供配电工程第2章.ppt

河北科技大学电气工程学院 1 2020 4 22 第二章负荷计算与无功功率补偿 河北科技大学电气工程学院 2 2020 4 22 负荷曲线 半小时平均功率计算负荷 实际负荷 计算负荷 需要系数 河北科技大学电气工程学院 3 2020 4 22 2 1电力负荷与负荷曲线 一 电力负荷的分级 供电方式 由两个独立电源供电 1 一级负荷 中断供电将造成人身伤亡 重大设备损坏 重大产品报废 或在政治 经济上造成重大损失 2 二级负荷 中断供电将造成主要设备损坏 大量产品报废 重点企业大量减产 或在政治 经济上造成较大损失 供电方式 由双回路供电 3 三级负荷 所有不属于一 二级负荷的电力负荷 供电方式 对供电电源无特殊要求 河北科技大学电气工程学院 4 2020 4 22 二 负荷曲线 1 负荷曲线的分类 按性质分 有功负荷曲线和无功负荷曲线按负荷持续时间分 日负荷曲线和年负荷曲线 2 负荷曲线的绘制 日负荷曲线 逐点描绘法 梯形曲线法 图2 1日有功负荷曲线a 折线图b 梯形图 河北科技大学电气工程学院 5 2020 4 22 年负荷曲线 年最大负荷曲线 或称运行年负荷曲线 全年时间负荷曲线 或称年负荷持续曲线 图2 3全年时间负荷曲线的绘制a 冬季典型日负荷曲线b 夏季典型日负荷曲线c 全年时间负荷曲线 图2 2年最大负荷曲线 河北科技大学电气工程学院 6 2020 4 22 三 与负荷曲线有关的物理量 1 年最大负荷和年最大负荷利用小时数 年最大负荷Pmax 指全年中消耗电能最多的半小时的平均功率 即 年最大负荷利用小时数Tmax 在此时间内 用户以年最大负荷持续运行所消耗的电能恰好等于全年实际消耗的电能 可见 年负荷曲线越平坦 Tmax越大 年负荷曲线越陡 Tmax越小 图2 4年最大负荷与年最大负荷利用小时数 河北科技大学电气工程学院 7 2020 4 22 2 平均负荷与负荷系数 平均负荷Pav 电力负荷在一定时间t内平均消耗的功率 即 负荷系数KL 平均负荷与最大负荷的比值 即 年平均负荷为 图2 5 KL越大 负荷曲线越平坦 负荷波动越小 图2 5年平均负荷 河北科技大学电气工程学院 8 2020 4 22 3 需要系数和利用系数 需要系数Kd 负荷曲线中的最大有功计算负荷Pmax与全部用电设备额定功率之比值 即 利用系数Ku 负荷曲线中的平均计算负荷Pav与全部用电设备额定功率之比值 即 河北科技大学电气工程学院 9 2020 4 22 一 概述 2 2计算负荷的确定 计算负荷是根据已知的用电设备安装容量确定的 用以按发热条件选择导体和电气设备时所使用的一个假想负荷 用Pc 或Qc Sc Ic 表示 通常把根据半小时平均负荷所绘制的负荷曲线上的 最大负荷 称为计算负荷 并作为按发热条件选择电气设备的依据 因此 一般中小截面导体的发热时间常数 为10min以上 而导体通过电流达到稳定温升的时间大约为3 4 即载流导体大约经半小时 30min 后可达到稳定温升值 河北科技大学电气工程学院 10 2020 4 22 二 用电设备的工作制及设备容量的计算 暂载率 负荷持续率 指设备工作时间与工作周期的百分比值 即 连续运行工作制 长期工作制 短时运行工作制 短时工作制 断续周期工作制 反复短时工作制 1 用电设备的工作制 求计算负荷的方法有 需要系数法 二项式系数法 利用系数法和单位产品耗电量法等 计算负荷是选择电力变压器 开关设备及导线 电缆等额定参数的依据 河北科技大学电气工程学院 11 2020 4 22 2 设备容量Pe的确定 对长期工作制的用电设备 对反复短时工作制的用电设备 其设备容量是指换算到统一暂载率下的额定功率 折算方法 按同一周期等效发热条件进行换算 吊车 标准暂载率有15 25 40 和60 四种 电焊机 标准暂载率有50 65 75 和100 四种 河北科技大学电气工程学院 12 2020 4 22 吊车电动机组 包括电葫芦 起重机 行车等 的设备容量 指统一换算到 25 时的额定功率 kW 即 河北科技大学电气工程学院 13 2020 4 22 电焊机及电焊变压器的设备容量 指统一换算到 100 时的额定功率 kW 即 照明设备的设备容量 白炽灯 碘钨灯的设备容量 等于灯泡上标注的额定功率 荧光灯应考虑镇流器中的功率损失 约为灯泡功率的20 其设备容量应为灯管额定功率的1 2倍 高压水银荧光灯和金属卤化物灯也应考虑镇流器中的功率损失 约为灯泡功率的10 其设备容量可取灯管额定功率的1 1倍 河北科技大学电气工程学院 14 2020 4 22 单相负荷的设备容量 当单相用电设备的总容量不超过三相用电设备总容量的15 时 其设备容量可直接按三相平衡负荷考虑 当超过15 时 应将其换算为等效的三相设备容量 再同三相用电设备一起进行三相负荷计算 换算方法如下 单相设备接于相电压时 单相设备接于同一线电压时 式中 为等效三相设备容量 kW 为最大负荷相所接的单相设备容量 kW 式中 为接于同一线电压的单相设备容量 kW 河北科技大学电气工程学院 15 2020 4 22 一般情况 应先将接于线电压的单相设备容量换算为接于相电压的设备容量 换算公式如下 A相 B相 C相 然后分相计算各相的设备容量 则最大负荷相的3倍即为总的等效三相设备容量 河北科技大学电气工程学院 16 2020 4 22 三 单台用电设备的负荷计算 对长期连续工作的单台用电设备 对需要计及效率的单台用电设备 如电动机 四 用电设备组的负荷计算 1 需要系数法 确定用电设备组的计算负荷时 应考虑以下几种因素 各用电设备因工作情况不同 可能不同时工作 因此应考虑一个同时使用系数 各用电设备在工作时 不一定全部在满负荷下运行 因此应考虑一个负荷系数 对单台反复短时工作制的用电设备 河北科技大学电气工程学院 17 2020 4 22 各用电设备的平均效率 线路的供电效率 因此 一个用电设备组的需要系数可表示为 单组用电设备计算负荷的确定 说明 P30 Q30 S30的单位分别为kW kvar kVA 河北科技大学电气工程学院 18 2020 4 22 多组用电设备计算负荷的确定 式中 为同时系数 一般取0 85 0 95 当车间配电干线上有多组用电设备时 各组用电设备的最大负荷不同时出现 此时应计入一个同时系数 河北科技大学电气工程学院 19 2020 4 22 2020 4 22 河北科技大学电气工程系 19 某机械加工车间380V线路上 接有流水作业的金属切削机床电动机30台共85 W 其中较大电动机有11 W1台 7 5 W3台 4 W6台 通风机3台 共5 W 吊车1台 3 W 40 试用需要系数法确定此线路上的计算负荷 2 3确定计算负荷的方法 例2 1 I 用电设备组的计算负荷 II 多个用电设备组的计算负荷 河北科技大学电气工程学院 20 2020 4 22 2020 4 22 河北科技大学电气工程系 20 解 先求各组计算负荷 1 金属切削机床组查表2 3 取Kd 0 16 cos 0 5 tan 1 73 P30 1 KdPe 0 16 85 13 6kWQ30 1 P30 1 tan 3 6 1 73 23 53kvar 河北科技大学电气工程学院 21 2020 4 22 2020 4 22 河北科技大学电气工程系 21 2 通风机组查表2 3 取Kd 0 8 cos 0 8 tan 0 P30 2 KdPe 0 8 5 4 kWQ30 2 P30 2 tan 4 0 kvar 3 吊车组查表2 3 取Kd 0 15 cos 0 5 tan 1 73 而 40 故 P30 3 KdPe 0 15 3 795 0 569kWQ30 3 0 569 1 73 0 984kvar 河北科技大学电气工程学院 22 2020 4 22 2020 4 22 河北科技大学电气工程系 22 380V线路上总的计算负荷为 取 河北科技大学电气工程学院 23 2020 4 22 电力负荷计算表 例2 1用需要系数法确定某机械加工车间的计算负荷 河北科技大学电气工程学院 24 2020 4 22 2 二项式系数法 单组用电设备计算负荷的确定 由x台容量最大用电设备投入运行时增加的附加负荷 用电设备组的平均负荷 河北科技大学电气工程学院 25 2020 4 22 多组用电设备计算负荷的确定 各用电设备组附加负荷中的最大值 各用电设备组平均负荷的总和 河北科技大学电气工程学院 26 2020 4 22 2020 4 22 河北科技大学电气工程系 26 某机械加工车间380V线路上 接有流水作业的金属切削机床电动机30台共85 W 其中较大电动机有11 W1台 7 5 W3台 4 W6台 通风机3台 共5 W 吊车1台 3 W 40 试用需要系数法确定此线路上的计算负荷 2 3确定计算负荷的方法 例2 1 I 用电设备组的计算负荷 II 多个用电设备组的计算负荷 河北科技大学电气工程学院 27 2020 4 22 2020 4 22 河北科技大学电气工程系 27 解 先求各组计算负荷 1 金属切削机床组查表2 3 取Kd 0 16 cos 0 5 tan 1 73 P30 1 KdPe 0 16 85 13 6kWQ30 1 P30 1 tan 3 6 1 73 23 53kvar 河北科技大学电气工程学院 28 2020 4 22 2020 4 22 河北科技大学电气工程系 28 2 通风机组查表2 3 取Kd 0 8 cos 0 8 tan 0 P30 2 KdPe 0 8 5 4 kWQ30 2 P30 2 tan 4 0 kvar 3 吊车组查表2 3 取Kd 0 15 cos 0 5 tan 1 73 而 40 故 P30 3 KdPe 0 15 3 795 0 569kWQ30 3 0 569 1 73 0 984kvar 河北科技大学电气工程学院 29 2020 4 22 2020 4 22 河北科技大学电气工程系 29 380V线路上总的计算负荷为 取 河北科技大学电气工程学院 30 2020 4 22 例2 2用二项式系数法确定例2 1的计算负荷 电力负荷计算表 与例2 1 S30 29 52kVA I30 44 85A 比较可知 按二项式计算的结果比按需要系数法计算的结果要大 河北科技大学电气工程学院 31 2020 4 22 一 供配电系统的功率损耗 1 线路的功率损耗 2 3供配电系统的功率损耗和电能损耗 等边三角形排列 水平等距离排列 而x1与导线之间的几何均距有关 其中 图2 6三相导线的布置方式a 等边三角形布置b 水平等距布置 河北科技大学电气工程学院 32 2020 4 22 分裂导线 超高压输电线路为抑制电晕放电和减少线路电抗所采取的一种导线架设方式 导线间隔棒 河北科技大学电气工程学院 33 2020 4 22 变压器的功率损耗 有功功率损耗 消耗在一 二次线圈电阻上的有功功率损耗 即铜耗 与负荷电流 或功率 的平方成正比 可变损耗 变压器的短路损耗可认为就是额定负载下的铜耗 则任意负载下的铜耗为 式中 为变压器的负荷率 S30为变压器的计算负荷 kVA SN为变压器的额定容量 kVA 河北科技大学电气工程学院 34 2020 4 22 所以 无功功率损耗 所以 式中 为变压器的负荷率 S30为变压器的计算负荷 kVA SN为变压器的额定容量 kVA 用来产生主磁通即产生励磁电流的无功功率损耗 只与电网的电压有关 与负荷大小无关 可用来表征 河北科技大学电气工程学院 35 2020 4 22 所以 额定负载下的损耗 近似公式 消耗在一 二次线圈电抗上的无功功率损耗 与负荷电流 或功率 的平方成正比 可用来表征 河北科技大学电气工程学院 36 2020 4 22 二 供配电系统的电能损耗 1 线路的电能损耗 的含义 在此时间内 线路持续通过计算电流所 I30 产生的电能损耗与实际负荷电流在全年内所产生的电能损耗相等 图2 7 与Tmax关系曲线 式中 为年最大负荷损耗小时数 它与Tmax以及cos 有关 河北科技大学电气工程学院 37 2020 4 22 2 变压器的电能损耗 由变压器铁损引起的电能损耗 由变压器铜损引起的电能损耗 因此 变压器全年的电能损耗为 河北科技大学电气工程学院 38 2020 4 22 2 4全厂计算负荷的确定 一 按逐级计算法确定企业的计算负荷 逐级计算法是指从企业的用电端开始 逐级上推 直至求出电源进线端的计算负荷为止 一般工业企业的供电系统图如图2 8所示 图2 8负荷计算用供电系统 河北科技大学电气工程学院 39 2020 4 22 1 用电设备组的计算负荷 图2 8中的1点 2 车间变压器低压母线上的计算负荷 图2 8中的2点 注意 当变电所的低压母线上装有无功补偿用的静电电容器组 其容量为 则 河北科技大学电气工程学院 40 2020 4 22 3 车间变压器高压侧的计算负荷 图2 8中的3点 注意 若求计算负荷时车间变压器的容量和型号尚未确定 变压器的功率损耗可按近似公式进行计算 即 对SL7 S9 SC9等低损耗变压器 对SJL1等变压器 河北科技大学电气工程学院 41 2020 4 22 4 车间变电所高压母线上的计算负荷 图2 8中的4点 5 总降压变电所出线上的计算负荷 图2 8中的5点 由于工业企业厂区范围不大 高压线路中的功率损耗较小 在负荷计算中可以忽略不计 所以有 河北科技大学电气工程学院 42 2020 4 22 6 总降压变电所低压母线上的计算负荷 图2 8中的6点 注意 如果在总降压变电所6 10kV二次母线侧采用高压电容器进行无功补偿 其容量为 则 7 企业总计算负荷 图2 8中的7点 河北科技大学电气工程学院 43 2020 4 22 二 按需要系数法确定企业的计算负荷 式中 Kd为企业的需要系数 查表2 4 为全厂用电设备的总容量 不包括备用设备容量 三 按年产量估算企业的计算负荷 将企业年产量A乘以单位产品耗电量a 即可得到企业全年的耗电量 则企业的有功计算负荷为 河北科技大学电气工程学院 44 2020 4 22 2 5工厂的功率因数与无功功率补偿 一 工厂的功率因数 1 瞬时功率因数 可由功率因数表 相位表 直接读出 或由电压表 电流表和功率表在同一时刻的读数按下式求出 指某一规定时间内 功率因数的平均值 其计算公式为 2 均权功率因数 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 式中 Wp为某一时间内消耗的有功电能 kW h Wq为同一时间内消耗的无功电能 kvar h 河北科技大学电气工程学院 45 2020 4 22 指在年最大负荷 即计算负荷 时的功率因数 其计算公式为 3 最大负荷时的功率因数 我国供电部门每月向工业用户收取电费 就是按月均权功率因数的高低来调整的 并规定 高压供电的用户 其功率因数不应低于0 9 其他电力用户的功率因数不应低于0 85 若达不到以上要求 应进行人工补偿 否则要加收电费 注意 在供电设计中考虑无功补偿时 严格地讲 应按均权功率因数否满足要求来计算 但为简便起见 常按最大负荷时的功率因数来计算补偿容量 河北科技大学电气工程学院 46 2020 4 22 使供电网络中的功率损耗和电能损耗增大 使供电网络的电压损失增大 影响负荷端的电压质量 因为功率因数越低 在保证输送同样的有功功率时 系统中输送的总电流越大 从而使输电线路上的功率损耗和电能损耗增加 由于 当P R X一定时 功率因数越低 Q越大 则越大 二 无功功率补偿 功率因数低的不良影响 使供配电设备的容量不能得到充分利用 降低了供电能力 由于发电机 变压器都有一定的额定电压和额定电流 在正常情况下不允许超过额定值 根据 功率因数越低 输出的有功功率越小 使设备的容量不能得到充分利用 降低了供电能力 河北科技大学电气工程学院 47 2020 4 22 使发电机的出力下降 发电设备效率降低 发电成本提高 当有功功率保持不变时 功率因数越低 无功电流越大 对发电机转子的去磁效应越大 端电压越低 发电机就达不到预定的出力 提高自然功率因数的方法 一 提高功率因数的方法 用小容量的电动机代替负荷不足的大容量电动机 正确选用感应电动机的型号和容量 当电动机的负荷系数KL 70 时 可以不换 当KL 40 时 必须换小电机 当40 KL 70 时 则需经过技术经济比较后再进行更换 河北科技大学电气工程学院 48 2020 4 22 降低感应电动机的端电压就降低了感应电动机的无功功率需要量 从而可提高系统的功率因数 对负荷不足的电动机可用降低外加电压的办法提高功率因数 定子绕组的匝数不能减少 所以 限制感应电动机的空载运行 提高感应电动机的检修质量 气隙 不能增加 河北科技大学电气工程学院 49 2020 4 22 当变压器的负荷系数KL 30 时 应考虑换小容量的变压器 合理使用变压器 绕线型感应电动机同步化运行 同步电动机过励磁下可向电网送入无功功率 从而改善功率因数 绕线式异步电动机同步化运行 就是在电动机异步启动后 向转子绕组内通入直流电流进行励磁 使其变为同步电动机运行 河北科技大学电气工程学院 50 2020 4 22 2 提高功率因数的补偿法 稳态无功功率补偿设备 采用同步补偿机 实质上是空载运行的同步电动机 通过调节其励磁电流可以起到补偿系统无功功率的作用 由于它为旋转机械 安装和运行维修都相当复杂 所以在企业供配电系统中很少应用 河北科技大学电气工程学院 51 2020 4 22 2 提高功率因数的补偿法 稳态无功功率补偿设备 采用并联电容器 无功自动补偿装置 优点 与同步补偿机相比 因无旋转部分 具有安装简单 运行维护方便 有功功率损耗小及组装灵活 扩充方便等优点 因此是目前工业企业中应用最广泛的无功补偿设备 Cbb24型补偿电容器 河北科技大学电气工程学院 52 2020 4 22 动态无功功率补偿设备 静补装置 SVC StaticVarCompensator 动态无功功率补偿设备又称为 静止型无功功率自动补偿装置 简称 静补装置 SVC 具有响应速度快 平滑调节性能好 补偿效率高 维修方便及谐波 噪声 损耗均小等优点 因此应用越来越广泛 静止型无功功率自动补偿装置由可控的可调电抗器与电容器并联组成 电容器可发出无功功率 可控电抗器可吸收无功功率 它可以迅速地按照负荷的变动情况改变无功功率的大小和方向 调节或稳定系统的运行电压 尤其适用于冲击性负荷 交流电弧炉 轧钢机 电力机车等 的无功补偿 河北科技大学电气工程学院 53 2020 4 22 SVC的两种基本结构类型是晶闸管控制电抗器 ThyristorControlledReactor 简称TCR 晶闸管投切电容器 ThyristorSwitchedCapacitor 简称TSC TCR和TSC可以相互之间或者与固定电容器组 FixedCapacitor 简称FC 组成TCR FC和TCR TSC FC 负荷补偿中绝大多数采用TCR FC SVC近年来广泛应用 河北科技大学电气工程学院 54 2020 4 22 二 电容器并联补偿的工作原理 在工业企业中 绝大部分电气设备的等值电路可视为电阻R和电感L的串联电路 其功率因数可表示为 当在R L电路中并联接入电容器C后 如图2 9a 所示 回路电流为 图2 9电容器无功补偿原理图 河北科技大学电气工程学院 55 2020 4 22 可见 并联电容器后与之间的夹角变小了 因此 供电回路的功率因数提高了 欠