煤矿供电技术 第二章

第二章负荷计算第一节负荷曲线企业生产所需要的电能，除大型厂矿企业建有自备发电厂可供应部分用电外，通常均由电力系统供给。

企业所使用的电能都是通过企业的各级变电站经过电压变换后，分配到用电设备。

因此，企业变电站可以说是企业电力供应的枢纽，所处的地位十分重要。

如何正确地计算选择各级变电站的变压器容量及其它主要电气设备，这是保证对企业进行安全可靠供电的重要前提。

进行企业电力负荷计算的主要目的就是为了正确地选择企业各级变电站的变压器容量、各种电气设备的型号、规格以及供电网所用导线的型号、截面积等提供科学依据。

因此，企业负荷计算主要应包括以下方面：（1）求计算负荷，或称需用负荷，目的是为了合理地选择企业各级变电站的变压器容量和电气设备的型号等。

（2）求尖峰电流，用于计算电压损失、电压波动、选择熔断器和保护元件等。

（3）求平均负荷，用来计算全厂电能需要量、电能损耗和选择无功补偿装置等。

一、负荷曲线在电力系统中，用电设备所需用的电功率称为电力负荷，称为负荷。

功率是表示能量变化速率的一个重要物理量。

通常，电功率又分为有功功率、无功功率和视在功率。

负荷有时也用电流表示。

目前，供电部门分配的负荷指标是每小时平均有功功率，而不是视在功率。

但对变电站的变压器或其他电气设备，则常以视在功率为限额。

不论是一台用电设备，还是一组用电设备，其用电负荷均不可能保持固定不变，它在一昼夜内或一年内均随时间而变化。

负荷曲线是用来表示一组用电设备的用电功率随时间变化关系的图形，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内，一般纵坐标表示电力负荷，横坐标表示时间。

负荷曲线按负荷对象可分为企业的、车间的或是某用电设备组的负荷曲线；按负荷的功率性质可分为有用功和无功负荷曲线；按所表示负荷变动的时间分，有年负荷曲线、月负荷曲线、日负荷曲线或工作班的负荷曲线，日负荷曲线代表用户一昼夜(24h)实际用电负荷的变化情况。

图2-1是某企业的日有功负荷曲线。

图2-l a是依点连成的负荷曲线。

通常，为了使用方便，将曲线绘制成如图2-1b的阶梯形负荷曲线。

日负荷曲线可用测量的方法来绘制。

绘制的方法是：先将横坐标按一定时间间隔(一般为半小时)分格。

再根据功率表读数，将每一时间间隔内功率的平均值，对应横坐标相应的时间间隔绘在图上，即得阶梯形负荷曲线。

其时间间隔取得愈短，则该负荷曲线愈能反映负荷的实际情况。

日负荷曲线与坐标所包围的面积代表全日所消耗的电能数。

图2-1 日有功负荷曲线年负荷曲线代表用户全年(8760h)内用电负荷变化规律。

企业的年负荷曲线可以根据企业一年中具有代表性的冬季和夏季的日负荷曲线来绘制。

图2-2就表示这种年负荷曲线绘制的方法。

图2-2a以表示某企业具有代表性的夏季日负荷曲线，图2-2b表示该企业具有代表性冬季日负荷曲线，图2-2c是由此绘制的该企业的年负荷曲线。

年负荷曲线的横坐标用一年365天的总时数8760h来分格。

绘制年负荷曲线时，冬季日和夏季日所占的天数，应视当地的地理位置和气温情况而定。

在我国北方，一般可近似地认为夏日165天，冬日200天；而在我国南方，则可以近似地认为夏日200天，冬日165天，图2-2c就假定是绘制我国南方某企业的年负荷曲线。

图2-2 年负荷曲线的绘制上述年负荷曲线反映了企业全年负荷变动与负荷持续时间的关系，所以也称为年负荷持续时间曲线，一般就简称为年负荷曲线。

还有另一种年负荷曲线，它是按全年每日的最大负荷(一般取为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2-3所示。

横坐标依次以全年十二个月份的日期来分格。

这种年最大负荷曲线，可用来确定拥有多台电力变压器的企业变电站在一年内不同时期宜于投入几台变压器运行，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。

从各种负荷曲线上，可以直观地了解负荷变动的情况。

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，并可以从中获得一些对设计和运行有用的资料。

二、有关负荷计算的几个物理量 1．年最大负荷和年最大负荷利用小时年最大负荷，就是全年中负荷最大的工作班内消耗电能最大的半小时平均功率，并分别用符号max P ，max Q 和max S 表示。

图2-3 年每日最大负荷曲线 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是一个假想时间，在此时间内，电力负荷按年最大负荷max P 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。

年最大负荷利用小时用符号max T 表示。

如图，max P 延伸到max T 的横线与两坐标轴所包围的矩形面积，恰好等于年负荷曲线与两坐标轴所包围的面积，即全年实际消耗的电能p A 。

因此，年最大负荷利用小时m a x m a x/,defp T A P= h (2-1)式中 p A ——全年消耗的有功电能，∙kW h 。

年最大负荷利用小时是反映企业电力负荷是否均匀的一个重要指标。

max T 与企业的生产班制有较大关系。

例如一班制企业，max T ≈1800~2500h ；两班制企业，max T ≈3500~4500h ；三班制企业，maxT ≈5000~7000h 。

2．平均负荷和负荷系数平均负荷就是电力负荷在一定时间t 内消耗功率的平均值，分别用符号a v P 、a v Q 、avS 表示。

即/defav t P A t = （2-2）对于年平均负荷，t 取8760（h ）。

因此，年平均负荷/8760defav t P A = （2-3）负荷系数lo K ，是平均负荷与最大负荷的比值，即m a x/d e fl o a v K P P = （2-4） 负荷系数也称负荷率，又叫负荷曲线填充系数，它是表征负荷变化规律的一个参数，其值愈大，则负荷曲线愈平坦，负荷波动愈小。

从发挥整个电系统的效能来说，应尽量设法使企业不平坦的负荷曲线“削峰填谷”，这就是企业供电系统在运行中应该实行的负荷调整。

对用电设备来说，负荷系数就是设备在最大负荷时的输出功率P 与设备额定容量N P 的比值，即/deflo N K P P = （2-5）表2-1 各种工厂的有功年最大负荷利用小时数(h)注：本表所给数值为参考值，其它工厂可查有关手册3．需用系数和利用系数需用系数d K 是用电设备组实际从电网吸收的最大负荷与该用电设备组的额定总容量的比值。

即∑=N d P P K max （2-6）式中 ∑N P ——用电设备组的额定总容量，kW 。

利用系数c K 是用电设备组实际从电网吸收负荷的平均值与该用电设备组额定容量的比值。

∑=N av c P P K （2-7）对各类型企业的负荷曲线进行观察发现，同一类型的用电设备组、车间或企业，其负荷曲线是大致相同的。

也即，同一用电设备组，其需用系数和利用系数的值是很接近的。

我国工矿企业的技术管理科室和设计研究部门通过长期的调查研究，并参考一些国外资料，已统计出一些用电设备组的典型需用系数d K 和利用系数c K 数据，可供企业负荷计算时参考，表2-2为工业企业常见用电设备组的需用系数d K 和功率因数ϕcos 。

表2-2 用电设备的需用系数4．尖峰负荷和低谷负荷在一昼夜间用户出现的最大负荷，称为尖峰负荷；出现的最小负荷，称为低谷负荷。

由于各行业用电特点的不同，出现尖峰负荷和低谷负荷时间也不尽相同。

5．计算负荷定义计算负荷是按发热条件选择导体和电气设备时所使用的一个假想负荷。

按这个“计算负荷”持续运行时所产生的热效应，与按实际变动负荷长期运行所产生最大热效应相等。

换句话说，当导体持续流过“计算负荷”时所产生的导体恒定温升，恰好等于导体流过实际变动负荷时所产生的平均最高温升，从发热效果来看，二者是等效的。

通常规定取30min 平均负荷最大值ca P 、ca Q 和ca S 作为该用户的“计算负荷”，用ca P 、ca Q 和ca S 表示。

这是因为一般16mm 2以上的导线，其发热时间常数τ在10min 以上，因此，时间很短的尖峰负荷不是造成导线达到最高温度的主要矛盾。

因为导线还来不及升到其相应的温度前，这个尖峰负荷就已消失了。

理论分析和实验都证明，导线达到稳定温升的时间约为min 301033=⨯=τ。

因此，只有持续时间在30min 以上的负荷值，才有可能构成导线的最大温升。

这就是规定选取“半小时平均负荷”的理论依据。

从以上定义可见，虽年最大负荷max P 和计算负荷ca P 定义不同，但其物理意义很相近。

因此，基本满足以下关系：⎪⎩⎪⎨⎧===caca caS SQ Q P P max max max （2-8）第二节 负荷计算的方法目前，我国设计部门在进行企业供电设计时经常采用的电力负荷计算方法有：需用系数法、二项系数法、利用系数法、单位电耗法和单位面积功率法等。

需用系数法计算简便，对于任何性质的企业负荷均适用，且计算结果基本上符合实际，因此，这种计算方法应用最广泛。

尤其对用电设备容量相差较小，且用电设备数量较多的用电设备组，这种计算方法最为适宜。

二项系数法则主要适用于用电设备容量相差大的场合，如机械加工企业、煤矿井下综采工作面等。

利用系数法是以平均负荷作为计算的依据，利用概率论分析出最大负荷与平均负荷的关系。

这种计算方法虽理论依据较充分，但由于目前积累的实用数据不多，且计算步骤较繁琐，精确度也并不比前两种方法强多少，所以，目前已逐渐不被采用。

最后两种方法常用于方案估算。

一、设备容量的确定确定计算负荷，首先必须先确定用电设备的容量。

用电设备铭牌上标出的功率(或称容量)称为用电设备的额定功率N P ，该功率是指用电设备(如电动机)额定的输出功率。

企业用电设备，按其工作制分为长期连续工作制、短时工作制和断续周期工作制三类。

因而在求计算负荷时，不能将其额定功率简单地直接相加，而需将不同工作制的用电设备额定功率换算成统一规定的工作制条件下的功率，称这个功率为用电设备功率(或容量)μN P 。

1．长期连续工作制这类工作制的用电设备长期连续运行，负荷比较稳定，如通风机、空气压缩机、水泵、电动发电机等。

机床电动机，虽一般变动较大，但多数也是长期连续运行的。

对长期工作制的用电设备有：N N P P =μ （2-9） 2．短时工作制这类工作制的用电设备工作时间很短，而停歇时间相当长。

如煤矿井下的排水泵等。

对这类用电设备也同样有：N N P P =μ （2-10） 3．短时连续工作制用电设备这类工作制的用电设备周期性的工作。

如此反复运行，而工作周期一般不超过10min 。

如电焊机、吊车电动机等。

断续周期工作制设备，可用“负荷持续率”来表征其工作性质。

负荷持续率为一个工作周期内工作时间与工作周期的百分比值，用ε表示100%100%deft t Tt t ε=⨯=⨯+ （2-11）式中 T ——工作周期，s ；t ——工作周期内的工作时间，s ；0t ——工作周期内的停歇时间，s 。