《供配电系统的运行与维护》-项目４

任务４.１电力负荷与负荷曲线４.１.１电力负荷的分级及其对供电电源的要求１.电力负荷电力负荷是指用电设备耗用的功率或电流。负荷分为有功功率、无功功率和视在功率。有功功率Ｐ（单位Ｗ）：用电设备真实消耗的功率，称为有功负荷，如机械能、光能、热能等。无功功率Ｑ（单位ｋｖａｒ）：在电、磁场间交换的那部分能量，没有做功，称为无功负荷。视在功率ＳＮ（单位Ｖ·Ａ）：额定电压ＵＮ和额定电流ＩＮ的乘积，称为视在功率。下一页返回任务４.１电力负荷与负荷曲线对于三相交流设备的视在功率：，三者符合直角三角形关系，如图４.１所示。２.电力负荷分级根据电力负荷的重要程度将负荷分为三级。（１）一级负荷：供电突然中断，将造成伤亡或财产重大损失。一级负荷供电要求：要求有两个独立电源和备有应急电源。（２）二级负荷：供电突然中断，将造成较大的经济损失。二级负荷供电要求：两路供电或一路专线供电。（３）三级负荷：一、二级负荷以外的所有负荷。三级负荷供电要求：无特殊要求，可采用单回路供电。上一页下一页返回任务４.１电力负荷与负荷曲线３.用电设备工作制根据用电设备的工作情况分为三种工作制。（１）长期工作制：电气设备在恒定负荷下运行，且运行期间达到热平衡状态，如通风机、水泵等。（２）短时工作制：设备工作时间短而停歇时间长，如机床辅助电动机等。（３）断续周期工作制：设备工作一会停歇一会，以断续方式反复工作，其周期一般不超过１０ｍｉｎ。用暂载率来描述断续周期工作制设备的工作情况。暂载率为一个工作周期内工作时间与工作周期的百分比值，用ε表示。上一页下一页返回任务４.１电力负荷与负荷曲线４.１.２负荷曲线及有关概念１.负荷曲线的种类与绘制负荷曲线是表征电力负荷随时间变动情况的图形。纵坐标轴表示负荷功率（一般用有功功率），横坐标轴表示负荷变动所对应的时间。负荷曲线的种类有工厂的、车间的或某台设备的负荷曲线；有功和无功负荷曲线；年的、月的、日的和工作班的负荷曲线；依点连成的负荷曲线和梯形负荷曲。上一页下一页返回任务４.１电力负荷与负荷曲线日负荷曲线表示全天２４ｈ内每半小时的平均负荷，如图４.２所示。年每日最大负荷曲线表示全年３６５天内每日的最大负荷变动情况，如图４.３所示。年负荷持续时间曲线表示全年８７６０ｈ内各种负荷的持续时间（大负荷靠近左侧绘制），如图４.４所示。２.与负荷曲线有关的物理量１）年最大负荷Ｐｍａｘ和年最大负荷利用小时Ｔｍａｘ年最大负荷Ｐｍａｘ指全年中负荷最大的工作班内消耗电能最多的半小时平均负荷，即Ｐ３０。上一页下一页返回任务４.１电力负荷与负荷曲线年最大负荷利用小时Ｔｍａｘ是指假设电力负荷按Ｐｍａｘ持续运行，在某段时间内所耗用的电能，恰与该电力负荷全年实际耗用的电能相等，则称这段时间为年最大负荷利用小时Ｔｍａｘ，如图４.５所示。２）平均负荷Ｐａｖ和负荷率β平均负荷Ｐａｖ指电力负荷在一定时间ｔ内平均耗用的功率。上一页下一页返回任务４.１电力负荷与负荷曲线年平均负荷Ｐａｖ指电力负荷全年平均耗用的功率。负荷率β指平均负荷Ｐａｖ与最大负荷Ｐｍａｘ的比值。负荷率表征负荷变动的程度，应尽量设法提高β值。上一页返回任务４.２负荷计算４.２.１用电设备的额定容量与设备容量１.用电设备的额定容量用电设备的额定容量是指用电设备在额定电压下、在规定的使用寿命内能连续输出或耗用的最大功率。电动机额定容量是指其轴上正常输出的最大功率。因此其耗用的功率即从电网吸取的功率，应为其额定容量除以其本身的效率。对电灯和电炉等，其额定容量是指其在额定电压下耗用的功率，而不是指其输出的功率。２.负荷计算中的设备容量下一页返回任务４.２负荷计算引入设备容量：因设备存在三种不同的工作制，在进行负荷计算时，需要将不同的工作制下用电设备的额定容量（功率）ＰＮ换算到同一工作制下，经换算后的额定容量（功率）称为设备容量，用Ｐｅ表示。设备容量的换算方法：（１）长期工作制、短期工作制的设备容量Ｐｅ的计算。设备容量Ｐｅ等于其铭牌功率ＰＮ，即Ｐｅ＝ＰＮ。（２）断续周期工作制的设备容量Ｐｅ的计算。①吊车电动机换算到标准暂载率εＮ＝２５％时的有功功率上一页下一页返回任务４.２负荷计算②电焊机换算到标准暂载率εＮ＝１００％时的有功功率（３）照明设备的设备容量Ｐｅ的计算。４.２.２负荷计算用户的实际负荷并不等于所有用电设备额定功率之和。上一页下一页返回任务４.２负荷计算在设计时，必须找出这些用电设备的等效负荷。一般电气设备大约经３０ｍｉｎ后可达到稳定工作状态。因此取半小时平均最大负荷Ｐ３０、Ｑ３０和Ｓ３０作为“计算负荷”。计算负荷是供配电设计计算的基本依据。如果计算负荷确定过大，将使设备和导线、电缆选择偏大。如果计算负荷确定过小，又将使设备和导线、电缆选择偏小，运行时过热，增加电能损耗和电压损耗，甚至烧毁。实际上，负荷计算也只能是力求接近实际的估算值。计算负荷的计算方法，有需要系数法和二项式法。１.按需要系数法确定计算负荷上一页下一页返回任务４.２负荷计算计算步骤：先确定计算范围，然后计算设备容量Ｐｅ。再将工艺性质相同的设备合并成组，算出每一组用电设备的计算负荷，最后计算总的计算负荷。ＰｅΣ是设备的输出容量，与输入容量存在一个效率η；这些设备不可能同时运行，存在一个同时系数ＫΣ；这些设备不可能同时满负荷出力，存在一个负荷系数ＫＬ；供电线路有功耗，存在一个供电效率ηｗ。所以，电网供给的有功计算负荷上一页下一页返回任务４.２负荷计算１）单台设备的计算负荷由公式及功率三角形关系，得出２）单组设备的计算负荷单组设备是指用电设备性质相同的一组设备，即Ｋｄ相同。图４.６所示为Ｅ层面负荷。上一页下一页返回任务４.２负荷计算计算负荷公式的ＰｅΣ———设备容量总和（备用设备不计）；ｔａｎφ———该设备组的功率因数角正切值。３）多组用电设备的计算负荷上一页下一页返回任务４.２负荷计算如图４.６所示，首先计算出各组计算负荷（Ｅ层面），然后将各组计算负荷分别相加，得到Ｄ层面负荷（低压干线）总的Ｐ３０、Ｑ３０、Ｓ３０和Ｉ３０。计算公式为上一页下一页返回任务４.２负荷计算４）车间低压母线Ｃ点的计算负荷如图４.６所示，首先计算出各低压干线（Ｄ层面）计算负荷；然后将各低压干线计算负荷分别相加，得到Ｃ层面负荷（变压器低压侧）总的Ｐ３０、Ｑ３０、Ｓ３０和Ｉ３０。计算公式为２.二项式系数法求计算负荷上一页下一页返回任务４.２负荷计算二项式系数法适用于总用电设备台数较少且容量差别很大时的负荷计算。１）用二项式系数法求用电设备组的计算负荷计算公式：如果设备的台数ｎ≤２ｘ，则ｘ＝ｎ／２台。如果设备的台数ｎ为２台以下，则取ｂ＝１，ｃ＝０。Ｐ３０确定后，求Ｑ３０、Ｓ３０、Ｉ３０同需要系数法。２）用二项式系数法求低压干线的计算负荷上一页下一页返回任务４.２负荷计算当采用二项式法确定多组用电设备总的计算负荷时，也应考虑各组用电设备的最大负荷不同时出现的因素，但不是计入一个同时系数，而是在各组设备中取其中一组最大的有功附加负荷（ｃＰｘ）ｍａｘ，再加上各组的平均负荷ｂＰｅ，由此求得总的有功计算负荷为总的无功计算负荷为３.单相计算负荷的确定无论需要系数法或二项式系数法求计算负荷，所有公式都适用于三相负荷。单相负荷只有换算成三相负荷才能应用上述方法求计算负荷。上一页下一页返回任务４.２负荷计算（１）单相用电设备的容量小于三相设备的总容量的１５％，单相负荷与三相负荷直接相加不必换算。（２）对接在相电压上的单相用电设备，按最大负荷相上的单相设备容量乘以３，即为等效三相设备容量。（３）当单相负荷全部接在线电压上时：（４）单相设备既有接在线电压上的，又有接在相电压上的，计算步骤如下：上一页下一页返回任务４.２负荷计算①先将接在线电压上的设备容量换算为接在相电压上的设备容量。②分相计算各相的设备容量和计算负荷。③总的等效三相有功计算负荷为最大有功计算负荷相的有功计算负荷的３倍，总的等效三相无功计算负荷就是对应最大有功负荷相的无功计算负荷的３倍，最后再按公式计算出Ｓ３０和Ｉ３０。接在线间的单相负荷换算为接在相间的单相负荷的换算公式：Ａ相上一页下一页返回任务４.２负荷计算Ｂ相Ｃ相其中的换算系数见表４.１。上一页返回任务４.３供配电系统的功率损耗４.３.１线路功率损耗的计算供电线路的三相有功功率损耗和三相无功功率损耗为４.３.２电力变压器的功率损耗电力变压器的功率损耗包括有功损耗和无功损耗。１.有功损耗ΔＰＴ电力变压器的有功功率损耗由铁损（约为空载损耗ΔＰ０）和铜损（约为短路损耗ΔＰＫ）构成。下一页返回任务４.３供配电系统的功率损耗２.无功损耗ΔＱＴ电力变压器的无功功率损耗由空载无功功率损耗ΔＱ０和负载无功功率损耗ΔＱＮ构成。在工程设计中变压器的有功损耗和无功损耗可以用下式估算：对普通变压器低损耗变压器上一页返回任务４.４功率因数的提高及全厂负荷的计算４.４.１功率因数及功率因数的提高因感性设备要从供电电源中吸收无功功率来建立磁场，从而使供电系统功率因数降低，功率因数太低将会导致以下三种情况发生。（１）电能损耗增加：当输送功率和电压一定时，功率因数越低，线路上电流越大，导致电能损耗。（２）电压损失增加：线路上电流增加，必然也造成线路压降的增大，使用户端电压降低。（３）供电设备利用率降低：无功电流增加后，供电设备的温升会升高，于是不得不降低输送的有功功率Ｐ来控制电流Ｉ的值，这样就降低了供电设备的供电能力。下一页返回任务４.４功率因数的提高及全厂负荷的计算国标规定：应在负荷侧集中补偿无功功率即集中安装无功补偿设备电容器以提高功率因数。１.功率因数的种类瞬时功率因数：由表读出，用来分析无功功率的变化情况，以采取相应的补偿对策。平均功率因数：通过电能表读数计算求出，作为调整收费标准的依据（罚或奖）。最大负荷时功率因数：通过公式ｃｏｓφ＝Ｐ３０／Ｓ３０计算求出。最大负荷功率因数是功率因数补偿的依据。上一页下一页返回任务４.４功率因数的提高及全厂负荷的计算２.利用并联电容器提高功率因数利用电容器进行无功功率补偿的原理是，在交流电路中，电容器电流始终超前电压，发出容性无功功率。把电容器并联在供电设备上运行，供电设备要“吸收”的感性无功功率正好由电容器“发出”的容性无功功率供给，从而起到无功功率补偿的作用。无功功率补偿如图４.８所示。补偿前：有功功率Ｐ３０，无功功率Ｑ３０，视在功率Ｓ３０，功率因数ｃｏｓφ（低）。补偿后：有功功率Ｐ３０（补偿前、后不变），无功功率Ｑ′３０，视在功率Ｓ′３０，功率因数ｃｏｓφ′（高）。上一页下一页返回任务４.４功率因数的提高及全厂负荷的计算所需无功补偿的电容容量Δｑｃ＝ｔａｎφ－ｔａｎφ′称为无功补偿率，查附表９。并联电容器的技术数据见附表１０。根据ＱＣ计算出所需三相电容器个数。４.４.２无功功率自动补偿装置上一页下一页返回任务４.４功率因数的提高及全厂负荷的计算无功功率自动补偿装置：采用并联电容器作无功补偿元件，根据电网的感性无功功率的变化情况，自动控制并联电容器的投切，使电网的无功功率保持在最小状态，从而提高电网的功率因数。ＰＧＪ１型低压无功自动补偿屏的内部接线如图４.９所示。自动控制器按功率因数的高低来控制并联电容器组的投切。有１、２、３、４四种接线方案，其中１、２屏为主屏，３、４屏为辅屏。１、３屏各有６支路，采用６步控制。２、４屏各有８支路，采用８步控制。选择时，先根据控制步数（６步或８步）的要求，选择一台１号或２号主屏，然后根据所需无功补偿容量补充一台或数台３号或４号辅屏。上一页下一页返回任务４.４功率因数的提高及全厂负荷的计算４.４.３全厂计算负荷的最终确定１.全厂计算负荷的最终确定的计算步骤（１）设备容量换算（考虑设备工作制）。（２）计算各组计算负荷（考虑需要系数）。（３）计算低压干线负荷（考虑同时系数）。（４）计算线路和变压器的功率损耗。（５）计算功率因数及补偿无功功率。（６）进行变电所一次侧的负荷计算。2.无功补偿后的评估简单进行总结。上一页下一页返回任务４.４功率因数的提高及全厂负荷的计算（１）变压器容量减小了，原来为１２５０ｋＶ·Ａ，现为８００ｋＶ·Ａ，买变压器的费用降低了。（２）变压器容量减小了，固定损耗降低了。（３）变压器容量减小了，基础电费少交了。（４）功率因数提高了，电费少交了。上一页返回任务４.５用户供配电系统的电能损耗计算４.５.１线路全年的电能损耗计算线路全年的电能损耗的计算公式ΔＷａ＝３Ｉ２３０ＲＷＬττ为年最大负荷损耗小时，τ＝Ｔ２ｍａｘ／８７６０，其值可从图４.１０查得。其中一班制企业，Ｔｍａｘ＝１８００～３０００ｈ；两班制企业，Ｔｍａｘ＝３５００～４８００ｈ；三班制企业，Ｔｍａｘ＝５０００～７０００ｈ。４.５.２变压器的电能损耗计算变压器的电能损耗主要是铁损ΔＰＦｅ和铜损ΔＰＣｕ。下一页返回任务４.５用户供配电系统的电能损耗计算其中变压器铁损近似等于空载损耗ΔＰ０。全年铁损电能损耗：变压器铜损ΔＰＣｕ近似等于短路损耗ΔＰｋ。全年铜损电能损耗变压器全年总电能损耗：４.５.３用户年耗电量的计算用户年耗电分别为年有功电能消耗量Ｗｐ.ａ和年无功电能消耗量Ｗｑ.ａ。上一页下一页返回任务４.５用户供配电系统的电能损耗计算年有功电能消耗量Ｗｐ.ａ＝αＰ３０Ｔ