建筑供配電 第二章 建筑供配電的負(fù)荷計算

1、v第一節(jié) 計算負(fù)荷的意義和計算目的v 在進行建筑供配電設(shè)計時，基本的原始資料有各種用電設(shè)備的產(chǎn)品銘牌數(shù)據(jù)（如額定容量、額定電壓）、建設(shè)規(guī)模、負(fù)荷密度等，這是設(shè)計的依據(jù)。但是，這些原始資料要變成供配電系統(tǒng)設(shè)計所需要的假想負(fù)荷計算負(fù)荷，才能進行設(shè)計。v 不能簡單地用設(shè)備額定容量做為計算負(fù)荷，這是因為所安裝的設(shè)備并非都同時運行；運行著設(shè)備的負(fù)荷性質(zhì)不同；同類設(shè)備實際負(fù)荷也并不是每一時刻都等于設(shè)備的額定容量，而是在不超過額定容量的范圍內(nèi)，時大時小地變化著。v v求計算負(fù)荷的這項工作稱為負(fù)荷計算。負(fù)荷計算主要包括：v (1)求計算負(fù)荷，也稱需用負(fù)荷。目的是為了合理的選擇供配電系統(tǒng)各級電壓供電網(wǎng)絡(luò)、主接線

2、、變壓器容量和電器設(shè)備型號等。v (2)求尖峰電流。用于計算電壓波動、電壓損失、選擇熔斷器和保護元件等。v (3)求平均負(fù)荷。用來計算供配電系統(tǒng)中電能需要量、電能損耗和選擇無功補償裝置等。v 求計算負(fù)荷意義重大，估算過高，導(dǎo)致有色金屬的浪費和工程投資的增加。反之，如估算過低，又會使供電系統(tǒng)的線路及電氣設(shè)備由于承擔(dān)不了實際負(fù)荷電流而過熱，加速其絕緣老化的速度，降低使用壽命，增大電能損耗，影響供配電系統(tǒng)的正常可靠運行。v第二節(jié) 用電設(shè)備的主要特征v按工作制分有連續(xù)運行、短時運行和反復(fù)短時運行三類。v (1)連續(xù)運行工作制：是指工作時間較長，連續(xù)運行的用電設(shè)備，絕大多數(shù)用電設(shè)備屬于此類工作制。如通風(fēng)

3、機、壓縮機、各種泵類、照明、各種電爐、機床、電解電鍍設(shè)備等。v (2)短時運行工作制：是指工作時間短，停歇時間相當(dāng)長的用電設(shè)備的工作制。如金屬切削機床用的輔助機械(橫梁升降，刀架快速移動裝置等)、水閘用電機等，這類設(shè)備的數(shù)量很少，不計入計算負(fù)荷。v(3)斷續(xù)周期工作制 ：這類工作制的設(shè)備周期性地時而工作，時而停歇，如此反復(fù)運行，好像有固定周期一樣，而工作周期一般不超過10min。此設(shè)備有兩種：電焊用變壓器和吊車、行車用電動機。v 斷續(xù)周期工作制的設(shè)備，可用“負(fù)荷持續(xù)率”(又稱暫載率)來表示其工作特征。負(fù)荷持續(xù)率為一個工作周期內(nèi)工作時間與工作周期的百分比值，用 JC（）表示，即v 設(shè)備容量的計算

4、v負(fù)荷計算不考慮備用設(shè)備的容量，而且要注意，此容量的計算與用電設(shè)備組的工作制有關(guān)。v1對一般連續(xù)工作制和短時工作制的用電設(shè)備組v設(shè)備容量是所有設(shè)備的銘牌額定容量之和。v2對斷續(xù)周期工作制的用電設(shè)備組v設(shè)備容量是將所有設(shè)備在不同負(fù)荷持續(xù)率下的銘牌額定容量換算到一個規(guī)定的負(fù)荷持續(xù)率下的容量之和。v第三節(jié) 負(fù)荷曲線及計算負(fù)荷v一、負(fù)荷曲線v 負(fù)荷曲線是用來表示用電功率隨時間變化關(guān)系的圖形。它反映了用戶用電的特點和規(guī)律。該曲線繪制在直角坐標(biāo)系內(nèi)，縱坐標(biāo)表示電力負(fù)荷，橫坐標(biāo)表示時間（小時為單位）。v 根據(jù)縱坐標(biāo)表示的負(fù)荷性質(zhì)不同，可分有功負(fù)荷曲線和無功負(fù)荷曲線。根據(jù)橫坐標(biāo)表示的持續(xù)工作時間的不同，又可分

5、為負(fù)荷班、日、星期、月、季度和年負(fù)荷曲線。日負(fù)荷曲線代表用戶一晝夜(0時24時)實際用電負(fù)荷的變化情況。如圖2-1(a)所示。年負(fù)荷曲線代表用戶全年(8760h)內(nèi)用電負(fù)荷變化規(guī)律。負(fù)荷曲線按負(fù)荷對象分，有單位的、大樓的或某類設(shè)備的負(fù)荷曲線。v 通常，為了使用方便，負(fù)荷曲線多繪制成階梯形。如圖21(b)為某工廠的階梯形的日負(fù)荷曲線。v年負(fù)荷曲線v1、負(fù)荷持續(xù)時間曲線，按負(fù)荷大小依次排列，如圖2-2c所示，全年按8760h計。v 上述年負(fù)荷曲線，根據(jù)其一年中具有代表性的夏日負(fù)荷曲線(圖2-3a)和冬日負(fù)荷曲線(圖2-3b)來繪制。其夏日和冬日在全年中所占的天數(shù)，應(yīng)視當(dāng)?shù)氐牡乩砦恢煤蜌鉁厍闆r而定。

6、例如在我國北方，可近似地認(rèn)為夏日165天，冬日200天；而在我國南方，則可近似地認(rèn)為夏日200天，冬日165天。假設(shè)繪制南方某廠的年負(fù)荷曲線(圖2-2c)，其中P1在年負(fù)荷曲線上所占的時間T1=200(t1+t1)，P2在年負(fù)荷曲線上所占的時間T2=v200t2+165t2，其余類推。v 年負(fù)荷曲線的另一種形式，是按全年每日的最大v負(fù)荷(通常取每日最大負(fù)荷的半小時平均值)繪制v的，稱為年每日最大負(fù)荷曲線，如圖所示。橫坐v標(biāo)依次以全年十二個月份的日期來分格。這種年最大v負(fù)荷曲線，可以用來確定擁有多臺電力變壓器的v變電所在一年內(nèi)的不同時期宜于投入幾臺運行，即所v謂經(jīng)濟運行方式，以降低電能損耗，提高

7、供電系統(tǒng)的v經(jīng)濟效益。v二、與負(fù)荷計算有關(guān)的幾個物理量v(一)年最大負(fù)荷和最大負(fù)荷利用小時數(shù)v 年最大負(fù)荷是指全年中最大工作班內(nèi)半小時（30分鐘）平均功率的最大值，并用符號Pm、Qm和Sm分別表示年有功、無功和視在最大負(fù)荷。v 半小時（30分鐘）平均最大功率P30v 所謂最大工作班，是指一年中最大負(fù)荷的工作班次，最大負(fù)荷最少出現(xiàn)23次的最大負(fù)荷，而不是偶然出現(xiàn)的某一個工作班。v 年最大負(fù)荷利用小時數(shù)Tm，是一個假想時間。其物理意義是，如果用戶以年最大負(fù)荷(如Pm)持續(xù)運行Tmh，則所消耗的電能恰好等于全年實際消耗的電能。如圖2-3(c)所示，年持續(xù)負(fù)荷曲線與兩軸所包絡(luò)的面積，等于Pm與Tm的乘

8、積(即面積I等于面積)，所以Tm可表達為：v 年最大負(fù)荷利用小時是反映電力負(fù)荷特征的一個重要參數(shù)，與工廠的生產(chǎn)班制有明顯的關(guān)系。例如一班制工廠，Tmax18003000h；兩班制工廠，Tmax35004800h；三班制工廠，Tmax50007000h。v(二)平均負(fù)荷和負(fù)荷系數(shù)v (1) 平均負(fù)荷是指電力用戶在一段時間內(nèi)消耗功率的平均值，記作Pav，Qav，Sav如圖所示為平均有功負(fù)荷，其值為用戶在由0到t時間內(nèi)所消耗的電能Wp(kWh)除以時間t，即：v (2) 負(fù)荷系數(shù)又稱負(fù)荷率，它是用電負(fù)荷的平均負(fù)荷Pav與其最大負(fù)荷Pm的比值.v 對負(fù)荷曲線來說，負(fù)荷系數(shù)亦稱負(fù)荷曲線填充系數(shù)，它表征負(fù)

9、荷曲線不平坦的程度，即表征負(fù)荷起伏變動的程度。從充分發(fā)揮供電設(shè)備的能力、提高供電效率來說，希望此系數(shù)越高越趨近于1越好。從發(fā)揮整個電力系統(tǒng)的效能來說，應(yīng)盡量使不平坦的負(fù)荷曲線v“削峰填谷”，提高負(fù)荷系數(shù)。v 負(fù)荷系數(shù)通常以百分值表示。負(fù)荷系數(shù)(負(fù)荷率)的符號有功負(fù)荷率用、無功負(fù)荷率用表示，即：v(三)需用系數(shù)v在供配電系統(tǒng)設(shè)計和運行中，常使用需用系數(shù)Kd，其與Pm、Pe的關(guān)系為：v需用系數(shù)是一個綜合系數(shù)，Kd只能靠測量統(tǒng)計確定。上述各種因素可供設(shè)計人員在變動的系數(shù)范圍內(nèi)選用時參考。表2-3為某些工廠的全廠需用系數(shù)及功率因數(shù)。表2-4為用電設(shè)備組的需用系數(shù)。表2-5為照明用電設(shè)備需用系數(shù)。表2-

10、6電氣光源的功率因數(shù)。表2-7為民用建筑用電設(shè)備需用系數(shù)；表2-8為單機負(fù)載率。v(四)利用系數(shù)（不講）v三、計算負(fù)荷定義v求計算負(fù)荷，也稱需用負(fù)荷。目的是為了合理的選擇供配電系統(tǒng)各級電壓供電網(wǎng)絡(luò)、主接線、變壓器容量和電器設(shè)備型號等。v 如何選？用按發(fā)熱條件選擇供電系統(tǒng)中各元件的負(fù)荷值。v 根據(jù)計算負(fù)荷選擇的電氣設(shè)備和導(dǎo)線電纜，如果以計算負(fù)荷連續(xù)運行，其發(fā)熱溫度不會超過允許值。v一般選P30作為Pm，作為計算負(fù)荷使用。v原因v（1）選擇設(shè)備時要考慮到最嚴(yán)重的情況下也能正常運行。（最大負(fù)荷）v（2）由于導(dǎo)體通過電流達到穩(wěn)定溫升的時間大約需(34)，為發(fā)熱時間常數(shù)。截面在16mm2及以上的導(dǎo)體，其

11、r10min，因此載流導(dǎo)體大約經(jīng)30min(半小時)后可達到穩(wěn)定溫升值。v由此可見，計算負(fù)荷實際上與從負(fù)荷曲線上查得的半小時最大負(fù)荷P30(亦即年最大負(fù)荷Pmax)是基本相當(dāng)?shù)?。所以計算?fù)荷也可以認(rèn)為就是半小時最大負(fù)荷。v v第四節(jié) 求計算負(fù)荷的方法v一、按需用系數(shù)法確定計算負(fù)荷v(一)三相用電設(shè)備組的計算負(fù)荷：v公式v例題v(二)多個用電設(shè)備組的計算負(fù)荷v多個用電設(shè)備組同時工作，各個用電設(shè)備組的最大負(fù)荷也非同時出現(xiàn)，因此計算總負(fù)荷時，應(yīng)再計入一個同時系數(shù)(或叫同期系數(shù)，混合系數(shù))K。具體計算如下：v三、計算負(fù)荷的估算方法v(一)單位產(chǎn)品耗電量法v當(dāng)已知企業(yè)年生產(chǎn)量為n，每生產(chǎn)單位產(chǎn)品電能消耗

12、量為(見表)，則：v（二)負(fù)荷密度法v 當(dāng)已知車間生產(chǎn)面積或某建筑面積負(fù)荷密度時，車間的平均負(fù)荷或某建筑的平均負(fù)v荷可按下式計算：v(三)其他估算法:v五、單相負(fù)荷計算v在工廠里，除了廣泛應(yīng)用的三相設(shè)備外，還應(yīng)用有電焊機、電爐、電燈等各種單相設(shè)備。v 在民用中有大量的單相負(fù)荷。v 單相設(shè)備接在三相線路中，應(yīng)盡可能均衡分配，使三相負(fù)荷盡可能均衡。v 1、 如果三相線路中單相設(shè)備的總?cè)萘坎怀^三相設(shè)備總?cè)萘康?5，則不論單相設(shè)備如何分配，單相設(shè)備可與三相設(shè)備綜合按三相負(fù)荷平衡計算。v 2、如果單相設(shè)備容量超過三相設(shè)備容量的15時，則應(yīng)將單相設(shè)備容量換算為等效三相設(shè)備容量，再與三相設(shè)備容量相加。v

13、3、由于確定計算負(fù)荷的目的，主要是為了選擇線路上的設(shè)備和導(dǎo)線(包括電纜)，使線路上的設(shè)備和導(dǎo)線在通過計算電流時不致過熱或損壞，因此在接有較多單相設(shè)備的三相線路中，不論單相設(shè)備接于相電壓還是線電壓，只要三相負(fù)荷不平衡，就應(yīng)以最大負(fù)荷相有功負(fù)荷的3倍作為等效三相有功負(fù)荷，以滿足安全運行的要求。（等效原則）v單相設(shè)備組等效三相負(fù)荷的計算v1單相設(shè)備接于相電壓時的等效三相負(fù)荷計算等效三相設(shè)備容量Pe應(yīng)按最大負(fù)荷相所接單相設(shè)備容量Pem的3倍計算，即v等效三相計算負(fù)荷則按前述需要系數(shù)法計算。v2單相設(shè)備接于線電壓時的等效三相負(fù)荷計算v3單相設(shè)備分別接于線電壓和相電壓時的等效三相負(fù)荷計算v 首先應(yīng)將接于線

14、電壓的單相設(shè)備換算為接于相電壓的設(shè)備容量，然后分相計算各相的設(shè)備容量和計算負(fù)荷?？偟牡刃嘤泄τ嬎阖?fù)荷為其最大有功負(fù)荷相的有功計算負(fù)荷vP30m的3倍，即v 總的等效三相無功計算負(fù)荷為最大有功負(fù)荷相的無功計算負(fù)荷Q30m的3倍，即v線電壓的單相設(shè)備容量換算為接于相電壓的設(shè)備容量v1、負(fù)荷均攤法：即v2、系數(shù)法：v四、民用建筑負(fù)荷計算v照明：v一般用電插座每個可按100W計算：v需要系數(shù)：v按逐級計算法確定總計算負(fù)荷：v第六節(jié) 供配電系統(tǒng)的功率損耗與電能需要量計算v一、供電線路的功率損耗v三相供電線路的有功功率損耗P，無功功率損耗Q分別按下式計算：v二、變壓器的功率損耗v變壓器的損耗包括有功功

15、率損耗PT和無功功率損耗QT。v(一)有功功率損耗v 有功功率損耗又由兩部分組成。其一為空載損耗，又稱鐵損(固定損耗），它是變壓器主磁通在鐵芯中產(chǎn)生的有功損耗（磁滯、渦流）。因為變壓器主磁通只與外加電壓有關(guān)，當(dāng)外加電壓u和頻率f恒定時，鐵損也為常數(shù)，與負(fù)荷大小無關(guān)?？蛰d損耗可由空載實驗確定。v 另一部分是短路損耗，又稱銅損，它是變壓器負(fù)荷電流在一次、二次繞組的電阻中產(chǎn)生的有功損耗，其值與負(fù)荷電流平方(或功率)成正比。短路損耗可由短路實驗確定。所以雙卷變壓器有功功率損耗表達式為v(二)無功功率損耗v 同樣，無功功率損耗也由兩部分組成。一部分是變壓器空載時，由產(chǎn)生主磁通勵磁電流所造成的無功損耗。另

16、一部分是由變壓器負(fù)荷電流在一、二次繞組電抗上產(chǎn)生的無功損耗（漏磁通）。其表達式為：v三、無功補償及補償后的計算負(fù)荷v無功補償?shù)谋匾詖 電力系統(tǒng)中使用的輸變電設(shè)備及電力用戶的用電設(shè)備，如電力變壓器、電抗器、感應(yīng)電動機、電焊機、高頻爐、日光燈等大部分具有電感的特性。它們在建立交變磁場時需從電力系統(tǒng)中吸收無功功率。但無功功率并不是實際作功的功率，電力系統(tǒng)中的發(fā)電設(shè)備在其發(fā)出的視在功率為一定時，無功功率需求的增加，將會造成發(fā)出的有功功率的下降而影響發(fā)電機的出力。同時，無功功率在系統(tǒng)的輸送中會造成許多不利的影響：(1)無功功率在通過電網(wǎng)時，會引起線路及設(shè)備的有功損耗。因此在輸送有功功率為一定時，增加無

17、功功率會使總電流增加而引起供電線路及設(shè)備的有功功率損耗相應(yīng)的增加。 (2)電網(wǎng)的電壓損失將會隨著無功功率的增加而增加，這給電網(wǎng)電壓的調(diào)整帶來困難。(3)在電網(wǎng)輸送有功不變下，無功增加而使總電流增加，會使供電系統(tǒng)中的如變壓器、斷路器、導(dǎo)線以及測量儀器、儀表等等的一次、二次設(shè)備的容量、規(guī)格尺寸增大，從而使投資費用增加。v 在供電營業(yè)規(guī)則，中規(guī)定：“用戶在當(dāng)?shù)毓╇娖髽I(yè)規(guī)定的電網(wǎng)高峰負(fù)荷時的功率因數(shù)應(yīng)達到下列規(guī)定：100kVA及以上高壓供電的用戶功率因數(shù)為090以上，其他電力用戶和大、中型電力排灌站、躉購轉(zhuǎn)售電企業(yè)，功率因數(shù)為085以上。”并規(guī)定，凡功率因數(shù)未達到上述規(guī)定的，應(yīng)增添無功補償裝置（處罰）

18、 ，通常采用并聯(lián)電容器進行（就地）補償。v 人工補償裝置的補償容易可按下式計算：v 式中的平均負(fù)荷Pav也可用計算負(fù)荷Pc乘以負(fù)荷系數(shù)代替，則得：v無功補償后的計算負(fù)荷v 裝設(shè)了無功補償裝置以后，則在確定補償?shù)攸c以前的總計算負(fù)荷時，應(yīng)扣除無功補償容量，即總的無功計算負(fù)荷：v 由上式可以看出，在變電所低壓側(cè)裝設(shè)了無功補償裝置以后，由于低壓側(cè)總的視在計算負(fù)荷減小，從而可使變電所主變壓器容量選得小一些。v電力電容器的裝設(shè)位置v 實際中廣泛應(yīng)用的補償無功的并聯(lián)電力電容器，其裝設(shè)的位置因不同的補償方式而不同。電力電容器的補償方式通常分為三種：個別補償、分組補償和集中補償。個別補償就是將電力電容器裝設(shè)在需要補償?shù)碾姎庠O(shè)備附近，使用中與電氣設(shè)備同時運行和退出，如圖所示。v 個別補償處于供電的末端負(fù)荷處，它可補償安裝地點前面所有高、低壓輸電線路及變壓器的無功功率，能最大限度地減少系統(tǒng)的無功輸送量，使得整個線路和變壓器的有功損耗減少，及導(dǎo)線的截面、變壓器的容量、開關(guān)設(shè)備等的規(guī)格尺寸降低，它有最好的補償效果。其缺點是：v (1)普遍采用時總體投資費用大。v (2)由于設(shè)置地點分散，不便于統(tǒng)一管理。v (3)其處于工作現(xiàn)場附近易受到周圍不良環(huán)境的影響。v (4)因設(shè)備退出運行時也同時切除電容器，所以利用率低。個別補償適合于長期平穩(wěn)運行的，無功需求量大的設(shè)備設(shè)置。v 分組補償，即對用電設(shè)備組，每組