第02章 电力负荷及其计算(刘介才)工厂供电.ppt

,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。,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45τ，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，因此负荷计算也只能力求接近实际。我国普遍采用的确定计算负荷的方法，主要是需要系数法和二项式法。需要系数法是国际上通用的确定计算负荷的方法，最为简便实用。二项式法应用的局限性较大，但在确定设备台数较少而容量差别悬殊的分支线路的计算负荷时，较之采用需要系数法合理，且其计算也较简便。本书只介绍这两种计算方法。其他确定计算负荷的方法，例如以概率论为基础而提出的意在取代二项式法的利用系数法，因其计算比较繁复而未得到普遍应用，限于篇幅就不予介绍了。,如果只有一台三相电动机，则此电动机的计算电流就取为其额定电流，即（2-14）负荷计算中常用的单位有功功率为“千瓦”（kW），无功功率为“千乏”（kvar），视在功率为“千伏安”（kVA），电流为“A”，电压为“kV”。例2-1已知某机修车间的金属切削机床组，拥有电压为380V的三相电动机7.5kW3台,4kW8台,3kW17台,1.5kW10台。试求其计算负荷。解此机床组电动机的总容量为查附录表1中“小批生产的金属冷加工机床电动机”项，得（取0.2）,,因此可求得有功计算负荷无功计算负荷视在计算负荷计算电流二.设备容量的计算需要系数法基本公式中的设备容量,不包含备用设备的容量,而且要注意,此容量的计算与用电设备组的工作制有关。1.对一般连续工作制和短时工作制的用电设备组设备容量就是其所有设备（不含备用设备）额定容量之和。2.对断续周期工作制的用电设备组设备容量就是将所有设备（亦不含备用设备）在不同负荷持续率下的铭牌额定容量换算到一个统一的负荷持续率下的功率之和。换算的公式如前面式（2-2）所示。,总的有功计算负荷为（2-17）总的无功计算负荷为（2-18）总的视在计算负荷为（2-19）总的计算电流为（2-20）注意由于各组设备的功率因数不一定相同，因此总视在计算负荷和计算电流一般不能用各组的视在计算负荷或计算电流之和来计算，总的视在计算负荷也不能按式（2-12）计算。此外应注意在计算多组设备总的计算负荷时，为了简化和统一，各组的设备台数不论多少，各组的计算负荷均按附录表1所列的计算系数来计算，而不必考虑设备台数少而适当增大和值的问题。,第三节单相用电设备组计算负荷的确定一.概述在工厂里，除了广泛应用的三相设备外，还有电焊机、电炉、电灯等各种单相设备。单相设备接在三相线路中，应尽可能地均衡分配，使三相尽可能平衡。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。由于确定计算负荷的目的，主要是为了选择线路上的设备和导线电缆，使设备和导线电缆在计算电流通过时不致过热或烧毁，因此在接有较多单相设备的三相线路中，不论单相设备接于相电压还是接于线电压，只要三相负荷不平衡，就应以最大负荷相的有功负荷的3倍作为等效三相有功负荷，以满足系统安全运行的要求。二.单相设备组等效三相负荷的计算一.单相设备接于相电压时的负荷计算等效三相设备容量Pe应按最大负荷相所接的单相设备容量的3倍计算，即（2-24）等效三相计算负荷则按前述需要系数法计算。二.单相设备接于线电压时的负荷计算1.单相设备接于同一线电压时由于容量为的单相设备在线电压上产生的电流，此电流应与等效三相设备容量Pe产生的电流相等，因此其等效三相设备容量（2-25）,解1.电热干燥箱的各相计算负荷查附录表1得因此只要计算其有功计算负荷A相B相C相2.对焊机的各相计算负荷先将接于CA相间的30kW（ε60）换算至ε100的容量，即查附录表1得再由表2-3查得时的功率换算系数因此各相的有功和无功设备容量为A相B相C相,各相的有功和无功计算负荷为A相B相C相3.各相总的有功和无功计算负荷A相B相C相4.总的等效三相计算负荷因B相的有功计算负荷最大，故取B相计算等效三相计算负荷，由此可得以上计算也可列成单相负荷计算表[参考文献1、16]，限于篇幅，从略。,以上式（2-39）～式（2-44）中的ΔP0、ΔPk、I0％和Uk％（或UZ％）等均可从有关手册或产品样本中查得。附录表8列出10kV级S9和SC9系列电力变压器的主要技术数据，供参考。在负荷计算中，对S9、SC9等新系列低损耗电力变压器，可按下列简化公式计算[文献18、26]有功功率损耗（2-45）无功功率损耗（2-46）二.工厂供电系统的电能损耗工厂供电系统中的线路和变压器由于常年持续运行，其电能损耗相当可观，直接关系到供电系统的经济效益。作为供电人员，应设法降低供电系统的电能损耗。一.线路的电能损耗线路上全年的电能损耗ΔWa可按下式计算（2-47）式中I30为通过线路的计算电流；RWL为线路每相的电阻；为年最大负荷损耗小时。年最大负荷损耗小时是一个假想时间，在此时间内，系统中的元件（含线路）持续通过计算电流I30所产生的电能损耗，恰好等于实际负荷电流全年在元件（含线路）上产生的电能损耗。年最大负荷损耗小时与年最大负荷利用小时Tmax有一定的关系，如下所述。由式（2-3）和式（2-5）可得下列关系在，且线路电压不变时，，，因此故,3.补偿后的变压器容量和功率因数补偿后变电所低压侧的视在计算负荷为因此补偿后变压器容量可选为800kVA（参看附录表8）。变压器的功率损耗为变电所高压侧的计算负荷为无功补偿后，工厂的功率因数（最大负荷时）为这一功率因数值满足规定（0.9）的要求。4.无功补偿前后比较变电所主变压器在无功补偿后减少容量为这不仅会减少基本电费开支，而且由于提高了功率因数，还会减少电度电费开支。,三.工厂年耗电量的计算工厂的年耗电量可用工厂的年产量和单位产品耗电量进行估算，如式（2-54）所示。工厂年耗电量的较精确的计算，可用工厂的有功和无功计算负荷P30和Q30按下列公式计算年有功耗电量（2-64）年无功耗电量（2-65）式中α为年平均有功负荷系数，一般取为年平均无功负荷系数，一般取0.70.75；β为年平均无功负荷系数，一般取0.760.82；Ta为年实际工作小时数，按每周5个工作日计，一班制可取2000h，两班制可取4000h，三班制可取6000h。例2-7假设例2-6所示工厂为两班制生产。试计算其年耗电量。解按式（2-64）和式（2-65）计算。取则工厂年有功耗电量为工厂年无功耗电量为,第六节尖峰电流及其计算一.概述尖峰电流（peakcurrent）是指持续时间12s的短时最大负荷电流。尖峰电流主要用来选择熔断器和低压断路器、整定继电保护装置及检验电动机自启动条件等。二.用电设备尖峰电流的计算一.单台设备尖峰电流的计算单台设备的尖峰电流就是其启动电流（startingcurrent），因此尖峰电流为（2-66）式中IN为设备额定电流；Ist为设备启动电流；Kst为设备的启动电流倍数，笼型电动机为57，绕线型电动机为23，直流电动机约为1.7，电焊变压器为3或稍大。二.多台设备尖峰电流的计算引至多台设备的线路上的尖峰电流按下式计算（2-67）或（2-68）式中和Ist-INmax分别为用电设备中启动电流与额定电流之差为最大的那台设备的启动电流及其启动电流与额定电流之差；为除启动电流与额定电流之差为最大的那台设备之外的其他n-1台设备的额定电流之和；KΣ为上述n-1台的同时系数，按台数多少选取，一般为0.71；I30为全部设备投入运行时线路的计算电流。,第二章复习思考题2-1电力负荷按重要性分哪几级各级电力负荷对供电电源有什么要求2-2工厂用电设备的工作制分哪几类各有哪些特点2-3什么叫负荷持续率它表征哪一类工作制设备的工作特性2-4什么叫最大负荷利用小时什么叫年最大负荷和年平均负荷什么叫负荷系数2-5什么叫计算负荷为什么计算负荷采用半小时最大负荷正确确定计算负荷有何意义2-6确定计算负荷的需要系数法和二项式法各有什么特点各适用哪些场合2-7在确定多组用电设备总的视在计算负荷和计算电流时，可否将各组的视在计算负荷和计算电流分别直接相加为什么应如何正确计算2-8在接有单相用电设备的三相线路中，什么情况下可将单相设备直接与三相设备综合按三相负荷的计算方法来确定计算负荷而在什么情况下应先将单相设备容量换算为等效三相设备容量然后与三相设备混合进行计算负荷的计算2-9电力线路的电阻和电抗各如何计算什么叫线间几何均距如何计算2-10电力变压器的有功和无功功率损耗各如何计算其中哪些损耗与负荷无关哪些损耗与负荷有关2-11什么叫年最大负荷损耗小时它与年最大负荷利用小时有什么区别和关系2-12进行无功功率补偿、提高功率因数有什么意义如何确定无功功率补偿容量2-13什么叫尖峰电流如何计算供多台用电设备的线路尖峰电流,