第2章 电力负荷及其计算

第2章 电力负荷及其计算,供配电技术,山东农业大学电气工程系,2,第2章 负荷计算及无功补偿,2.1 负荷曲线与计算负荷2.2 用电设备额定容量的确定2.3 负荷计算的方法2.4 功率损耗与电能损耗2.5 工厂的计算负荷和年电能消耗量2.6 建筑用电负荷的计算方法2.7 功率因数与无功功率补偿2.8 尖峰电流计算,3,2.1 负荷曲线与计算负荷,一、 负荷曲线 负荷曲线（load curve）是指用于表达电力负荷随时间变化情况的函数曲线。在直角坐标系中，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）。,4,1负荷曲线的分类按负荷的功率性质分：可分为有功负荷曲线和无功负荷曲线；按负荷对象不同，分用户、车间或某类设备负荷曲线。 按所表示的负荷变动的时间分：可分为日负荷、月负荷和年负荷曲线。,5,2 日负荷曲线 日负荷曲线表示负荷在一昼夜间（024h）变化情况。如图2-1。 日负荷曲线可用测量的方法绘制。绘制的方法是：,（1）以某个监测点为参考点，在24h中各个时刻记录有功功率表的读数，逐点绘制而成折线形状，称折线形负荷曲线，见图2-1a。,（2）通过接在供电线路上的电度表，每隔一定的时间间隔（一般为半小时）将其读数记录下来，求出0.5h的平均功率，再依次将这些点画在坐标上，把这些点连成阶梯状的是阶梯形负荷曲线，图2-1b所示。,6,3 年负荷曲线 年负荷曲线反映负荷全年（8760h）变动情况。如图2-2所示。,年负荷曲线又分为年运行负荷曲线和年持续负荷曲线。年运行负荷曲线可根据全年日负荷曲线间接制成；年持续负荷曲线的绘制，要借助一年中有代表性的冬季日负荷曲线和夏季日负荷曲线。通常用年持续负荷曲线来表示年负荷曲线，绘制方法如图2-2所示。,其中夏季和冬季在全年中占的天数视地理位置和气温情况而定。一般在北方，近似认为冬季200天，夏季165天；在南方，近似认为冬季165天，夏季200天。图2-2是南方某用户的年负荷曲线，图中P1在年负荷曲线上所占的时间计算为T1=200t1+165t2。,7,注意：日负荷曲线是按时间的先后绘制，而年负荷曲线是按负荷的大小和累计时间绘制。,分析负荷曲线可以了解负荷变动的规律，对供电设计人员来说，可从中获得一些对设计有用的资料；对运行来说，可合理地、有计划地安排用户、车间、班次或大容量设备的用电时间，降低负荷高峰，填补负荷低谷，这种“削峰填谷”的办法可使负荷曲线比较平坦，从而达到节电效果。,8,9,10,2年最大负荷和年最大负荷利用小时数（1）年最大负荷Pmax 年最大负荷Pmax就是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。（2）年最大负荷利用小时数Tmax 年最大负荷利用小时数又称为年最大负荷使用时间Tmax，它是一个假想时间，在此时间内，电力负荷按年最大负荷Pmax (或P30)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能。,11,下图为某厂年有功负荷曲线，此曲线上最大负荷Pmax就是年最大负荷，Tmax为年最大负荷利用小时数。,12,Tmax是反映工厂负荷是否均匀的一个重要参数。该值越大，则负荷越平稳。如果年最大负荷利用小时为8760h，说明负荷常年不变（实际不太可能）。,Tmax与用户的性质和生产班制有关，例如一班制工厂，Tmax约为18003000h，两班制工厂，Tmax约为35004800h,三班制工厂，Tmax约为50007000h，居民用户Tmax约为12002800h。,13,表2-2 某些企业的年最大负荷利用小时数,14,3.平均负荷Pav 平均负荷Pav，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内消耗的电能W除以时间t的值，即Pav=W/t 年平均负荷为Pav=Wa/8760,15,16,负荷系数 在最大工作班内，平均负荷与最大负荷之比。,一般工厂年负荷系数年平均值为： =0.70.75 =0.760.82,17,负荷系数又称负荷率或负荷填充系数，他表征负荷曲线不平坦的程度，负荷系数越接近1，负荷越平坦。 所以用户应尽量提高负荷系数，从而充分发挥供电设备的供电能力、提高供电效率。有时也用表示有功负荷系数，用表示无功负荷系数。 一般工厂=0.70.75，=0.760.82,他表征该设备或设备组的容量是否被充分利用。,对于单个用电设备或用电设备组，负荷系数是指设备的输出功率P和设备额定容量PN之比值，即,18,二、 计算负荷（30lculated load）,计算负荷是供电设计计算的基本依据，它是选择供电系统中各元件的依据，故非常重要。,计算负荷的定义： 通过负荷的统计计算求出的，用来按发热条件选择导体和电器设备的一个假想负荷。以这个不变的“假想负荷”持续运行所产生的热效应与实际运行的变动的负荷所产生的最大热效应相等,19,计算负荷的数值与半小时最大负荷P30基本相等，通常将以半小时平均负荷为依据所绘制的负荷曲线上的“最大负荷”称为计算负荷，所以用P30来表示有功计算负荷（KW），无功计算负荷表示为Q30 （Kvar），视在计算负荷表示为S30 （KVA），计算电流表示为I30 （A）。 也有用Pc (Qc、Sc、Ic) 表示的。,计算负荷的物理意义：设有一电阻为R的导体，在一定时间内通过一变动负荷，其最高温升达到值，如果这根导体在相同的时间内通过另一不变负荷其最高温升也达到值，则这个不变负荷就是该变动负荷的计算负荷，即计算负荷和实际负荷最高温升是等值的。,20,规定取“半小时平均负荷”的原因：一般中小截面导体的发热时间常数为10min以上，根据经验表明，中小截面导线达到稳定温升所需时间约为 3=31030（min），如果导线负载为短暂尖峰负荷，显然不可能使导线温升达到最高值，只有持续时间在30min以上的负荷时，才有可能构成导线的最高温升。,较大截面的导体发热时间常数往往大于10min，30min还不能达到稳定温升。,22,三、 负荷计算的意义和目的,负荷计算主要是确定计算负荷，如前所述，若根据计算负荷选择导体及电器，则在实际运行中导体及电器的最高温升不会超过允许值。,计算负荷是设计时作为选择工厂供配电系统供电线路的导线截面、变压器容量、开关电器及互感器等的额定参数的依据。,23,正确确定计算负荷意义重大，是供电设计的前提，也是实现供电系统安全、经济运行的必要手段。,计算负荷是供电设计计算的基本依据。计算负荷的确定是否合理，将直接影响到电器设备和导线电缆的选择是否经济合理。计算负荷不能定得太大，否则选择的电器设备和导线电缆将会过大而造成投资和有色金属的浪费；计算负荷也不能定得过小，否则选择的电器设备和导线电缆将会长期处于过负荷下运行，增加电能损耗，产生过热，导致绝缘过早老化甚至烧毁。,返回目录,24,2.2 用电设备额定容量的确定,一、 用电设备的工作方式 用电设备按其工作方式可分为三种： （1）连续运行工作制（长期工作制） （2）短时运行工作制（短暂工作制） （3）断续运行工作制（重复短暂工作制）,25,连续运行工作制（长期工作制） 在规定的环境温度下连续运行，设备任何部分温升均不超过最高允许值，负荷比较稳定。如通风机水泵、空气压缩机、皮带输送机、破碎机、球磨机、搅拌机、电机车等机械的拖动电动机，以及电炉、电解设备、照明灯具等，均属连续运行工作制的用电设备。,26,短时运行工作制（短暂工作制） 用电设备的运行时间短而停歇时间长，在工作时间内，用电设备的温升尚未达到该负荷下的稳定值即停歇冷却，在停歇时间内其温度又降低为周围介质的温度，这是短暂工作的特点。如机床上的某些辅助电动机（如横梁升降、刀架快速移动装置的拖动电动机）及水闸用电动机等设备。这类设备的数量不多。,27,断续运行工作制（重复短暂工作制） 用电设备以断续方式反复进行工作，其工作时间（t）与停歇时间（t0）相互交替。工作时间内设备温度升高，停歇时间温度又下降，若干周期后，达到一个稳定的波动状态。如电焊机和吊车电动机等。断续周期工作制的设备，通常用暂载率表征其工作特征，取一个工作周期内的工作时间与工作周期的百分比值，即为 ，即：式中 t，t0工作时间与停歇时间，两者之和为工作周期T。,28,二、 用电设备额定容量的计算在每台用电设备的铭牌上都有“额定功率”PN，但由于各用电设备的额定工作方式不同，不能简单地将铭牌上规定的额定功率直接相加，必须先将其换算为同一工作制下的额定功率，然后才能相加。,经过换算至统一规定的工作制下的“额定功率”称为“设备额定容量”，用Pe表示。,29,（1）长期工作制和短时工作制的设备容量 Pe=PN（2）重复短暂工作制的设备容量 吊车机组用电动机（包括电葫芦、起重机、行车等 ）的设备容量统一换算到=25%时的额定功率（kW），若其N不等于25%时应进行换算，公式为:,30,（3）电炉变压器的设备容量 电炉变压器的设备容量是指在额定功率因数下的额定功率（kW），即：Pe=PN=SNcos, 电焊机及电焊变压器的设备容量统一换算到100%时的额定功率（kW）。若其铭牌暂载率N不等于100%时，应进行换算，公式为:,31,（4）照明设备的设备容量白炽灯、碘钨灯设备容量就等于灯泡上标注的额定功率（kW）: Pe=PN 荧光灯还要考虑镇流器中的功率损失（约为灯管功率的20%），其设备容量应为灯管额定功率的1.2倍: Pe=1.2PN 高压水银荧光灯亦要考虑镇流器中的功率损失（约为灯泡功率的10%），其设备容量应为灯泡额定功率的1.1倍（kW）: Pe=1.1PN 金属卤化物灯：采用镇流器时亦要考虑镇流器中的功率损失（约为灯泡功率的10%），故其设备容量应为灯泡额定功率的1.1倍（kW）: Pe=1.1PN,32,（5）不对称单相负荷的设备容量当有多台单相用电设备时，应将它们均匀地分接到三相上，力求减少三相负载不对称情况。设计规程规定，在计算范围内，单相用电设备的总容量如不超过三相用电设备总容量的15%时，可按三相对称分配考虑，如单相用电设备不对称容量大于三相用电设备总容量的15%时，则设备容量Pe 应按三倍最大相负荷的原则进行换算。,33,设备接于相电压或线电压时，设备容量Pe的计算如下：单相设备接于相电压时Pe3Pem式中 Pe等效三相设备容量； Pem最大负荷所接的单相设备容量。单相设备接于线电压时式中 Pel接于同一线电压的单相设备容量。,返回目录,34,2.3 负荷计算的方法,在供配电工程设计中常用的负荷计算方法有：负荷密度法、单位指标法、需要系数法、二项式系数法等。,一、计算负荷的估算,1、负荷密度法 (kW) P0 单位面积的功率（负荷密度），W/m2 S 建筑面积， m2 P0的选取应综合考虑车间、建筑物的性质、负荷的性质（空调的形式、照明灯具的选择）等多方面的因素。如教学楼的P0=11 15,35,一、计算负荷的估算,2、单位指标法 (kW) Pe 单位用电指标，W/户、 W /人， W /床 N 单位数量，如户数、人数、床数如上海地区普通住宅的单位指标为46kW/户,36,3. 单位产品耗电量法 若已知某车间或企业的年产量m和每一产品的单位耗电量a（见表2-1），则企业全年电能Wa为：,Wa=am,估算法实为指标法，在做设计任务书或初步设计阶段，尤其当需要进行方案比较时，按估算法计算比较方便。,37,表2-1 各种产品的单位耗电量,38,需要系数需要系数考虑了以下的主要因素：式中 K同时使用系数，为在最大负荷工作班某组工作着的用电设备容量与接于线路中全部用电设备总额定容量之比； KL负荷系数，用电设备不一定满负荷运行，此系数表示工作着的用电设备实际所需功率与其额定容量之比； wl线路供电效率； 用电设备组在实际运行功率时的平均效率。,二、计算负荷的确定方法-需要系数法,39,实际上，上述系数对于成组用电设备是很难确定的，而且对一个生产企业或车间来说，生产性质,工艺特点，加工条件，技术管理和劳动组织以及工人操作水平等因素，都对Kd有影响。所以Kd只能靠测量统计确定,见附录表35。上述各种因素可供设计人员在变动的系数范围内选用时参考。,40,1单台用电设备的计算负荷,Q301=P301tan,（2）无功计算负荷：,（1） 有功计算负荷： 考虑到单台用电设备总会有满载运行的时候，其计算负荷P301为,计算目的：用于选择分支线导线及其上的开关设备。,式中：Pe换算到统一暂载率下 电动机的额定容量； 用电设备在额定负载 下的效率。,式中 用电设备功率因数角。,41,2. 用电设备组的计算负荷（1）有功计算负荷： Kd用电设备组的需要系数，见附录表3； Pe用电设备组的设备额定容量之和，但不包括备用设备容量。（2）无功计算负荷： tan值见附录表3。（3）视在计算负荷：（4）计算电流：,P30=KdPe,Q30=P30tan,计算目的： 用于选择各组配电干线及其上的开关设备。,42,当Kd值有一定变动范围时，取值要作具体分析。如台数多时，一般取用较小值，台数少时取用较大值；设备使用率高时，取用较大值，使用率低时取用较小值。当一条线路内的用电设备的台数较小（n3台）时，一般是将用电设备额定容量的总和作为计算负荷，或者采用较大的Kd值(0.851)。,43,2、多组用电设备组计算负荷的确定,P30 =Kp P30,Q30 =Kq Q30,K 同时系数,对于车间干线：KP =0.850.95KQ =0.900.97,对于低压母线：KP =0.900.95KQ =0.930.97,45,例2-1 一机修车间的380V线路上，接有金属切削机床电动机20台共50kW；另接通风机3台共5kW；电葫芦4个共6kW（FCN =40%）试求计算负荷。,解：冷加工电动机组： 查附录表3可得Kd=0.160.2（取0.2），cos=0.5，tan=1.73，因此P30(1)=KdPe=0.250 =10(kW)Q30(1)= P 30(1)tan=101.73=17.3 (kvar) S30(1)= P 30(1)/cos=10/0.5=20(kVA),通风机组： 查附录表3可得Kd=0.70.8（取0.8），cos=0.8，tan=0.75，因此P30(2)=KdPe=0.85 =4(kW)Q30(2)= P 30(2)tan=40.75=3 (kvar)S30(2)= P 30(2)/cos=4/0.8=5(kVA),46,电葫芦：由于是单台设备，可取Kd=1，查附录表3可得cos=0.5，tan=1.73，因此P30(3)= Pe=3.79 =3.79(kW)Q30(3)= P30(3)tan=3.791.73= 6.56(kvar) S30(3)= P30(3)/cos=3.79/0.5=7.58(kVA),取同时系数为0.9，因此总计算负荷为P30()P30=0.9（10+4+3.79）=16.01(kW)Q30()Q30=0.9（17.3+3+6.56）=24.17(kW),47,为了使人一目了然，便于审核，实际工程设计中常采用计算表格形式，如下表所示。,返回目录,48,49,50,三、计算负荷的确定方法-二项式系数法,1. 用电设备组的计算负荷（1）有功计算负荷-基本公式：,P30=bPe+cPx,式中，b Pe为二项式的第一项，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（同样不包括备用设备容量）; cPx为二项式的第二项，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,见附录表。,51,（2）无功计算负荷： tan值见附录表。（3）视在计算负荷：（4）计算电流：,Q30=P30tan,注意事项： 按二项式系数法确定计算负荷时，若设备总台数n少于附录表中规定的最大容量设备台数x的2倍（ n 2x ），需修正x，建议取x=n /2（四舍五入取整）。,52,2、多组用电设备组计算负荷的确定,tanmax 为最大的附加负荷(cPx)max的设备组的平均功率因数角的正切值,53,54,55,四、单相负荷计算工厂里除了三相设备外，还有电焊机、电灯等单相设备。,如果单相设备的总容量不超过三相设备总容量的15%，则单相设备可与三相设备综合按三相负荷平衡来计算，如果单相设备总容量超过三相设备总容量的15%，则应将单相设备换算为等效的三相设备容量，再与三相设备容量相加。 单相用电设备仅接于相电压 等效三相负荷 取最大相负荷的三倍 Peq=3 Pm,基本原则：单相用电设备应尽可能均衡分配在三相线路上。,56,2.4 供配电系统的功率损耗与电能损耗,电流流过电力线路和变压器时，势必要引起功率和电能损耗。在进行用户或全厂负荷计算时，应计入这部分损耗。,一、 供电线路的功率损耗 线路具有电阻和电抗，所以其功率损耗包括有功和无功两部分 。,在实际工作中，常根据计算负荷来求线路的功率损耗，即最大功率损耗，故三相线路的有功功率损耗PWL和无功功率损耗QWL可分别按下式计算：,57,式中，I30-线路的计算电流（A）； RWL-线路每相的电阻（），RWL=R0L，R0为线路单位长度的电阻（/km），l-线路的计算长度（km）。,式中，I30-线路的计算电流（A）； XWL-线路每相的电抗（），XWL =X0L，X0为线路单位长度的电抗（/km） 。 一般对架空线路，其值为0.4/km左右，对电缆线路，其值为0.08/km左右，L为线路的计算长度（km）。,58,二、 变压器的功率损耗,变压器同样具有电阻和电抗，所以其功率损耗也包括有功功率损耗PT和无功功率损耗QT两部分。,(1) 有功功率损耗 变压器的有功功率损耗又由两部分组成：, 铁损PFe,铁损是变压器主磁通在铁芯中产生的有功损耗。变压器空载时的损耗为空载损耗，由铁损和一次绕组中的有功损耗产生，因空载电流I0很小，在一次绕组中产生的有功功率损耗也很小，可忽略不计，故空载损耗P0可认为就是铁损，所以铁损又称为空载损耗。,变压器主磁通只与外加电压有关，当外加电压和频率恒定时，铁损与负荷无关，是定值。,59, 铜损PCu,铜损是变压器负荷电流在一次、二次绕组的电阻中产生的有功损耗，其值与负荷电流（或功率）的平方成正比。变压器负载试验（旧称短路试验）时，一次侧施加的电压Uk很小，铁心中的主磁通很小，在铁芯中产生的有功功率损耗可略去不计，故变压器的负载损耗Pk可认为就是额定电流下的铜损PCu。,因此变压器的有功功率损耗为,式中 S30变压器低压侧的计算负荷，kVA； SNT变压器额定容量，kVA； P0变压器空载有功损耗，kW； Pk变压器有功短路损耗，kW。,60,变压器的无功功率损耗也由两部分组成：,(2) 无功功率损耗, Q0，是变压器空载时，由产生主磁通的励磁电流所造成的。和绕组电压有关，与负荷无关。其值与励磁电流（或近似与空载电流）成正比，即,式中，I0%为变压器空载电流占额定电流的百分值。,61,QN，是变压器负荷电流在一次、二次绕组电抗上所产生的无功功率损耗，其值也与电流的平方成正比。因变压器绕组的电抗远大于电阻，故可认为其在额定电流时的值与短路电压（即阻抗电压）成正比，即,式中，Uk%为变压器的短路电压百分值。,因此，变压器的无功功率损耗为 ：,62,以上各式中，P0、Pk、I0%和Uk%均可由变压器产品目录和附录表中查得。,在负荷计算中，变压器功率损耗也可按近似方法计算,经验公式：,63,式中 PWL 按计算负荷求得的线路最大功率损耗； 年最大负荷损耗时间（小时数）。,三、 供电系统的电能损耗1供电线路年电能损耗的计算,64,的含义是： 当线路或变压器中以最大计算电流I30流过小时后所产生的电能损耗，恰与全年流过实际变化的电流时所产生的电能损耗相等。称为年最大负荷损耗时间。可见，是一个假想时间，他与年最大负荷利用小时Tmax和负荷功率因数有一定关系。如图2-5所示即为不同功率因数下的与Tmax的关系。,图2-5 -Tmax关系曲线,66,2.变压器年电能损耗的计算,包括两部分： 变压器空载不变的功率损耗(铁损) 所引起的年电能损耗与接电时间Ton（近似取8760h）有关，即： WaT1=P0Ton,随负荷而变化的有载功率损耗(铜损)所引起的年电能损耗为：,67,变压器总的年电能损耗为：,变压器负荷率,68,2.5 工厂的计算负荷和年电能消耗量,一、 工厂计算负荷的确定,确定用户的计算负荷是选择电源进线和一、二次设备的基本依据，是供配电系统设计的重要组成部分，也是与电力部门签订用电协议的基本依据。,确定等效三相设备容量用户计算负荷的方法很多，可根据不同的情况和要求采用不同的方法。在制定计划、初步设计特别是方案估算时可用较粗略的方法，如估算法。在供电设计中进行设备选择时则应进行较详细的负荷计算，如逐级计算法。,(一)逐级计算法： 从用电设备开始，朝电源方向逐级计算，最后求出用户总的计算负荷的方法称为逐级计算法。,69,(1)、首先按负荷的性质划分用电设备组；(2)、根据各组负荷的需要系数计算单组用电设备的计算负荷；(3)、考虑分支线路的导线损耗，计算出线路始端计算负荷； （往往分支线路的长度比较短，所以这一步可忽略）(4)、考虑同时系数，计算多组用电设备的计算负荷；(5)、考虑配电干线的导线损耗，计算出干线始端的计算负荷；(6)、考虑同时系数，计算低压母线上的计算负荷；(7)、考虑变压器的损耗，计算出变压器高压侧的计算负荷；(8)、考虑变压器高压侧输电线路的损耗，计算出变配电系统总的计算负荷。,在各级负荷计算中，可用需要系数法或二项式法来计算，常用的是需要系数法。,计算步骤：,70,71,1单台用电设备的计算负荷,（1） 有功计算负荷： 考虑到单台用电设备总会有满载运行的时候，其计算负荷P301为：,式中：Pe换算到统一暂载率下 电动机的额定容量； 用电设备在额定负载 下的效率。,（2）无功计算负荷：,Q301=P301tan,式中 用电设备功率因数角。,计算目的：用于选择分支线导线及其上的开关设备。,72,P30.2=KdPe,Q30.2=P30.2tan,计算目的： 用于选择各组配电干线及其上的开关设备。,2. 用电设备组的计算负荷,73,3、确定车间配电干线或车间变电所低压母线上的计算负荷,K 同时系数,对于车间干线：KP =0.850.95KQ =0.900.97,对于低压母线：KP =0.900.95KQ =0.930.97,P303PP302,Q303QQ302,计算目的：用于选择车间配电干线及其上的开关设备，或者用于低压母线的选择及车间变电所电力变压器容量的选择。,74,P30、Q30、S30车间变电所中变压器高压侧的有功、无功及视在计算负荷； PT、QT变压器的有功损耗与无功损耗（kW、kvar）。,计算目的：用于选择车间变电所高压配电线及其上的开关设备,在计算负荷时，车间变压器尚未选出，无法根据变压器的有功损耗与无功损耗的理论公式进行计算，因此一般按下列经验公式估算：,4. 确定车间变电所变压器高压侧的计算负荷,P304P303+PTQ304Q303+QT,PT0.015S303 （kW） QT0.06S303 （kvar）,75,5. 确定全车间变电所中高压母线上的计算负荷,P305P304Q305Q304,计算目的：用于车间变电所高压母线的选择。,76,6. 确定总降压变电所出线上的计算负荷,P306= P305 +PWLP305Q306 = Q305 +QWL Q305S306S305,PWL 、 QWL 高压线路功率损耗，由于一般工厂范围不大，线路功率损耗小，故可忽略不计。,计算目的：用于选择总降压变电所出线及其上的开关设备。,77,7. 确定总降压变电所低压侧母线的计算负荷,P307P30Q307Q30,注意：如果在总降压变电所10kV二次母线侧采用高压电容器进行无功功率补偿，则在计算总无功功率Q307时，应减去补偿设备的容量Qc7 ，即,Q307Q30- Qc7,计算目的：用于选择总降压变电所低压母线以及选择总降压变电所主变压器容量。,78,8确定全厂总计算负荷,P308P307+PTQ308Q307+QT,计算目的：全厂总计算负荷的数值可作为向供电部门申请全厂用电的依据，并作为原始资料进行高压供电线路的电气计算，选择高压进线导线及进线开关设备。,79,二、 企业年电能需要量（消耗量） 企业年电能需要量也就是企业在一年内所消耗的电能，它是企业供电设计的重要指标之一。,可用工厂的年产量和单位产品耗电量进行估算。也可据工厂有功和无功计算负荷计算：,Wp.a=P30TaWq.a= Q30Ta, -年平均有功负荷系数，取0.70.75； -年平均无功负荷系数，取0.760.82； Ta-年实际工作小时数，一班制取2300h,两班制取4600h,三班制取6900h,返回目录,80, -年平均有功负荷系数，取0.70.75； -年平均无功负荷系数，取0.760.82； Ta-年实际工作小时数，一班制取2300h,两班制取4600h,三班制取6900h,返回目录,二、 企业年电能需要量（消耗量） 企业年电能需要量也就是企业在一年内所消耗的电能，它是企业供电设计的重要指标之一。,可用工厂的年产量和单位产品耗电量进行估算。也可据工厂有功和无功计算负荷计算：,Wp.a=P30TaWq.a= Q30Ta,81,2.6 建筑用电负荷的计算方法,对于住宅，在设计的各个阶段均可采用单位指标法。,一、计算方法,规范中规定：,方案设计设计阶段可采用单位指标法；,初步设计及施工图设计阶段宜采用需要系数法。,82,二、负荷统计 按使用功能，由使用单位提供。其他工种提供按规范进行计算电气设计人员自行搜集,民用建筑主要有照明、动力及空调负荷。例 商业性高层建筑的用电负荷大致分布： 空调设备4050%， 电气照明3035%， 动力用电2025%。,对建筑物所采用的单位指标为每m2建筑面积容量(V Am2),三、住宅负荷的计算,每套住宅用电负荷，不再按灯具、插座等容量逐一计算，而是按套型类别进行确定，根据我国住宅发展，每套住宅供电容量标准，一般可在4一12kw范围选取。,高级公寓的每户建筑面积在l00200m2时用电标准可为10一15kw。,返回目录,93,2.7 功率因数和无功功率补偿,用户中绝大多数用电设备，如感应电动机、电力变压器、电焊机以及交流接触器等，他们都要从电网吸收大量无功电流来产生交变磁场。除白炽灯、电阻电热器等设备负荷的功率因数接近于1外，其他如电动机、变压器、电抗器等功率因数均小于1。,功率因数是衡量供配电系统是否经济运行的一个重要指标。,功率因数cos是反映在有功功率一定的条件下，取用无功功率的多少。取用的无功功率越多，则功率因数越低。,94,一、 功率因数的计算,功率因数是随着负荷和电源电压的变动而变动的，因此该值的计算也就有多种方法。,（1）瞬时功率因数,瞬时功率因数由功率因数表或相位表直接读出，或由功率表、电流表和电压表的读数按下式求出：,式中：P功率表测出的三相功率读数（kW）；U电压表测出的线电压读数（kV）；I电流表测出的相电流读数（A）。,瞬时功率因数值代表某一瞬间状态的无功功率的变化情况。,95,（2）平均功率因数,平均功率因数指某一规定时间内，功率因数的平均值。其计算公式为：,式中：Wp-某一段时间内消耗的有功电能（kWh）；由有功电度表读出。 Wq-某一段时间内消耗的无功电能（kvarh）；由无功电度表读出。,供电部门根据月平均功率因数调整用户的电费电价，即实行高奖低罚的奖惩制度。,上式用以计算已投入生产的工业企业的功率因数。,96,对于正在进行设计的工业企业则采用下述的计算方法：,式中： P30-全企业的有功功率计算负荷，kW；Q30-全企业的无功功率计算负荷，kvar；-有功负荷系数，一般为0.70.75；-无功负荷系数，一般为0.760.82。,97,（3）最大负荷时的功率因数,最大负荷时的功率因数指在年最大负荷（即计算负荷）时的功率因数。根据功率因数的定义可以分别写出：,式中：P30全企业的有功功率计算负荷，kW；Q30全企业的无功功率计算负荷，kvar；S30全企业的视在计算负荷，kVA。,98,综上可知,电力系统功率因数的高低是十分重要的问题， 因此，必须设法提高电力网中各种有关部分的功率因数。目前供电部门实行按功率因数征收电费，因此功率因数的高低也是供电系统的一项重要的经济指标。,二、 功率因数对供电系统的影响,（1）系统中输送的总电流增加，使得供电系统中的电气元件，容量增大，从而使工厂内部的启动控制设备、测量仪表等规格尺寸增大，因而增大了初投资费用。,（2）增加电力网中输电线路上的有功功率损耗和电能损耗。,（3）线路的电压损耗增大。影响负荷端的异步电动机及其它用电设备的正常运行。,（4）使电力系统内的电气设备容量不能充分利用。,99,正是由于功率因数在供配电系统中影响很大，所以要求电力用户功率因数达到一定的值，不能太低，太低就必须进行补偿。,国家标准GB/T3485-1998评价企业合理用电技术导则中规定：“在企业最大负荷时的功率因数应不低于0.9，凡功率因数未达到上述规定的，应在负荷侧合理装置集中与就地无功补偿设备”。,供电部门规定，凡功率因数低于规定值时，将予以罚款，相反，功率因数高于规定值时，将得到奖励，即采用“高惩低罚”的原则。,100,三、 功率因数的改善,（一）提高自然功率因数,自然功率因数是指未装设任何补偿装置的实际功率因数。提高自然功率因数，就是不添置任何补偿设备，采用科学措施减少用电设备的无功功率的需要量，使供配电系统总功率因数提高。,最理想最经济改善功率因数的方法。,101, 电力变压器不宜轻载运行；, 合理安排和调整工艺流程，改善电气设备的运行状况，限制电焊机、机床电动机等设备的空载运转；, 使用无电压运行的电磁开关（交流接触器） 。, 正确选用感应电动机的型号和容量，使其接近满载运行；, 更换轻负荷感应电动机或者改变轻负荷电动机的接线；,提高自然功率因数的方法，即采用降低各用电设备所需的无功功率以改善其功率因数的措施，主要有：,102,并联电容器补偿,同步电动机补偿,动态无功功率补偿,人工补偿无功功率的方法主要有以下三种：,（二） 人工补偿无功功率,当采用提高用电设备自然功率因数的方法后，功率因数仍不能达到供用电规则所要求的数值时，就需要设置专门的无功补偿电源，人工补偿无功功率。,103,a.当电网频率稳定时，他的转速稳定；b.转矩仅和电压的一次方成正比，电压波动时，转矩波动比异步电动机小；c.便于制造低速电动机，可直接和生产机械连接，减少损耗；d.铁芯损耗小，同步电动机效率比异步电动机效率高。,同步电动机补偿,在满足生产工艺的要求下，选用同步电动机，通过改变励磁电流来调节和改善供配电系统的功率因数。过去，由于同步电机的励磁机是同轴的直流电机，其价格高，维修麻烦，所以同步电动机应用不广。现在随着半导体变流技术的发展，励磁装置已比较成熟，因此采用同步电动机补偿是一种比较经济实用的方法。,同步电动机与异步电动机相比有不少优点：,返回,104,动态无功功率补偿,在现代工业生产中，有一些容量很大的冲击性负荷（如炼钢电炉、黄磷电炉、轧钢机等），他们使电网电压严重波动，功率因数恶化。一般并联电容器的自动切换装置响应太慢无法满足要求。因此必须采用大容量、高速的动态无功功率补偿装置，如晶闸管开关快速切换电容器，晶闸管励磁的快速响应式同步补偿机等。,目前已投入到工业运行的静止动态无功补偿装置有：可控饱和电抗器式静补装置；自饱和电抗器式静补装置；晶闸管控制电抗器式静补装置；晶闸管开关电容器式静补装置；强迫换流逆变式静补装置；高阻抗变压器式静补装置等,返回,105,并联电容器人工补偿,即采用并联电力电容器的方法来补偿无功功率，从而提高功率因数。,优 点：,a.有功损耗小，约为0.25%0.5%，而同步调相机约为1.5%3%。,b.无旋转部分，运行维护方便。,c.可按系统需要，增加或减少安装容量和改变安装地点。,d.个别电容器损坏不影响整个装置运行。,e.短路时，同步调相机增加短路电流，增大了用户开关的断流容量，电容器无此缺点。,目前用户、企业内广泛采用的一种补偿装置。,缺点：如只能有级调节，而不能随无功变化进行平滑的自动调节，当通风不良及运行温度过高时易发生漏油、鼓肚、爆炸等故障。,106,四、并联电容器补偿,（一）并联电容器的结线,三相电容器，通常在其内部接成三角形，单相电容器的电压，若与网络额定电压相等时则应将电容器接成三角形接线，只有当电容器的电压低于运行电压时，才接成星形接线。,相同的电容器，接成三角形接线，因电容器上所加电压为线电压，所补偿的无功容量则是星形接线的三倍。若是补偿容量相同，采用三角形接线比星形接线可节约电容值三分二，因此在实际工作中，电容器组多接成三角形接线。,Why?,107,（2）电容器采用三角形结线时，任一电容器断线，三相线路仍得到无功补偿，而采用星形结线时，一相电容断线时，断线相将失去无功补偿。,电容器采用三角形结线优点 ：,（1）同样的电容器，按三角形结线时其补偿容量将是星形结线的3倍。,电容器采用三角形结线缺点 ：,当电容器采用三角形结线时，任一电容器击穿短路时，将造成三相线路的两相短路，短路电流很大，有可能引起电容器爆炸。,对高压电容器特别危险！,当电容器采用星形结线时，在其中的一相电容器发生击穿短路时，其短路电流仅为正常工作电流的3倍，运行相对比较安全！,108,图2-7 三相线路中电容器星形结线时的电流分布a) 正常电流的电流分布 b) A相电容器击穿短路时的电流分布和相量图,GB500539410kV及以下变电所设计规范规定：高压电容器组宜接成中性点不接地星形，容量较小时（450kvar及以下）宜接成三角形。低压电容器组应接成三角形。,109,（二）并联电容器的补偿方式,按并联电力电容器在用户供配电系统中的装设位置，并联电容器的补偿方式有三种，即高压集中补偿、低压集中补偿和单独就地补偿（个别补偿）。,1 单独就地补偿,单独就地补偿（个别补偿或分散补偿）是指将电容器直接安装在吸取无功功率的用电设备附近。,优点：该补偿方式能补偿安装部位以前的所有设备，因此补偿范围最大，效果最好。,缺点：投资较大，电容器的利用率较低，管理维护不太方便。,适用于长期稳定运行，无功功率需要较大，或距电源较远，不便于实现其他补偿的场合。,110,感应电动机旁就地补偿的低压电容器组的结线,111,2 低压集中补偿,低压集中补偿是指将低压电容器集中装设在车间变电所或建筑物变电所的低压母线上。如图,该补偿方式只能补偿车间变电所或建筑物变电所低压母线前变电器和高压配电线路及电力系统的无功功率，对变电所低压母线后的设备则不起补偿作用。,其补偿范围比高压集中补偿要大，而且该补偿方式能使变压器的视在功率减小从而使变压器的容量可选得较小，因此比较经济。,低压电容器补偿屏一般可安装在低压配电室内，运行维护安全方便。,如图2-10为低压集中补偿的电容器组的结线。,兼备单独就地补偿和高压集中补偿的优点，广泛适用于各种不同类型的厂矿企业。,112,低压集中补偿电容器组的结线,电容器采用三角形结线，其放电装置为放电电阻或220V、1525W的白炽灯的灯丝电阻。如果用白炽灯放电的话，白炽灯还可起指示电容器组是否正常运行的作用。,113,3 高压集中补偿,高压集中补偿是指将高压电容器组集中装设在总降变电所的610kV母线上。如图,该补偿方式只能补偿总降压变电所的610kV母线之前的供配电系统中由无功功率产生的影响，而对无功功率在企业内部的供配电系统中引起的损耗无法补偿，因此补偿范围最小，经济效果较前两种补偿方式差。,但由于装设集中，运行条件较好，维护管理方便，投资较少。且总降压变电站610kV母线停电机会少，因此电容器利用率高。,适用于大中型企业,114,高压集中补偿电容器组的结线,115,电容器从电网上切除时会有残余电压，其值高达电网电压的峰值，对人身很危险。,GB5005394规定：电容器组应装设放电装置，使电容器两端的电压从峰值降到50V所需的时间，高压电容器不应大于5min，低压电容器不应大于1min。对高压电容器组，常利用电压互感器（如上图中的TV）的一次绕组来放电。,电容器组的放电回路中不得装设熔断器或开关，以确保可靠放电，保护人身安全。,116,并联电容器在工厂供配电系统中的装设位置和补偿效果,117,在供电设计中，实际上采用的是这些补偿方式的综合，以求经济合理得地提高功率因数。,补偿方式的合理性主要从补偿范围的大小，补偿容量的利用率高低以及电容器的运行条件和维护管理的方便等来衡量。,在设计中一般考虑将电源进线侧最大负荷（计算负荷）时的功率因数补偿到规定标准（0.9）。,118,（四）并联电容器的控制方式,并联电容器的控制方式是控制并联电容器的投切，有固定控制方式自动控制方式两种。,固定控制方式是并联电容器不随负荷变化投入或切除。,自动控制方式是并联电容器的投切随着负荷的变化，按某个参量进行分组投切控制,（） 按功率因数进行控制 （自动无功补偿屏） 图10-9,（） 按负荷电流进行控制,（） 按受电端的无功功率进行控制,在供电设计中，一般采用按功率因数进行自动控制,（五）补偿容量和电容器台数的确定,tan1、tan2补偿前、后平均功率因数角的正切值。,补偿前,补偿后,在确定了并联电容器的容量后，根据产品目录（见附录表2）就可以选择并联电容器的型号规格，并确定并联电容器的数量,QcN为单个电容器的额定容量（kvar）,120,对于由上式计算所得的数值，应取相近偏大的整数，如果是单相电容器，还应取为3的倍数，以便三相均衡分配，实际工程中，都选用成套电容器补偿柜（屏）。 （自动无功补偿屏） 图10-9,并联电容器的型号并联电容器的型号由文字和数字两部分组成，型号各部分所表示的意义如下：,121,BCMJ3型自愈式并联电容器,122,BCMJ自愈式低压并联电容器,123,BCMJ、BKMJ型自愈式低电压并联电容器,124,BCMJ、BKMJ型自愈式低电压并联电容器,125,126,安装尺寸图,127,128,129,返回,130,131,132,补偿后用户的负荷计算和功率因数计算,用户、车间或建筑物装设了无功补偿装置后，在确定补偿装置装设地点以前的总计算负荷时，应扣除无功补偿的容量。,133,例26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800kvar。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的容量有何变化？,解：（1）补偿前应选变压器容量及功率因数值变电所低压侧的视在计算负荷为,变压器容量选择应满足的条件为S NTS 30(2)，因此未进行无功补偿时，变压器容量应选为1250 kVA（参看附录表8）。,这时变电所低压侧的功率因数为 COS(2)=P30/S30=650/1031=0.63,134,（2）无功补偿容量,按规定，变电所高压侧的COS0.9，考虑到变压器的无功功率损耗QT远大于有功功率损耗PT，一般QT =(45) PT ，因此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低于高压侧补偿后的功率因数0.90，这里取COS (2)0.92。要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,QC=650(tan arccos0.63 tan arccos0.92)=525 kvar取QC530 kvar,135,3）补偿后的变压器容量和因数补偿后变电所低压侧的视在计算负荷为,因此补偿后变压器容量可选为800 kVA（参看附录表8）。变压器的功率损耗为,变电所高压侧的计算负荷为,136,无功补偿后，工厂的功率因数（最大负荷时）为,这一功率