有功計(jì)算負(fù)荷：考慮到單臺(tái)用電設(shè)備總會(huì)有滿載運(yùn)行的時(shí)候，其計(jì)算負(fù)荷P30·1為Pe—換算到統(tǒng)一暫載率下的電動(dòng)機(jī)的額定容量；η—用電設(shè)備在額定負(fù)載下的的效率?！?〕無功計(jì)算負(fù)荷：Q30·1=P30·1tan—用電設(shè)備功率因數(shù)角。計(jì)算目的：用于選擇分支線導(dǎo)線及其上的開關(guān)設(shè)備。1/19/2024272.用電設(shè)備組的計(jì)算負(fù)荷〔1〕有功計(jì)算負(fù)荷：P30·2=Kd∑PeKd—用電設(shè)備組的需要系數(shù)，見表2；∑Pe—用電設(shè)備組的設(shè)備額定容量之和，但不包括備用設(shè)備容量?！?〕無功計(jì)算負(fù)荷：Q30·2=P30·2tanwmtanwm值見表2?！?〕視在計(jì)算負(fù)荷：計(jì)算目的：用于選擇各組配電干線及其上的開關(guān)設(shè)備。1/19/202428當(dāng)Kd值有一定變動(dòng)范圍時(shí)，取值要作具體分析。如臺(tái)數(shù)多時(shí)，一般取用較小值，臺(tái)數(shù)少時(shí)取用較大值；設(shè)備使用率高時(shí)，取用較大值，使用率低時(shí)取用較小值。當(dāng)一條線路內(nèi)的用電設(shè)備的臺(tái)數(shù)較小〔n<3臺(tái)〕時(shí)，一般是將用電設(shè)備額定容量的總和作為計(jì)算負(fù)荷，或者采用較大的Kd值(0.85~1)。1/19/2024293．確定車間配電干線或車間變電所低壓母線上的計(jì)算負(fù)荷〔1〕總有功計(jì)算負(fù)荷：P30·3＝Ｋ∑ΣP30·2〔2〕總無功計(jì)算負(fù)荷：Q30·3＝Ｋ∑ΣQ30·2〔3〕總視在計(jì)算負(fù)荷：P30·3、Q30·3、S30·3－車間變電所低壓母線上的有功、無功及視在計(jì)算負(fù)荷；ΣP30·2、ΣQ30·2－各用電設(shè)備組的有功、無功計(jì)算負(fù)荷的總和Ｋ∑－最大負(fù)荷時(shí)的同時(shí)系數(shù)?？紤]各用電設(shè)備組的最大計(jì)算負(fù)荷不會(huì)同時(shí)出現(xiàn)而引入的系數(shù)。注意：當(dāng)變電所的低壓母線上裝有無功補(bǔ)償用的靜電電容器組，其容量為Qc3那么當(dāng)計(jì)算Q30·3時(shí)，要減去無功補(bǔ)償容量，即Q30·3＝Ｋ·ΣQ30·2－Qc3 計(jì)算目的：用于選擇車間配電干線及其上的開關(guān)設(shè)備，或者用于低壓母線的選擇及車間變電所電力變壓器容量的選擇。1/19/2024304.確定車間變電所中變壓器高壓側(cè)的計(jì)算負(fù)荷P30.4＝P30.3+ΔPTQ30.4＝Q30.3+ΔQTP30.4、Q30.4、S30.4－車間變電所中變壓器高壓側(cè)的有功、無功及視在計(jì)算負(fù)荷〔kW、kvar及kVA〕；ΔPT、ΔQT－變壓器的有功損耗與無功損耗〔kW、kvar〕。 計(jì)算目的：用于選擇車間變電所高壓配電線及其上的開關(guān)設(shè)備1/19/202431在計(jì)算負(fù)荷時(shí)，車間變壓器尚未選出，無法根據(jù)變壓器的有功損耗與無功損耗的理論公式進(jìn)行計(jì)算，因此一般按以下經(jīng)驗(yàn)公式估算：對(duì)SJL1等型電力變壓器：ΔPT≈0.02S30·3〔kW〕ΔQT≈0.08S30·3〔kvar〕對(duì)SL7、S7、S9、S10等低損耗型電力變壓器：ΔPT≈0.015S30·3〔kW〕ΔQT≈0.06S30·3〔kvar〕式中：S30·3－變壓器低壓母線上的計(jì)算負(fù)荷〔kVA〕。1/19/2024325.確定全車間變電所中高壓母線上的計(jì)算負(fù)荷P30·5＝ΣP30·4+P4mQ30·5＝ΣQ30·4+Q4m

P4m、Q4m—車間高壓用電設(shè)備的有功及無功計(jì)算負(fù)荷。

計(jì)算目的：用于車間變電所高壓母線的選擇。1/19/2024336.確定總降壓變電所出線上的計(jì)算負(fù)荷P30·6=P30·5+ΔPL≈P30·5

Q30·6=Q30·5+ΔQL

≈Q30·5

S30·6≈S30·5ΔPL、ΔQL—高壓線路功率損耗，由于一般工廠范圍不大，線路功率損耗小，故可忽略不計(jì)。

計(jì)算目的：用于選擇總降壓變電所出線及其上的開關(guān)設(shè)備。1/19/2024347.確定總降壓變電所低壓側(cè)母線的計(jì)算負(fù)荷P30·7＝ＫΣΣP30·６Q30·7＝ＫΣΣQ30·６

注意：如果在總降壓變電所６~10kV二次母線側(cè)采用高壓電容器進(jìn)行無功功率補(bǔ)償，那么在計(jì)算總無功功率Q30·7時(shí)，應(yīng)減去補(bǔ)償設(shè)備的容量時(shí)Qc7，即Q30·7＝ＫΣΣQ30·６-Qc7 計(jì)算目的：用于選擇總降壓變電所低壓母線以及選擇總降壓變電所主變壓器容量。1/19/2024358．確定全廠總計(jì)算負(fù)荷P30·8＝P30·7+ΔPTQ30·8＝Q30·7+ΔQT

計(jì)算目的：全廠總計(jì)算負(fù)荷的數(shù)值可作為向供電部門申請(qǐng)全廠用電的依據(jù)，并作為原始資料進(jìn)行高壓供電線路的電氣計(jì)算，選擇高壓進(jìn)線導(dǎo)線及進(jìn)線開關(guān)設(shè)備。1/19/202436例1一機(jī)修車間的380V線路上，接有如下三組設(shè)備，試用需用系數(shù)法求各用電設(shè)備組和車間低壓干線的計(jì)算負(fù)荷。1組：小批生產(chǎn)金屬冷加工機(jī)床用電機(jī)，7.5kW1臺(tái)，5kW2臺(tái)，3.5kW7臺(tái)2組：水泵和通風(fēng)機(jī)，7.5kW2臺(tái)，5kW7臺(tái)3組：非連鎖運(yùn)輸機(jī)，5kW2臺(tái)，3.5kW4臺(tái)解：查表可得各設(shè)備組的數(shù)據(jù)為：1組：Kd.1=0.2，cos

1=0.6，tan

1=1.33，2組：Kd.2=0.75，cos

2=0.8，tan

2=0.753組：Kd.3=0.6，cos

3=0.75，tan

3=0.881/19/202437各設(shè)備組的計(jì)算負(fù)荷如下：1組:P30.1=Kd.1∑Pe=0.2×(1×7.5+2×5+7×3.5=0.2×42=8.4kWQ30.1=P30.1tan

1=8.4×1.33=11.2(kvar)

或：S30.1=P30.1/cos

1=8.4/0.6=14(kVA)1/19/202438同理可計(jì)算出2組和3組的計(jì)算負(fù)荷：P30.2=37.5kWQ30.2=28.2kvarS30.2=47kVA

I30.2=71.4AP30.3=14.4kWQ30.3=12.7kvarS30.3=19.2kVA

I30.3=29.2A1/19/202439車間低壓干線的計(jì)算負(fù)荷為：1/19/202440

為了使人一目了然，便于審核，實(shí)際工程設(shè)計(jì)中常采用計(jì)算表格形式，如下表所示。28.9924.1716.01——?。恕?0.9—26.8617.79————24負(fù)荷總計(jì)7.586.563.791.730.513.79（ε=25%）1電葫蘆35340.750.80.853通風(fēng)機(jī)組22017.3101.730.50.25020機(jī)床組1Sca(kVA)Qca(kVar)Pca(kW)計(jì)算負(fù)荷tan

cos

Kd設(shè)備容量（kW）臺(tái)數(shù)用電設(shè)備組名稱序號(hào)返回目錄1/19/202441二項(xiàng)式法：用二項(xiàng)式法來進(jìn)行負(fù)荷計(jì)算，一般來說，適用于機(jī)械加工車間、機(jī)修裝配車間以及熱處理車間等。這類車間的電動(dòng)機(jī)數(shù)量多且電動(dòng)機(jī)的容量大小相差很大，考慮了大電機(jī)對(duì)計(jì)算負(fù)荷值的可能影響是有其合理性的，彌補(bǔ)了需用系數(shù)法在這方面的缺乏。1/19/2024422.3供電系統(tǒng)中的功率損耗與電能損耗2.3.1供電線路的功率損耗

在實(shí)際工作中，常根據(jù)計(jì)算負(fù)荷來求線路的功率損耗，即最大功率損耗，故三相線路的有功功率損耗△PWL和無功功率損耗△QWL可分別按下式計(jì)算：

式中：I30——線路中的計(jì)算電流，A；RWL——線路每相電阻Ω,等于單位長(zhǎng)度的電阻R0乘以長(zhǎng)度L；XWL——線路每相電抗Ω，等于單位長(zhǎng)度的電抗X0乘以長(zhǎng)度L。

1/19/202443上式如用線路的計(jì)算功率P30、Q30及S30表示時(shí)，那么式中：UN——三相供電線路的額定電壓，kV。1/19/2024442.3.2變壓器的功率損耗 變壓器的功率損耗包括有功功率損耗△PT和無功功率損耗△QT。變壓器的有功功率損耗由兩局部組成： 一局部是變壓器在額定電壓UN時(shí)不變的空載損耗△P0，也就是鐵損△PFe；另一局部是隨負(fù)荷而變化的繞組損耗，即有載損耗△Pl，也就是銅損△PCu。變壓器的短路損耗△Pk可認(rèn)為是額定電流下的銅損△PCu·N。1/19/202445

由于有載損耗與變壓器負(fù)荷電流的平方成正比，所以變壓器在計(jì)算負(fù)荷S30下的有功功率損耗△PT為：

式中：S30——變壓器低壓側(cè)的計(jì)算負(fù)荷，kVA；SNT——變壓器額定容量，kVA；△P0——變壓器空載有功損耗，kW；△Pk——變壓器有功短路損耗，kW。

1/19/202446變壓器的無功功率損耗也由兩局部組成： 一局部是變壓器空載時(shí)不變的無功損耗△Q0，另一局部是隨著變壓器負(fù)荷而變化在繞組中產(chǎn)生的無功損耗。所以變壓器在計(jì)