項目二負荷計算與短路電流計算任務(wù)1能力目標SubTitle知識目標掌握用電設(shè)備的工作制及負荷曲線；掌握確定用電設(shè)備計算負荷的兩種計算方法；學會計算或估算電力負荷的大??；了解無功補償?shù)姆椒?。一電力負荷和負荷曲線

計算或估算電力負荷是對供配電系統(tǒng)中導線、電纜、開關(guān)、各種電氣設(shè)備、變壓器等進行正確選擇和分析的基礎(chǔ)，是保障供配電系統(tǒng)安全可靠運行必不可少的環(huán)節(jié)。長期連續(xù)工作制設(shè)備1）電力負荷的工作制及用電設(shè)備的容量1.短時工作制設(shè)備2）這類用電設(shè)備的特點是工作時間很短，而停歇時間相對較長，如水閘用電動機、機床上的某些輔助電動機等。對于短時工作制設(shè)備，其設(shè)備容量也是設(shè)備銘牌上的額定功率。反復短時工作制設(shè)備3）一個工作周期內(nèi)工作時間占整個周期的比值稱為負荷持續(xù)率（暫載率）ε。ε=[t/(t+t0)]×100%式中，t為工作時間；t0為停歇時間。對起重電動機應(yīng)統(tǒng)一換算到ε=25%，PN為換算前設(shè)備銘牌額定功率；Pe為換算后的設(shè)備容量；εN為設(shè)備銘牌暫載率；ε25為值為25%的暫載率。對電焊機設(shè)備，應(yīng)統(tǒng)一換算到ε=100%，例2-1

某小批量生產(chǎn)車間380V線路上接有金屬切削機床12臺（其中，12kW的4臺，10.5kW的6臺，5kW的2臺），車間有380V電焊機3臺（每臺容量20kVA，εN=65%，cosφN=0.5），車間有吊車1臺（7.5kW，εN=25%），試計算此車間的設(shè)備容量。

解（1）金屬切削機床屬于長期連續(xù)工作制設(shè)備，所以12臺金屬切削機床的總?cè)萘繛镻e1=∑Pei=（4×12+6×10.5+2×5）kW=121kW

（2）電焊機的設(shè)備容量。電焊機屬于反復短時工作制設(shè)備，它的設(shè)備容量應(yīng)統(tǒng)一換算到ε=100%，所以3臺電焊機的設(shè)備容量為（3）吊車的設(shè)備容量。吊車屬于反復短時工作制設(shè)備，它的設(shè)備容量應(yīng)統(tǒng)一換算到ε=25%，所以1臺吊車的容量為（4）車間的設(shè)備總?cè)萘繛?/p>

Pe=121+24.2+7.5=152.7kW年最大負荷和年最大負荷利用小時年最大負荷利用小時Tmax是指負荷以年最大負荷Pmax持續(xù)運行時，在此時間內(nèi)消耗的電能恰好等于該電力負荷全年實際消耗的電能Wa，這段等效時間就是年最大負荷利用小時Tmax，陰影部分即全年實際消耗的電能。Tmax=Wa/Pmax1）與負荷曲線相關(guān)的參數(shù)年最大負荷利用小時Tmax是一個反映工廠負荷特征的重要參數(shù)，它的大小表明了工廠消耗電能是否均勻，Tmax越大，則負荷越平穩(wěn)。它與工廠的生產(chǎn)班制有較大的關(guān)系，一班制工廠Tmax=1800～3000h，兩班制工廠Tmax=3500～4800h，三班制工廠Tmax=5000～7000h。（2）平均負荷、年平均負荷和負荷系數(shù)。平均負荷Pav是指電力負荷在一定時間內(nèi)消耗的功率的平均值，Pav=Wt/t式中，Wt為t時間內(nèi)消耗的電能，kW·h；t為實際用電時間，h。①年平均負荷是全年工廠負荷消耗的總功率除以全年總小時數(shù)。Pav=Wa/8760②負荷系數(shù)又稱為負荷率，用KL表示，是年平均負荷Pav與年最大負荷Pmax的比值，即KL=Pav/Pmax負荷系數(shù)反映負荷曲線的不平坦程度，即負荷變動的程度。計算負荷的概念1.供配電系統(tǒng)運行時的實際負荷并不等于所有用電設(shè)備的額定功率之和。這是由于用電設(shè)備不可能全部同時運行，而且運行時每臺設(shè)備也不可能全部滿負荷運行，同時各種用電設(shè)備的功率因數(shù)也不可能完全相同。因此，供配電系統(tǒng)在設(shè)計過程中，必須找出這些用電設(shè)備的等效負荷。全年中負荷最大工作班內(nèi)消耗電能最大的半小時的平均功率，稱為半小時最大負荷P30。通常把半小時最大負荷P30稱為計算負荷。

通常用P30、Q30、S30、I30分別表示負荷的有功計算負荷、無功計算負荷、視在計算負荷和計算電流。按需要系數(shù)法確定計算負荷2.1）單臺用電設(shè)備的計算負荷對單臺用電設(shè)備宜取Kd=1①單臺電動機計算負荷為P30=PN/ηN式中，PN為電動機的額定功率，kW；ηN為電動機在額定負荷下的效率。②單臺電熱設(shè)備、電爐變壓器、白熾燈等設(shè)備來說，計算負荷等于其額定容量，P30=PN③單臺反復短時工作制的設(shè)備，計算負荷也等于其設(shè)備容量④起重機、電焊機類設(shè)備，要根據(jù)負荷持續(xù)率進行換算。2）用電設(shè)備組的計算負荷直接采用需要系數(shù)法進行計算。有功計算負荷為P30=KdPe無功計算負荷為Q30=P30tanφ視在計算負荷為計算電流為例2-2某小批量生產(chǎn)車間380V線路上接有金屬切削機床共12臺（其中，12kW的4臺，10.5kW的6臺，5kW的2臺），車間有380V電焊機3臺（每臺容量20kVA，εN=65%，cosφN=0.5），車間有吊車1臺（7.5kW，εN=25%），試用需要系數(shù)法計算此車間的計算負荷。解：（1）金屬切削機床組的計算負荷。查附錄3，取需要系數(shù)和功率因數(shù)為Kd=0.2，cosφ=0.5，tanφ=1.73，P30(1）=KdPe1=0.2×121=24.2kWQ30(1）=P30(1）tanφ=24.2×1.73≈41.87kvarS30(1）=≈48.4kVAI30(1）=≈73.5A（2）電焊機組的計算負荷。查附錄3，取需要系數(shù)和功率因數(shù)為Kd=0.35，cosφ=0.6，tanφ=1.33，P30(2）=KdPe2=0.35×24.2≈8.5kWQ30(2）=P30(2）tanφ=8.5×1.33≈11.31kvarS30(2）=≈14.15kVAI30(2）=≈21.5A（3）吊車組的計算負荷。查附錄3，取需要系數(shù)和功率因數(shù)為Kd=0.15，cosφ=0.5，tanφ=1.73，P30(3）=KdPe3=0.15×7.5≈1.1kWQ30(3）=P30(3）tanφ=1.1×1.73≈1.9kvarS30(3）=≈2.2kVAI30(2）=≈3.3A（4）全車間的總計算負荷。查附錄3，取同時系數(shù)K∑=0.8，所以全車間的計算負荷為P30=K∑·∑Pei=0.8×(24.2+8.5+1.1）≈20.3kWQ30=K∑·∑Qei=0.8×(41.87+14.7+1.9）≈35.1kvarS30=≈40.5kVAI30=≈61.5A按二項式系數(shù)法確定計算負荷3.在計算設(shè)備臺數(shù)較少，而且各臺設(shè)備容量相差懸殊的車間干線和配電箱的計算負荷時宜采用二項式系數(shù)法。P30=bPe+cPx式中，b、c為二項式系數(shù)，根據(jù)設(shè)備的名稱、類型、臺數(shù)通過查附錄3選取；bPe為用電設(shè)備組的平均負荷，Pe為用電設(shè)備組的設(shè)備總?cè)萘?；Px為用電設(shè)備中x臺容量最大的設(shè)備容量之和，cPx指用電設(shè)備中x臺容量最大的設(shè)備投入運行時增加的附加負荷。Q30、S30、I30的計算公式與前述需要系數(shù)法相同。當只有一臺或兩臺用電設(shè)備時，P30=Pe。按二項式系數(shù)法確定計算負荷時，如果設(shè)備總臺數(shù)n少于附錄3中規(guī)定的最大容量設(shè)備臺數(shù)x的2倍(n<2x），其最大容量設(shè)備臺數(shù)x適當取小，建議取x=n/2，并按四舍五入的規(guī)則取整數(shù)。采用二項式系數(shù)法確定多組用電設(shè)備的總計算負荷時，需要考慮各組用電設(shè)備最大負荷不同時出現(xiàn)的因素。只能在各組用電設(shè)備中取其中一組最大的附加負荷，再加上各組用電設(shè)備的平均負荷，由此求出設(shè)備組的總計算負荷，即總有功計算負荷為P30=∑（bPe）i+(cPx）max總無功計算負荷為Q30=∑（bPetanφ）i+(cPx）maxtanφmax

式中，（bPe）i為各用電設(shè)備組的平均負荷；（cPx）max為各組中最大的一組附加負荷；tanφmax為最大附加負荷（cPx）max的設(shè)備組的tanφ。求出P30、Q30、S30和I30。例2-3

某小批量生產(chǎn)車間380V線路上接有金屬切削機床共12臺（其中，12kW的4臺，10.5kW的6臺，5kW的2臺），接有通風機3臺（1.2kW），車間有吊車3臺（23.2kW的1臺，29.5kW的2臺，εN=25%），試用二項式系數(shù)法計算此車間的計算負荷。（1）求金屬切削機床組的計算負荷。查附錄3，取二項式系數(shù)為b=0.14，c=0.4，x=5，cosφ=0.5，tanφ=1.73，則(bPe）1=0.14×121≈16.9kW(cPx）1=0.4×(12×4+10.5×1）=23.4kW解：先求各組的bPe和cPx。

（2）通風機組的計算負荷。查附錄3，取二項式系數(shù)為b=0.65，c=0.25，x=2，cosφ=0.8，tanφ=0.75，則(bPe）2=0.65×3.6≈2.3kW(cPx）2=0.25×2.4=0.6kW（3）求吊車組的計算負荷。查附錄3，取二項式系數(shù)為b=0.06，c=0.2，x=3，(因n<2x,故取x=n/2，按四舍五入的規(guī)則取整數(shù)，則x=2），cosφ=0.5，tanφ=1.73，則(bPe）3=0.06×(23.2×1+29.5×2）=4.9kW(cPx）3=0.25×29.5×2=14.8kW以上各組設(shè)備中，附加負荷以(cPx）1為最大，因此總計算負荷為P30=∑（bPe）i+(cPx）max=（11.1+2.3+4.9）+23.4=41.7kWQ30=∑（bPetanφ）i+(cPx）1tanφ1

=（11.1×1.73+2.3×0.75+4.9×1.73）+23.4×1.73≈69.9kvarS30=≈81.4kVAI30=≈123.7A三單相用電設(shè)備計算負荷的確定

（1）單相設(shè)備接于相電壓時，等效三相設(shè)備容量Pe等于最大負荷相所接的單相設(shè)備容量Pemφ乘以3Pe=3Pemφ

（2）單相設(shè)備接于線電壓時，等效三相設(shè)備容量Pe按單相設(shè)備容量Peφ的3倍計算Pe=

Peφ四電氣照明負荷的確定照明設(shè)備容量的確定1.（1）不用鎮(zhèn)流器的照明設(shè)備，其設(shè)備容量為燈頭的額定功率，即Pe=PN（2）需要用鎮(zhèn)流器的照明設(shè)備，其設(shè)備容量一般略高于燈頭的額定功率，即Pe=1.1PN（3）照明設(shè)備的額定容量還可以按建筑物的單位面積容量法估算，即PN=ωA/1000式中，ω為建筑物單位面積的照明容量，W/m2；A為建筑物面積，m2。照明計算負荷的確定2.光源類別需要系數(shù)Kd功率因數(shù)cosφ白熾燈熒光燈高壓汞燈高壓鈉燈金屬鹵化物燈生產(chǎn)車間辦公室0.8～110.9（0.55）0.45～0.650.450.40～0.61變配電所、倉庫0.5～0.710.9（0.55）0.45～0.650.450.40～0.61生活區(qū)宿舍0.6～0.810.9（0.55）0.45～0.650.450.40～0.61室外110.9（0.55）0.45～0.650.450.40～0.61

照明設(shè)備組的需要系數(shù)及功率因數(shù)值五全廠計算負荷的確定逐級推算法1.P305為所有出線上的計算負荷之和，再乘上同時系數(shù)K∑。P304=P305+ΔPWL2，需要考慮線路WL2的損耗ΔPWL2。P303為低壓母線所有出線的計算負荷P304之和，乘上同時系數(shù)K∑。P302=P303+ΔPWL1+ΔPT，需要考慮線路WL1的損耗ΔPWL1和變壓器T的損耗ΔPT。計算負荷P301為高壓配電所幾條高壓配電線路計算負荷乘上同時系數(shù)K∑。逐級推算法示意圖電力變壓器的功率損耗，在一般的負荷計算中，可以采用簡化公式近似計算。簡化公式如下。有功功率損耗為ΔPT=0.015S30無功功率損耗為ΔQT=0.065S30需要系數(shù)法2.在已知全廠用電設(shè)備總?cè)萘縋e的條件下，乘以一個工廠的需要系數(shù)Kd即可求得全廠的有功計算負荷P30，即P30=KdPe式中，Kd為全廠負荷的需要系數(shù)值。全廠的無功計算負荷Q30、視在計算負荷S30和計算電流I30可分別按前述方法計算。工廠類別需要系數(shù)功率因數(shù)汽輪機制造廠0.380.88鍋爐制造廠0.270.73柴油機制造廠0.320.74重型機床制造廠0.320.71儀器儀表制造廠0.370.81電機制造廠0.330.81石油機械制造廠0.450.78電線電纜制造廠0.350.73開關(guān)電器制造廠0.350.75橡膠廠0.50.72通用機械廠0.40.72全廠負荷的需要系數(shù)及功率因數(shù)例2-4已知某開關(guān)電器制造廠用電設(shè)備的總?cè)萘繛?000kW，試估算該廠的計算負荷。解：查表取Kd=0.35，cosφ=0.75，則tanφ=0.88，可得P30=KdPe=（0.35×3000）kW=1050kWQ30=P30tanφ=1050×0.88=924kvar按年產(chǎn)量或年產(chǎn)值估算全廠的計算負荷3.（1）按年產(chǎn)量估算全廠的計算負荷。將工廠的年產(chǎn)量A乘以工廠的單位產(chǎn)品耗電量a，即可求出工廠的全年耗電量Wa為Wa=Aa各類工廠的單位產(chǎn)品耗電量a可由有關(guān)設(shè)計單位根據(jù)實測的統(tǒng)計資料確定，也可從有關(guān)設(shè)計手冊查取。求出工廠的全年耗電量Wa后，可得到全廠的有功計算負荷為P30=Wa/Tmax式中，Tmax為工廠的年最大負荷利用小時。Q30、S30、I30的計算，與上述需要系數(shù)法相同。（2）按年產(chǎn)值估算全廠的計算負荷。將工廠的年產(chǎn)值B乘以工廠的單位產(chǎn)值耗電量b，即可求出工廠的全年耗電量Wa為Wa=Bb各類工廠的單位產(chǎn)值耗電量b可由有關(guān)設(shè)計單位根據(jù)實測的統(tǒng)計資料確定，也可從有關(guān)設(shè)計手冊查取。求出工廠的全年耗電量Wa后，可由式（7-32）得到全廠的有功計算負荷P30。Q30、S30、I30的計算與上述需要系數(shù)法相同。六功率因數(shù)及無功功率補償功率因數(shù)1.瞬時功率因數(shù)可由功率因數(shù)表(相位表）直接測量，也可用功率表、電壓表和電流表瞬間測取的讀數(shù)計算得到，即cosφ=P/UI式中，P為三相功率表讀數(shù)，kW；I為電流表測量的線電流的讀數(shù)，A；U為電壓表測量的線電壓的讀數(shù)，kV。瞬時功率因數(shù)1）平均功率因數(shù)2）平均功率因數(shù)是指某一規(guī)定時間內(nèi)的功率因數(shù)的平均值。cosφ=式中，WP為某一時間內(nèi)耗用的有功電能，由有功電度表讀出；WQ為某一時間內(nèi)耗用的無功電能，由無功電度表讀出。最大負荷時的功率因數(shù)3）cosφ=P30/S30式中，P30為工廠的有功計算負荷；S30為工廠的視在計算負荷。無功功率補償2.

另一種是采用人工補償裝置來提高功率因數(shù)，人工補償裝置可采用同步電動機或安裝移相電容器。提高功率因數(shù)通常有兩種途徑：一種是提高自然功率因數(shù)，即在不添加任何附加補償設(shè)備的前提下，合理選擇和使用電氣設(shè)備，改善它們的運行方式，提高檢修質(zhì)量，但自然功率因數(shù)的提高往往很有限；若用戶所需的有功功率P30不變，則加裝無功補償裝置后，功率因數(shù)由cosφ1提高到cosφ2，無功功率將由Q30.1減小到Q30.2，視在功率將由S30.1減小到S30.2，相應(yīng)的負荷電流I30也將減小。無功功率補償容量為Qc=P30（tanφ1-tanφ2）式中，P30為有功計算負荷；φ1、φ2為補償前后功率因數(shù)角；Qc為無功補償容量。人工補償裝置最常用的是并聯(lián)電容器。在確定了總的補償容量Qc后，就可根據(jù)選定的并聯(lián)電容器的單臺容量qc來確定電容器的個數(shù)n。n=Qc/qc總的有功計算負荷為P′30=P30總的無功計算負荷為Q′30=Q30-QC總的視在計算負荷為S′30=總的計算電流為例2-5某小型工廠變電所，其變壓器低壓側(cè)的有功計算負荷為420kW，無功計算負荷為350kvar。為了使工廠的功率因數(shù)不低于0.9，如果在變電所低壓側(cè)裝設(shè)并聯(lián)電容器進行補償，需裝設(shè)多少補償容量？補償前后所選變壓器的容量有何變化？解:（1）補償前的變壓器容量和功率因數(shù)。變電所低壓側(cè)的視在計算負荷為S30(2）=kVA=546.72kVA變電所低壓側(cè)的功率因數(shù)為cosφ(2）=420546.72≈0.77未考慮無功補償時，主變壓器的容量應(yīng)選擇為630kVA（參看附錄4）。（2）無功補償容量。顯然，變壓器低壓側(cè)的功率因數(shù)較低，考慮到變壓器的無功功率損耗遠大于有功功率損耗，因此在變壓器低壓側(cè)進行無功功率補償時，低壓側(cè)的功率因數(shù)應(yīng)略高于0.90才能滿足要求。取補償后cos=0.93。低壓側(cè)無功補償容量為Qc=420×(tanarccos0.77-tanarccos0.93）≈182.61kvar取Qc=185kvar。（3）補償后工廠的功率因數(shù)。補償后變壓器低壓側(cè)的計算負荷為無功補償后變壓器的容量可選為500kVA。變壓器損耗為

變壓器高壓側(cè)的計算負荷為補償后工廠的功率因數(shù)為滿足要求。補償后變壓器的容量減少了，同時不僅減少了投資，還減少了電費的支出，提高了功率因數(shù)。任務(wù)2能力目標SubTitle知識目標了解短路故障的原因、危害及種類掌握短路電流的計算方法一短路故障的原因.危害及種類短路故障的危害1.

（2）短路電流將在導體和電氣設(shè)備中產(chǎn)生巨大的電動力，使導體或電氣設(shè)備發(fā)生機械損壞。（3）短路使系統(tǒng)電壓嚴重降低，電氣設(shè)備正常工作受到破壞。

（1）短路電流通過導體時，將使導體或電氣設(shè)備產(chǎn)生大量熱量，導體溫度急劇升高，從而破壞設(shè)備絕緣，甚至可能把電氣設(shè)備燒毀。（4）短路會造成大范圍停電，越靠近電源，停電范圍越大,造成嚴重損失。（5）嚴重的短路將使電力系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性遭到破壞，使并聯(lián)運行的發(fā)電機組失去同步，進而造成電力系統(tǒng)解裂，甚至崩潰，這是短路故障最嚴重的后果。（6）單相短路產(chǎn)生的不平衡電流，在周圍空間將產(chǎn)生不平衡的交變磁場，對附近的通信線路、電子設(shè)備及其他弱電控制系統(tǒng)產(chǎn)生嚴重的電磁干擾，影響其正常工作。短路故障的種類2.在高壓電路中發(fā)生三相短路時ish=2.55I〞Ish=1.51I〞在低壓電路中發(fā)生三相短路時ish=1.84I〞Ish=1.09I〞短路后第一個周期的短路電流周期分量ip的有效值。

I〞=I∞=Ik二短路電流的計算短路電流的具體計算步驟2.最后計算短路電流和短路容量。計算等效電路中各主要元件的阻抗。繪出等效電路圖。確定短路計算點。首先繪出計算電路圖。短路電流計算電路示意圖短路等效電路圖采用有名值法進行短路計算3.在無限大容量系統(tǒng)中，三相短路電流周期分量的有效值。式中，UC為短路點的短路計算電壓；Z∑為短路回路的總阻抗；R∑為短路回路的總電阻；X∑為短路回路的總電抗。在高壓電路的短路計算中，通?？傠娍惯h比總電阻大，所以一般只計電抗，不計電阻。在低壓電路的短路計算中，只有當短路回路的總電阻R∑＞X∑/3時才計入電阻。若不計電阻，則三相短路電流周期分量的有效值為

三相短路容量為

電力系統(tǒng)的阻抗1）電力系統(tǒng)的電抗為式中，UC為高壓饋電線的短路計算電壓，可直接采用短路點的短路計算電壓；SOC為系統(tǒng)出口斷路器的斷流容量，其值可查閱產(chǎn)品樣本。如果只有斷路器的開斷電流IOC的數(shù)據(jù)，則其斷流容量為式中，UN為斷路器的額定電壓。電力變壓器的阻抗2）（1）變壓器的電阻RT。RT可由變壓器的短路損耗ΔPk近似地計算，即RT=ΔPk(UC/SN)2式中，UC為短路點的短路計算電壓；SN為變壓器的額定容量；ΔPk為變壓器的短路損耗，其值可查閱有關(guān)手冊或產(chǎn)品樣本。（2）變壓器的電抗XT。XT可由變壓器的短路電壓Uk%來近似計算式中，Uk%為變壓器的短路電壓百分值，可查閱產(chǎn)品樣本。電力線路的阻抗3）（1）線路的電阻RWL。RWL可由導線或電纜的單位長度電阻R0值求得。RWL=R0L式中，R0為導線或電纜單位長度的電阻，可查閱有關(guān)手冊或產(chǎn)品樣本；L為線路長度。（2）線路的電抗XWL。XWL可由導線或電纜的單位長度電抗X0值求得。XWL=X0L式中，X0為導線或電纜的單位長度電抗，可查產(chǎn)品樣本；L為線路長度。電力線路每相的單位長度電抗平均值單位：Ω/km線路結(jié)構(gòu)