电气负荷计算法评介和改进意见 卞铠生Word下载.docx
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有时用以计算电能消耗量。
b.通常取“半小时最大负荷”(按发热时间常数τ=10min,则3τ=30min)。
适用于选择较小截面导线;
对较大导体,尤其是变压器,则不合理。
(2)平均负荷
a.年平均负荷用于计算电能年消耗量;
有时用以计算补偿容量。
b.最大负荷班平均负荷用于计算最大负荷(见利用系数法)。
(3)尖峰电流
a.用于计算电压波动/变动;
选择和整定保护器件;
校验电动机起动条件。
b.通常取持续1s左右的最大负荷电流,即起动电流的周期分量。
在校验瞬动元件时,还应考虑其非周期分量。
【澄清】a.计算负荷的广义是上述三类的统称;
狭义是指需要负荷/最大负荷。
b.计算负荷包括其有功功率、无功功率、视在功率、计算电流及其功率因数。
c.计算电压损失采用的计算负荷,视情况而异:
考虑长期电压水平(电压偏差)时,用需要负荷或最大负荷;
考虑短时电压水平(电压波动)时,用尖峰电流。
d.除了求计算负荷外,负荷计算还包括求电能消耗量、电网损耗(功率损耗、电能损耗)等。
2负荷计算法评介
2.1单位指标法
包括:
单位面积功率法、综合单位指标法、单位产品耗电量法。
(1)简介
a.基础:
实用数据的归纳。
b.特点:
用相应的指标直接求出结果。
(2)评价
a.计算过程简便。
计算精度低。
b.难点是指标的取值。
受多种因素的影响,指标变化范围很大,上下限可相差一倍甚至更多。
以住宅为例,影响用电指标的条件有:
地理位置、气候条件、地区发展水平、居民生活习惯、建筑规模大小、建设标准高低、节能措施力度等。
(3)适用范围
适用于设备功率不明确的各类项目,如民用建筑中的分布负荷;
尤其适用于设计前期的负荷框算和对计算结果的校核。
2.2需要系数法
负荷曲线。
逐级打系数。
C.步骤:
设备功率乘需要系数得需要功率;
多组负荷相加时,再逐级乘同时系数。
a.计算过程较简便。
计算精度与用电设备台数有关,台数多时较准确,台数少时误差大。
b.难点是系数的掌握和设备台数少时的算法,见4.2、4.3。
适用于设备功率已知的各类项目,尤其是照明、高压系统和初步设计的负荷计算(参见4.1)。
2.3利用系数法
概率论与数理统计。
《导则》认为:
各设备的用电现象可看作随机过程,服从正态分布规律。
计算负荷与平均负荷之差值按1.5倍方差考虑,用“最大系数”来表征。
显然,最大系数与用电设备台数和各台功率差异相关;
为此,引入一个参量——“用电设备有效台数”。
先求平均负荷,再求最大负荷;
不逐级打系数。
平均负荷可用电度表方便地测出。
c.步骤:
设备功率乘利用系数得平均功率;
求平均利用系数和用电设备有效台数,查出最大系数;
平均功率乘最大系数得最大负荷。
a.计算精度高,与设备台数关系不大。
计算过程繁,致使实际应用不广。
b.难点是用电设备有效台数的计算,改进建议见5.2。
适用于设备功率已知的各类项目,尤其是工业企业电力负荷计算。
注:
照明负荷用需要系数法计算;
其需要负荷与电力最大负荷相加。
2.4其他计算法
(1)二项式法
计算负荷由两项相加:
基本部分代表平均需要负荷,附加部分用以考虑数台最大设备的影响。
此法系前苏联的经验公式,计算结果明显偏大,已被利用系数法取代。
五十年前《导则》中已淘汰的方法,我们不宜再用。
(2)简化或绕开有效台数的方法
在《导则》及其补充文件中,已给出有效台数的三种简化算法。
其中,“相对有效台数法”仍很繁琐,简单算式则受限于不便记忆的使用条件。
国内不仅推导过简化算式,还提出过绕开有效台数的ABC法等。
这些改良方法无助于利用系数法的推广。
(3)新二项式法及新利用系数法(谢善洲)
该法认为:
用电设备开或停的现象服从“二项分布”规律;
平均利用系数与设备台数负相关。
计算负荷为平均负荷与1.5倍均方差负荷之和,可用新二项式法公式或新利用系数法公式求出。
新二项式法计算过程简便,计算结果已在机械加工厂的实测中得到验证。
我们希望在更多的行业验证其普适性,并使之完善。
(4)C—KL法、C—Px法、C—P5法和D—KX法(施俊良)
C—KL法认为:
只有5台功率最大的设备影响计算负荷与平均负荷的差值(CP5);
系数C是利用系数KL的单值函数。
C—Px法是C—KL法的再简化,用最大1台设备功率加4台假想设备功率(Px)代替5台设备功率。
C—P5法是上述方法用于5台及以下设备时的特例。
这三种均属于简化利用系数法。
D—KX法实质上是需要系数法形式的C—KL法,考虑了5台功率最大的设备对计算负荷的影响。
为实现形式转换,引入计算系数D=f(KX);
如进一步转化为修正系数α=f(KX,P5/Pn),则称新需要系数法。
这四种方法的研究跨越二十多年,于2001年列入建设部的研究项目,2004年完成课题报告。
我们希望:
在完善数学模型的基础上,统一四种方法的形式和参数,并在机械行业中试用和征求意见。
2.5常用计算法的改进思路
负荷计算是涉及供配电系统全局的重要问题,我们应慎重对待计算法的改进。
(1)我们的最终目标是编制电气负荷计算国家标准。
为此,业界应先就计算理论(数学模型、公式推导、参数选择等)达成共识。
推出新计算法时,应通过权威性鉴定,并经部分行业试用。
在确定一套可靠、实用、公认的负荷计算法后,才能形成法律性文件,如电气负荷计算导则,进而成为国家标准。
(2)几十年来,前苏联《导则》的计算理论已被国内广泛接受;
时至今日,仍可作为业界共识的基础。
在另有法律性文件之前,当前通用的三种计算法体系应予保持,但宜予适当改进。
(3)对于单位指标法和需要系数法,只需补充、修正实用数据,并对后者作必要的澄清(见4.1、4.2及3.3)。
(4)对于利用系数法,暂不改变计算方法框架,以维持其约定俗成的准法律地位,避免重新论证而久拖不决。
但应切实改进其操作层面,简化用电设备有效台数的计算,完善最大系数表,具体建议见5.1和5.2。
3设备功率的计取
3.1基本概念
在负荷计算中,“设备功率”一词有特定的含义;
对其计取有一系列规定。
我们应理解为何如此规定,掌握其基本原则,才能应对多变的情况。
(1)相同的量和单位才能相加。
因多数设备标出的是有功功率,故应向其靠拢。
(2)不同工作制、不同负载持续率下的功率是不等值的,不能直接相加。
因多数设备为连续工作制,故应均换算为负载持续率ε=100﹪的功率。
(3)不可能同时出现的负荷不叠加。
(4)数据的选取和换算力求简便。
3.2一般规定和引伸分析
(1)用电设备:
a.应把额定值换算为负载持续率ε=100﹪下的有功功率。
以下两点是为了计算简便:
--电动机直接取轴功率,不换算为输入功率。
(效率已揉入需要系数。
)
--整流器的设备功率取额定直流输出功率。
(其交流输入功率计算困难。
澄清:
以上规定仅适用于配电线路的计算。
末端线路的计算电流则应取用电设备的输入电流,如:
电动机应除以效率,电焊机乘上1.2,详见《工业与民用配电设计手册》第十二章。
b.气体放电灯应计入镇流器的功率损耗。
(2)用电设备组:
备用设备不计入。
澄清:
这一规定的前提是工作设备和备用设备均在同一计算范围内。
二者由不同的配电线路、变压器分别供电时,应按可能出现的最大组合分别计取。
(3)变电所或建筑物:
平时不工作的消防设备不计入。
应区分两种消防设备:
平时不工作者;
正常运行者。
后者(如消防电梯、正常点燃的应急照明等)仍应计入。
这一规定是针对市电负荷计算;
应急系统显然要计入消防设备。
火灾时切除的正常负荷通常大于投入的应急负荷。
(4)全工程的负荷计算:
季节性负荷取较大者。
大功率的季节性负荷通常分设变电所,此时,变电所的负荷当然应分别计算。
这一规定主要适用于全工程的负荷计算;
较小计算范围内包括两种季节性负荷的个别情况,也可引用。
3.3周期工作制电动机的设备功率应统一
目前采用需要系数法时,周期工作制电动机的设备功率换算为ε=25﹪的功率。
这是出于误解而沿袭了早年不合理的习惯。
这一做法已随《导则》颁布而废除。
我们早该正本清源,统一设备功率的取值。
论据如下:
(1)《导则》在§
8~§
11中均规定“所有单台用电设备”换算为ε=100﹪的持续功率,没有例外。
(2)《导则》给出的是复合计算法,其中包括需要系数法(见4.1)。
因此,上述规定对需要系数法也适用。
(3)不同负载持续率下的功率是不等值的,直接相加没有物理意义。
不合理的旧习惯应予纠正。
统一设备功率的取值可使概念清晰、记忆方便、换算简单、减少差错。
(4)ε=100﹪的设备功率等于ε=25﹪功率的1/2。
据此,只要把原有的起重机需要系数乘2,即可用于ε=100﹪的设备功率。
(经对比常用的数据,笔者建议把ε=25﹪的需要系数乘以1.5~2.0。
)在过渡期,我们还可同时列出两种需要系数,方便使用。
缺乏适用数据是保留不合理习惯做法的主因;
解决现有数据转用问题,则消除了设备功率统一的障碍。
4需要系数法的澄清
4.1需要系数法的地位
不少同行把《导则》视为利用系数法。
实际上它是以利用系数法为主、兼容单位指标法和需要系数法的“三位一体”复合计算法。
例如,《导则》中用单位产品电能消耗量(§
35)或单位面积电能消耗量求计算负荷(§
45),就是单位指标法。
下面主要讨论与需要系数法相关的问题。
(1)《导则》§
54规定:
“照明用电设备的最大负荷,是以这些用电设备的安装功率乘以需要系数而得出。
”据此并经§
56和示例印证,利用系数法仅用于电力负荷计算。
还有,§
46规定:
“允许在初步设计阶段和其他估算中按需要系数......确定负荷”;
“在计算上一级供电元件负荷时可乘以最大负荷参差系数”。
这是典型的需要系数法。
由此可见,《导则》肯定了需要系数法的地位,指出了各种计算法的分工协作关系。
(2)在§
46中还列出了需要系数的数值和利用系数的关系(按接通系数为0.8)。
这表明二者不仅是兼容的,而且在一定的条件下两种数据可以互相转换。
据此,当某种数据不够用时,我们可参考另一种数据。
尽管给出数据不多且有局限性,但我们有可能适当加以延伸。
(3)根据我国多年的实践经验,三种计算法的适用范围早已约定俗成,当前只需稍加调整即可。
关于需要系数法与利用系数法的分工,有如下建议:
a.初步设计阶段、高压系统、照明设备的负荷计算:
只采用需要系数法,不采用利用系数法。
b.工业企业的电力配电线路,宜采用利用系数法计算。
5台及以下用电设备的配电线路,不宜用需要系数法计算(见4.2)。
c.配电变压器的负荷计算:
一般情况下,尤其是涉及按可靠性或电能质量的条件选择变压器时,首选需要系数法。
需要压低变压器容量时,宜采用利用系数法。
按节能条件选择变压器容量时,宜用利用系数法校核,以免计算误差导致变压器过大。
上述观点已在2.2、2.3中有所体现。
4.2设备台数少的情况
存在性质不同的两种情况,应分别处理。
(1)计算范围内只有一组用电设备且台数少的情况:
不应采用需要系数法。
众所周知,设备台数少时,需要系数法的计算误差是不能接受的。
必须指出,《导则》中的相关规定(参见5.3)全是针对利用系数法的。
有的手册将其搬到需要系数法,而且有漏误:
未引用1966年的补充规定(3台及以下设备也应考虑负荷系数);
未区分连续工作制设备与短时或周期工作制设备;
未说明不适用于另有其他用电设备组的情况。
这些都要予以澄清。
关于“台数少”如何量化,也需要探讨。
已有文献指出:
对功率相同的设备,4台时乘0.9而5台时乘需要系数,可导致计算结果倒挂;
故应改进5台及以下设备的计算方法(参见2.4)。
在找到更好办法之前,建议暂定:
设备实际台数为5及以下时,应采用利用系数法。
只有数台设备时,利用系数法的计算也很简便;
如各台设备相同,则平均利用系数和设备有效台数均不需另行计算(有效台数等于实际台数)。
(2)有多组用电设备,其中某组设备台数少的情况:
仍应乘需要系数。
《导则》§
52给出了设备台数少时的算法,并明确指出:
“此种计算方法只允许用于确定一组用电设备的计算负荷。
当两组的负荷相加时,应采取§
47~51中推荐的计算方法。
”这一原则也适用于需要系数法。
据此,尽管一组设备台数少,在与其他负荷相加时,仍应先乘适当的需要系数。
(3)单台用电设备的计算电流按GB50055的规定计取,见《配电手册》第12章。
4.3其他提示
(1)相关专业提供的原始数据可能有误,如有功功率或视在功率、功率因数、负载持续率、三相或单相、380V或220V等。
因此,我们一定要核对。
(2)主要问题仍然是计算结果偏大,再就是缺乏新工艺、新设备的需要系数。
应对之策,一靠实测数据的积累和更新,二靠对负荷的深入了解和具体分析,做到心中有数。
必要时可用利用系数法校核。
(3)多项负荷在配电系统各级相加时,均应乘以同时系数,即逐级打系数。
手册中要照顾各种情况,故给出的同时系数难免偏于保守或上、下限范围宽。
具体项目应根据实际情况取值,也可低于下限。
5利用系数法的改进
5.1最大负荷分为三档
前文已经指出,计算负荷一律采用半小时最大负荷并不合理。
实际上,《导则》的条文已涉及这一问题,并给出了换算方法。
44的用词是:
“计算负荷暂定为30分钟时间间隔负荷的可能最大值(所谓半小时最大负荷)。
Ӥ
62进一步指明:
“当必须将半小时最大负荷换算为其他持续时间时,最大系数的近似值可按下式计算
”。
只要据此换算出相应的最大系数表,我们就可以方便地求得不同持续时间的最大负荷。
分析常用低压线路的发热时间常数τ(参见《配电设计手册》P769~773),建议把最大系数Km分为三档,对应的持续时间为0.5h、1h和2h;
发热时间常数τ分别取10min、20min、40min(参见表下注)。
0.5h最大负荷:
用于较小截面导体(≤3×
35mm2的绝缘线和电缆)。
1h最大负荷:
用于中等截面导体(≥3×
50mm2的绝缘线和3×
50~3×
120mm2的电缆)。
2h最大负荷:
用于变压器和大截面导体/(≥3×
150mm2的电缆)。
在选取最大系数时,导体截面是未知的,但可根据已知的平均功率做出估计。
绝大多数情况下,查表要用插入法,包括在持续时间档间插入。
笔者就常常选取1h和2h最大系数的折中值。
1h/2h最大负荷的Km
nyx\Klav
0.15
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
4
5
6
2.49/2.06
2.32/1.94
2.16/1.82
2.00/1.71
1.88/1.62
1.81/1.57
1.71/1.50
1.62/1.44
1.54/1.38
1.47/1.33
1.46/1.33
1.40/1.29
1.36/1.26
1.33/1.23
1.29/1.21
1.26/1.19
1.21/1.15
1018/1.13
1.16/1.12
1.10/1.07
1.08/1.06
1.07/1.05
7
8
9
2.05/1.74
1.93/1.66
1.85/1.60
1.78/1.55
1.70/1.50
1.64/1.45
1.57/1.40
1.51/1.36
1.41/1.29
1.37/1.26
1.33/1.24
1.32/1.23
1.28/1.20
1.23/1.17
1.20/1.14
1.15/1.11
1.14/1.10
1.13/1.09
1.06/1.05
1.06/1.04
10
12
14
1.68/1.48
1.60/1.43
1.59/1.42
1.53/1.38
1.47/1.34
1.42/1.30
1.38/1.26
1.30/1.22
1.25/1.18
1.23/1.16
1.24/1.17
1.18/1.13
1.11/1.08
1.09/1.07
1.05/1.04
16
18
20
1.54/1.37
1.49/1.35
1.43/1.31
1.39/1.28
1.35/1.25
1.29/1.22
1.17/1.12
1.11/1.18
1.04/1.03
25
30
35
1.13/1.10
1.12/1.09
1.09/1.06
40
45
50
1.19/1.14
1.03/1.02
60
70
80
1.16/1.11
1.14/1.05
1.02/1.02
90
100
120
1.08/1.05
1.01/1.01
160
200
240
【注】1)表中分子/分母分别用于计算1h/2h最大负荷。
2)0.5h最大负荷的Km见《工业与民用配电设计手册》P10、《钢铁企业电力设计手册》P107。
3)τ≈10min对应3×
10mm2的低压电缆或3×
16mm2的穿管绝缘线。
τ≈20min对应3×
50mm2的电缆和导线。
τ≈40min对应3×
150mm2的电缆。
5.2有效台数计算的改
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