《供配电技术》课件第2章

和式(2-14)分别求出用电设备组其余的计算负荷。
负荷曲线对于从事供电设计和运行的人员来说是十分重要 的，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，从中获得一些对设计和运行有用的资料。
图2-3 年每日最大负荷曲线
2.1.3 与负荷曲线有关的物理量 1. 年最大负荷和年最大负荷利用小时 1) 年最大负荷 年最大负荷Pmax是指在全年负荷最大的工作班内，消耗电能
通过负荷的统计计算求出的用来按发热条件选择供配电系 统各元件的负荷值，称为计算负荷。
在设计计算中取“半小时最大负荷”作为计算负荷。因为中 小截面 (35 mm2以下)的导线的发热时间常数T一般在10 min以上， 导体达到稳定温升的时间约为(3～4)T，即对于多数导体发热并 达到稳定温升的时间约为30 min，所以只有持续30 min以上的平 均最大负荷值才有可能构成导体的最高温升。持续时间很短的尖 峰电流虽然负荷值大，但不能使导体达到最高温升，因为导体的 温升还未升高到相应负荷的温升，尖峰电流就已消失了。因此， 计算负荷与稳定在半小时以上的最大负荷是基本相当的。通常用 P30、Q30、S30、I30分别表示有功计算负荷、无功计算负荷、视在 计算负荷、计算电流。
2. 负荷计算的目的 供配电系统要能安全可靠地正常运行，系统中的各元件(如 电力变压器、开关、导线及电缆)都必须选择合适，除了应满足 工作电压和频率的要求外，最重要的是应满足负荷电流的要求。 因此负荷计算的目的就在于正确地确定负荷值，为设计供配电 系统提供可靠的依据，并作为合理选择供配电系统所有组成元 件的重要依据。
附录中的附表1-1列出了各种用电设备组的需要系数值，供读 者参考。
注意： 附表1-1所列需要系数值是按车间范围内设备台数较 多的情况来确定的。当只有1～2台设备时，可认为Kd=1， 即 P30=Pe；当只有一台电动机时，P30=PN/η。在Kd适当取大的同时， cosφ也应适当取大。
按式(2-10)求出有功计算负荷后，可按式(2-12)、式(2-13)
2.3 三相用电设备组计算负荷的确定
2.3.1 概述 1. 计算负荷的概念 供配电系统运行时的实际负荷并不等于所有用电设备额定功
率之和。这是因为用电设备不可能全部同时运行，每台设备也不 可能全部满负荷运行，各种用电设备的功率因数也不可能完全相 同。因此，供配电系统在设计过程中，必须找出这些用电设备的 等效负荷。
小时为
Tmax
Wa Pmax
(2-1)
年最大负荷利用小时的大小表明了工厂消耗电能是否均匀，
Tmax越大，则负荷越平稳。它与工厂的生产班制有明显的关系。 一般地，一班制工厂Tmax1800～3000 h；两班制工厂 Tmax≈3500～4800 h；三班制工厂Tmax≈5000～7000 h。
图2-4 年最大负荷和年最大负荷利用小时
1. 长期工作制和短时工作制的用电设备组 设备容量Pe等于所有用电设备的铭牌上的额定容量之和。 2. 反复短时工作制的用电设备组 设备容量Pe是将所有设备在不同暂载率下的铭牌额定容量 换算到一个规定的暂载率下的容量之和，换算式为
Pe PN
N
(2-7)
式中，εN为对应于铭牌额定功率PN的额定暂载率；ε为对应于设 备容量Pe
第2章 电力负荷及其计算
2.1 负荷曲线 2.2 用电设备的工作制与设备容量的计算 2.3 三相用电设备组计算负荷的确定 2.4 单相用电设备组计算负荷的确定 2.5 功率损耗和电能损耗的计算 2.6 用电单位计算负荷和年电能消耗量的计算 2.7 尖峰电流的计算 2.8 供配电系统的功率因数和无功功率补偿 基本技能训练 中小型工厂计算负荷的确定 思考题与习题
1) 电焊机组的容量换算 要求设备容量统一换算到ε=100%，则换算后的设备容量为
os
N 100
Pe PN N SN cos N
(2-8)
式中，PN为电焊机额定有功功率；SN为额定视在功率；εN为额定 暂载率；ε100为其值为100%的暂载率(在计算中取1)；cosφ为额定 功率因数。
最大的半小时的平均功率，也称为半小时最大负荷，用P30表示。
2) 年最大负荷利用小时 年最大负荷利用小时Tmax是指负荷以年最大负荷Pmax持续运 行一段时间后， 消耗的电能恰好等于该电力负荷全年实际消耗
的电能Wa， 这段时间就是年最大负荷利用小时Tmax。如图2-4所 示，阴影部分即为全年实际消耗的电能，因此年最大负荷利用
2. 平均负荷和负荷系数
1) 平均负荷
平均负荷Pav是指电力负荷在一定时间内消耗功率的平均值，
即
Pav
Wt t
(2-2)
式中，Wt为t时间内消耗的电能，单位为kW·h；t为实际用电时
间，单位为h。
平均负荷也可以通过负荷曲线来计算。如图2-5所示，年负
荷曲线与两坐标轴所包围的曲线面积(即全年消耗的电能Wa)恰
图2-2 (a) 夏日负荷曲线；(b) 冬日负荷曲线；(c) 年负荷持续时间曲线
另一种形式的年负荷曲线是按全年每日最大负荷(通常取每 日最大负荷的半小时平均值)来绘制的，如图2-3所示。横坐标依 次以全年12个月份的日期来分格。这种负荷曲线主要用来确定 拥有多台电力变压器的用户变电所在一年内不同时期宜于投入 几台运行，即所谓的经济运行方式，以降低电能损耗，提高供 电的经济效益。
P30=KdPe
(2-10)
式中，Pe为用电设备组的设备容量；Kd为需要系数，它的物理
表达式为
Kd
KKL
eWL
Pe
(2-11)
式中，KΣ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；KL为设备组的负荷系数， 即设备组在最大负荷时的输出功率与运行的设备容量之比；ηe 为设备组的平均效率，即设备组在最大负荷时的输出功率与取
如果计算负荷偏小，将使导线、开关设备和变压器在运行 时电能损耗增加，并产生过热，引起电气设备绝缘老化，过早 损坏，从而破坏正常生产的条件；反之，计算负荷偏大，将增 加各种供电元件的容量，增加有色金属消耗量，增大基建投资， 使大量设备不能充分发挥其作用，给国家造成很大的浪费。负 荷计算准确可使设计工作建立在可靠的基础资料之上，得出的 工程设计方案也会经济合理。所以，电力负荷计算是供电设计 中的一项重要工作。
2) 吊车电动机组的容量换算 要求容量统一换算到ε=25%，则换算后的设备容量为
Pe PN
N 25
2PN
N
(2-9)
式中，PN为额定有功功率；εN为额定暂载率；ε25为其值为25%
的暂载率(在计算中取为0.25)
3. 照明设备 (1) 白炽灯、卤钨灯的设备容量就是灯泡上标出的额定功率。 (2) 荧光灯考虑镇流器上的功耗，其设备容量应为灯泡额定功 率的1.2～1.3倍。 (3) 高压汞灯考虑镇流器的功耗，其设备容量应为灯泡额定功 率的1.1倍；自镇式高 压汞灯设备容量与灯泡额定功率相等。 (4) 高压纳灯考虑镇流器的功耗，其设备容量应为灯泡额定功 率的1.1倍。 (5) 金属卤化物灯考虑镇流器的功耗，其设备容量应为灯泡额 定功率的1.1倍。
目前，普遍采用的确定用电设备组计算负荷的方法有需要 系数法和二项式系数法。
2.3.2 按需要系数法确定计算负荷 1. 用电设备组计算负荷的确定 一个车间有很多台用电设备，它们的负荷曲线也都不相同。
在进行负荷计算时，应当根据其工作特点进行分组，每一组用电 设备总的设备容量Pe是该组内各设备的设备容量的总和。同一用 电设备组内包含有多台同类型设备，这些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，配电线路也有功率损耗。因此在确定设备组的计算负荷时 应考虑一个系数，即按需要系数法确定用电设备组有功计算负荷 的基本公式为
Pav
Wt 8760
(2-3)
图2-5 年平均负荷
2) 负荷系数
负荷系数KL又称为负荷率，是指平均负荷与最大负荷的比值，
即
KL
Pav Pmax
(2-4)
负荷系数表征负荷曲线的不平坦程度，也就是负荷变动的程度。
从充分发挥供电设备的能力、提高供电效率来说，希望负荷系数
越高、越趋向于1越好。从发挥整个电力系统的效能来说，应尽
(2-5)
2.2 用电设备的工作制与设备容量的计算
2.2.1 用电设备的工作制 1. 长期连续工作制 这类设备长期连续工作， 其特点是负荷比较稳定， 连
续工作发热足以使之达到热平衡状态， 温度达到稳定温升， 如通风机、泵类、空气压缩机、电机发电机组、电阻炉、照 明灯、机床主轴电动机、机械化运输设备等。
2. 短时工作制 这类设备运行时间短且停歇时间长。在运行时间内，用电 设备来不及发热到稳定温升就开始冷却，而其发热足以在停歇 时间内冷却到周围介质的温度，如机床上的辅助电动机、控制 闸门的电动机等。
3. 反复短时工作制
这类设备周期性地时而工作，时而停歇，工作周期一般不超
过10 min。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。通常用“暂载率”(又称“负荷持续率” )来
描述此类设备的工作特征。暂载率是指一个周期内工作时间与工
作周期的百分比值，用ε表示，即
t 100% t 100%
T
t t0
(2-6)
式中，T为工作周期；t为工作周期内的工作时间；t0为工作周期
内的停歇时间。
反复短时工作制设备的额定容量，一般是对应于某一标准暂
用功率之比；ηWL为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。由式(2-11)可知，需要系数是由上述几个影响计算
负荷的因素综合而成的一个系数。
实际上，需要系数不仅与用电设备组的工作性质、设备台数、 设备效率、线路损耗等因素有关，而且与工人的技术熟练程度、 生产组织等多种因素有关。因此，应尽可能通过实测分析确定， 使之尽量接近实际。
2.1 负荷曲线
2.1.1 日负荷曲线 日负荷曲线表示负荷在一昼夜24小时内的变化曲线。图2-1
表示某工厂的日有功负荷曲线。
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
日负荷曲线可用测量的方法绘制。绘制的方法有： (1) 以某个监测点为参考点，在24小时内各个时刻记录有功 功率表的读数，依点连成的负荷曲线，如图2-1(a)所示； (2)通过接在供电线路上的电能表，每隔半小时将其读数记 录下来，求出0.5小时的平均功率，再依次将这些点画在坐标上， 连成阶梯状的负荷曲线，如图2-1(b)所示。为便于计算，负荷曲 线多绘成梯形。其时间间隔取得愈短，曲线愈能反映负荷的实 际变化情况。
载率的。
2.2.2 设备容量的计算 每台用电设备的铭牌上都标有额定容量，但各用电设备
的工作条件不同，并且同一设备所规定的额定容量在不同的 暂载率下工作时，其输出功率是不同的。因此作为用电设备 组的额定容量就不能简单地直接相加，而必须换算成同一工 作制下的额定容量，然后才能相加；对同一工作制有不同暂 载率的设备，其设备容量也要按规定的暂载率进行统一换算。 经过换算至统一规定的工作制下的“额定容量”称为设备容 量，用Pe表示。
2.1.2 年负荷曲线 年负荷曲线反映负荷全年(8760小时)的变化情况，如图2-2所
示。 年负荷曲线通常绘成年负荷持续时间曲线，如图2-2(c)所示。
它是根据某一年中具有代表性的夏日负荷曲线(见图2-2(a) )和冬日 负荷曲线(见图2-2(b) )来绘制的。其中，夏日和冬日在全年中所占 的天数应视当地的地理位置和气温情况而定。一般北方地区可近 似认为夏日165天，冬日200天；南方地区则可近似认为夏日200 天，冬日165天。绘制时以负荷使用时间为横坐标，按负荷大小 依次排列，全年按8760小时计。从年负荷持续时间曲线能明显看 出： 一个企业在一年内不同负荷值所持续的时间，从而可以对系
量使不平坦的负荷曲线“削峰填谷”，以提高负荷系数。有时用
α来表示有功负荷系数，用β来表示无功负荷系数。对于一般工厂，
α=0.7～0.75，β=0.76～0.8。
对单个用电设备和用电设备组而言，负荷系数就是设备的输
出功率P与设备额定容量PN的比值， 它表征该设备或设备组的容
量是否被充分利用，即
P KL PN