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第2章用户供电系统 第一节电力负荷与负荷计算 一 关于负荷的基本概念二 负荷估算三 负荷计算四 功率因数及其提高五 供电系统功率因数的改善及电能节约 一 关于负荷的基本概念 1 设备安装容量 连续工作设备铭牌上的标称功率 计算负荷 PC 通过负荷的经验统计求出的 用来代替实际负荷作为负荷计算和按发热条件选择供电系统各元件的负荷值 等效负荷 物理意义 由计算负荷所或等效负荷产生的恒定温升等于实际变化负荷所产生的最大温升 电力负荷计算的目的 选择企业各级变电站的变压器容量 电气设备的型号 规格及供电网络所用导线截面等额定参数的依据 使电气设备和材料得到充分利用和安全运行 用电设备的工作制 连续运行 短时运行 断续周期工作制 1 连续运行 连续运行时间较长 通常不小于10min 这类设备的铭牌容量就作为设备的安装容量 2 短时运行 连续运行工作时间很短 停歇时间较长 这类设备容量相对较小 则一般不予考虑 3 断续周期工作制 周期性的时而工作 时而停歇 如此反复运行 工作周期一般不超过10分钟 用负荷持续率 FC 来表示其工作特征 电焊机和吊车电动机等 tg 工作时间 tx 停歇时间 tg tx 全周期时间断续周期制设备的额定容量 是对应于某一标称负荷持续率FCN的 当FC FCN时 则实际容量应进行换算 换算到实际FC的容量为 1 电焊变压器 要求容量统一换算到FC 100 时的额定持续功率 换算后的功率作为此类设备的安装容量 2 吊车电动机组 要求容量统一换算到FC 100 时的额定持续功率 换算后设备的容量为根据用电设备的工作特性分为不同类型组 负荷 单台用电设备或一组用电设备从电源取用的电功率 有功 无功和视在功率负荷曲线 电力负荷随时间变化的一种图形 它所包含的面积 即生产期间耗用的电能 日负荷 月负荷 年负荷曲线 1 确定时间间隔对计算负荷有关系数的求取非常重要2 根据半小时平均负荷所绘制的负荷曲线上的最大负荷作为计算负荷PC3 用电设备组的典型负荷曲线 以30min为时间间隔 在最大负荷工作班测定 最大值P30 PC Pm 2 负荷与负荷曲线 3 平均负荷 最大负荷 有效负荷与计算负荷 1 平均负荷负荷在一段时间内的平均值 2 最大负荷典型日负荷曲线中的最大负荷 即30min内消耗电能最大时的平均负荷 或记 3 有效负荷典型工作班负荷曲线所计算得到的有效值 4 计算负荷Pc电力用户的实际负荷并不等于用户中所有用电设备额定功率之和 这是因为 1 并非所有设备都同时投入工作 2 并非所有设备都能工作于额定状态 3 并非所有设备的功率因数都相同 4 还应考虑用电设备的效率与配电设备的功率损耗 等效负荷 指用电设备在实际运行中对配电设备所产生的最大热效应与等效负荷产生的热效应相等 或实际负荷产生的最大温升与等效负荷产生的温升相等 从等效的含义上讲 前述 半小时最大平均负荷 就是等效负荷 等效负荷可以作为供电系统设计和电气设备选择的依据 在供电系统设计中 将等效负荷称为计算负荷Pc 1 负荷系数负荷系数是指平均负荷与最大负荷之比 它反映了负荷的平稳程度 负荷系数常分为有功负荷系数 和无功负荷系数 2 利用系数利用系数是针对用电设备组而言的 利用系数Kx定义为用电设备组在最大负荷工作班内消耗的平均负荷Pav与该设备组的总安装容量 PN之比 即 4 负荷系数 利用系数 需要系数与形状系数 3 需要系数需要系数也是针对用电设备组而言的 需要系数Kd定义为用电设备组的最大负荷Pmax 或P30 与该设备组的总安装容量 PN之比 即 4 形状系数形状系数也是针对用电设备组或用户整体而言的 形状系数Kz定义为有效负荷Pe与平均负荷Pav之比 即 5 年最大负荷利用小时数Tmax 年最大负荷利用小时数Tmax是这样一个假想时间 电力负荷按照最大负荷Pmax持续运行Tmax时间所消耗的电能恰好等于该电力负荷全年实际消耗的电能Wa 因此年最大负荷利用小时数为 二 负荷的估算 1 单位产品耗电量法 若已知某企业的产品和产量 查表可得该产品的单位产品耗电量 和该类工厂的年最大负荷利用小时数Tmax 进而按下式求出企业年电能需要量Wa和计算负荷Pc 2 负荷密度法 已知建筑面积A m2 并查表得到同类建筑的负荷密度指标 W m2 则计算负荷Pc可按下式求得 3 形状系数法 1 将用电设备分组 求出各用电设备组的总安装容量 2 查出各用电设备组的利用系数及对应的功率因数 计算平均负荷 3 根据负荷的平稳程度 适当选择形状系数Kz的值 一般情况下可取Kz 1 15 按下式估计计算负荷 三 负荷的计算 考虑到电动机的运行效率 单台电动机的计算负荷Pc M应按下式计算 1 单台用电设备的计算负荷 当计算配电干线 譬如 第j条 上的计算负荷时 首先将用电设备分组 求出各组用电设备的总安装容量PN i 然后查表得到各组用电设备的需要系数kd i及对应的功率因数cos i和功率因数正切值tan i 则 对于设备台数为3台及以下的用电设备组 其计算负荷应取各设备功率之和 4台用电设备的计算负荷宜取设备功率之和乘以0 9的系数 2 用电设备组的计算负荷 车间或全厂的负荷计算以车间内用电设备组或配电干线的计算负荷为基础 从负荷端逐级向电源端计算 而且需要在各级配电点乘以同期系数K 即 3 车间或全厂的计算负荷 求出变压器低压侧总计算负荷后 变压器高压侧的计算负荷等于低压侧计算负荷与变压器功率损耗之和 在初步设计时 变压器的功率损耗可按下式近似估算 1 工厂的功率因数分类和计算 瞬时功率因数 平均功率因数 最大负荷时功率因数 自然功率因数 总功率因数 指运行中的工厂供用电系统在某一时刻的功率因数值 指某一规定时间段内功率因数的平均值 指配电系统运行在年最大负荷时 计算负荷 的功率因数 指用电设备或工厂在没有安装人工补偿装置时的功率因数 指用电设备或工厂设置了人工补偿后的功率因数 四 功率因数及其提高 2 功率因数的提高 高压供电的工业用户和高压供电装有带负荷调压装置的电力用户 功率因数应达到0 9以上 其他用户功率因数应在0 85以上 人工补偿无功功率 提高自然功率因数 提高功率因数 1 合理选择感应电动机容量 2 减少电动机的空载或轻载运行 3 保证电动机的检修质量 4 电力变压器不宜轻载运行 5 合理安排和调整工艺流程 6 异步电动机同步运行 就地补偿 直接安装在用电设备附近 集中补偿 分组集中安装在各车间配电母线或总降压变电所一次 二次侧上 补偿装置选择 1 采用静电电容器 2 选用同步电动机 3 采用同步调相机 3 无功补偿容量 当采用分组自动投切的补偿装置时 无功补偿容量 新建工厂的设计阶段 无功功率补偿前的自然平均功率因素 若采用固定补偿装置 无功补偿容量 补偿后的总功率 4 采用分组自动投切方式的补偿容量和补偿后计算负荷的计算 1 补偿容量的计算 2 补偿后计算负荷的计算 确定电容器的个数 补偿后总的无功计算负荷为 补偿后的视在计算负荷为 五 供电系统负荷计算示例 某用户供电系统结构和负荷数据如图2 4所示 按照需要系数法 各级负荷计算如下 图2 4负荷计算示例图 1 通风机通风机 PN 29kW 查表得Kd 0 85和tan 0 75 于是 2 高频加热设备高频加热设备 PN 80kW 查表得Kd 0 6和tan 1 02 于是 3 机加工车间冷加工机床 PN 50kW 查表得Kd 0 16和tan 1 73 热加工机床 PN 92kW 查表得Kd 0 25和tan 1 33 于是 1 用电设备组的负荷计算 4 点焊机点焊机 PN 90kW 查表得Kd 0 35和tan 1 33 于是 取1 变电所各组负荷的同期系数为 K 0 90 于是 2 1 变电所低压侧计算负荷 采用电容器分组自动投切的低压集中补偿方式 设补偿后功率因数为cos 0 93 则 补偿后变压器低压侧计算负荷为108kW j30kvar Sc 112kV A 1 变电所变压器损耗按下式估算 1 变电所高压侧计算负荷为 3 低压集中补偿容量的计算 4 变电所高压侧计算负荷 取全厂负荷的同期系数为 K 0 90 于是 5 全厂总计算负荷 第二节供电电压与电源的选择 一 线路电压损失 由于线路存在阻抗 当输送一定负荷时 线路首末端将存在电压之差 电压降 线路首末端电压的向量差 记作电压损失 线路首末端电压的幅值差 记作 图2 5电压损失计算示意图a 电路图b 相量图 接有2个分段负荷的干线线路的电压损失 或 各段导线的截面积相同 接有n个分段负荷的干线线路的电压损失 二 电压与负荷容量和输送距离的关系 1 通常用户供电系统所用的导线最大标称截面为240mm2 其承载电流的能力限制了某一电压下输送功率的大小 对截面为A的导线 设在满足经济性条件下其可承载的最大电流为Imax 则其可输送的最大功率为 2 按线路电压损失要求 一般不应大于5 在额定电压UN下 对某一截面导线的负荷矩限制如下 三 电压的选择 1 供电电压的选择 供电电压的选择应根据用电容量和供电距离参照表2 6并考虑当地电网现状 用户的用电负荷性质及未来发展规划等因素综合而定 一般用户的供电电压为6 10kV 大中型工业企业的供电电压可为35kV 对于个别电力用户 当用电负荷很大 输电距离长且有大功率冲击性负荷 如电弧炼钢炉 轧钢设备及大型整流装置等 时 在技术经济合理的条件下 可考虑采用更高一级电压供电 2 高压配电电压的选择 用户供电系统的高压配电电压一般采用6 10kV 由于lOkV技术经济指标好 如供电系统能耗和有色金属耗量均较小 因而高压配电电压应首选lOkV 当用户有多台6kV用电设备 且容量较大 在技术经济上合理时 才采用6kV 当用户有少量3kV电动机时 可用10 6 3kV专用变压器供电 3 低压配电电压的选择 1000V以下的电压 除非因为安全所规定的特殊电压外 对于供给用户直接使用的交流动力及照明电压 我国是380 220V 对于矿山和油田等特殊场合 由于负荷分散 供电距离长 为了保证电压质量 动力用电可采用660 380V或1140 660V 四 电源的选择 1 负荷等级 按照用电负荷对供电可靠性的要求 即中断供电对人身生命 生产安全造成的危害及对经济影响的程度 用电负荷分为下列三级 1 一级负荷 关键负荷 突然停电将关乎人身生命安全 或在经济上造成重大损失 或在政治上造成重大不良影响者 2 二级负荷 重要负荷 突然停电将在经济上造成较大损失 或在政治上造成不良影响者 3 三级负荷 一般负荷 不属于一级和二级负荷者 2 电源及其选择 电力用户可由多种电源供电 以满足不同设备对电力和供电可靠性的需要 正常电源 应急电源 1 一级负荷应由两个独立电源供电 有特殊要求的一级负荷 两个独立电源应来自两个不同的地点 两个供电电源应在设备的控制箱内实现自动切换 切换时间应满足设备允许中断供电的要求 除正常电源外 还需增设应急电源 2 二级负荷应由两回线路供电 并可在配电装置内实现切换 当一回线路故障时 应不影响另一回线路供电 当负荷较小或取得两回线路有困难时 可由一回专用线路供电 小容量负荷可以采用一路电源加不间断电源 或一路电源加设备自带的蓄电池组在末端实现切换 3 三级负荷对供电方式无特殊要求 但在不增加投资或经济允许的情况下 也应尽量提高供电可靠性 第三节用户变电所 用户变电所是用户供电系统的主要组成部分 它向用户分配电能并进行控制 其组成结构如图2 7所示 图2 7用户供电系统结构框图1 总降压变电所2 配电所3 10 6 kV变电所4 高压用电设备 一 变电所的作用与组成 变电所的主要作用是降低电压并向用电设备或用电设备组配电 用户变电所按电压等级分为总降压变电所和10 6 kV变电所 在工业企业称为车间变电所 总降压变电所将进线35 110kV降为6 10kV 配电给10 6 kV变压器或高压用电设备 然后由10 6 kV变电所再次降压为380 220V供给低压用电设备 如果进线电压为10 6 kV 则可在用户区内设置10 6 kV总配电所 由35kV直接供电的35 0 4kV变电所称为直接降压变电所 安全 可靠 合理 经济是对用户供电系统的基本要求 二 变电所的设置 1 总降压变电所或总配电所 当用户供电电压为35kV及以上时 一般应考虑设置总降压变电所 对于以35kV供电的用户 若用户没有高压用电设备 为简化供电系统 减少投资和电能损耗 在周围环境允许时 也可以不设总降压变电所 而以35 0 4kV的变压器直接向负荷供电 总降压变电所可以设置1 2台降压变压器 当供电电压为10 6 kV且有多台高压用电设备或10 6 kV变电所较多时 宜设置总配电所 对负荷不大的小型用户 可将总配电所与某个10 6 kV变电所合并 扩充为变配电所 或仅设一个独立式变电所 2 10 6 KV变电所 根据负荷的大小和负荷等级 一个10KV变电所一般设置1 2台变压器 单台变压器容量一般不大于1600KV A 三 变电所位置的确定 总降压变电所的位置应接近负荷中心 并适当靠近电源的进线方向 以便使有色金属耗量最少和线路功率及电能损耗最小 同时 还应考虑变电所周围的环境 进出线的方便和设备运输的方便 图2 8负荷指示图注 1 圆中带斜线者为动力负荷 不带斜线者为照明负荷2 分线值为示例 分子为动力负荷 分母为照明负荷 图2 9负荷分布示意图 2 10 6 kV变电所 1 独立变电所具有独立完整的变电所建筑 2 附设变电所附设变电所利用厂房一面或两面墙壁建造 如图2 10所示 当厂房生产面积有限 生产环境特殊或因生产工艺要求设备经常变动时 宜采用外附式 否则应采用内附式 3 箱式变电所箱式变电所集配电变压器和开关电器于一体 装配在箱内 整体可独立置于户外 具有体积小 安装灵活 无需建筑等特点 适用于小型工业企业 居民小区 广场和道路照明等场合 4 地下变电所地下变电所设于地下 通风不良 投资较大 用于有防空等特殊要求的场合 此外 民用高层建筑的变电所常设置在地下室内 五 变电所的主要电气设备 变电站的电气设备分为一次设备和二次设备一次设备的功能和用途 1 高压断