1、第2章 负荷计算及功率因数的提高第2章 负荷计算及功率因数的提高2.1 2.1 负荷计算负荷计算2.2 2.2 供电系统的功率损耗和电能损耗供电系统的功率损耗和电能损耗2.3 2.3 工厂的计算负荷和年电能消耗量工厂的计算负荷和年电能消耗量思考题思考题第2章 负荷计算及功率因数的提高 本章首先简要介绍工厂电力负荷的分级及有关概念，然后重点讲述确定用电设备组计算负荷的常用方法，接着讲述功率损耗和电能损耗及工厂计算负荷的确定，最后介绍尖峰电流的计算(本章内容是分析工厂供电系统和进行供电设计计算的基础)。第2章 负荷计算及功率因数的提高2.1 负负 荷荷 计计 算算2.1.1 工厂电力负荷的分级及其
2、对供电的要求工厂电力负荷的分级及其对供电的要求一、一、电力负荷的概念电力负荷的概念电力负荷又称电力负载(electricpowerload)。它有两种含义:一是指耗用电能的用电设备或用电单位(用户)，如重要负荷、不重要负荷、动力负荷、照明负荷等。另一是指用电设备或用电单位所耗用的电功率或电流大小，如轻负荷(轻载)、重负荷(重载)、空负荷(空载)、满负荷(满载)等。电力负荷的含义应视具体情况而定。第2章 负荷计算及功率因数的提高二、二、工厂电力负荷的分级工厂电力负荷的分级工厂的电力负荷，按 GB50052 2009 规定，根据其对供电可靠性的要求及中断供电造成的损失或影响的程度分为三级：1.一级
3、负荷一级负荷(firstorderload)一级负荷为中断供电将造成人身伤亡者，或中断供电将在政治、经济上造成重大损失者，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。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。第2章 负荷计算及功率因数的提高2.二级负荷二级负荷(secondorderload)二级负荷为中断供电将在政治、经济上造成较大损失者，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。3.三级负荷
4、三级负荷(thirdorderload)三级负荷为一般电力负荷，即所有不属于上述一、二级负荷者。第2章 负荷计算及功率因数的提高三、三、各级电力负荷对供电电源的要求各级电力负荷对供电电源的要求1.一级负荷对供电电源的要求一级负荷对供电电源的要求由于一级负荷属重要负荷，如中断供电造成的后果十分严重，因此要求由两个电源供电，当其中一个电源发生故障时，另一个电源不应同时受到损坏。一级负荷中特别重要的负荷，除上述两个电源外，还必须增设应急电源。为保证对特别重要负荷的供电，严禁将其他负荷接入应急供电系统。第2章 负荷计算及功率因数的提高常用的应急电源有：(1)独立于正常电源的发电机组。(2)供电网络中独
5、立于正常电源的专用馈电线路。(3)蓄电池。(4)干电池。第2章 负荷计算及功率因数的提高2.二级负荷对供电电源的要求二级负荷对供电电源的要求二级负荷要求由两回路供电，供电变压器也应有两台(这两台变压器不一定在同一变电所)。在其中一回路或一台变压器发生常见故障时，二级负荷不应中断供电，或中断后能迅速恢复供电。只有当负荷较小或者当地供电条件困难时，二级负荷可由一回路 6kV 及以上的专用架空线路供电。这是考虑发生故障时，较之电缆线路架空线路更易于发现故障及进行检查和修复。当采用电缆线路时，必须使用两根电缆并列供电，且每根电缆应能承担全部二级负荷。3.三级负荷对供电电源的要求三级负荷对供电电源的要求
6、由于三级负荷为一般负荷，因此它对供电电源无特殊要求。第2章 负荷计算及功率因数的提高2.1.2 工厂用电设备的工作制工厂用电设备的工作制工厂的用电设备，按其工作制(duty-type)分以下三类：1.连续工作制连续工作制(continuousrunningduty-type)连续工作制的设备在恒定负荷下运行，且运行时间长到足以使之达到热平衡状态，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，但其主电动机一般是连续运行的。第2章 负荷计算及功率因数的提高2.短时工作制短时工作制(short-timeduty-type)短时工作制的设备在恒定负荷下运行的
7、时间短(短于达到热平衡所需的时间)，而停歇的时间长(长到足以使设备温度冷却到周围介质的温度)，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。第2章 负荷计算及功率因数的提高3.断续周期工作制断续周期工作制(intermittentperiodicduty-type)断续工作制的设备周期性地时而工作，时而停歇，如此反复运行，而工作周期一般不超过 10min，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等。断续周期工作制的设备，可用“负荷持续率”(dutycycle，又称暂载率)来表征其工作特性。第2章 负荷计算及功率因数的提高负荷持续率为一个工作周期内工作时间
8、与工作周期的百分比值，用 表示，即式中，T 为工作周期；t 为工作周期内的工作时间；t 0 为工作周期内的停歇时间。第2章 负荷计算及功率因数的提高断续周期工作制设备的额定容量(铭牌功率)P N，是对应于某一标准负荷持续率 N 的。如实际运行的负荷持续率 N，则实际容量 P e 应按同一周期内等效发热条件进行换算。由于电流通过电阻为 R 的设备在 t 时间内，产生的热量为 I2 Rt，因此在设备产生相同热量的条件下，I 1/t。而在同一电压下，设备容量 P I；又由式(21)知，同一周期 T 的负荷持续率 t。因此 P 1/，即设备容量与负荷持续率的平方根值成反比。由此可知，如设备在 N 下的
9、容量为 P N，则换算到 下的设备容量 P e为第2章 负荷计算及功率因数的提高2.1.3 负荷曲线负荷曲线一、一、负荷曲线的基本概念负荷曲线的基本概念负荷曲线(loadcurve)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)值，横坐标表示对应的时间(一般以小时为单位)。负荷曲线按负荷对象分为工厂负荷曲线、车间负荷曲线或某类设备负荷曲线等；按负荷的功率性质分为有功负荷曲线和无功负荷曲线；按所表示的负荷变动时间分为年负荷曲线、月负荷曲线、日负荷曲线或工作班负荷曲线等。第2章 负荷计算及功率因数的提高图 21 是一班制工厂的日有功负荷曲线，其中图
10、 21(a)是依点连成的负荷曲线，图21(b)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”(将在后面介绍)。第2章 负荷计算及功率因数的提高图 21 日有功负荷曲线第2章 负荷计算及功率因数的提高年负荷曲线，通常绘成负荷持续时间曲线(loaddurationcurve)，按负荷大小依次排列，如图 22(c)所示。全年按 8760h 计。第2章 负荷计算及功率因数的提高图 22 年负荷持续时间曲线的绘制第2章 负荷计算及功率因数的提高上述年负荷曲线，根据其一年中具有代表性的夏日负荷曲线(见图 22(a)和冬日负荷曲线(见图 22(b)来
11、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 天;而在我国南方，则可近似地认为夏日 200 天，冬日 165 天。假如绘制南方某厂的年负荷曲线(见图 22(c)，其 P 1 在年负荷曲线上所占的时间 T 1=200(t 1+t 1)，P 2 在年负荷曲线上所占的时间T 2=200 t 2+165 t 2，其余类推。第2章 负荷计算及功率因数的提高另一种形式的年负荷曲线是按全年每日的最大负荷(通常取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 23 所示。横坐标依次以全年十二个月份的日期来分
12、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工厂变电所在一年的不同时期应投入几台变压器最适宜，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。第2章 负荷计算及功率因数的提高图 23 年每日最大负荷曲线第2章 负荷计算及功率因数的提高从各种负荷曲线上，可以直观地了解电力负荷变动的情况。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，并可从中获得一些对设计和运行有用的资料。因此负荷曲线对于从事工厂供电设计和运行的人员来说，都是很必要的。第2章 负荷计算及功率因数的提高二、二、与负荷曲线和负荷计算有关的物理量与负荷曲线和负荷计算有关的物理量1.年最大负荷和年最大负荷利用
13、小时年最大负荷和年最大负荷利用小时1)年最大负荷(annalmaximumload)年最大负荷 P max，就是全年中负荷最大的工作班内(这一工作班的最大负荷不是偶然出现的，而是全年至少出现过 23 次)消耗电能最大的半小时的平均功率，因此年最大负荷也称为半小时最大负荷 P 30。第2章 负荷计算及功率因数的提高2)年最大负荷利用小时(utilizationhoursofannualmaximumload)年最大负荷利用小时又称为年最大负荷使用时间 T max，它是一个假想时间，在此时间内，电力负荷按年最大负荷 P max(或 P 30)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
14、能。图 24 用以说明年最大负荷利用小时。图中，P max 延伸到 T max 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 W a。因此年最大负荷利用小时为第2章 负荷计算及功率因数的提高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，它与工厂的生产班制有明显的关系。例如一班制工厂，T max 18003000h；两班制工厂，T max 35004800h;三班制工厂，T max 50007000h。第2章 负荷计算及功率因数的提高图 24 年最大负荷和年最大负荷利用小时第2章 负荷计算及功率因数的提高2.平均负荷和负荷系数平均负荷和负
15、荷系数1)平均负荷(averageload)平均负荷 P av，就是电力负荷在一定时间 t 内平均消耗的功率，也就是电力负荷在该时间 t 内消耗的电能 W t 除以时间 t 的值，即第2章 负荷计算及功率因数的提高图 25 用以说明年平均负荷。图中，年平均负荷 P av 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 W a。因此，年平均负荷为第2章 负荷计算及功率因数的提高图 25 年平均负荷第2章 负荷计算及功率因数的提高2)负荷系数(loadcoefficient)负荷系数又称负荷率，它是用电负荷的平均负荷 P av 与其最大负荷 P m
16、ax 的比值，即第2章 负荷计算及功率因数的提高对负荷曲线来说，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、提高供电效率方面来说，此系数越高越趋近于 1 越好。从发挥整个电力系统的效能方面来说，应尽量使工厂的不平坦的负荷曲线“削峰填谷”，提高负荷系数。第2章 负荷计算及功率因数的提高对用电设备来说，负荷系数就是设备的输出功率 P 与设备额定容量 P av 的比值，即负荷系数(负荷率)有时用符号 表示;也有时有功负荷系数用 表示，无功负荷系数用 表示。第2章 负荷计算及功率因数的提高2.1.4 负荷计算的方法负荷计算的方法一、一、
17、概述概述若要使供电系统能够在正常条件下可靠地运行，则系统中各个元件(包括电力变压器、开关设备及导线、电缆等)都必须选择得当，除了满足工作电压和频率的要求外，最重要的就是要满足负荷电流的要求。因此有必要对供电系统中各个环节的电力负荷进行统计计算。通过负荷的统计计算求出的、用来按发热条件选择供电系统中各元件的负荷值，称为计算负荷(calculatedload)。一般，根据计算负荷选择的电气设备和导线电缆，若以计算负荷连续运行，则其发热温度不会超过允许值。第2章 负荷计算及功率因数的提高由于导体通过电流达到稳定温升的时间大约为(34)，为发热时间常数。截面在16mm2 及以上的导体，其 10min，
18、因此载流导体大约经 30min(即经半小时)后可达到稳定温升值。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 P 30(即年最大负荷 P max)是基本相当的。所以计算负荷也可认为是半小时最大负荷。本来有功计算负荷可表示为 P c，无功计算负荷可表示为 Q c，计算电流可表示为 lc，但考虑到其“计算”c 易与“电容”C 混淆，因此本书借用半小时最大负荷 P 30来表示其有功计算负荷，而无功计算负荷、视在计算负荷和计算电流则分别表示为 Q 30、S 30、I 30。第2章 负荷计算及功率因数的提高计算负荷是供电设计计算的基本依据。计算负荷确定得是否正确合理，直接影响到电器和导线电
19、缆的选择是否经济合理。如果计算负荷确定得过大，则将使电器和导线电缆选用得过大，造成投资和有色金属的浪费。如果计算负荷确定得过小，则又将使电器和导线电缆处于过负荷下运行，增加电能损耗，产生过热，导致绝缘过早老化甚至烧毁，同样要造成损失。由此可见，正确确定计算负荷意义重大。但由于负荷情况复杂，影响计算负荷的因素很多，虽然各类负荷的变化有一定的规律可循，但仍难准确确定计算负荷的大小。实际上，负荷也不是一成不变的，它与设备的性能、生产的组织、生产者的技能及能源供应的状况等多种因素有关。因此负荷计算只能力求接近实际。第2章 负荷计算及功率因数的提高我国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
20、法和二项式法。需要系数法是世界各国均普遍采用的确定计算负荷的基本方法，简单方便。二项式法的应用局限性较大，但在确定设备台数较少而容量差别悬殊的分支干线的计算负荷时，比需要系数法合理，且计算也较简便。本书只介绍这两种计算方法。关于以概率论为理论基础而提出的取代二项式法的利用系数法，由于其计算比较繁杂而未得到普遍应用，且限于篇幅故从略。第2章 负荷计算及功率因数的提高二、二、按需要系数法确定计算负荷按需要系数法确定计算负荷1.基本公式基本公式用电设备组的计算负荷是指用电设备组从供电系统中取用的半小时最大负荷 P 30，如图 26 所示。用电设备组的设备容量(equipmentcapability)
21、P e 是指用电设备组所有设备(不含备用设备)的额定容量 P N 之和，即 P e=P N。而设备的额定容量是设备在额定条件下的最大输出功率(出力)。但是用电设备组的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，因此用电设备组的有功计算负荷应为第2章 负荷计算及功率因数的提高式中，K 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；K L 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；e 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用功率之比；WL 为配电线路的平均效率，即配
22、电线路在最大负荷时的末端功率(即设备组的取用功率)与首端功率(即计算负荷)之比。第2章 负荷计算及功率因数的提高图 26 用电设备组的计算负荷第2章 负荷计算及功率因数的提高令式(28)中的 K K L/(e WL)=K d，这里的 K d 称为需要系数(demandcoefficient)。由式(28)可知需要系数的定义式为即用电设备组的需要系数，是用电设备组在最大负荷时需要的有功功率与其设备容量的比值。第2章 负荷计算及功率因数的提高由此可得按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第2章 负荷计算及功率因数的提高实际上，需要系数 K d 不仅与用电设备组的工作性质、设备台数、
23、设备效率和线路损耗等因素有关，而且与操作人员的技能和生产组织等多种因素有关，因此应尽可能地通过实测分析确定，使之尽量接近实际。附表 11(见附录 1)列出了各种用电设备组的需要系数值，以供参考。第2章 负荷计算及功率因数的提高必须注意：附表 11 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，所以需要系数值一般都比较低，例如冷加工机床组的需要系数值平均只有 0.2 左右。因此需要系数法较适用于确定车间的计算负荷。如果采用需要系数法来计算支线或分支干线上用电设备组的计算负荷，则附表 11 中的需要系数值往往偏小，宜适当取大。只有 12 台设备时，可认为 K d=1，即 P 30=P e
24、。但对于电动机，由于它本身损耗较大，因此当只有一台电动机时，P 30=P N/，式中 P N 为电动机的额定容量，为电动机的效率。在 K d 适当取大的同时，cos?也应适当取大。第2章 负荷计算及功率因数的提高这里还要指出:需要系数值与用电设备的类别和工作状态有极大的关系，因此在计算时首先要正确判明用电设备的类别和工作状态，否则将造成错误。例如机修车间的金属切削机床电动机，应属小批生产的冷加工机床电动机，因为金属切削就是冷加工，而机修不可能是大批生产。又如压塑机、拉丝机和锻锤等，应属热加工机床。再如起重机、行车或电葫芦等，属吊车类。在求出有功计算负荷 P 30 后，可按下列各式分别求出其余的
25、计算负荷。第2章 负荷计算及功率因数的提高无功计算负荷为式中，tan?为对应于用电设备组 cos?的正切值。视在计算负荷为式中，cos?为用电设备组的平均功率因数。第2章 负荷计算及功率因数的提高计算电流为式中，U N 为用电设备组的额定电压。如果为一台三相电动机，则其计算电流就取为其额定电流，即负荷计算中常用的单位：有功功率为“千瓦”(kW)，无功功率为“千乏”(kvar)，视在功率为“千伏”(kV A)，电流为“安”(A)，电压为“千伏”(kV)。第2章 负荷计算及功率因数的提高例例 21 已知某机修车间的金属切削机床组拥有 380V 的三相电动机 38 台，其中7.5kW 的有 3 台，
26、4kW 的有 8 台，3kW 的有 17 台，1.5kW 的有 10 台。试用需要系数法求其计算负荷。解解 此机床组电动机的总容量为第2章 负荷计算及功率因数的提高第2章 负荷计算及功率因数的提高2.设备容量的计算设备容量的计算需要系数法基本公式(P 30=K d P e)中的设备容量 P e，不含备用设备的容量在内，而且要注意，此容量的计算与用电设备组的工作制有关。1)对一般连续工作制和短时工作制的用电设备组对于一般连续工作制和短时工作制的用电设备组来说，设备容量就是所有设备的铭牌额定容量之和。第2章 负荷计算及功率因数的提高2)对断续周期工作制的用电设备组对于断续周期工作制的用电设备组来说
27、，设备容量就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统一的负荷持续率下的功率之和。换算的公式为式(22)。断续周期工作制的用电设备常用的有电焊机和吊车电动机，各自的换算要求如下：第2章 负荷计算及功率因数的提高(1)电焊机组要求统一换算到 =100%。由式(22)可得换算后的设备容量为第2章 负荷计算及功率因数的提高式中，P N，S N 为电焊机的铭牌容量(前者为有功功率，后者为视在功率)；N 为与铭牌容量对应的负荷持续率(计算中用小数)；100 为其值为 100%的负荷持续率(计算中用 1)；cos?为铭牌规定的功率因数。第2章 负荷计算及功率因数的提高(2)吊车电动机组要求统
28、一换算到 =25%。由式(22)可得换算后的设备容量为式中，P N 为吊车电动机的铭牌容量；N 为与铭牌容量对应的负荷持续率(计算中用小数)；25 为其值为 25%的负荷持续率(计算中用 0.25)。第2章 负荷计算及功率因数的提高3.多组用电设备计算负荷的确定多组用电设备计算负荷的确定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入一个同时系数(又称参差系数或综合系数)K p和 K q。第2章 负荷计算及功率因数的提高(1)对车间干线：(2)对低压母线
29、：由用电设备组计算负荷直接相加来计算时：第2章 负荷计算及功率因数的提高 由车间干线计算负荷直接相加来计算时：总的有功计算负荷为第2章 负荷计算及功率因数的提高总的无功计算负荷为式(217)和式(2 18)中的 P 30，i 和 Q 30，i，分别为各组设备的有功和无功计算负荷之和第2章 负荷计算及功率因数的提高总的视在计算负荷为总的计算电流为注意：由于各组设备的功率因数不一定相同，因此总的视在计算负荷和计算电流一般不能用各组的视在计算负荷或计算电流之和来计算，总的视在计算负荷也不能按式(212)计算。第2章 负荷计算及功率因数的提高此外还应注意:在计算多组设备总的计算负荷时，为了简化和统一，
30、各组的设备台数不论多少，各组的计算负荷均按附表 11 所列的计算系数来计算，而不必考虑设备台数少需适当增大 K d 和 cos?值的问题。第2章 负荷计算及功率因数的提高例例 22 某机修车间 380V 线路上，接有金属切削机床电动机 20 台共 50kW(其中较大容量电动机有 11 台，分别为 1 台 7.5kW 的、3 台 4kW 的、7 台 2.2kW 的)，通风机 2台共 3kW，电阻炉 1 台 2kW。试用需要系数法确定此线路上的计算负荷。第2章 负荷计算及功率因数的提高解解 先求各组的计算负荷。第2章 负荷计算及功率因数的提高因此总的计算负荷为(取 K p=0.95，K q=0.9
31、7)在实际工程设计说明中，常采用计算表格的形式，如表 21 所示。第2章 负荷计算及功率因数的提高第2章 负荷计算及功率因数的提高三、三、按二项式法确定计算负荷按二项式法确定计算负荷1.基本公式基本公式二项式法的基本公式是式中，bP e 为用电设备组的平均功率，其中P e 是用电设备组的设备总容量，其计算方法如前需要系数法中所述；cP x 为用电设备组中 x 台容量最大的设备投入运行时增加的附加负荷，其中 P x 是 x 台最大容量的设备总容量(b、c 为二项式系数)。第2章 负荷计算及功率因数的提高其余的计算负荷 Q 30、S 30和 P 30 的计算与前述需要系数法的计算相同。附表 11
32、中也列有部分用电设备组的二项式系数 b、c 和最大容量的设备台数 x 值，仅供参考。但必须注意：按二项式法确定计算负荷时，如果设备总台数 n 少于附表 1 中规定的最大容量设备台数 x 的 2 倍(即 n P 2 P 3，且 cos?1 cos?2 cos?3，P 1 接于 U UV，P 2 接于U VW，P 3 接于 U WU。按等效发热原理，可等效为图示的三种结线的叠加：U UV、U VW、U WU 间各接 P 3，其等效三相容量为 3 P 3；U UV、U VW 间各接 P 2-P 3，其等效三相容量为3(P 2 -P 3)；U UV 间接 P 1-P 2 ，其等效三相容量为(P 1-P
33、 2)。3第2章 负荷计算及功率因数的提高因此 P 1、P 2 、P 3接于不同线电压的等效三相设备容量为等效三相计算负荷同样按需要系数法计算。第2章 负荷计算及功率因数的提高图 27 接于各线电压的单相负荷的等效变换程序第2章 负荷计算及功率因数的提高3.单相设备分别接于线电压和相电压时的负荷计算单相设备分别接于线电压和相电压时的负荷计算首先应将接于线电压的单相设备容量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，而总的等效三相有功计算负荷为其最大有功负荷相的有功计算负荷 P 30，m?的 3 倍，即第2章 负荷计算及功率因数的提高总的等效三相无功计算负荷为最大有功负荷相
34、的无功计算负荷 Q 30，m?的 3 倍，即第2章 负荷计算及功率因数的提高关于将接于线电压的单相设备容量换算为接于相电压的设备容量的问题，可按下列换算公式进行换算(推导从略)：第2章 负荷计算及功率因数的提高式中，P AB、P BC、P CA 为接于 AB、BC、CA 相间的有功设备容量；P A、P B、P C 为换算为 A、B、C 相的有功设备容量；Q A、Q B、Q C 为换算为 A、B、C 相的无功设备容量；p AB-A、q AB-A为接于 UV、VW、U 相间的设备容量换算为 U、V、W 相设备容量的有功和无功换算系数，如表 23 所列。第2章 负荷计算及功率因数的提高表表 23 相
35、间负荷换算为相负荷的功率换算系数相间负荷换算为相负荷的功率换算系数第2章 负荷计算及功率因数的提高例例 25 如图 28 所示，220/380V 三相四线制线路上，接有 220V 单相电热干燥箱4 台，其中 2 台 10kW 接于 U 相，1 台 30kW 接于 V 相，1 台 20kW 接于 W 相。另有380V 单相对焊机 4 台，其中 2 台 14kW(=100%)接于 UV 相间，1 台 20kw(=100%)接于 VW 相间，1 台 30kW(=60%)接于 WU 相间。试求此线路的计算负荷。第2章 负荷计算及功率因数的提高图 28 例 25 图第2章 负荷计算及功率因数的提高第2章
36、 负荷计算及功率因数的提高查附表 11 得 K d=0.35，cos?=0.7，tan?=1.02;再由表 23 查得 cos?=0.7 时，功率换算系 数 p UV-U=p VW-V=p WU-W=0.8，p UV-V=p VW-W=p WU-U=0.2，q UV-U=q VW-V=q WU-W=0.22，q UV-V=q VW-W=q WU-U=0.8。因此对焊机换算到各相的有功和无功设备容量为第2章 负荷计算及功率因数的提高第2章 负荷计算及功率因数的提高第2章 负荷计算及功率因数的提高第2章 负荷计算及功率因数的提高(4)总的等效三相计算负荷。因 V 相的有功计算负荷最大，故取 V 相
37、计算等效三相计算负荷，由此可得以上计算也可列成表格，限于篇幅，故从略。第2章 负荷计算及功率因数的提高2.2 供电系统的功率损耗和电能损耗供电系统的功率损耗和电能损耗2.2.1 供电系统的功率损耗供电系统的功率损耗在确定各用电设备组的计算负荷后，如要确定车间或工厂的计算负荷，就需要逐级计入有关线路和变压器的功率损耗，如图 29 所示。例如车间变电所低压配电线 WL2 首端的计算负荷 P 30，4 等于其末端计算负荷 P 30，5 加上该线路损耗 P WL2(无功计算负荷则应加上无功损耗，此略);高压配电线 L2 首端的计算负荷 P 30，2 等于车间变电所低压侧计算负荷P 30，3 加上变压器
38、 T 的损耗 P T，再加上高压配电线 WL1 的功率损耗 P WL1。为此，本节主要讲述线路和变压器功率损耗的计算。第2章 负荷计算及功率因数的提高图 29 工厂供电系统中各部分的计算负荷和功率损耗(只示出有功部分)第2章 负荷计算及功率因数的提高1.线路功率损耗的计算线路功率损耗的计算线路功率损耗包括有功和无功两大部分。1)有功功率损耗有功功率损耗是电流通过线路电阻所产生的，其计算式为式中，I 30 为线路的计算电流；R WL 为线路每相的电阻。第2章 负荷计算及功率因数的提高电阻 R WL=R 0 l，其中 l 为线路长度，R 0 为线路单位长度的电阻值(可查有关手册或产品样本)。附录
39、1 中附表 1 3 列出了 LJ 型铝绞线的主要技术数据，可查得 LJ 型铝绞线各种截面的 R 0 值。第2章 负荷计算及功率因数的提高2)无功功率损耗无功功率损耗是电流通过线路电抗所产生的，其计算式为式中，I 30 为线路的计算电流；X WL 为线路每相的电抗。第2章 负荷计算及功率因数的提高电抗 X WL=X 0 l，其中 l 为线路长度，X 0 为线路单位长度的电抗值(可查有关手册或产品样本)。附表 13 也列出了 LJ 型铝绞线的 X 0 值。但是查 X 0，不仅要知道导线截面，而且要知道导线之间的几何均距。所谓线间几何均距，就是三相线路各相导线之间距离的几何平均值。如图 210(a)
40、所示的 U、V、W 三相线路，其线间几何均距为如导线为等边三角形排列(见图 210(b)，则 a av=a;如导线为水平等距排列(见图 210(c)，则第2章 负荷计算及功率因数的提高图 210 三相线路的线间距离第2章 负荷计算及功率因数的提高2.变压器功率损耗的计算变压器功率损耗的计算变压器功率损耗也包括有功和无功两大部分。1)变压器的有功功率损耗变压器的有功功率损耗由以下两部分组成：(1)铁芯中的有功功率损耗，即铁损 P Fe。铁损在变压器一次绕组的外施电压和频率不变的条件下，是固定不变的，与负荷无关。铁损可由变压器空载实验测定。变压器的空载损耗 P 0 可认为就是铁损，因为变压器的空载
41、电流 I 0 很小，在一次绕组中产生的有功损耗可略去不计。第2章 负荷计算及功率因数的提高(2)有负荷时一、二次绕组中的有功功率损耗，即铜损 P Cu。铜损与负荷电流(或功率)的平方成正比。铜损可由变压器短路实验测定。变压器的短路损耗 P k 可认为就是铜损，因为变压器短路时一次侧短路电压 U k 很小，在铁芯中产生的有功功率损耗可略去不计。第2章 负荷计算及功率因数的提高因此，变压器的有功功率损耗为或式中，S N 为 变 压 器 的 额 定 容 量；S30 为 变 压 器 的 计 算 负 荷；为 变 压 器 的 负 荷 率，第2章 负荷计算及功率因数的提高2)变压器的无功功率损耗变压器的无功
42、功率损耗也由两部分组成，分别如下:(1)用来产生主磁通即产生励磁电流的一部分无功功率，用 Q 0 表示。它只与绕组电压有关，与负荷无关，且与励磁电流(或近似地与空载电流)成正比，即式中，I 0%为变压器空载电流占额定电流的百分值。第2章 负荷计算及功率因数的提高(2)消耗在变压器一、二次绕组电抗上的无功功率。额定负荷下的这部分无功损耗用 Q N 表示。由于变压器绕组的电抗远大于电阻，因此 Q N 近似地与短路电压(即阻抗电压)成正比，即式中，U k%为变压器的短路电压占额定电压的百分值。第2章 负荷计算及功率因数的提高这部分无功损耗与负荷电流(或功率)的平方成正比。因此，变压器的无功功率损耗为
43、其中，式(239)式(244)中的 P 0、P k、I 0%和 U k%(或 U Z%)等均可从有关手册或产品样本中查得。附表 1 4 列出了 SL7 型低损耗配电变压器的主要技术数据，以供参考。第2章 负荷计算及功率因数的提高在负荷计算中，SL7、S7、S9 等型低损耗电力变压器的功率损耗可按下列简化公式近似计算：第2章 负荷计算及功率因数的提高2.2.2 工厂供电系统的电能损耗工厂供电系统的电能损耗工厂供电系统中的线路和变压器由于常年运行，其电能损耗相当可观，这直接关系到供电系统的经济效益问题。作为供电人员，应设法降低供电系统的电能损耗。1.线路的电能损耗线路的电能损耗线路上全年的电能损耗
44、 W a，可按下式计算：式中，I 30 为通过线路的计算电流；R WL 为线路每相的电阻；为年最大负荷损耗小时。第2章 负荷计算及功率因数的提高年最大负荷损耗小时 是一个假想时间，在此时间内，系统元件(含线路)持续通过计算电流(即最大负荷电流)I 30 所产生的电能损耗，恰好等于实际负荷电流全年在元件(含线路)上产生的电能损耗。而且，年最大负荷损耗小时 与年最大负荷利用小时 T max 有一定关系。第2章 负荷计算及功率因数的提高不同 cos?下的 T max 关系曲线，如图 211 所示。已知 T max 和 cos?时即可查出 。第2章 负荷计算及功率因数的提高图 211 T max 关系
45、曲线第2章 负荷计算及功率因数的提高2.变压器的电能损耗变压器的电能损耗变压器的电能损耗包括以下两部分：(1)变压器铁损 P Fe 引起的电能损耗。只要外施电压和频率不变，它就是固定不变的，它近似于空载损耗 P 0，因此其全年电能损耗为第2章 负荷计算及功率因数的提高(2)变压器铜损 P Cu 引起的电能损耗。它与负荷电流(或功率)的平方成正比，即与变压器负荷率 的平方成正比，它近似于短路损耗 P k，因此其全年电能损耗为由此可得变压器全年的电能损耗为式中，为变压器的年最大负荷损耗小时，其曲线亦可由图 211 查得。第2章 负荷计算及功率因数的提高2.3 工厂的计算负荷和年电能消耗量工厂的计算
46、负荷和年电能消耗量2.3.1 工厂计算负荷的确定工厂计算负荷的确定工厂计算负荷是选择工厂电源进线一、二次设备(包括导线、电缆)的基本依据，也是计算工厂的功率因数和工厂需电容量的基本依据。确定工厂计算负荷的方法很多，可按具体情况选用。第2章 负荷计算及功率因数的提高1.按逐级计算法确定工厂计算负荷按逐级计算法确定工厂计算负荷如图 29 所示，工厂的计算负荷(以有功负荷为例)P 30，1，应该是高压母线上所有高压配电线计算负荷之和，再乘上一个同时系数。高压配电线的计算负荷 P 30，2，应该是该线所供车间变电所低压侧的计算负荷 P，加上变压器的功率损耗 P T 和高压配电线的功率损耗 P WL1
47、如此逐级计算。但对一般工厂供电系统来说，线路不是很长，因此在确定计算负荷时往往略去不计。工厂及变电所低压侧总的计算负荷 P 30、Q 30 、S 30 和 I30 的计算公式，分别为式(217)式(220)，其 K p=0.80.95，K q=0.850.97。第2章 负荷计算及功率因数的提高2.按需要系数法确定工厂计算负荷按需要系数法确定工厂计算负荷将全厂用电设备的总容量 P e(不含备用设备容量)乘以一个需要系数 K d，即得到全厂的有功计算负荷，即附表 12 列出了部分工厂的需要系数值，以供参考。全厂的无功计算负荷、视在计算负荷和计算电流按式(210)式(212)计算。第2章 负荷计算及
48、功率因数的提高3.按年产量估算工厂计算负荷按年产量估算工厂计算负荷将工厂年产量 A 乘上单位产品耗电量 a，就得到工厂全年的需电量，即W a=Aa(254)各类工厂的单位产品耗电量 a 可由有关设计单位根据实测统计资料确定，亦可查有关设计手册。在求出年需电量 W a 后，用 W a 除以工厂的年最大负荷利用小时 T max，就可求出工厂的有功计算负荷。其他计算负荷 Q 30、S 30、I 30的计算，与上述需要系数法相同。第2章 负荷计算及功率因数的提高4.工厂的功率因数、无功补偿及补偿后的工厂计算负工厂的功率因数、无功补偿及补偿后的工厂计算负荷荷1)工厂的功率因数(1)瞬时功率因数。瞬时功率
49、因数可由功率因数表(相位表)直接测量，亦可由功率表、电流表和电压表的读数按下式求出(间接测量)：第2章 负荷计算及功率因数的提高式中，P 为功率表测出的三相功率读数(kW)；I 为电流表测出的线电流读数(A)；U 为电压表测出的线电压读数(kV)。瞬时功率因数只用来了解和分析工厂或设备在生产过程中无功功率的变化情况，以便采取适当的补偿措施。第2章 负荷计算及功率因数的提高(2)平均功率因数。平均功率因数亦称为加权平均功率因数，其计算公式为式中，W p 为某一时间内消耗的有功电能，由有功电度表读出；W q 为某一时间内消耗的无功电能，由无功电度表读出。我国电业部门每月向工业用户收取电费，规定电费
50、要按月平均功率因数的高低来进行调整。第2章 负荷计算及功率因数的提高(3)最大负荷时的功率因数。最大负荷时的功率因数是指在年最大负荷(即计算负荷)时的功率因数，其计算公式为第2章 负荷计算及功率因数的提高我国电力工业部于 1996 年制定的供电营业规则第四十一条规定:“无功电力应就地平衡。用户应在提高用自然功率因数的基础上，按有关标准设计和安装无功补偿设备，并做到随其负荷和电压变动及时投入或切除，防止无功电力倒送。除电网有特殊要求的用户外，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:100 千伏安及以上高压供电的用户，功率因数为 0.90 以上。其他电力用户和大、中型电力
