工厂供配电技术项目2电力负荷及短路电流的计算

工厂供配电技术电力负荷及短路电流的计算项目二电力负荷及短路电流的计算是正确选择供配电系统电气设备的基础，也是保障供配电系统安全可靠运行的重要环节。本项目首先介绍电力负荷的相关概念，接着讲述常用的负荷计算方法，最后介绍短路电流的计算方法及效应问题。项目导入计算电力负荷计算短路电流/任务导航/任务一任务二一、电力负荷和负荷曲线二、计算负荷的确定三、功率因数及其提高方法四、尖峰电流的计算一、短路概述二、短路过程分析三、短路电流的计算四、短路电流的效应项目目标知识目标技能目标素质目标了解电力负荷和负荷曲线的相关概念掌握计算负荷的确定方法掌握功率因数的种类及其提高方法掌握尖峰电流的计算方法了解短路的概念和过程掌握短路电流的计算方法了解短路电流的效应培养执着专注、踏实认真的职业素质发扬追求卓越、勇于拼搏的奋斗精神树立科技成才、技能报国的人生理想能够确定线路的计算负荷能够用标幺制法计算某供配电系统中的短路电流任务一计算电力负荷任务引入某新建工厂拟建设一个降压变电所，这就需要选择变压器、设计电气主接线、选择电气设备。而要完成上述工作需要先分析该工厂的电力负荷情况，了解与电力负荷相关的物理量，并确定电力负荷等级，为降压变电所的设计提供理论依据。已知该工厂机修车间的380V线路上，接有20台冷加工机床电动机，共50kW（其中，较大容量电动机：7.5kW1台，4kW3台，2.2kW7台）；2台通风机，共3kW；1台电阻炉，2kW。通过学习本任务，请确定此线路上的计算负荷。一、电力负荷和负荷曲线电力负荷有功负荷由电能转换成其他形式的能量，并在用电设备中真实消耗的功率无功负荷在电磁场间交换能量、为产生磁场所消耗的功率电力负荷（电力负载）既可指用电设备或用电单位也可指用电设备或用电单位消耗的功率或电流一、电力负荷和负荷曲线为满足有功负荷和无功负荷的需要，发电机既发有功功率P，又发无功功率Q。发电机的全功率有功功率无功功率又称视在功率因此1）一级负荷定义：指中断供电将造成人身伤害、重大的经济损失或影响重要用电单位正常工作的负荷。特别重要的负荷：当中断供电将造成人员伤亡、重大设备损坏或发生中毒、爆炸和火灾等情况的负荷；特别重要场所中不允许中断供电的负荷。供电要求：一级负荷应采用两个互相独立的电源供电。一级负荷中特别重要的负荷，除两个独立电源外，还必须设置应急电源。一、电力负荷和负荷曲线1．电力负荷根据用户的重要程度及其对供电可靠性要求的不同电力负荷一级负荷二级负荷三级负荷一般为独立于正常电源的发电机组、供电网络中独立于正常电源的专用馈电线路、干电池、蓄电池。一、电力负荷和负荷曲线1．电力负荷2）二级负荷定义：指中断供电将造成较大的经济损失或影响较重要用电单位正常工作的负荷。供电要求：由两回线路供电，当负荷较小或供电条件困难时，也可由一回专用架空线路供电。3）三级负荷定义：所有不属于一级负荷、二级负荷的用电负荷均属于三级负荷。供电要求：对供电电源没有特殊的要求，一般采用单回线路供电。一、电力负荷和负荷曲线2．负荷曲线负荷曲线是表示电力负荷随时间变化的曲线，反映用户用电的特点和规律。纵坐标表示负荷大小横坐标表示对应的时间根据电力负荷性质的不同日负荷曲线年负荷曲线负荷曲线有功负荷曲线无功负荷曲线根据时间单位的不同一、电力负荷和负荷曲线2．负荷曲线1）负荷曲线的绘制（1）日负荷曲线。日负荷曲线表示全天24h内电力负荷的变化情况，可用测量的方法绘制，通过接在线路上的有功或无功功率表，每隔一段时间将仪表读数的平均值记录下来，再依次将这些点描绘在坐标上。依点绘制的日负荷曲线日负荷曲线有以下两种绘制方式。①依点绘制：将坐标上的点连成折线状。②梯形绘制：将坐标上的点连成阶梯形。梯形绘制的日负荷曲线一、电力负荷和负荷曲线2．负荷曲线依点绘制的日负荷曲线梯形绘制的日负荷曲线日负荷曲线时间间隔取得越短，曲线越能反映电力负荷的实际变化情况。日负荷曲线与横坐标所围成的面积代表日负荷所消耗的电能，利用日负荷曲线可以估算用户一天消耗的电能。方便计算，通常情况下日负荷曲线多绘制成梯形接近实际一、电力负荷和负荷曲线2．负荷曲线（2）年负荷曲线。年负荷曲线反映全年（按8760h计）电力负荷的变化情况，年负荷曲线通常用年负荷持续时间曲线来表示，其负荷从大到小依次排列。年负荷持续时间曲线通常根据一年中有代表性的夏季日负荷曲线和冬季日负荷曲线来绘制。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。在北方，一般认为夏季165天，冬季200天；在南方，一般认为夏季200天，冬季165天。（a）夏季日负荷曲线（b）冬季日负荷曲线（c）年负荷持续时间曲线南方某工厂的年负荷曲线一、电力负荷和负荷曲线2．负荷曲线年负荷持续时间曲线与横坐标所围成的面积就等于该用户一年内消耗的电能，因此可以利用该曲线来估算用户全年消耗的电能。（a）夏季日负荷曲线（b）冬季日负荷曲线（c）年负荷持续时间曲线南方某工厂的年负荷曲线一、电力负荷和负荷曲线2．负荷曲线2）与负荷曲线有关的参数分析负荷曲线可以了解电力负荷的变化规律，从而合理、有计划地安排车间、班组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”的方法可使负荷曲线变得比较平坦，有利于降低供电成本。（3）平均负荷与负荷曲线有关的参数具体如下。（1）年最大负荷（2）年最大负荷利用小时（4）负荷系数一、电力负荷和负荷曲线2．负荷曲线年最大负荷利用小时一、电力负荷和负荷曲线2．负荷曲线年平均负荷年平均负荷是指电力负荷在一年内消耗功率的平均值。如图所示，阴影部分的面积表示全年实际消耗的电能，年平均负荷的横线与两坐标轴所围成的面积恰好与之相等。一、电力负荷和负荷曲线2．负荷曲线负荷系数可用来反映负荷曲线的平坦程度，负荷系数越接近1，负荷曲线越平坦。应尽量提高工厂的负荷系数，从而充分发挥供电设备的能力，提高供电效率。因此二、计算负荷的确定计算负荷是工厂供电设计的基本依据，计算负荷确定得是否合理，直接关系到用电设备的选择是否合理。因此，正确确定计算负荷具有重要意义。如果计算负荷确定得过大如果计算负荷确定得过小会造成有色金属浪费，增加投资。会造成用电设备或导体运行时过热，不但会增加电能损耗，而且会影响用电设备使用寿命和安全。二、计算负荷的确定1．设备容量1）用电设备的工作制用电设备连续工作制设备短时工作制设备断续周期工作制设备根据工作制的不同指在恒定负荷下运行，且运行时间长到足以使之达到热平衡状态的用电设备。如通风机、泵类、电热设备、运输设备、照明设备等。二、计算负荷的确定1．设备容量1）用电设备的工作制用电设备连续工作制设备短时工作制设备断续周期工作制设备根据工作制的不同指在恒定负荷下运行，工作时间短、停歇时间较长的用电设备。如机床上的某些辅助电机和闸门电动机等。二、计算负荷的确定1．设备容量1）用电设备的工作制用电设备连续工作制设备短时工作制设备断续周期工作制设备根据工作制的不同指时而工作、时而停歇，以周期性规律反复运行的用电设备，其工作周期一般不超过10min。如起重机、电梯、电焊设备等。断续周期工作制设备可用负荷持续率（或暂载率）来表示其工作特征。为一个工作周期内工作时间与工作周期的百分比，用ε表示。二、计算负荷的确定1．设备容量但由于各用电设备的工作制不同，如有的是连续工作制，有的是断续周期工作制，因此这些用电设备的额定容量不能直接相加作为全厂的计算负荷，需要先换算成同一工作制下的额定功率，然后才能相加。二、计算负荷的确定1．设备容量二、计算负荷的确定2．用电设备组计算负荷的确定目前我国普遍采用需要系数法和二项式法确定用电设备组的计算负荷。计算简便，应用广泛，适用于不同类型的企业。应用局限性较大，主要适用于机械加工企业。二、计算负荷的确定2．用电设备组计算负荷的确定单组用电设备组的计算负荷有功计算负荷P30无功计算负荷Q30视在计算负荷S30计算电流I30二、计算负荷的确定2．用电设备组计算负荷的确定二、计算负荷的确定2．用电设备组计算负荷的确定应用范围KΣ确定车间变电站低压线路的最大负荷冷加工车间0.7～0.8热加工车间0.7～0.9动力站0.8～1.0确定配电站母线的最大负荷计算负荷小于5000kW0.9～1.0计算负荷为5000～10000kW0.85计算负荷大于10000kW0.8（2）多组用电设备组的计算负荷。在确定多组用电设备组的计算负荷时，应考虑各组用电设备组的最大负荷不同时出现的因素。因此，在确定多组用电设备组的计算负荷时，应结合具体情况对其有功计算负荷和无功计算负荷分别计入一个同时系数KΣ，具体计算公式如下。同时系数KΣ二、计算负荷的确定2．用电设备组计算负荷的确定二、计算负荷的确定2．用电设备组计算负荷的确定解：二、计算负荷的确定2．用电设备组计算负荷的确定解：二、计算负荷的确定2．用电设备组计算负荷的确定解：二、计算负荷的确定2．用电设备组计算负荷的确定2）二项式法用二项式法确定计算负荷时：既要考虑用电设备组的设备容量，也要考虑几台容量最大的用电设备引起的大于平均负荷的附加负荷。二、计算负荷的确定2．用电设备组计算负荷的确定二、计算负荷的确定3．全厂计算负荷的确定全厂计算负荷的确定是选择工厂电源进线及有关用电设备的基本依据，是供配电系统设计中的重要环节。确定全厂计算负荷的方法很多，一般采用逐级计算法和需要系数法。在确定各用电设备组的计算负荷后，若要确定全厂的计算负荷，应：从用电末端开始逐级向工厂电源方向计算经过变压器和较长线路时，还应加上变压器和线路的损耗最后求出全厂总的计算负荷1）逐级计算法二、计算负荷的确定3．全厂计算负荷的确定逐级计算法示意图二、计算负荷的确定3．全厂计算负荷的确定二、计算负荷的确定3．全厂计算负荷的确定三、功率因数及其提高方法功率因数=有功功率视在功率是用来衡量用电设备用电效率的一个系数，常用表示。功率因数越大，代表用电设备的用电效率越高。1．功率因数的种类功率因数瞬时功率因数平均功率因数最大负荷时的功率因数三、功率因数及其提高方法1．功率因数的种类三、功率因数及其提高方法1．功率因数的种类三、功率因数及其提高方法1．功率因数的种类我国有关规程规定：高压供电的工厂，最大负荷时的功率因数不得低于0.9，其他工厂不得低于0.85。如果达不到相关要求，则必须进行无功补偿。三、功率因数及其提高方法2．功率因数的提高方法工厂中大多数用电设备都是电感性负荷，运行时功率因数较低，因此需要采取措施来提高功率因数。提高功率因数的方法提高自然功率因数采用无功补偿装置提高功率因数的途径主要在于减小电力系统中各部分的无功功率，特别是减小负载消耗的无功功率。指不用任何补偿设备，采用降低各用电设备的无功功率来提高功率因数的方法。它不需要增加投资，是最经济的提高功率因数的方法。但自然功率因数的提高往往有限，因此一般需要采用无功补偿装置来提高功率因数。三、功率因数及其提高方法2．功率因数的提高方法无功补偿三、功率因数及其提高方法2．功率因数的提高方法无功补偿四、尖峰电流的计算尖峰电流定义：指单台或多台用电设备持续1～2s的短时最大负荷电流。出现场合：一般出现在电动机启动过程中。作用：主要用来计算电压波动、选择熔断器和低压断路器、整定继电保护装置及检验电动机自启动条件等。四、尖峰电流的计算1．单台用电设备尖峰电流的计算四、尖峰电流的计算2．多台用电设备尖峰电流的计算四、尖峰电流的计算2．多台用电设备尖峰电流的计算任务实训——确定线路的计算负荷确定多组用电设备的计算负荷，可采用需要系数法和二项式法。下面给出需要系数法的计算步骤，请同学们查表确定各项参数，并在空白处进行计算。确定线路的计算负荷任务实训——确定线路的计算负荷任务实训——确定线路的计算负荷任务2计算短路电流任务引入某供配电系统的短路计算电路图一、短路概述工厂供配电系统在向负荷提供电能，保证用户正常生产和生活的同时，也可能由于种种原因出现故障，从而影响正常运行。这些故障通常是由短路引起的。指不同电位导体之间的电气短接。一、短路概述1．短路的原因电气设备或元件的损坏（1）例如，电气设备绝缘材料陈旧老化；电气设备本身存在质量问题，或设计、安装、维护不当等。自然灾害（2）例如，气候恶劣引起的线路断线、倒杆；鸟兽跨越在裸露的不同电位导体之间，或咬坏电气设备和导线的绝缘层。人为事故（3）例如，操作人员违反操作规程而发生误操作，或检修时未拆接地线就接通断路器等。一、短路概述发生短路时，电路的阻抗减小，其短路电流为正常负荷电流的几十倍甚至几百倍。在大型供配电系统中，短路电流可高达几万安甚至几十万安，会对供配电系统产生极大的危害，具体表现在以下方面。2．短路的危害（1）短路会产生很大的热量，导致电气设备发热，甚至烧毁电气设备，引起火灾（2）短路会产生巨大的电动力，使电气设备变形、扭曲，甚至严重损坏（3）短路使供配电系统电压和频率下降，影响用户的正常生产（4）短路会影响供配电系统运行的稳定性，严重时将引起系统解列，造成大面积停电因此，在供配电系统的设计和运行中，应采用有效措施设法消除可能引起短路的不利因素；由此可见，短路的危害是极为严重的。同时还需要计算短路电流，以便能正确地选择和校验各种电气设备，保证供配电系统安全运行。一、短路概述3．短路的类型短路三相短路两相短路单相短路两相接地短路按照短路情况的不同一、短路概述3．短路的类型三相短路（1）指供配电系统三相导体间的短路，为对称短路，用符号k（3）表示。两相短路（2）指供配电系统中任意两相同时在一点短接的短路，为不对称短路，用符号k（2）表示。单相短路（3）指供配电系统中任一相经大地与中性点或中性线发生的短路，为不对称短路，用符号k（1）表示。两相接地短路（4）指供配电系统中任意两相发生单相接地而产生的短路，为不对称短路，用符号k（1.1）表示。一、短路概述3．短路的类型供配电系统中，发生单相短路的可能性最大，约占短路故障的65%～70%；发生三相短路的可能性最小，但三相短路电流最大，造成的危害最严重。因此，选择和校验电气设备时，要以三相短路电流为依据，从而确保电气设备在各种短路状态下均能可靠工作。本任务所介绍的短路电流计算以三相短路电流为主。二、短路过程分析无限大容量电力系统是指其容量比用户内部供配电系统的容量大得多的电力系统，当用户内部供配电系统负荷发生变动甚至短路时，电力系统变电所馈电母线的电压能基本维持不变。中小型工厂或大型工厂的用电容量现代大型电力系统的总容量<<在计算工厂供配电系统的短路电流时，可将电力系统看作无限大容量的电源。因此二、短路过程分析1．无限大容量电力系统三相短路过程无限大容量电力系统发生三相短路时的电路图无限大容量电力系统发生三相短路前后电流、电压的变化曲线当发生三相短路时，电力系统由原来的正常运行状态经过短暂的过渡过程（短路暂态过程）；进入短路稳定状态，电流也由原来的正常工作电流经过短路暂态过程达到新的稳定值。二、短路过程分析1．无限大容量电力系统三相短路过程电力系统正常运行时，电路中的电流取决于电源电压和回路的总阻抗（包括线路阻抗和负载阻抗）。1）正常运行状态2）短路暂态过程3）短路稳定状态二、短路过程分析2．三相短路电流的有关参数与三相短路电流有关的参数1）短路电流周期分量2）短路次暂态电流3）短路电流非周期分量4）短路全电流5）短路冲击电流6）短路稳态电流二、短路过程分析2．三相短路电流的有关参数二、短路过程分析2．三相短路电流的有关参数二、短路过程分析2．三相短路电流的有关参数二、短路过程分析2．三相短路电流的有关参数二、短路过程分析2．三相短路电流的有关参数三、短路电流的计算为预防短路及其产生的破坏，需要对供配电系统中可能产生的短路电流数值预先进行计算，计算结果可作为选择、校验电气设备及供配电设计的依据。三、短路电流的计算1．三相短路电流计算三相短路电流常用的计算方法欧姆法无限大容量电力系统发生三相短路时，其短路电流周期分量有效值可按式（2-35）计算，不再详细阐述标幺制法就是在分析计算过程中，将电压、电流、阻抗、功率等物理量采用标幺值表示的方法三、短路电流的计算1．三相短路电流计算三、短路电流的计算1．三相短路电流计算三、短路电流的计算1．三相短路电流计算三、短路电流的计算1．三相短路电流计算三、短路电流的计算由于各元件电抗均采用标幺值，与短路计算点的电压无关，因此不需要进行电压换算，这也是标幺制法的优点。小提示三、短路电流的计算1．三相短路电流计算三、短路电流的计算1．三相短路电流计算4）标幺制法短路计算步骤（1）绘制短路计算电路图，并根据短路计算目的确定短路计算点（2）确定标幺值的基准，取基准容量Sd=100MV·A，基准电压Ud=Uc，并求出基准电流Id（3）计算短路电路中各主要元件的电抗标幺值（4）绘制短路电路的等效电路图，用分子标明元件序号或代号，用分母标明元件的电抗标幺值，并在等效电路图上标出所有短路计算点（5）分别简化各短路计算点电路，求出总电抗标幺值，然后计算相关的短路电流和短路容量三、短路电流的计算2．两相短路电流计算无限大容量电力系统发生两相短路的电路图三、短路电流的计算2．两相短路电流计算无限大容量电力系统发生两相短路的电路图式（2-57）表明，无限大容量电力系统中，同一地点