電力工程基礎(chǔ)之電力負(fù)荷計(jì)算概述

第二章電力負(fù)荷計(jì)算電力工程基礎(chǔ)南京理工大學(xué)第二章電力負(fù)荷計(jì)算2.1電力負(fù)荷與負(fù)荷曲線2.2計(jì)算負(fù)荷的意義2.3確定計(jì)算負(fù)荷的方法2.4尖峰電流的計(jì)算2.5無(wú)功功率補(bǔ)償1/13/20232.1電力負(fù)荷與負(fù)荷曲線電力負(fù)荷（electricpowerload）又稱電力負(fù)載，有兩種含義：一是指耗用電能的用電設(shè)備或用戶，如說(shuō)重要負(fù)荷、一般負(fù)荷、動(dòng)力負(fù)荷、照明負(fù)荷等。另一種是指用電設(shè)備或用戶耗用的功率或電流大小，如說(shuō)輕負(fù)荷（輕載）、重負(fù)荷（重載）、空負(fù)荷（空載）、滿負(fù)荷（滿載）等。電力負(fù)荷的具體含義視具體情況而定。1/13/2023

一、電力負(fù)荷的分級(jí)及供電要求

供電方式:由兩個(gè)獨(dú)立電源供電；設(shè)應(yīng)急電源。1．一級(jí)負(fù)荷：中斷供電將可能造成人身傷亡；或造成重大設(shè)備損壞，重大產(chǎn)品報(bào)廢，產(chǎn)生重大的經(jīng)濟(jì)損失；或在政治造成重大影響。2．二級(jí)負(fù)荷：中斷供電將造成主要設(shè)備損壞，大量產(chǎn)品報(bào)廢，重點(diǎn)企業(yè)大量減產(chǎn)，或在政治、經(jīng)濟(jì)上造成較大損失。供電方式:由雙回路供電。3．三級(jí)負(fù)荷：所有不屬于一、二級(jí)負(fù)荷的電力負(fù)荷。供電方式:對(duì)供電電源無(wú)特殊要求。

2.1電力負(fù)荷與負(fù)荷曲線1/13/2023

二、用電設(shè)備的工作制1．連續(xù)運(yùn)行工作制（長(zhǎng)期工作制）：這類工作制的設(shè)備在長(zhǎng)期連續(xù)負(fù)荷下運(yùn)行，且運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)到足以使之達(dá)到熱平衡狀態(tài)。

2．短時(shí)運(yùn)行工作制（短時(shí)工作制）：這類工作制的設(shè)備在恒定負(fù)荷下運(yùn)動(dòng)的時(shí)間短（短于達(dá)到熱平衡所需的時(shí)間），而停歇時(shí)間長(zhǎng)（長(zhǎng)到足以使設(shè)備溫度冷卻到周圍介質(zhì)的溫度）。

2.1電力負(fù)荷與負(fù)荷曲線1/13/20233．?dāng)嗬m(xù)周期工作制（反復(fù)短時(shí)工作制）：這類工作制的設(shè)備周期性地時(shí)而工作，時(shí)而停歇，如此反復(fù)運(yùn)行，而工作周期一般不超過(guò)10min，無(wú)論工作或停歇，均不足以使設(shè)備達(dá)到熱平衡。暫載率（負(fù)荷持續(xù)率）：指設(shè)備工作時(shí)間與工作周期的百分比值，即吊車：標(biāo)準(zhǔn)暫載率有15%、25%、40%和60%四種電焊機(jī)：標(biāo)準(zhǔn)暫載率有50%、65%、75%和100%四種

二、用電設(shè)備的工作制2.1電力負(fù)荷與負(fù)荷曲線1/13/2023

三、負(fù)荷曲線1．負(fù)荷曲線的分類按性質(zhì)分：有功負(fù)荷曲線和無(wú)功負(fù)荷曲線

按負(fù)荷持續(xù)時(shí)間分：日負(fù)荷曲線、月負(fù)荷曲線和年負(fù)荷曲線2．負(fù)荷曲線的繪制2.1電力負(fù)荷與負(fù)荷曲線日負(fù)荷曲線（圖2.1）：逐點(diǎn)描繪法、梯形曲線法年負(fù)荷曲線：年最大負(fù)荷曲線（圖2.3）：或稱運(yùn)行年負(fù)荷曲線。圖2.3年最大負(fù)荷曲線1/13/2023圖2.1日有功負(fù)荷曲線a）折線圖b）梯形圖2.1電力負(fù)荷與負(fù)荷曲線作用：電力系統(tǒng)調(diào)度部門(mén)用于安排發(fā)電計(jì)劃;電力系統(tǒng)計(jì)劃部門(mén)用于進(jìn)行電力系統(tǒng)的電力電量平衡和確定運(yùn)行方式(如調(diào)峰容量、調(diào)壓和無(wú)功補(bǔ)償方式等)以及進(jìn)行安全分析;1/13/20231/13/2023取夏季為200天，冬季為165天，則圖中功率P1所占時(shí)間為：圖2.2全年時(shí)間負(fù)荷曲線的繪制a）夏季典型日負(fù)荷曲線b）冬季典型日負(fù)荷曲線c）全年時(shí)間負(fù)荷曲線2.1電力負(fù)荷與負(fù)荷曲線全年時(shí)間負(fù)荷曲線（圖2.2）：或稱年負(fù)荷持續(xù)曲線。1/13/2023

四、與負(fù)荷曲線有關(guān)的物理量1．年最大負(fù)荷和年最大負(fù)荷利用小時(shí)數(shù)年最大負(fù)荷Pmax：指全年中消耗電能最多的半小時(shí)的平均功率，即年最大負(fù)荷利用小時(shí)數(shù)Tmax：在此時(shí)間內(nèi)，用戶以年最大負(fù)荷持續(xù)運(yùn)行所消耗的電能恰好等于全年實(shí)際消耗的電能，如圖2.4所示?？梢?jiàn)：年負(fù)荷曲線越平坦，Tmax越大；年負(fù)荷曲線越陡，Tmax越小。圖2.4年最大負(fù)荷與年最大負(fù)荷利用小時(shí)數(shù)2.1電力負(fù)荷與負(fù)荷曲線1/13/2023

四、與負(fù)荷曲線有關(guān)的物理量1．年最大負(fù)荷和年最大負(fù)荷利用小時(shí)數(shù)2.1電力負(fù)荷與負(fù)荷曲線1/13/20232．平均負(fù)荷與負(fù)荷系數(shù)平均負(fù)荷Pav：在一定時(shí)間t內(nèi)消耗的平均功率，即負(fù)荷系數(shù)

KL：平均負(fù)荷與最大負(fù)荷的比值，即年平均負(fù)荷為（圖2.5）:可見(jiàn)，KL越大，負(fù)荷曲線越平坦，負(fù)荷波動(dòng)越小。圖2.5年平均負(fù)荷2.1電力負(fù)荷與負(fù)荷曲線1/13/2023計(jì)算負(fù)荷：通過(guò)負(fù)荷的統(tǒng)計(jì)計(jì)算求出的、用以按發(fā)熱條件選擇導(dǎo)體和電氣設(shè)備的一個(gè)假想的持續(xù)負(fù)荷值，稱為計(jì)算負(fù)荷，用Pc（和Qc、Sc、Ic

）表示。通常把根據(jù)半小時(shí)平均負(fù)荷所繪制的負(fù)荷曲線上的“最大負(fù)荷”稱為計(jì)算負(fù)荷，并作為按發(fā)熱條件選擇電氣設(shè)備的依據(jù)，因此2.2計(jì)算負(fù)荷的意義一般中小截面導(dǎo)體的發(fā)熱時(shí)間常數(shù)τ為10min以上，而導(dǎo)體通過(guò)電流達(dá)到穩(wěn)定溫升的時(shí)間大約為3τ～4τ，即載流導(dǎo)體大約經(jīng)半小時(shí)（30min）后可達(dá)到穩(wěn)定溫升值1/13/20233．二項(xiàng)式系數(shù)b、c。1．需要系數(shù)Kd：負(fù)荷曲線中的最大有功計(jì)算負(fù)荷Pmax與全部用電設(shè)備設(shè)備容量之比值，即2．利用系數(shù)Ku：負(fù)荷曲線中的平均計(jì)算負(fù)荷Pav與全部用電設(shè)備的設(shè)備容量之比值，即2.2計(jì)算負(fù)荷的意義常用的幾個(gè)系數(shù)1/13/2023

一、概述求計(jì)算負(fù)荷的方法有：需要系數(shù)法、二項(xiàng)式系數(shù)法、利用系數(shù)法和單位產(chǎn)品耗電量法等。

二、按需要系數(shù)確定計(jì)算負(fù)荷1．設(shè)備容量Pe的確定對(duì)長(zhǎng)期工作制和短時(shí)工作制的用電設(shè)備：對(duì)反復(fù)短時(shí)工作制的用電設(shè)備：其設(shè)備容量是指換算到統(tǒng)一暫載率下的額定功率。2.3確定計(jì)算負(fù)荷的方法折算方法：按同一周期等效發(fā)熱條件進(jìn)行換算。1/13/2023吊車電動(dòng)機(jī)組（包括電葫蘆、起重機(jī)、行車等）的設(shè)備容量：指統(tǒng)一換算到ε=25%時(shí)的額定功率（kW），即∴2.3確定計(jì)算負(fù)荷的方法1/13/2023電焊機(jī)及電焊變壓器的設(shè)備容量：指統(tǒng)一換算到ε=100%時(shí)的額定功率（kW），即 照明設(shè)備的設(shè)備容量：白熾燈、碘鎢燈的設(shè)備容量：等于燈泡上標(biāo)注的額定功率；熒光燈應(yīng)考慮鎮(zhèn)流器中的功率損失（約為燈泡功率的20%），其設(shè)備容量應(yīng)為燈管額定功率的1.2倍；高壓水銀熒光燈和金屬鹵化物燈也應(yīng)考慮鎮(zhèn)流器中的功率損失（約為燈泡功率的10%），其設(shè)備容量可取燈管額定功率的1.1倍。2.3確定計(jì)算負(fù)荷的方法1/13/20232．單臺(tái)用電設(shè)備的計(jì)算負(fù)荷對(duì)長(zhǎng)期連續(xù)工作的單臺(tái)用電設(shè)備：對(duì)需要計(jì)及效率的單臺(tái)用電設(shè)備（如電動(dòng)機(jī)）：3．用電設(shè)備組的計(jì)算負(fù)荷式中，P30、Q30、S30的單位分別為kW、kvar、kVA；Kd為需要系數(shù)，查附錄表1。2.3確定計(jì)算負(fù)荷的方法1/13/20231/13/2023需要系數(shù)Kd的意義各用電設(shè)備因工作情況不同，可能不同時(shí)工作，因此應(yīng)考慮一個(gè)同時(shí)使用系數(shù)

;各用電設(shè)備在工作時(shí)，不一定全部在滿負(fù)荷下運(yùn)行，因此應(yīng)考慮一個(gè)負(fù)荷系數(shù)

;各用電設(shè)備的平均效率;

線路的供電效率。

因此，用電設(shè)備組的計(jì)算負(fù)荷為:2.3確定計(jì)算負(fù)荷的方法1/13/2023[例2.1]已知某機(jī)修車間的金屬切削機(jī)床組，擁有380V的三相電動(dòng)機(jī)7.5kW3臺(tái)，4kW8臺(tái)，3kW17臺(tái)，1.5kW10臺(tái)。試用需要系數(shù)法求其計(jì)算負(fù)荷。解：此機(jī)床組電動(dòng)機(jī)的總?cè)萘繛椴楦戒洷?中“小批生產(chǎn)的金屬冷加工機(jī)床電動(dòng)機(jī)”項(xiàng)，得（取0.16），。因此可求得

1/13/2023有功計(jì)算負(fù)荷 無(wú)功計(jì)算負(fù)荷 視在計(jì)算負(fù)荷 計(jì)算電流

1/13/20232.多組用電設(shè)備的計(jì)算負(fù)荷當(dāng)車間配電干線上有多組用電設(shè)備時(shí)，各組用電設(shè)備的最大負(fù)荷不同時(shí)出現(xiàn)，此時(shí)應(yīng)計(jì)入一個(gè)同時(shí)系數(shù)。2.3確定計(jì)算負(fù)荷的方法對(duì)車間干線，取

對(duì)低壓母線，分如下兩種情況：（1）由用電設(shè)備組計(jì)算負(fù)荷直接相加來(lái)計(jì)算時(shí)，?。?）由車間干線計(jì)算負(fù)荷直接相加來(lái)計(jì)算時(shí)，取1/13/20231/13/20231/13/20231/13/20232.3確定計(jì)算負(fù)荷的方法

二、按二項(xiàng)式系數(shù)法確定計(jì)算負(fù)荷1．對(duì)同一工作制的單組用電設(shè)備式中，b、c為二項(xiàng)式系數(shù)，可查附錄表1；為由x臺(tái)容量最大用電設(shè)備投入運(yùn)行時(shí)增加的附加負(fù)荷（kW）；為該用電設(shè)備組的平均負(fù)荷（kW）。xcP1/13/20231/13/20232．對(duì)不同工作制的多組用電設(shè)備2.3確定計(jì)算負(fù)荷的方法式中，為各用電設(shè)備組附加負(fù)荷中的最大值；為各用電設(shè)備組平均負(fù)荷的總和；為與對(duì)應(yīng)的功率因數(shù)角的正切值；為各用電設(shè)備組對(duì)應(yīng)的功率因數(shù)的正切值。xcP1/13/2023[例2.3]已知某機(jī)修車間的金屬切削機(jī)床組，擁有380V的三相電動(dòng)機(jī)7.5kW3臺(tái)，4kW8臺(tái)，3kW17臺(tái)，1.5kW10臺(tái)。試用二項(xiàng)式法求其計(jì)算負(fù)荷。1/13/20231/13/20231/13/20231/13/20232.4尖峰電流的計(jì)算尖峰電流：持續(xù)1~2s的短時(shí)最大負(fù)荷電流，主要由用電設(shè)備起動(dòng)所引起。尖峰電流主要用來(lái)計(jì)算電壓波動(dòng)、選擇熔斷器和自動(dòng)開(kāi)關(guān)等電氣設(shè)備，也用來(lái)整定繼電保護(hù)裝置和校驗(yàn)電動(dòng)機(jī)的自啟動(dòng)條件等。1/13/2023

一、單臺(tái)用電設(shè)備的尖峰電流單臺(tái)用電設(shè)備的尖峰電流就是其啟動(dòng)電流，即

二、多臺(tái)用電設(shè)備不同時(shí)啟動(dòng)時(shí)的尖峰電流或式中，和分別為用電設(shè)備中啟動(dòng)電流與額定電流之差最大的那臺(tái)設(shè)備的啟動(dòng)電流及其啟動(dòng)電流與額定電流之差；2.4尖峰電流的計(jì)算鼠籠型電機(jī)：5~7；繞線型電機(jī)：2~3；直流電機(jī)：1.5~2。為同時(shí)系數(shù)，取0.7-1；1/13/2023

三、用電設(shè)備同時(shí)自啟動(dòng)的尖峰電流如果有一組用電設(shè)備需同時(shí)參與自啟動(dòng)，則其尖峰電流等于所有用電設(shè)備的啟動(dòng)電流之和，即式中，n為參與自啟動(dòng)的用電設(shè)備臺(tái)數(shù)；和為分別對(duì)應(yīng)于第i臺(tái)用電設(shè)備的起啟電流倍數(shù)和額定電流。2.4尖峰電流的計(jì)算1/13/20231/13/20232.5無(wú)功功率補(bǔ)償一、功率因數(shù)低的不良影響1．使供電網(wǎng)絡(luò)中的功率損耗和電能損耗增大。2．使供電網(wǎng)絡(luò)的電壓損失增大，影響負(fù)荷端的電壓質(zhì)量。3．使供配電設(shè)備的容量不能得到充分利用，降低了供電能力。4．使發(fā)電機(jī)的出力下降，發(fā)電設(shè)備效率降低，發(fā)電成本提高。因?yàn)楣β室驍?shù)越低，在保證輸送同樣的有功功率時(shí)，系統(tǒng)中輸送的總電流越大，從而使輸電線路上的功率損耗和電能損耗增加。由于發(fā)電機(jī)、變壓器都有一定的額定電壓和額定電流，在正常情況下不允許超過(guò)額定值，根據(jù)，功率因數(shù)越低，輸出的有功功率越小，使設(shè)備的容量不能得到充分利用，降低了供電能力。當(dāng)有功功率保持不變時(shí)，功率因數(shù)越低，無(wú)功電流越大，對(duì)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的去磁效應(yīng)越大，端電壓越低，發(fā)電機(jī)就達(dá)不到預(yù)定的出力。

由于，當(dāng)P、R、X一定時(shí)，功率因數(shù)越低，Q越大，則越大。1/13/2023可由功率因數(shù)表（相位表）直接讀出，或由電壓表、電流表和功率表在同一時(shí)刻的讀數(shù)按下式求出：2.5無(wú)功功率補(bǔ)償二、功率因數(shù)的計(jì)算1.瞬時(shí)功率因數(shù)：

指某一規(guī)定時(shí)間內(nèi)，功率因數(shù)的平均值。其計(jì)算公式為：2.均權(quán)功率因數(shù)：

瞬時(shí)功率因數(shù)值代表某一瞬間狀態(tài)的無(wú)功功率的情況。式中，Wp為某一時(shí)間內(nèi)消耗的有功電能（kW·h）；Wq為同一時(shí)間內(nèi)消耗的無(wú)功電能（kvar·h）。1/13/20232.5無(wú)功功率補(bǔ)償指在年最大負(fù)荷（即計(jì)算負(fù)荷）時(shí)的功率因數(shù)。其計(jì)算公式為：3.最大負(fù)荷時(shí)的功率因數(shù)：

注意：在供電設(shè)計(jì)中考慮無(wú)功補(bǔ)償時(shí)，嚴(yán)格地講，應(yīng)按均權(quán)功率因數(shù)是否滿足要求來(lái)計(jì)算，但為簡(jiǎn)便起見(jiàn)，常按最大負(fù)荷時(shí)的功率因數(shù)來(lái)計(jì)算補(bǔ)償容量。我國(guó)供電部門(mén)每月向工業(yè)用戶收取電費(fèi)，就是按月均權(quán)功率因數(shù)的高低來(lái)調(diào)整的。并規(guī)定：高壓供電的用戶，其功率因數(shù)不應(yīng)低于0.9，其他電力用戶的功率因數(shù)不應(yīng)低于0.85。若達(dá)不到以上要求，應(yīng)進(jìn)行人工補(bǔ)償，否則要加收電費(fèi)。1/13/2023三、提高功率因數(shù)的方法2.5無(wú)功功率補(bǔ)償

提高自然功率因數(shù)的方法不加任何補(bǔ)償設(shè)備，采取措施減少供電系統(tǒng)中無(wú)功功率的需要量，稱為提高自然功率因數(shù)。用小容量的電動(dòng)機(jī)代替負(fù)荷不足的大容量電動(dòng)機(jī)。正確選用感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的型號(hào)和容量當(dāng)電動(dòng)機(jī)的負(fù)荷系數(shù)KL＞70%時(shí)，可以不換；當(dāng)KL＜40%時(shí)，必須換小電機(jī)；當(dāng)40%＜KL＜70%時(shí)，則需經(jīng)過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后再進(jìn)行更換。降低感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的端電壓就降低了感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的無(wú)功功率需要量，從而可提高系統(tǒng)的功率因數(shù)。對(duì)負(fù)荷不足的電動(dòng)機(jī)可用降低外加電壓的辦法提高功率因數(shù)。1/13/20232.7無(wú)功功率補(bǔ)償限制感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的空載運(yùn)行提高感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的檢修質(zhì)量合理使用變壓器感應(yīng)電動(dòng)機(jī)同步化運(yùn)行

1/13/20232.7無(wú)功功率補(bǔ)償2．提高功率因數(shù)的補(bǔ)償法采用移相電容器（即靜電電容器）采用同步電動(dòng)機(jī)采用同步調(diào)相機(jī)靜電電容器具有重量輕、安裝方便、投資小、故障范圍小、有功功率損耗小、易于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，是目前工業(yè)企業(yè)中應(yīng)用最廣泛的無(wú)功補(bǔ)償裝置。調(diào)節(jié)同步電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流，使其在超前功率因數(shù)下運(yùn)行，就能向電網(wǎng)輸送無(wú)功功率，因而能提高企業(yè)的功率因數(shù)。同步調(diào)相機(jī)實(shí)質(zhì)上是空載運(yùn)行的同步電動(dòng)機(jī)，專門(mén)向電網(wǎng)輸送無(wú)功功率，大容量的同步調(diào)相機(jī)主要裝設(shè)在電力系統(tǒng)的區(qū)域性變電所，作為該地區(qū)的無(wú)功補(bǔ)償電源，用于提高該地區(qū)的功率因數(shù)和電壓質(zhì)量。1/13/20232.7無(wú)功功率補(bǔ)償四、電容器并聯(lián)補(bǔ)償?shù)墓ぷ髟碓诠I(yè)企業(yè)中，絕大部分電氣設(shè)備的等值電路可視為電阻R和電感L的串聯(lián)電路，其功率因數(shù)可表示為：當(dāng)在R、L電路中并聯(lián)接入電容器C后，如圖2-8a）所示，回路電流為：圖2-8電容器無(wú)功補(bǔ)償原理圖1/13/20232.7無(wú)功功率補(bǔ)償欠補(bǔ)償：補(bǔ)償后電流落后電壓，如圖2-8b）所示。過(guò)補(bǔ)償：補(bǔ)償后電流超前電壓，如圖2-8c）所示。一般都不采用過(guò)補(bǔ)償，因?yàn)檫@將引起變壓器二次側(cè)電壓的升高，會(huì)增大電容器本身的損耗，使溫升增大，電容器壽命降低，同時(shí)還會(huì)使線路上的電能損耗增加。1/13/2023五、電容器的補(bǔ)償方式1．電容器的接線方式低壓電容器一般接成三角形。高壓電容器組宜接成星形，但容量較?。?50kvar及以下）時(shí)可接成三角形。由于，而，因此電容器接成三角形時(shí)的容量為采用星形接線時(shí)的3倍。若電容器采用三角形接線，一電容器斷線時(shí)，三相線路仍能得到無(wú)功補(bǔ)償；而采用星形接線時(shí)，一相電容器斷線，該相將失去無(wú)功補(bǔ)償，造成三相負(fù)荷不平衡。但是，電容器采用三角形接線時(shí)，任一電容器擊穿將造成兩相短路，有可能發(fā)生電容器爆炸；而采用星形接線時(shí)，若一相電容器擊穿，短路電流數(shù)值相對(duì)較小。因此星形接線較之三角形接線安全多了。2.7無(wú)功功率補(bǔ)償1/13/20232．電容器的裝設(shè)位置（補(bǔ)償方式）高壓集中補(bǔ)償：將高壓電容器組集中安裝在企業(yè)或地方總降壓變電所6～10kV母線上。低壓分組補(bǔ)償：將低壓電容器組分散安裝在各車間變電所低壓母線上。個(gè)別補(bǔ)償：將電容器組直接安裝在需要進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償?shù)母鱾€(gè)用電設(shè)備附近。1/13/2023必須指出：電容器從電網(wǎng)上切除后有殘余電壓，其最高可達(dá)電網(wǎng)電壓的峰值。所以電容器組應(yīng)裝設(shè)放電裝置，且其放電回路中不得裝設(shè)熔斷器或開(kāi)關(guān)設(shè)備，以免放電回路斷開(kāi)，危及人身安全。