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1、第二章 工厂的电力负荷及其计算刘红宇2021/9/211v第一节工厂的电力负荷与负荷曲线v第二节 三相用电设备组计算负荷的确定2021/9/212第二章 工厂的电力负荷及其计算v第一节工厂的电力负荷与负荷曲线v一、工厂电力负荷的分级及其对供电电源的要求v(一)工厂电力负荷的分级v 工厂的电力负荷，按供配电系统设计规范规定，分为三级：v一、符合下列情况之一时，应为一级负荷：中断供电将造成人身伤亡时。中断供电将在政治、经济上造成重大损失时。例如：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要长时间才能恢复等。中断供电将影响有重大政治、经济意义的
2、用电单位的正常工作。例如：重要交通枢纽、重要通信枢纽、重要宾馆、大型体育场馆、经常用于国际活动的大量人员集中的公共场所等用电单位中的重要电力负荷。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。2021/9/213第二章 工厂的电力负荷及其计算v二、符合下列情况之一时，应为二级负荷：中断供电将在政治、经济上造成较大损失时。例如：主要设备损坏、大量产品报废、连续生产过程被打乱需较长时间才能恢复、重点企业大量减产等。中断供电将影响重要用电单位的正常工作。例如：交通枢纽、通信枢纽等用电单位中的重要电力负荷，以及中断供电将造成大
3、型影剧院、大型商场等较多人员集中的重要的公共场所秩序混乱。v三、不属于一级和二级负荷者应为三级负荷。2021/9/214第二章 工厂的电力负荷及其计算v(二)各级电力负荷对供电电源的要求v（1）一级负荷的供电电源应符合下列规定：a、一级负荷应由两个电源供电；当一个电源发生故障时，另一个电源不应同时受到损坏。b、一级负荷中特别重要的负荷，除由两个电源供电外，尚应增设应急电源，并严禁将其它负荷接入应急供电系统。v 下列电源可作为应急电源：1、独立于正常电源的发电机组。2、供电网络中独立于正常电源的专用的馈电线路。3、蓄电池。4、干电池。v 2021/9/215第二章 工厂的电力负荷及其计算v根据允
4、许中断供电的时间可分别选择下列应急电源：v1、允许中断供电时间为15s以上的供电，可选用快速自启动的发电机组。2、自投装置的动作时间能满足允许中断供电时间的，可选用带有自动投入装置的独立于正常电源的专用馈电线路。3、允许中断供电时间为毫秒级的供电，可选用蓄电池静止型不间断供电装置、蓄电池机械贮能电机型不间断供电装置或柴油机不间断供电装置。v 应急电源的工作时间，应按生产技术上要求的停车时间考虑。当与自动启动的发电机组配合使用时，不宜少于10min。v 2021/9/216第二章 工厂的电力负荷及其计算v（2）二级负荷的供电系统，宜由两回线路供电。在负荷较小或地区供电条件困难时，二级负荷可由一回
5、6KV及以上专用的架空线路或电缆供电。当采用架空线时，可为一回架空线供电；当采用电缆线路时，应采用两根电缆组成的线路供电，其每根电缆应能承受100%的二级负荷。v（3）三级负荷对供电电源的要求 由于三级负荷为不重要的一般负荷，因此它对供电电源无特殊要求。2021/9/217第二章 工厂的电力负荷及其计算v v二、工厂用电设备的工作制(负荷分类）v 工厂的用电设备，按其工作制(duty-type)分以下三类：v (1)连续工作制：这类工作制的设备运行时间长，停歇时间短。如通风机、水泵、空气压缩机、电机发电机组、电炉和照明灯等。机床电动机的负荷，一般变动较大，但其主电动机一般也是连续运行的。v (
6、2)短时工作制：这类工作制的设备停歇时间长，运行时间很短如机床上的某些辅助电动机(例如进给电动机)、控制闸门的电动机等。（负荷统计时不计入）2021/9/218第二章 工厂的电力负荷及其计算v(3)断续周期工作制)：这类工作制的设备周期性地时而工作，时而停歇，如此反复运行，好像有固定周期一样，而工作周期一般不超过10min。此设备有两种：电焊用变压器和吊车、行车用电动机。v 断续周期工作制的设备，可用“负荷持续率”(又称暂载率)来表示其工作特征。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 表示，即2021/9/2192021/9/2110v 吊车机组用电动机（包括电葫芦、起重机
7、、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:v 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:2021/9/2111第二章 工厂的电力负荷及其计算v三、负荷曲线的概念v负荷曲线是表征电力负荷随时间变动情况的一种图形，它绘在直角坐标纸上，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)。v 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
8、的负荷曲线。v 2021/9/2112v图2-1是一班制工厂的日有功负荷曲线，其中图2-1a是依点连成的负荷曲线，图2-1b是绘成梯形的负荷曲线。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”。2021/9/2113第二章 工厂的电力负荷及其计算v年负荷曲线v1、负荷持续时间曲线，按负荷大小依次排列，如图2-2c所示，全年按8760h计。v 上述年负荷曲线，根据其一年中具有代表性的夏日负荷曲线(图2-2a)和冬日负荷曲线(图2-2b)来绘制。其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。例如在我国北方，可近似地认为夏日165天，冬日200
9、天；而在我国南方，则可近似地认为夏日200天，冬日165天。假设绘制南方某厂的年负荷曲线(图2-2c)，其中P1在年负荷曲线上所占的时间T1=200(t1+t1)，P2在年负荷曲线上所占的时间T2=v200t2+165t2，其余类推。2021/9/2114第二章 工厂的电力负荷及其计算v 2021/9/2115第二章 工厂的电力负荷及其计算v四、与负荷曲线和负荷计算有关的物理量v1、年最大负荷和最大负荷利用小时数v 年最大负荷是指全年中最大工作班内半小时（30分钟）平均功率的最大值，并用符号Pm、Qm和Sm分别表示年有功、无功和视在最大负荷。v 半小时（30分钟）平均最大功率P30v 所谓最大
10、工作班，是指一年中最大负荷的工作班次，最大负荷最少出现23次的最大负荷，而不是偶然出现的某一个工作班。v 年最大负荷利用小时数Tm，是一个假想时间。其物理意义是，如果用户以年最大负荷(如Pm)持续运行Tmh，则所消耗的电能恰好等于全年实际消耗的电能。如图2-3(c)所示，年持续负荷曲线与两轴所包络的面积，等于Pm与Tm的乘积(即面积I等于面积)，所以Tm可表达为：v 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，Tmax18003000h；两班制工厂，Tmax35004800h；三班制工厂，Tmax50007000h。2021/9/2116第
11、二章 工厂的电力负荷及其计算v2、平均负荷和负荷系数v (1)平均负荷是指电力用户在一段时间内消耗功率的平均值，记作Pav，Qav，Sav如图所示为平均有功负荷，其值为用户在由0到t时间内所消耗的电能Wt(kWh)除以时间t，即：v (2)负荷系数又称负荷率，它是用电负荷的平均负荷Pav与其最大负荷Pm的比值.v 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。v 负荷系数通常以百分值表示
12、。负荷系数(负荷率)的符号有功负荷率用、无功负荷率用表示，即：2021/9/2117第二章 工厂的电力负荷及其计算v第二节 三相用电设备组计算负荷的确定v一、概述v 求计算负荷，也称需用负荷。目的是为了合理的选择供配电系统各级电压供电网络、主接线、变压器容量和电器设备型号等。v 如何选？用按发热条件选择供电系统中各元件的负荷值。v 根据计算负荷选择的电气设备和导线电缆，如果以计算负荷连续运行，其发热温度不会超过允许值。2021/9/2118第二章 工厂的电力负荷及其计算v一般选P30作为Pm，作为计算负荷使用。v原因v（1）选择设备时要考虑到最严重的情况下也能正常运行。v（2）由于导体通过电流
13、达到稳定温升的时间大约需(34)，为发热时间常数。截面在16mm2及以上的导体，其r10min，因此载流导体大约经30min(半小时)后可达到稳定温升值。v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。v 求计算负荷意义重大，估算过高，导致有色金属的浪费和工程投资的增加。反之，如估算过低，又会使供电系统的线路及电气设备由于承担不了实际负荷电流而过热，加速其绝缘老化的速度，降低使用寿命，增大电能损耗，影响供配电系统的正常可靠运行。2021/9/2119第二章 工厂的电力负荷及其计算v二、按需要系数
14、法确定计算负荷v(一)基本公式v 在供配电系统设计和运行中，常使用需用系数 Kd，其与Pm、Pe的关系为：v需用系数是一个综合系数，Kd只能靠测量统计确定。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。v 表为某些需用系数及功率因数。2021/9/2120第二章 工厂的电力负荷及其计算v1、需要系数法确定三相用电设备组有功计算负荷的基本公式为：v P30=KdPev后续公式：v例题：2021/9/2121第二章 工厂的电力负荷及其计算v(二)设备容量的计算v 需要系数法基本公式P30=KdPe中的设备容量Pe，不含备用设备的容量，而且要注意，此容量的计算与用电设备组的工作制有关。v 1
15、对一般连续工作制和短时工作制的用电设备组v 设备容量是所有设备的铭牌额定容量之和。v 2对断续周期工作制的用电设备组v 设备容量是将所有设备在不同负荷持续率下的铭牌额定容量换算到一个规定的负荷持续率下的容量之和。容量换算的公式如式(2-2)所示。断续周期工作制的用电设备常用v的有电焊机和吊车电动机，各自的换算要求如下：v (1)电焊机组要求容量统一换算到=100。v (2)吊车电动机组要求容量统一换算到=25。2021/9/2122第二章 工厂的电力负荷及其计算v(三)多组用电设备计算负荷的确定v 确定拥有多组用电设备的干线上或车间变电所低压母线上的计算负荷时，应考虑各组用电设备的最大负荷不同
16、时出现的因素。因此在确定多组用电设备的计算负荷时，应结合具体情况对其有功负荷和无功负荷分别计人一个同时系数(又称参差系数或综合系数)Kp，Kq2021/9/2123第二章 工厂的电力负荷及其计算2021/9/2124第二章 工厂的电力负荷及其计算v三、计算负荷的估算方法v(一)单位产品耗电量法v当已知企业年生产量为n，每生产单位产品电能消耗量为(见表)，则：v（二)负荷密度法v 当已知车间生产面积或某建筑面积负荷密度时，车间的平均负荷或某建筑的平均负v荷可按下式计算：v(三)其他估算法:2021/9/2125第二章 工厂的电力负荷及其计算v第三节单相用电设备组计算负荷的确定v一、概述v 在工厂
17、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。v 在民用中有大量的单相负荷。v 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。v 1、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。v 2、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。v 3、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(包括电缆)，使线路上的设备和导线在通过计算电流时不致过热或损坏，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
18、相电压还是线电压，只要三相负荷不平衡，就应以最大负荷相有功负荷的3倍作为等效三相有功负荷，以满足安全运行的要求。（等效原则）2021/9/2126第二章 工厂的电力负荷及其计算v二、单相设备组等效三相负荷的计算v1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Pe应按最大负荷相所接单相设备容量Pem的3倍计算，即v等效三相计算负荷则按前述需要系数法计算。v2单相设备接于线电压时的等效三相负荷计算v3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v 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
19、的有功计算负荷vP30m的3倍，即v 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Q30m的3倍，即2021/9/2127第二章 工厂的电力负荷及其计算v线电压的单相设备容量换算为接于相电压的设备容量v1、负荷均摊法：即v2、系数法：2021/9/2128第二章 工厂的电力负荷及其计算v第四节 工厂的计算负荷及年耗电量的计算v一、工厂计算负荷的确定v(一)按需要系数法确定工厂计算负荷v(二)按年产量估算工厂计算负荷v(三)按逐级计算法确定工厂计算负荷v功率损耗：v一、供电线路的功率损耗v三相供电线路的有功功率损耗P，无功功率损耗Q分别按下式计算：2021/9/2129第二章 工厂的电
20、力负荷及其计算v二、变压器的功率损耗v变压器的损耗包括有功功率损耗PT和无功功率损耗QT。v(一)有功功率损耗v 有功功率损耗又由两部分组成。其一为空载损耗，又称铁损，它是变压器主磁通在铁芯中产生的有功损耗。因为变压器主磁通只与外加电压有关，当外加电压u和频率f恒定时，铁损也为常数，与负荷大小无关。空载损耗可由空载实验确定。v 另一部分是短路损耗，又称铜损，它是变压器负荷电流在一次、二次绕组的电阻中产生的有功损耗，其值与负荷电流平方(或功率)成正比。短路损耗可由短路实验确定。所以双卷变压器有功功率损耗表达式为v(二)无功功率损耗v 同样，无功功率损耗也由两部分组成。一部分是变压器空载时，由产生
21、型磁通励磁电流所造成的无功损耗。另一部分是由变压器负荷电流在一、二次绕组电抗上产生的无功损耗。其表达式为：2021/9/2130第二章 工厂的电力负荷及其计算v(四)工厂的功率因数、无功补偿及补偿后的工厂计算负荷v无功补偿的必要性v 电力系统中使用的输变电设备及电力用户的用电设备，如电力变压器、电抗器、感应电动机、电焊机、高频炉、日光灯等大部分具有电感的特性。它们在建立交变磁场时需从电力系统中吸收无功功率。但无功功率并不是实际作功的功率，电力系统中的发电设备在其发出的视在功率为一定时，无功功率需求的增加，将会造成发出的有功功率的下降而影响发电机的出力。同时，无功功率在系统的输送中会造成许多不利
22、的影响：(1)无功功率在通过电网时，会引起线路及设备的有功损耗。因此在输送有功功率为一定时，增加无功功率会使总电流增加而引起供电线路及设备的有功功率损耗相应的增加。(2)电网的电压损失将会随着无功功率的增加而增加，这给电网电压的调整带来困难。(3)在电网输送有功不变下，无功增加而使总电流增加，会使供电系统中的如变压器、断路器、导线以及测量仪器、仪表等等的一次、二次设备的容量、规格尺寸增大，从而使投资费用增加。v 2021/9/2131第二章 工厂的电力负荷及其计算v在供电营业规则，中规定：“用户在当地供电企业规定的电网高峰负荷时的功率因数应达到下列规定：100kVA及以上高压供电的用户功率因数
23、为090以上，其他电力用户和大、中型电力排灌站、趸购转售电企业，功率因数为085以上。”并规定，凡功率因数未达到上述规定的，应增添无功补偿装置（处罚），通常采用并联电容器进行（就地）补偿。2021/9/2132第二章 工厂的电力负荷及其计算v人工补偿装置的补偿容量可按下式计算：v 式中的平均负荷Pav也可用计算负荷Pc乘以负荷系数代替，则得：v无功补偿后的计算负荷v 装设了无功补偿装置以后，则在确定补偿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：v 由上式可以看出，在变电所低压侧装设了无功补偿装置以后，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容量选得小一些。2
24、021/9/2133第二章 工厂的电力负荷及其计算v电力电容器的装设位置v 实际中广泛应用的补偿无功的并联电力电容器，其装设的位置因不同的补偿方式而不同。电力电容器的补偿方式通常分为三种：个别补偿、分组补偿和集中补偿。个别补偿就是将电力电容器装设在需要补偿的电气设备附近，使用中与电气设备同时运行和退出，如图所示。v 个别补偿处于供电的末端负荷处，它可补偿安装地点前面所有高、低压输电线路及变压器的无功功率，能最大限度地减少系统的无功输送量，使得整个线路和变压器的有功损耗减少，及导线的截面、变压器的容量、开关设备等的规格尺寸降低，它有最好的补偿效果。其缺点是：v (1)普遍采用时总体投资费用大。v
25、 (2)由于设置地点分散，不便于统一管理。v (3)其处于工作现场附近易受到周围不良环境的影响。v (4)因设备退出运行时也同时切除电容器，所以利用率低。个别补偿适合于长期平稳运行的，无功需求量大的设备设置。2021/9/2134第二章 工厂的电力负荷及其计算v分组补偿，即对用电设备组，每组采用电容器进行补偿。其利用率比个别补偿大，所以电容器总容量也比个别补偿小，投资比个别补偿小。但其对从补偿点到用电设备这段配电线路上的无功是不能进行补偿的。分组补偿如图。v 集中补偿的电力电容器通常设置在变、配电所的高、低压母线上。如图。将集中补偿的电力电容器设置在用户总降变电所的高压、低压母线上，这种方式投资少，便于集中管理；同时能补偿用户高压侧的无功以满足供电部门对用户功率因数的要求。但其对母线后的内部线路没有无功补偿。电力电容器设置在低压母线上能补偿母线前面变压器，高压配电线路及系统的无功。v 工厂及民用供配电系统中电力电容器常采用高、低压混合补偿形式，以互相补充，发挥各补偿方式的特点。2021/9/2135第二章 工厂的电力负荷及其计算2021/9/2136