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1、第二章 负荷计算2.1 2.1 计算及计算目的计算及计算目的2.2 2.2 确定计算负荷的系数确定计算负荷的系数2.3 2.3 求计算负荷的方法求计算负荷的方法2.4 2.4 工厂供电系统功率因数的确定工厂供电系统功率因数的确定2.5 2.5 供电系统功率因数的改善及电能的供电系统功率因数的改善及电能的节约节约2.1 计算及计算目的 2.1.1 负荷曲线负荷曲线 负荷曲线（load curve）是指用于表达电力负荷随时间变化情况的函数曲线。在直角坐标系中，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（一般以小时为单位）。 1负荷曲线的分类负荷曲线的分类按负荷的功率性质分：可分为
2、有功负荷曲线和无功负荷曲线；按所表示的负荷变动的时间分：可分为日负荷、月负荷和年负荷曲线。按负荷对象分：工厂、车间、设备负荷曲线2年最大负荷和年最大负荷利用小时数年最大负荷和年最大负荷利用小时数（1）年最大负荷年最大负荷Pmax 年最大负荷Pmax就是全年中负荷最大的工作班内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数年最大负荷利用小时数Tmax 年最大负荷利用小时数又称为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，恰好等于该电力负荷全年实际消耗的电能。 下图为
3、某厂年有功负荷曲线，此曲线上最大负荷Pmax就是年最大负荷，Tmax为年最大负荷利用小时数。3.平均负荷平均负荷Pav 平均负荷Pav，就是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内消耗的电能W除以时间t的值，即Pav=W/t 年平均负荷为Pav=Wa/8760 2.1.2 计算负荷计算负荷（calculated load） 通常将以半小时平均负荷为依据所绘制的负荷曲线上的“最大负荷”称为计算负荷，并把它作为按发热条件选择电气设备的依据，用Pca(Qca、Sca、Ica)或P30(Q30、S30、I30)表示。 规定取“半小时平均负荷”的原因：一般中小截面导体的发热时间常数
4、为10min以上，根据经验表明，中小截面导线达到稳定温升所需时间约为 3=31030（min），如果导线负载为短暂尖峰负荷，显然不可能使导线温升达到最高值，只有持续时间在30min以上的负荷时，才有可能构成导线的最高温升。2.1.3 负荷计算的意义和目的负荷计算的意义和目的负荷计算主要是确定计算负荷，如前所述，若根据计算负荷选择导体及电器，则在实际运行中导体及电器的最高温升不会超过允许值。 计算负荷是设计时作为选择工厂供配电系统供电线路的导线截面、变压器容量、开关电器及互感器等的额定参数的依据。 正确确定计算负荷意义重大，是供电设计的前提，也是实现供电系统安全、经济运行的必要手段。 返回目录2
5、.2 确定计算负荷的系数2.2.1 需要系数 Kd=KKL/wl2.2.2二项式系数 按需要系数的定义将它们转化为用两个称为二项式系数的计算系数来表示出总额定负荷以及大容量机组负荷与最大负荷之间的关系2.2.3利用系数 Kc=Pav/Pe2.3 求计算负荷的方法2.3.1设备容量的确定设备容量的确定1 用电设备的工作方式用电设备的工作方式 用电设备按其工作方式可分为三种： （1）连续运行工作制（长期工作制） （2）短时运行工作制（短暂工作制） （3）断续运行工作制（重复短暂工作制） 连续运行工作制（长期工作制） 在规定的环境温度下连续运行，设备任何部分温升均不超过最高允许值，负荷比较稳定。如通
6、风机水泵、空气压缩机、皮带输送机、破碎机、球磨机、搅拌机、电机车等机械的拖动电动机，以及电炉、电解设备、照明灯具等，均属连续运行工作制的用电设备。 短时运行工作制（短暂工作制） 用电设备的运行时间短而停歇时间长，在工作时间内，用电设备的温升尚未达到该负荷下的稳定值即停歇冷却，在停歇时间内其温度又降低为周围介质的温度，这是短暂工作的特点。如机床上的某些辅助电动机（如横梁升降、刀架快速移动装置的拖动电动机）及水闸用电动机等设备。这类设备的数量不多。 断续运行工作制（重复短暂工作制） 用电设备以断续方式反复进行工作，其工作时间（t）与停歇时间（t0）相互交替。工作时间内设备温度升高，停歇时间温度又下
7、降，若干周期后，达到一个稳定的波动状态。如电焊机和吊车电动机等。断续周期工作制的设备，通常用暂载率表征其工作特征，取一个工作周期内的工作时间与工作周期的百分比值，即为 ，即：式中 t，t0工作时间与停歇时间，两者之和为工作周期T。2.3.2 用电设备额定容量的计算用电设备额定容量的计算在每台用电设备的铭牌上都有“额定功率”PN，但由于各用电设备的额定工作方式不同，不能简单地将铭牌上规定的额定功率直接相加，必须先将其换算为同一工作制下的额定功率，然后才能相加。经过换算至统一规定的工作制下的“额定功率”称为“设备额定容量”，用Pe表示。 （1）长期工作制和短时工作制的设备容量）长期工作制和短时工作
8、制的设备容量 Pe=PN（2）重复短暂工作制的设备容量重复短暂工作制的设备容量 吊车机组用电动机（包括电葫芦、起重机、行车等 ）的设备容量统一换算到=25%时的额定功率（kW），若其N不等于25%时应进行换算，公式为: 电焊机及电焊变压器的设备容量统一换算到100%时的额定功率（kW）。若其铭牌暂载率N不等于100%时，应进行换算，公式为:（3）电炉变压器的设备容量）电炉变压器的设备容量 电炉变压器的设备容量是指在额定功率因数下的额定功率（kW），即：Pe=PN=SNcos （4）照明设备的设备容量）照明设备的设备容量白炽灯、碘钨灯设备容量就等于灯泡上标注的额定功率（kW）；荧光灯还要考虑镇流
9、器中的功率损失（约为灯管功率的20%），其设备容量应为灯管额定功率的1.2倍（kW）；高压水银荧光灯亦要考虑镇流器中的功率损失（约为灯泡功率的10%），其设备容量应为灯泡额定功率的1.1倍（kW）；金属卤化物灯：采用镇流器时亦要考虑镇流器中的功率损失（约为灯泡功率的10%），故其设备容量应为灯泡额定功率的1.1倍（kW）。 （5）不对称单相负荷的设备容量）不对称单相负荷的设备容量当有多台单相用电设备时，应将它们均匀地分接到三相上，力求减少三相负载不对称情况。设计规程规定，在计算范围内，单相用电设备的总容量如不超过三相用电设备总容量的15%时，可按三相对称分配考虑，如单相用电设备不对称容量大于三
10、相用电设备总容量的15%时，则设备容量Pe 应按三倍最大相负荷的原则进行换算。设备接于相电压或线电压时，设备容量Pe的计算如下：单相设备接于相电压时Pe3Pem式中 Pe等效三相设备容量； Pem最大负荷所接的单相设备容量。单相设备接于线电压时式中 Pel接于同一线电压的单相设备容量。返回目录 负荷计算的方法有：需要系数法、二项式法、利用系数法、形状系数法、附加系数法. 需要系数法比较简便因而广泛使用。这里仅介绍需要系数法。需要系数需要系数需要系数考虑了以下的主要因素：式中 K同时使用系数，为在最大负荷工作班某组工作着的用电设备容量与接于线路中全部用电设备总额定容量之比； KL负荷系数，用电设
11、备不一定满负荷运行，此系数表示工作着的用电设备实际所需功率与其额定容量之比； wl线路供电效率； 用电设备组在实际运行功率时的平均效率。实际上，上述系数对于成组用电设备是很难确定的，而且对一个生产企业或车间来说，生产性质,工艺特点，加工条件，技术管理和劳动组织以及工人操作水平等因素，都对Kd有影响。所以Kd只能靠测量统计确定,见附录表2.2.15。上述各种因素可供设计人员在变动的系数范围内选用时参考。 2.3.3 需要系数法需要系数法 由负荷端逐级向电源端进行计算1单台用电设备的计算负荷单台用电设备的计算负荷（1） 有功计算负荷有功计算负荷： 考虑到单台用电设备总会有满载运行的时候，其计算负荷
12、Pca1为式中 Pe换算到统一暂载率下的电动机的额定容量； 用电设备在额定负载下的的效率。 （2）无功计算负荷无功计算负荷：Qca1=Pca1tan式中 用电设备功率因数角。 计算目的：用于选择分支线导线及其上的开关设备。2. 用电设备组的计算负荷用电设备组的计算负荷（1）有功计算负荷有功计算负荷：Pca2=KdPe Kd用电设备组的需要系数，见附录表3； Pe用电设备组的设备额定容量之和，但不包括备用设备容量。（2）无功计算负荷无功计算负荷：Qca2=Pca2tanwm tanwm值见附录表3。（3）视在计算负荷视在计算负荷：计算目的：用于选择各组配电干线及其上的开关设备。 当Kd值有一定变
13、动范围时，取值要作具体分析。如台数多时，一般取用较小值，台数少时取用较大值；设备使用率高时，取用较大值，使用率低时取用较小值。当一条线路内的用电设备的台数较小（n3台）时，一般是将用电设备额定容量的总和作为计算负荷，或者采用较大的Kd值(0.851)。 3确定车间配电干线或车间变电所低压母确定车间配电干线或车间变电所低压母线上的计算负荷线上的计算负荷（1）总有功计算负荷总有功计算负荷：Pca3Pca2（2）总无功计算负荷总无功计算负荷：Qca3Qca2（3）总视在计算负荷总视在计算负荷：Pca3、Qca3、Sca3车间变电所低压母线上的有功、无功及视在计算负荷；Pca2、Qca2各用电设备组的
14、有功、无功计算负荷的总和最大负荷时的同时系数。考虑各用电设备组的最大计算负荷不会同时出现而引入的系数。的范围值见附录表6。注意：当变电所的低压母线上装有无功补偿用的静电电容器组，其容量为Qc3,则当计算Qca3时，要减去无功补偿容量，即Qca3Qca2Qc3 计算目的：用于选择车间配电干线及其上的开关设备，或者用于低压母线的选择及车间变电所电力变压器容量的选择。4. 确定车间变电所中变压器高压侧的计算确定车间变电所中变压器高压侧的计算负荷负荷Pca4Pca3+PTQca4Qca3+QT Pca、Qca、Sca车间变电所中变压器高压侧的有功、无功及视在计算负荷（kW、kvar及kVA）； PT、
15、QT变压器的有功损耗与无功损耗（kW、kvar）。计算目的：用于选择车间变电所高压配电线及其上的开关设备 在计算负荷时，车间变压器尚未选出，无法根据变压器的有功损耗与无功损耗的理论公式进行计算，因此一般按下列经验公式估算：对SJL1等型电力变压器：PT0.02Sca3 （kW）QT0.08Sca3 （kvar）对SL7、S7、S9、S10等低损耗型电力变压器：PT0.015Sca3 （kW）QT0.06Sca3 （kvar）式中 Sca3变压器低压母线上的计算负荷（kVA）。5. 确定全车间变电所中高压母线上的确定全车间变电所中高压母线上的计算负荷计算负荷Pca5Pca4+P4mQca5Qca
16、4+Q4m P4m、Q4m车间高压用电设备的有功及无功计算负荷。计算目的：用于车间变电所高压母线的选择。6. 确定总降压变电所出线上的计算负荷确定总降压变电所出线上的计算负荷Pca6= Pca5 +PLPca5Qca6 = Qca5 +QL Qca5Sca6Sca5PL、QL高压线路功率损耗，由于一般工厂范围不大，线路功率损耗小，故可忽略不计。计算目的：用于选择总降压变电所出线及其上的开关设备。7. 确定总降压变电所低压侧母线的计算负确定总降压变电所低压侧母线的计算负荷荷Pca7PcaQca7Qca 注意：如果在总降压变电所10kV二次母线侧采用高压电容器进行无功功率补偿，则在计算总无功功率Q
17、ca7时，应减去补偿设备的容量Qc7 ，即Qca7Qca- Qc7计算目的：用于选择总降压变电所低压母线以及选择总降压变电所主变压器容量。8确定全厂总计算负荷确定全厂总计算负荷Pca8Pca7+PTQca8Qca7+QT 计算目的：全厂总计算负荷的数值可作为向供电部门申请全厂用电的依据，并作为原始资料进行高压供电线路的电气计算，选择高压进线导线及进线开关设备。 2.3.4 二项式系数法 1.基本公式 Pca=bPe+cPx其中bPe表示用电设备的平均功率, Px是X台最大容量的设备总容量. cPx是附加负荷.注意事项:当设备总台数少于表2.3.2中规定的最大容量设备台数的2倍时, 当用电设备只
18、有12台设备时,.对于单台电动机, 2.多组用电设备计算负荷的确定应考虑各组用电设备的最大负荷不同时出现的因素,此时不是计入一个同时系数K, 总的有功计算负荷有两部分组成.例2.3.1 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；另接通风机3台共5kW；电葫芦4个共6kW（FCN =40%）试用需要系数法求计算负荷。解：冷加工电动机组： 查附录表3可得Kd=0.160.2（取0.2），cos=0.5，tan=1.73，因此Pca(1)=KdPe=0.250 =10(kW)Qca(1)= P ca(1)tanwm=101.73=17.3 (kvar) Sca(1)= P
19、ca(1)/coswm=10/0.5=20(kVA) 通风机组： 查附录表3可得Kd=0.70.8（取0.8），cos=0.8，tan=0.75，因此Pca(2)=KdPe=0.85 =4(kW)Qca(2)= P ca(2)tanwm=40.75=3 (kvar)Sca(2)= P ca(2)/coswm=4/0.8=5(kVA)电葫芦：由于是单台设备，可取Kd=1，查附录表3可得cos=0.5，tan=1.73，因此Pca(3)= Pe=3.79 =3.79(kW)Qca(3)= Pca(3)tanwm=3.791.73= 6.56(kvar) Sca(3)= Pca(3)/coswm=3
20、.79/0.5=7.58(kVA) 取同时系数为0.9，因此总计算负荷为Pca() Pca=0.9（ 10+4+3.79） =16.01(kW)Qca()Qca=0.9（17.3+3+6.56）=24.17(kW)为了使人一目了然，便于审核，实际工程设计中常采用计算表格形式，如下表所示。28.9924.1716.01取=0.926.8617.7924负荷总计7.586.563.791.730.513.79（=25%）1电葫芦35340.750.80.853通风机组22017.3101.730.50.25020机床组1Sca(kVA)Qca(kVar)Pca(kW)计算负荷tancosKd设备容
21、量（kW）台数用电设备组名称序号返回目录例例2.3.2 2.3.2 已知某机修车间的金属切削机床组，拥有已知某机修车间的金属切削机床组，拥有380V380V的三相电动机的三相电动机7.5kw37.5kw3台，台，4kw84kw8台，台，3kw173kw17台，台，1.5kw101.5kw10台。试用二项式法来确定机床组的计算负荷。台。试用二项式法来确定机床组的计算负荷。解：由附录表1查得。设备总容量为 Pe=120.5kW。x台最大容量的设备容量为 Px=P5=7.5kW3+4kW2=30.5kW有功计算负荷为P30=0.14120.5Kw+0.430.5Kw=29.1Kw无功计算负荷为Q30
22、=29.1Kw1.73=50.3kvar视在计算负荷为 计算电流为计算电流为2.4 工厂供电系统功率因数的确定2.4.1 功率因数的计算功率因数的计算（1）瞬时功率因数瞬时功率因数由功率因数表或相位表直接读出，或由功率表、电流表和电压表的读数按下式求出：式中：P功率表测出的三相功率读数（kW）；U电压表测出的线电压读数（kV）；I电流表测出的相电流读数（A）。瞬时功率因数值代表某一瞬间状态的无功功率的变化情况。 （2）均权功率因数平均功率因数指某一规定时间内，功率因数的平均值。其计算公式为式中： Wp-某一时间内消耗的有功电能（kWh）；由有功电度表读出。Wq-某一时间内消耗的无功电能（kva
23、rh）；由无功电度表读出。我国电业部门每月向工业用户收取电费，就规定电费要按月平均功率因数来调整。上式用以计算已投入生产的工业企业的功率因数。 对于正在进行设计的工业企业则采用下述的计算方法：式中： Pca-全企业的有功功率计算负荷，kW；Qca-全企业的无功功率计算负荷，kvar；-有功负荷系数，一般为0.70.75；-无功负荷系数，一般为0.760.82。 （3）最大负荷时的功率因数最大负荷时的功率因数指在年最大负荷（即计算负荷）时的功率因数。根据功率因数的定义可以分别写出： 式中：Pca全企业的有功功率计算负荷，kW；Qca全企业的无功功率计算负荷，kvar；Sca全企业的视在计算负荷，
24、kVA。 2.5 供电系统功率因数的改善及电能的节约2.5.1 功率因数降低对供电系统的影响功率因数降低对供电系统的影响（1）系统中输送的总电流增加，使得供电系统中的电气元件，容量增大，从而使工厂内部的启动控制设备、测量仪表等规格尺寸增大，因而增大了初投资费用。（2）增加电力网中输电线路上的有功功率损耗和电能损耗。（3）线路的电压损耗增大。影响负荷端的异步电动机及其它用电设备的正常运行。（4）使电力系统内的电气设备容量不能充分利用。综上可知,电力系统功率因数的高低是十分重要的问题，因此，必须设法提高电力网中各种有关部分的功率因数。目前供电部门实行按功率因数征收电费，因此功率因数的高低也是供电系
25、统的一项重要的经济指标。2.5.2 功率因数的改善功率因数的改善（1）提高自然功率因数提高自然功率因数的方法，即采用降低各用电设备所需的无功功率以改善其功率因数的措施，主要有： 正确选用感应电动机的型号和容量，使其接近满载运行； 更换轻负荷感应电动机或者改变轻负荷电动机的接线； 电力变压器不宜轻载运行； 合理安排和调整工艺流程，改善电气设备的运行状况，限制电焊机、机床电动机等设备的空载运转； 使用无电压运行的电磁开关。 （2） 人工补偿无功功率 当采用提高用电设备自然功率因数的方法后，功率因数仍不能达到供用电规则所要求的数值时，就需要设置专门的无功补偿电源，人工补偿无功功率。人工补偿无功功率的
26、方法主要有以下三种：并联电容器补偿同步电动机补偿动态无功功率补偿 用静电电容器（或称移相电容器、电力电容器）作无功补偿以提高功率因数，是目前工业企业内广泛应用的一种补偿装置。电力电容器的补偿容量可用下式确定Qc=Pav（tan1-tan2）=Pca（tan1-tan2）式中：Pca最大有功计算负荷，kW；月平均有功负荷系数；tan1、tan2补偿前、后平均功率因数角的正切值。在计算补偿用电力电容器容量和个数时，应考虑到实际运行电压可能与额定电压不同，电容器能补偿的实际容量将低于额定容量，此时需对额定容量作修正：式中：QN电容器铭牌上的额定容量，kvar；Qe电容器在实际运行电压下的容量，kva
27、r；UN电容器的额定电压，kV;U电容器的实际运行电压，kV。 例如将YY10.5-10-1型高压电容器用在kV的工厂变电所中作无功补偿设备，则每个电容器的无功容量由额定值10kvar降低为：显然除了在不得已的情况下，这种降压使用的做法应避免。在确定总补偿容量Qc之后，就可根据所选并联电容器单只容量Qc1决定并联电容器的个数：n=Qc/Qc1由上式计算所得的数值对三相电容器应取相近偏大的整数。若为单相电容器,则应取3的整数倍,以便三相均衡分配。三相电容器，通常在其内部接成三角形，单相电容器的电压，若与网络额定电压相等时则应将电容器接成三角形接线，只有当电容器的电压低于运行电压时，才接成星形接线
28、。相同的电容器，接成三角形接线，因电容器上所加电压为线电压，所补偿的无功容量则是星形接线的三倍。若是补偿容量相同，采用三角形接线比星形接线可节约电容值三分二，因此在实际工作中，电容器组多接成三角形接线。 用户处的静电电容器补偿方式可分个别补偿、分组（分散）补偿和集中补偿三种。个别补偿 将电容器直接安装在吸取无功功率的用电设备附近；分组（分散）补偿 将电容器组分散安装在各车间配电母线上；集中补偿 指电容器组集中安装在总降压变电所二次侧（610kV侧）或变配电所的一次侧或二次侧（610kV或380V侧）。在设计中一般考虑将测量电能侧的平均功率因数补偿到规定标准。 例2.5.1 某工厂的计算负荷为2400kW，平均功率因数为0.67。根据规定应将平均功率因数提高到0.9（在10kV侧固定补偿），如果采用BWF-10.5-40-1型并联电容器，需装设多少个？并计算补偿后的实际平均功率因数。（取平均负荷系数=0.75） 解 tan1=tan(arccos0.67)=1.108tan2=tan(arccos0.9)=0.484Qc=Pav（tan1-tan2） =0.752400(1.108-0.484)=1122.66(kvar) n= Qc / Qc1=1122.66/4030(个)，每相装设10个。此时的实际补偿容量为3040=1200(kvar)，所以补偿后实际平均功率因数为返回
