第三章 工厂电力负荷及其计算.ppt
第三章 工厂的电力负荷及其计算,本章主要内容：电力负荷与负荷曲线 工厂计算负荷的计算 尖峰电流的计算,第一节 工厂的电力负荷与负荷曲线,一、电力负荷（一）电力负荷的分级电力负荷：电气设备所消耗的功率或线路中流过的电流 一级负荷：中断供电将造成人员伤亡或在政治上经济上造成重大损失者，以及特别重要的负荷（保安负荷）。双电源供电，必要时增设应急电源 二级负荷：是断供电，在政治、经济上造成较大损失者。双电源供电，当负荷较小时可以专线供电。三级负荷：不属于一、二级的负荷。对供电电源无特殊要求。,（二）工厂用电设备的工作制工厂用电设备按其工作制不同可划分为三类（1）连续工作制：此类电气设备连续工作时间比较长，超过其稳定温升时间。（2）短时工作制（负荷持续率）：此类用电设备工作时间短而停歇时间长，导体还未达到稳定温升就开始冷却，在停歇时间内足以将温度降到通电前的温度。这类设备的数量很少，求计算负荷一般不考虑短时运行工作制的用电设备,工作周期；工作周期内的工作时间；工作周期内的停歇时间。,暂载率：一个周期内工作时间与工作周期的百分比值，用 表示,(3)断续周期工作制：此类设备工作时间短，停歇时间也短，以断续的方式反复交替进行工作，其周期一般不超过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。断续周期工作制的设备，可用“负荷持续率”(duty cycle，又称暂载率)来表示其工作特征。,二、负荷曲线负荷曲线(load curve)是表征电力负荷随时间变动情况的一种图形，它反映了用户用电的特点和规律。负荷曲线绘制在直角坐标系上，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)。负荷曲线按负荷对象分：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。1)日负荷曲线日负荷曲线表示负荷在一昼夜间(0h24h)的变化情况，图3.1是一班制工厂的日有功负荷曲线。日负荷曲线可用测量的方法绘制。绘制方法如下。(1)以某个检测点为参考点，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(a)；,(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，求出半小时的平均功率，再依次将这些点画在坐标上，把这些点连成阶梯状的成梯形的负荷曲线，如图(b)所示。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”(将在后面介绍)。当然，其时间间隔取得越短，曲线越能反映负荷的实际变化情况。日负荷曲线与横坐标所包围的面积代表全日所消耗的电能。(a)折线形负荷曲线(b)梯形负荷曲线3.1日有功负荷曲线,(a)夏日负荷曲线(b)冬日负荷曲线(c)年负荷持续时间曲线图3.2 年负荷持续时间曲线的绘制,2)年负荷曲线年负荷曲线，通常绘成负荷持续时间曲线(load duration curve)，按负荷大小依次排列，如图3.2(c)所示，全年按8760h计。,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3.3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，可以用来确定拥有多台电力变压器的变电所在一年内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。,图3.3 年每日最大负荷曲线注意：日负荷曲线是按时间的先后绘制，而年负荷曲线是按负荷的大小和累积时间绘制的。,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。因此了解负荷曲线对于从事供配电系统设计和运行的人员来说，都是很必要的。,1)年最大负荷和年最大负荷利用小时(1)年最大负荷(annual maximum load)：全年中负荷最大的工作班内(该工作班的最大负荷不是偶然出现的，而是在负荷最大的月份内至少出现过2次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(utilization hours of annual maximum load)：假设电力负荷按年最大负荷(或)持续运行时，在Tmax时间内电力负荷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3.4所示。因此，年最大负荷利用小时是一个假想时间。,三.与负荷曲线和负荷计算有关的物理量,图2.4 年最大负荷和年最大负荷利用小时年最大负荷利用小时的计算公式为 Tmax式中 年实际消耗的电能量。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，与工厂的生产班制有明显的关系。例如一班制工厂，1800h3000h；两班制工厂 3500h4800h；三班制工厂，5000h7000h。,2)平均负荷和负荷系数(1)平均负荷(average load)：电力负荷在一定时间内平均消耗的功率，也就是电力负荷在该时间 内消耗的电能 除以时间 的值，即年平均负荷的说明如图3.5所示。年平均负荷的横线与两坐标轴所包围的矩形截面恰等于年负荷曲线与两坐标轴所包围的面积，即年平均负荷为,图3.5 年平均负荷,(2)负荷系数(load coefficient)KL：用电负荷的平均负荷与其最大负荷的比值，即 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，即表征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，负荷系数就是设备的输出功率与设备额定容量的比值，即 负荷系数通常以百分值表示。负荷系数(负荷率)有功负荷系数 和无功负荷系数；,第二节、工厂电力负荷的计算,一、计算负荷的概念 用于计算的负荷功率或负荷电流称为“计算负荷”。在计算当中用“用半小时最大负荷”来表示计算负荷，也是年度最大负荷。,其中，表示有功功率，表示无功功率，表示视在功率。,二、用电设备组计算负荷的确定,供电系统要安全可靠运行，电力变压器、开关设备、导线、电缆必须选择合适，因此必须对各环节的电力负荷进行计算。,计算负荷的方法：需要系数法（常用）二项式法（设备台数少，容量差别悬殊时采用）,（一）需要系数法,负荷计算过程：确定计算范围将不同工作制下用电设备的额定功率PN换算到同一工作制下，经 换算后的额定功率也称为设备容量Pe再将工艺性质相同的并有相近需要系数的用电设备合并成组，考 虑到需要系数算出每一组用电设备的计算负荷 最后汇总各级计算负荷得到总的计算负荷,1、设备容量的确定,长期工作制、短期工作制的设备容量 等于其铭牌功率,断续周期工作制，如起重机的电动机有功功率 应该统一换算到暂载率，若电焊机应该统一换算为,具体的换算公式如下：吊车电动机 电焊机,式中，、设备铭牌给出的额定功率（KW）和额定容量KVA,设备铭牌给出的额定暂载率；,吊车电动机标准暂载率，,电焊机标准暂载率，,设备的功率因数。,照明设备的设备容量,2 需要系数Kd的含义,用电设备组的计算负荷，是指用电设备组从供电系统中取用的半小时最大负荷，如图3.6所示。用电设备组的设备容量=。而设备的额定容量，是设备在额定条件下的最大输出功率(出力)。但是用电设备组的设备实际上不一定都同时运行，运行的设备也不太可能都满负荷，同时设备本身有功率损耗，因此用电设备组的有功计算负荷应为,设备组的同时系数，即设备组在最大负荷时运行的设备容量 与全部设备容量之比；设备组的负荷系数，即设备组在最大负荷时输出功率与运行 的设备容量之比；设备组的平均效率，即设备组在最大负荷时输出功率与取用 功率之比；配电线路的平均效率，即配电线路在最大负荷时的末端功率(亦即设备组取用功率)与首端功率(亦即计算负荷)之比。,3 计算负荷的确定,（1）单台设备的计算负荷,设备容量的计算,连续工作制和短时工作制用电设备组：设备容量是所有设备的铭牌额定容量之和。,断续周期工作制用电设备组：必须进行负载持续率换算,例3.1 3.2,（2）单组用电设备的计算负荷,单组用电设备组是指用电设备性质相同的一组设备，即Kd相同,用电设备组设备容量总和,例3.3,应该考虑各用电设备组最大负荷不同时出现的因素，对有功、无功负荷计入一个同时系数,总的计算负荷为,3、多组用电设备的计算负荷,4 对需用系数法的评价：优点：公式简单，计算方便。只用一个原始公式 就可以表征普遍的计算方法。这个公式对用电设备组、车间变电站乃至一个企业变电站的计算负荷都可进行计算。对于不同性质的用电设备、不同车间或企业的需用系数值，经过几十年的统计和积累，数值比较完整和准确，为供电设计提供了很好的条件。缺点：没有考虑大容量电动机对整个计算负荷的影响，尤其是当总用电设备较少时，影响更大。这种情况下，采用二项系数法更准确些。对绝大多数企业，需用系数法，目前仍称得上一种准确而又简便的方法，因而在我国设计部门广泛采用。,（2）二项式法,从图所示的日负荷曲线看出，其最大有功负荷可表示为Pmax=P30=Pav+P式中Pav为企业日负荷曲线的平均负荷，P则表示日负荷曲线的尖峰部分。,大量的考察和统计证明：产生企业“尖峰负荷”的主要原因是：企业内X台最大容量的电动机在某一生产时间内较密集地处于高负荷运行状态。如果已知X台最大容量的电动机总容量为Px，则上式可表示为：,用电设备组的总额定容量,PxX台最大容量用电设备的总容量b、c二项系数,X该用电设备组中取最大用电设备的台数,对同一工作制的单组用电设备,为该用电设备组中台容量最大用电设备的额定容量之和,为该用电设备组的额定容量总和；,C,b为二项系数，随用电设备组类别而定,为由x台容量最大用电设备所造成的使计算负荷大于平均负荷的一个附加负荷,为 该用电设备组的平均负荷,注意：当用电设备的台数n等于最大容量用电设备的台数x，且n=x3时，一般将用电设备的额定容量总和作为计算负荷。,对不同工作制的多组用电设备,为各用电设备组附加负荷 中的最大值；,为各用电设备组有功平均负荷 总和,为与 相对应的功率因数角正切值,为各用电设备组相应的功率因数角正切值,例3-6,二项式法是考虑用电设备的数量和大容量用电设备对计算负荷影响的经验公式。一般应用在机械加工和热处理车间中用电设备数量较少和容量差别大的配电箱及车间支干线的负荷计算，弥补需要系数法的不足之处。但是，二项式系数过分突出最大用电设备容量的影响，其计算负荷往往较实际偏大。,三.单相用电设备组计算负荷的确定 1)概述 在工厂里，除了广泛应用的三相设备外，还应用有电焊机、电炉、电灯等各种单相设备。单相设备接在三相线路中，应尽可能均衡分配，使三相负荷尽可能均衡。如果三相线路中单相设备的总容量不超过三相设备总容量的15%，则不论单相设备如何分配，单相设备可与三相设备综合按三相负荷平衡计算。如果单相设备容量超过三相设备容量的15%时，则应将单相设备容量换算为等效三相设备容量，再与三相设备容量相加。2)单相设备组等效三相负荷的计算(1)单相设备接于相电压时的等效三相负荷计算。等效三相设备容量 应按最大负荷相所接单相设备容量 中的3倍计算，即=3 等效三相计算负荷则按前述需要系数法计算。,(2)单相设备接于线电压时的等效三相负荷计算。由于容量为 的单相设备接在线电压上产生的电流，这一电流应与等效三相设备容量 产生的电流 相等，因此其等效三相设备容量为=(3)单相设备分别接于线电压和相电压时的等效三相负荷计算。首先应将接于线电压的单相设备换算为接于相电压的设备容量，然后分相计算各相的设备容量和计算负荷。总的等效三相有功计算负荷为其最大有功负荷相的有功计算负荷 的3倍，即=3 总的等效三相无功计算负荷为最大有功负荷相的无功计算负荷 中的3倍，即=3,电流流过电力线路和变压器时，势必要引起功率和电能损耗。在进行用户或全厂负荷计算时，应计入这部分损耗。（一）供电系统的功率损耗1.线路的功率损耗 线路的功率损耗包括有功和无功两大部分。1)线路的有功功率损耗 有功功率损耗是电流通过线路电阻所产生的，按下式计算：式中 线路的计算电流；线路每相的电阻，其中l为线路长度，为线路单位长度的电阻值，可查有关手册或产品样本。2)线路的无功功率损耗 无功功率损耗是电流通过线路电抗所产生的，按下式计算：式中 线路的计算电流；线路每相的电抗。,四、全厂计算负荷的确定,电抗，其中l为线路长度，为线路单位长度的电抗阻值，可查有关手册或产品样本。但是查架空线路的 值，不仅要根据导线截面，而且要根据导线之间的几何均距。所谓几何均距，是指三根线路各相导线之间距离的几何平均值。如图(a)所示A、B、C三相线路，其线间几何均距为如导线为等边三角形排列(见图(b)，则；如导线为水平等距排列(见图)，则。,(a)一般情况(b)等边三角形排列(c)水平等距排列 图2.8 三相架空线路的线间距离,2、变压器的功率损耗1)变压器的功率损耗计算 变压器的功率损耗也包括有功和无功两大部分。1)变压器的有功功率损耗 变压器的有功功率损耗由两部分组成：(1)铁心中的有功功率损耗简称“铁损”。它在变压器一次绕组的外施电压和频率不变的条件下是固定不变的，与负荷无关。铁损可由变压器空载实验测定。变压器的空载损耗 可认为就是铁损，因为变压器的空载电流 很小，在一次绕组中产生的有功功率损耗可略去不计。(2)一、二次绕组中的功率损耗俗称“铜损”。它与负荷电流(或功率)的平方成正比。铜损可由变压器短路实验测定。变压器的短路损耗(亦称负载损耗)。可认为就是铜损，因为变压器二次侧短路时，一次侧的短路电压(亦称阻抗电压)很小，在铁心中产生的有功功率损耗可略去不计。,因此，变压器的有功功率损耗为 式中 变压器的额定容量；变压器的计算负荷。2)变压器的无功功率损耗 变压器的无功功率损耗也由两部分组成：(1)用来产生磁通即励磁电流的一部分无功功率。它只与一次绕组电压有关，与负荷无关。它与励磁电流或近似地与空载电流成正比，即 式中 变压器空载电流占额定一次电流的百分值。,(2)消耗在变压器一、二次绕组电抗上的无功功率。额定负荷下的这部分无功损耗用 表示。由于变压器的电抗远大于电阻，因此 近似地与阻抗电压(即短路电压)成正比，即 式中%变压器阻抗电压占额定一次电压的百分值。这部分无功损耗与负荷电流(或功率)的平方成正比。因此，变压器的无功功率损耗为 式中的、和(即)等均可从有关手册或产品样本中查得。在电力负荷计算中，通常采用简化公式。对 S7、SL7、S9等型低损耗电力变压器的功率损耗，可采用下列简化公式计算。有功功率损耗：无功功率损耗：式中 变压器的计算负荷。,用户中绝大多数用电设备，如感应电动机、电力变压器、电焊机、电弧炉及气体放电灯等，它们都要从电网吸收大量无功电流来产生交变磁场，其功率因数均小于1。而功率因数是衡量供配电系统是否经济运行的一个重要指标。1、工厂功率因数的确定(1)瞬时功率因数 功率因数的瞬时值由瞬时功率表直接读出，也可以用瞬间测得的有功功率表、电压表、电流表读数计算得到。(2)平均功率因数 指某一规定的时间内功率因数的平均值式中 某一时间内消耗的有功电能，从有功电度表读出 某一时间内消耗的有功电能，从无功电度表读出,（二）无功功率的补偿,(3)最大负荷时功率因数,依据最大负荷所确定的功率因数称为最大负荷时的功率因数,凡未装补偿装置的功率因数称为自然功率因数,装设人工补偿装置的功率因数称为补偿后功率因数,设工厂的自然功率因数均权平均正切值为，供电部门要求的功率因数正切值为，则补偿容量可按下式计算：式中，称为无功补偿率，或比补偿容量。无功补偿率，是表示要使1kW的有功功率由 提高到 所需要的无功补偿容量千乏值。,2 无功补偿容量的确定,用户功率因数仅靠提高自然功率因数一般是不能满足要求的，因此，还必须进行人工补偿。1)并联电容器补偿 即采用并联电容器的方法来补偿无功功率，从而提高功率因数。是目前用户、企业内广泛采用的一种补偿装置。它具有以下优点。(1)有功损耗小，为0.25%0.5%，而同步调相机为1.5%3%。(2)无旋转部分，运行维护方便。(3)可按系统需要，增加或减少安装容量和改变安装地点。(4)个别电容器损坏不影响整个装置运行。(5)短路时，同步调相机会增加短路电流，增大用户开关的断流容量，电容器无此缺点。并联电容器补偿的缺点：(1)只能有级调节，不能随无功功率变化进行平滑的自动调节。(2)当通风不良及运行温度过高时易发生漏油、鼓肚、爆炸等故障。,人工补偿功率因数,用户装设了补偿容量以后，则在确定补偿装置装设地点以前的总计算负荷时，应扣除无功补偿容量，即总的无功计算负荷为=无功补偿后，总的视在计算负荷为 由上式可以看出，在变电所低压侧装设无功补偿装置后，由于低压侧总的视在计算负荷减小，从而可使变电所主变压器的容量选得小一些。这不仅可降低变电所的初期投资，而且可减少企业的电费开支。因为我国供电部门对工业用户一般实行“两部电费制”：一部分称为“基本电费”，按所装主变压器容量来计费。主变压器容量减小，基本电费相应减少。另一部分称为“电度电费”，按每月实际耗电量来计费，且根据月平均功率因数的高低调整电费。凡月平均功率因数高于规定值时，可按一定比率减收电费。而低于规定值时，则要按一定比率加收电费。由此可见，提高工厂功率因数对整个电力系统大有好处，同时对企业本身也是有一定经济实惠的。,三、补偿后用户的负荷计算和功率因数计算,3、无功补偿后工厂计算负荷的确定,【例2.8】某用户拟建一10/0.4kV的降压变电所，装设一台主变压器。已知变电所低压侧有功计算负荷为650kW，无功计算负荷为800kvar。为了使用户(变电所高压侧)的功率因数不低于0.9，如在低压侧装设并联电容器进行无功补偿时，需装设多少补偿容量？并问补偿前后企业变电所所选主变压器容量有什么变化？解：(1)补偿前的变压器容量和功率因数。变电所低压侧的视在计算负荷为 kVA1031 kVA 主变压器容量的选择条件为，因此未进行无功补偿时，主变压器容量应选为1250 kVA。这时变电所低压侧的功率因数为(2)无功补偿容量。按规定，变电所高压侧 0.90。考虑到变压器的无功功率损耗 远大于其有功功率损耗，一般(45)，因此在变压器低压侧补偿时，低压侧补偿后的功率因数应略高于0.90，这里取=0.92。,例：,要使低压侧功率因数由0.63提高到0.92，由式(2-47)可求得低压侧需装设的并联电容器容量为=取=530kvar。(3)无功补偿后的主变压器容量和功率因数。变电所低压侧的视在计算负荷为 kVA704kVA因此无功补偿后，主变压器容量可改选为800kVA。变电所变压器的功率损耗为=0.015704 kVA=10.6kW=0.06704 kVA=42.2kvar,变电所高压侧的计算负荷为=650kW+10.6kW=661kW=(800530)kvar+42.2kvar=312kvar kVA731 kVA无功补偿后，企业的功率因数提高为=0.904这一功率因数满足规定(0.90)的要求。(4)无功补偿前后主要容量的变化。主变压器容量在补偿后减少的容量为=1250kVA-800kVA=450kVA,（三）全厂计算负荷的确定,1.工厂需要系数法,2.按年产量和单位产品耗电量计算法,将全年生产量A乘以单位产品耗电量a，就可以得到工厂全年耗电量，即,3.逐级计算法,根据用户的供配电系统图，从用电设备开始，朝电流方向逐级计算，最后求出用户总的计算负荷的方法称为逐级计算法。,如图所示，用户的计算负荷(这里以有功负荷为例)应该是高压配电所母线上所有高压配电线计算负荷之和，再乘上一个同时系数。而高压配电线的计算负荷，应该是该线路所供用户变电所低压侧的计算负荷，加上变压器的功率损耗 和高压配电线的功率损耗。依此类推。但对一般企业供配电系统来说，由于其高低压配电线路一般不长，所以在确定企业计算负荷时往往略去不计。,4.全厂计算负荷的确定实例,第三节 尖峰电流计算,尖峰电流(peak current)是指单台或多台用电设备持续时间1s2s的短时最大负荷电流。它是由于电动机起动、电压波动等原因引起的，它与计算电流不同，计算电流是指半小时最大电流，尖峰电流比计算电流大得多。计算尖峰电流的目的是选择熔断器和低压断路器，整定继电保护装置，计算电压波动及检验电动机自起动条件等。,一、给单台用电设备供电的支线尖峰电流计算,单台用电设备的尖峰电流就是其起动电流(starting current)，因此尖峰电流为式中 用电设备的起动电流；用电设备的额定电流；用电设备的起动电流倍数(可查产品样本或铭牌，对笼型电动机一般为57，对绕线转子电动机一般为23，直流电动机一般为17，对电焊变压器一般为3或稍大)。,引至多台用电设备的线路上的尖峰电流按下式计算：式中 为用电设备中起动电流与额定电流之差为最大的那台设备的起动电流及其起动电流与额定电流差；上述n-1台的同时系数，按台数多少选取，一般为0.71；全部设备投入运行时线路的计算电流。,二、给多台用电设备供电的干线尖峰电流计算,本章介绍了负荷曲线的基本概念、类别及有关物理量，电力负荷的分级及有关概念，讲述了用电设备容量的确定方法，重点介绍了负荷计算的方法，电力系统的功率损耗与电能损耗的计算，尖峰电流及其计算方法，功率因数的确定及补偿。(1)负荷曲线是表征电力负荷随时间变动情况的一种图形。按照时间单位的不同，分日负荷曲线和年负荷曲线。日负荷曲线以时间先后绘制，而年负荷曲线以负荷的大小为序绘制，要求掌握两者的区别。(2)与负荷曲线有关的物理量有年最大负荷曲线、年最大负荷利用小时、计算负荷、年平均负荷和负荷系数等，年最大负荷利用小时用以反映负荷是否均匀；年平均负荷是指电力负荷在一年内消耗的功率的平均值。要求理解这些物理量各自的物理含义。(3)确定负荷计算的方法有多种，本章重点介绍了需要系数法和二项式法。需要系数法适用于求多组三相用电设备的计算负荷，二项式法适用于确定设备台数较少而容量差别较大的分支干线的较少负荷。要求掌握三相负荷和单相负荷的计算方法。,本 章 小 结,(4)当电流流过供配电线路和变压器时，势必要引起功率损耗和电能损耗。在进行用户负荷计算时，应计入这部分损耗。要求掌握线路及变压器的功率损耗和电能损耗的计算方法。(5)进行用户负荷计算时，通常采用需要系数法逐级进行计算，要求重点掌握逐级进行计算。(6)尖峰电流是指单台或多台用电设备持续1s2s的短时最大负荷电流。计算尖峰电流的目的是用于选择熔断器和低压断路器、整定继电保护装置、检验电动机自起动条件等。(7)功率因数太低对电力系统有不良影响，所以要提高功率因数。提高功率因数的方法是首先提高自然功率因数，然后进行人工补偿。其中人工补偿最常用的是并联电容器补偿。要求能熟练计算补偿容量。,本 章 小 结,
