项目2 电力负荷及其计算 任务1 工厂的电力负荷及负荷曲线 任务2 三相用电设备组计算负荷的确定 任务3 单相用电设备组计算负荷的确定 任务4 工厂总计算负荷的确定 任务5 尖峰电流及计算

任务1 工厂的电力负荷及负荷曲线 电力负荷的分级及其对供电电源的要求 电力负荷的概念 电力负荷指耗用电能的用电设备或用电单位（用户）。 电力负荷指用电设备或用电单位所耗用的电功率或电流大小 。 电力负荷的分级（对供电可靠性的要求） 一级负荷 二级负荷 三级负荷 各级负荷对供电电源的要求

一级负荷 要求由两个电源供电，当其中一个电源发生故障时，另一个电源应不致同时受到损坏。一级负荷中特别重要的负荷，还必须增设应急电源。常用的应急电源可使用下列几种电源： 独立于正常电源的柴油发电机组； 供电网络中独立于正常电源的专门供电线路； 蓄电池； 干电池。

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，二级负荷应不致中断供电，或中断供电后能迅速恢复供电。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 6kV及以上的专用架空线路供电。 三级负荷 三级负荷属于不重要的一般负荷，对供电电源没有特殊要求。

用电设备的工作制 连续工作制 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 。 短时工作制 设备在恒定负荷下运行的时间短，而停歇的时间长。 断续周期工作制 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。

负荷持续率及断续周期工作制设备容量的换算 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，即 式中T 为工作周期；t为工作周期内的工作时间； 为工作周期内的停歇时间。 如果设备在 下的容量为PN,则换算到ε下的设备容量为Pe为

a）依点连成的负荷曲线 b）绘成梯形的负荷曲线 负荷曲线及有关的物理量 负荷曲线 在直角坐标纸上绘出的表征电力负荷随时间变动情况的一种图形，纵坐标表示负荷值，横坐标表示对应的时间，一般以小时（h）为单位。 图2-1 日有功负荷曲线 a）依点连成的负荷曲线 b）绘成梯形的负荷曲线

a）夏日负荷曲线 b）冬日负荷曲线 c）年负荷持续时间曲线 年负荷曲线 通常绘成负荷持续时间曲线，按负荷大小依次排列，如图2-2c 所示，全年时间按8760h计。 从各种负荷曲线上，可以直观地了解电力负荷变动的情况，掌握负荷变动的规律，并从中可获得一些对设计和运行有用的资料。 图2-2 年负荷持续时间曲线的绘制 a）夏日负荷曲线 b）冬日负荷曲线 c）年负荷持续时间曲线

年最大负荷 全年中负荷最大的工作班内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P30。 有关物理量 年最大负荷和年最大负荷利用小时 年最大负荷 全年中负荷最大的工作班内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P30。 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 持续运行所消 耗的电能，恰好等于该负荷全年实际 消耗的电能，如图2-4所示。 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按下式计算： 式中 Wa 为全年消耗的电能量。 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，Tmax=1800～3000h；两班制工厂， Tmax=3500～4800h；三班制工厂， Tmax =5000～7000h 。 平均负荷和负荷系数

平均负荷（average load） 平均负荷Pav，就是电力负荷在一定时间内平均消耗的功率，即 式中Wt 为时间 t内消耗的电能量。 负荷系数 又称负荷率，是用电负荷的平均负荷 Pav与其最大负荷 Pmax的比值，即 对用电设备来说，负荷系数是设备的输出功率P与设备额定容量PN 的比值，即 图2-5 年平均负荷

任务2 三相用电设备组计算负荷的确定 概述 负荷计算是正确地选择供电系统中的所有元件（如电力变压器、开关设备和导线电缆等）的依据 。 任务2 三相用电设备组计算负荷的确定 概述 负荷计算是正确地选择供电系统中的所有元件（如电力变压器、开关设备和导线电缆等）的依据 。 通过负荷的统计计算求出的、用以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。 计算负荷是供电设计的基本依据。计算负荷确定得是否正确合理，直接影响到电气设备和导线电缆的选择是否经济合理。 确定计算负荷的方法 需要系数法和二项式法。需要系数法是国际上通用的确定计算负荷的方法，最为简便实用。二项式法应用的局限性较大，但在确定设备台数较少而容量差别悬殊的分支线路的计算负荷时，较之采用需要系数法合理，且其计算也较简便。

按需要系数法确定计算负荷 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P30 ，如图2-6所示。 式中 为设备组的同时系数； 为设备组的负荷系数； 为设备组的平均效率； 为配电线路的平均效率。 令上式中的 ，这Kd 即“需要系数”。由上式可知，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用的有功功率与其设备容量的比值。

计算公式 有功计算负荷P30： 无功计算负荷： 视在计算负荷： 计算电流： 公式中， 为用电设备组的平均功率因数； 为对应于用电设备组 的正切值；UN 为用电设备组的额定电压。 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“千伏安”（kVA） 电流为“A”，电压为“kV”。

例2-1 已知某机修车间的金属切削机床组，拥有电压为380V的三相电动机7. 5kW 3台,4kW 8台,3kW 17台,1 例2-1 已知某机修车间的金属切削机床组，拥有电压为380V的三相电动机7.5kW 3台,4kW 8台,3kW 17台,1.5kW 10台。试求其计算负荷。 解：此机床组电动机的总容量为 查附录表中“小批生产的金属冷加工机床电动机”项，得 （取0.2）, , 因此可求得: 有功计算负荷 无功计算负荷 视在计算负荷 计算电流

设备容量的计算 需要系数法基本公式中的设备容量, 不包含备用设备的容量, 而且要注意, 此容量的计算与用电设备组的工作制有关。 对一般连续工作制和短时工作制的用电设备组 设备容量就是其所有设备（不含备用设备）额定容量之和。 对断续周期工作制的用电设备组 设备容量就是将所有设备（亦不含备用设备）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。

电焊机组 其容量要求统一换算到 ε=100% ，因此换算后的设备容量为： 吊车电动机组 其容量要求统一换算到 ，因此可得换算后的设备容量为： ，即

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 和 ： 对车间干线取 对低压母线 由用电设备组的计算负荷直接相加来计算时取 由车间干线的计算负荷直接相加来计算时取

总的有功计算负荷为： 总的无功计算负荷为： 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 。

例2-2 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7. 5kW1台, 4kW3台,2 例2-2 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7.5kW1台, 4kW3台,2.2 kW7台), 通风机2台共3kW, 电阻炉1台2kW。试确定此线路上的计算负荷。 解：先求各组的计算负荷 (1). 金属切削机床组 查附录表1，取 故 (2). 通风机组 (3). 电阻炉： 查附录表1，取

表2-1 例2-2的电力负荷计算表（按需要系数法） 因此380V线路上的总计算负荷为 （取 ） 在供电工程设计说明书中，为了使人一目了然，便于审核，常采用计算表格的形式，如表2-1所示。 表2-1 例2-2的电力负荷计算表（按需要系数法） 34.5 22.7 18.5 13.1 取 19.1 13.8 55 23 车间总计 1.4 1 0.7 2 电阻炉 3 1.8 2.4 0.75 0.8 通风机 17.3 10 1.73 0.5 0.2 50 20 切削机床 计 算 负 荷 需要系数 容量 台数n 设备名称 序号

三. 按二项式法确定计算负荷 (一). 二项式法的基本公式 二项式法的基本公式是 式中bPe为二项式第一项，表示设备组的平均负荷，其中Pe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；cPx为二项式第二项，表示设备组中x 台容量最大的设备投入运行时增加的附加负荷，其中Px是x 台最大容量的设备总容量；b、c为二项式系数。 其余的计算负荷Q30、S30和I30 的计算，与上述需要系数法的计算相同。

任务3 单相用电设备组计算负荷的确定 概述 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。如果单相设备容量超过三相设备容量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。

单相设备组等效三相负荷的计算 单相设备接于相电压时的负荷计算 等效三相设备容量Pe应按最大负荷相所接的单相设备容量 的3倍计算，即 等效三相计算负荷则按前述需要系数法计算。 单相设备接于线电压时的负荷计算 单相设备接于同一线电压时 由于容量为 的单相设备在线电压上产生的电流 ，此电流应与等效三相设备容量Pe 产生的电流 相等，因此其等效三相设备容量为： 单相设备混合接入相、线电压（换算，略）

任务4 工厂总计算负荷的确定 线路功率损耗 有功损耗 是电流通过线路电阻所产生的，按下式计算： 式中I30为线路的计算电流；Rwl为线路每相的电阻。 电阻 ，这里 为线路长度，R0为线路单位长度的电阻值，可查有关手册或产品样本。 无功损耗 电流通过线路电抗所产生的，按下式计算： 式中I30 为线路的计算电流；Xwl为线路每相的电抗。

· 变压器功率损耗 有功损耗 无功损耗 在负荷计算中，对S9、SC9等新系列低损耗电力变压器，可按下列简化公式计算： 有功功率损耗 无功功率损耗 本公式简单，在工程实际中应用广泛。

工厂计算负荷的确定 按逐级计算法 需要系数法 按年产量估算法 将工厂年产量A乘上单位产品耗电量 ，就可得到 工厂全年的需电量 各类工厂的单位产品耗电量可由有关设计手册或根 据实测资料确定。在求出年需电量Wα后，将它除 以工厂的年最大负荷利用小时Tmax，就可求出工厂 的有功计算负荷 其他计算负荷Q30、S30和I30 的计算，与上述需要系 数法相同。

式中P 为三相功率；U 为线电压；I 为电流。 平均功率因数 功率因数及无功补偿 功率因数 瞬时功率因数 式中P 为三相功率；U 为线电压；I 为电流。 平均功率因数 我国供电企业每月向用户计收电费，就规定电费要按月平均功率因数的高低来调整。

最大负荷时的功率因数 《供电营业规则》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为0.90以上。其他电力用户和大、中型电力排灌站、趸购转售企业，功率因数为0.85以上。农业用电，功率因数为 0.80。

无功补偿 电网输出的功率包括两部分:一是有功功率;二是无功功率。 直接消耗电能,把电能转变为机械能,热能等。利用这些能做功,这部分功率称为有功功率。 不消耗电能;只是把电能转换为另一种形式的能。它是电气设备运行的必备条件。这部分功率称为无功功率,如电动机和家庭用的电磁炉建立磁场占用的电能。

无功补偿装置 无功补偿的作用 提高电网及负载的功率因数，降低设备所需容量，减少不必要的损耗。 稳定电网电压，提高电网质量。而在长距离输电线路中安装合适的无功补偿装置可提高系统的稳定性及输电能力。 提高电力系统的稳定性。 电网中任何情况下都要求无功电源大于无功负荷，要有存储。根据实际运行资料，无功功率的储备容量必须达到最大无功负荷的7～8%。

无功功率不仅要作全网平衡，而且要作各地区平衡；不仅全网平衡中要有储备容量，而且各地区都要有储备容量，才能保证电网的稳定运行。

无功补偿的方法 同步发电机：调整励磁电流，使其在超前功率因数下运行，输出有功功率的同时输出无功功率； 同步电动机：与同步发电机一样可提供无功； 同步调相机：当同步电机空载运行而仅向电网输送无功功率时，便被称为调相机。 静止无功补偿装置：早期为饱和电抗器型的，目前较先进的采用了自换相变流电路。 并联电容器：可提供超前的无功功率以补偿感性负荷，多装于降压变电所，还可就地补偿。

配置原则 总体平衡与局部平衡结合，获得最优化的组合，到达最佳补偿效果。 分散补偿与客户补偿相结合，供电部门补偿电网的无功损耗，客户补偿用电设备的无功损耗，尽可能做到就地补偿、就地平衡。 分散补偿与集中补偿相结合，以分散补偿为主。分散补偿是在配电网的配电线路、配电变压器和客户的用电设备进行分散直接补偿，而集中补偿是在变电站集中装设较大容量的补偿设备，用于补偿主变及上级电网的无功损耗。

配电网常用无功补偿方案 变电站集中补偿 变电站集中补偿装置包括并联电容器、同步调相机、静止补偿器等，主要目的是平衡输电网的无功功率，改善输电网的功率因数，提高系统终端变电所的母线电压，补偿变电站主变压器和高压输电线路的无功损耗。 这些补偿装置一般集中接在变电站10kV母线上，因此具有管理容易、维护方便等优点，但这种补偿方案对10kV配电网的降损不起作用。

配电变低压补偿 配电变低压补偿是目前应用最普遍的补偿方法。由于用户的日负荷变化大，通常采用微机控制、跟踪负荷波动分组投切电容器补偿，总补偿容量在几十至几百千乏不等。目的是提高专用变用户功率因数，实现无功的就地平衡，降低配电网损耗和改善用户电压质量。

配电线路固定补偿 大量配电变压器要消耗无功，很多公用变压器没有安装低压补偿装置，造成的很大无功缺额需要变电站或发电厂承担，大量的无功沿线传输使得配电网的网损居高难下，这种情况下可考虑配电线路无功补偿。 线路补偿既通过在线路杆塔上安装电容器实现无功补偿。由于线路补偿远离变电站，因此存在保护难配置、控制成本高、维护工作量大、受安装环境限制等问题。因此，线路补偿的补偿点不宜过多；控制方式应从简，一般不采用分组投切控制；补偿容量也不宜过大，避免出现过补偿现象。

用电设备随机补偿 在10kV以下电网的无功消耗总量中，变压器消耗占30％左右，低压用电设备消耗占65％以上。由此可见，在低压用电设备上实施无功补偿十分必要。从理论计算和实践中证明，低压设备无功补偿的经济效果最佳，综合性能最强，是值得推广的一种节能措施。 感应电动机是消耗无功最多的低压用电设备，故对于厂矿企业的较大容量电动机，应该实施就地无功补偿，即随机补偿。

与前三种补偿方式相比，随机补偿更能体现以下优点： 线损率可减少20%； 改善电压质量，减小电压损失，进而改善用电设备启动和运行条件； 释放系统能量，提高线路供电能力。 总之，电网无功补偿是一项建设性的技术措施，对电网安全、优质、经济运行有重要作用。 无功补偿工程是供电企业和产品厂家双方的事情，都应充分重视解决工程中的问题。

补偿原理 ：补偿前的功率因数； ：补偿后的功率因数 电容器个数的确定： 在确定并联电容器个数时，如果是三相电容器，则需取整数；如果是单相电容器，还要考虑去三的倍数，保证各相平衡。

无功补偿后的计算负荷 无功计算负荷为 补偿后总的视在计算负荷为 可以看出，在变电所低压侧装设了无功补偿装置以后，由于低压侧总的计算负荷减小，从而可使变电所主变压器的容量选得小一些。这不仅降低了变电所的初投资，而且减少了工厂的电费开支。使工厂获得一定的经济实惠。

并联电容器 并联电容器型号 使用环境，W-户外，无字母为户内式 相数，1-单相，3-三相 单台容量（kvar） 额定电压（kv） 固体介质代号，无字母为全电容器纸，F-纸、薄膜 复合绝缘，M-全聚丙烯薄膜。 介质液体代号，无字母为 矿物质油，W-烷基苯浸纸， G-苯甲基油，F-二芳烃烷，B-异丙基联苯 产品代号，B-并联电容器，C-串联补偿电容

并联电容器的安装 接线方式：三角形、单星形、双星形。一般采用星形，但当电容器的额定电压等于电网额定电压时应为三角形。 要有必要的控制、保护装置。 安装注意事项 电容器本体大面朝东西方向，以减少日照。 装设避雷器作过电压保护，外壳、支架、控制开关应可靠接地。 端子连接应松紧适度。

低压无功补偿装置

例2-6 某厂拟建一座降压变电所，装设一台主变压器。已知变电所低压侧有功计算负荷为650kW,无功计算负荷为800 kvar。为了使工厂变电所高压侧的功率因数不低于0.9，如果在低压侧装设并联电容器补偿时，需装设多少补偿容量？并问补偿前后工厂变电所所选主变压器容量有什么变化？ 解： 补偿前应选变压器的容量及功率因数值 变电所低压侧的视在计算负荷为

变电所主变容量应满足的条件为SNT>S30(2)，因此在未进行无功补偿时，变压器容量应选为1250kVA。 这时变电所低压侧的功率因数为 无功补偿容量 要使高压侧的 ，由于 ，在变压器低压 侧进行无功补偿时，低压侧补偿后的功率因数应略大于0.90，这里取 。

为使低压侧功率因数由0.63提高到0.92，低压侧需装设的并联电容器容量应为 补偿后的变压器容量和功率因数 因此补偿后变压器容量可选为800kVA。 变压器的功率损耗为

变电所高压侧的计算负荷为 无功补偿后，工厂的功率因数（最大负荷时）为 这一功率因数值满足规定（0.9）的要求。

无功补偿前后比较 变电所主变压器在无功补偿后减少容量为 这不仅会减少基本电费开支，而且由于提高了功率因数，还会减少电度电费开支。

任务5 尖峰电流及其计算 概述 尖峰电流（peak current）是指持续时间1～2s的短时最大负荷电流。 尖峰电流主要用来选择熔断器和低压断路器、整定继电保护装置及检验电动机自启动条件等。 用电设备尖峰电流的计算 单台设备尖峰电流的计算 单台设备的尖峰电流就是其启动电流（starting current），因此尖峰电流为 式中 IN 为设备额定电流； Ist 为设备启动电流；Kst 为设备的启动电流倍数，笼型电动机为5～7，绕线型电动机为2～3，直流电动机约为1.7，电焊变压器为3或稍大。

多台设备尖峰电流的计算 引至多台设备的线路上的尖峰电流按下式计算： 或 式中 和 (Ist-IN )max 分别为用电设备中启动电流与额定电流之差为最大的那台设备的启动电流及其启动电流与额定电流之差； 为除启动电流与额定电流之差为最大的那台设备之外的其他n-1台设备的额定电流之和；KΣ为上述n-1台的同时系数，按台数多少选取，一般为0.7～1； 为全部设备投入运行时线路的计算电流。

解:由表2-4可知，电动机M4的Ist－IN ＝193.2A－27.6A＝165.6A 为最大，因此该线路的尖峰电流为(取KΣ=0.9)： 例2-8 有一380V三相线路，供电给表2-4所示4台电动机。试计算该线路的尖峰电流。 表2-4 例2-8的负荷资料 M4 M3 M2 M1 193.2 197 35 40.6 启动电流 Ist /A 27.6 35.8 5 5.8 额定电流 IN /A 电动机 参数 解:由表2-4可知，电动机M4的Ist－IN ＝193.2A－27.6A＝165.6A 为最大，因此该线路的尖峰电流为(取KΣ=0.9)：

习 题 2-1 已知某机修车间的金属切削机床组，拥有额定电压380V的三相电动机15kW1台，11kW3台，7.5kW8台,4kW15台,其他更小容量电动机容量共35kW。试分别用需要系数法和二项式法计算其P30、Q30、S30 和I30。 2-2 某380V线路供电给1台132kW Y型电动机，其效率η＝91％，功率因数 。试求该线路的计算负荷P30、Q30、S30 和 I30。 2-3 某机械加工车间的380V线路上，接有流水作业的金属切削机床组电动机30台共85kW。另外有通风机3台，共5kW；电葫芦1个，3kW（ε＝40％）。试分别按需要系数法确定各组的计算负荷及总的计算负荷。

2-5 某降压变电所装有一台Yyn0联结的S9-1000/10型电力变压器，其二次侧（380V）的有功计算负号为720kW，无功计算负荷为580kvar。试求此变电所一次侧的计算负荷及其功率因数。如果功率因数未达到0.90，问此变电所低压母线上需装设多少容量的并联电容器才能满足要求？ 2-6 某厂的有功计算负荷为4600kW,功率因数为0.75。现拟在该厂高压配电所10kV母线上装设 BWF10.5-40-1型并联电容器，使功率因数提高到 0.90，问需装设多少个？装设电容器以后，该厂的视在计算负荷为多少？比未装设电容器时的视在计算负荷减少了多少？