教学材料《工厂供配电技术》-4

任务一负荷计算年负荷曲线是根据一年中具有代表性的冬日负荷曲线和夏日负荷曲线绘制而成。夏日和冬日在全年中的天数，视当地的地理位置和气温情况而定。例如在我国北方，可近似认为夏日165天，冬日200天;而在我国南方，可近似认为夏日200天，冬日165天。如绘制南方某厂的年负荷曲线，绘制时从冬夏日负荷曲线上的最大负荷开始，依次按阶梯减小到最小负荷，并按阶梯作水平虚线，水平虚线通过冬日负荷曲线所对应的时间乘以165,水平虚线通过夏日负荷曲线所对应的时间乘以200。将两个时间相加，即为年负荷曲线上横坐标所对应的时间。如在年负荷曲线上P!所占的时间T1=200(t2+165t2’)，P1在年负荷曲线上所占的时间t2=200t2+165t2'，这种年负荷曲线反映了工厂全年变动与负荷持续时间的关系，所以一也称为年负荷持续时间曲线，如图4-2所示。上一页下一页返回任务一负荷计算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，因此年最大负荷一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Tmax

、(或T30)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。如图4一3所示为某厂年有功负荷曲线，此曲线上最大负荷尸Tmax就是年最大负荷，Tmax为年最大负荷利用小时数。上一页下一页返回任务一负荷计算

年最大负荷利用小时数是反映电力负荷特征的一个重要参数。它与工厂类型及生产班制有明显的关系。一般情况下，一班制工厂;两班制工厂;三班制工厂。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，一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:上一页下一页返回任务一负荷计算4.计算负荷及其意义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，并把它作为按发热条件选择电气设备的依据，用或表示。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T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37=3x10=30(mi时，如果导线负载为短暂尖峰负荷，显然不可能使导线温度达到最高值，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。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配电线路的导线截面、变压器容量、开关电器及互感器等的额定参数的依据。上一页下一页返回任务一负荷计算1、用电设备额定容量的确定用电设备的工作方式用电设备按其工作方式可分为三种:连续运行工作制(长期工作制);短时运行工作制(短暂工作制);断续运行工作制(重复短暂工作制)。(1)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。它的功率就等于其铭牌上的额定功率。上一页下一页返回任务一负荷计算(2)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。一般按铭牌上额定功率确定。但是，如果该设备在正常情况下不适用，只是在事故或检修时使用，那么，支线负荷按额定功率确定，干线上负荷可以不考虑。若该设备功率较大，影响干线上配电设备选择，则应给予适当考虑。(3)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(，)与停歇时间(t})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，通常用暂载率二表征其工作特征，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e:上一页下一页返回任务一负荷计算2.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”，用尸(.表示。

(1)长期工作制和短暂工作制的设备额定容量。)上一页下一页返回任务一负荷计算(2)重复短暂工作制的设备额定容量。①吊车机组用电动机(包括电葫芦、起重机、行车等)的设备额定容量统一换算到ε=25%时的额定功率(kW)，若其εN不等于25%时应进行换算，公式为:②电焊机及电焊变压器的设备额定容量统一换算到ε=100%时的额定功率(kw)。若其铭牌暂载率称不等于100%时应进行换算，公式为:上一页下一页返回任务一负荷计算(3)电炉变压器的设备额定容量。电炉变压器的设备额定容量是指在额定功率因数下的额定功率(kW),即:(4)照明设备的设备额定容量。①自炽灯、碘钨灯设备额定容量等于灯泡上标注的额定功率(kW);②荧光灯还要考虑镇流器中的功率损失(约为灯管功率的20%)，其设备额定容量应为灯管额定功率的1.2倍(kW);③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%)，其设备额定容量应为灯泡额定功率的1.1倍(kw)④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%)，故其设备额定容量应为灯泡额定功率的1.1倍(kW)。上一页下一页返回任务一负荷计算(5)不对称单相负荷的设备额定容量。三、需要系数法计算负荷计算的常用计算方法有:需要系数法、二项式法。需要系数法用于变、配电所的计算;二项式法用于低压配电线路的计算。1.用电设备的需要系数用电设备往往不是满负荷运行，实际负荷容量常小于其额定容量。一组用电设备中，所有用电设备也不可能同时运行。同时工作的设备，最大负荷出现的时间也不相同。因此，用电设备组的实际负荷总容量总是小于其额定容量之和。我们将用电设备组实际负荷总容量与其额定容量之和的比值称为需要系数。根据用电设备的额定容量和需要系数，计算实际负荷容量的方法称为需要系数法。上一页下一页返回任务一负荷计算一组用电设备的需要系数可由下式确定:2.用电设备的计算负荷1)单台用电设备的计算负荷(1)有功计算负荷。上一页下一页返回任务一负荷计算(2)无功计算负荷。2)用电设备组的计算负荷(1)有功计算负荷。(2)无功计算负荷。(3)视在计算负荷。上一页下一页返回任务一负荷计算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(1)总的有功计算负荷。(2)总的无功计算负荷。(3)总的视在计算负荷。上一页下一页返回任务一负荷计算4)确定车间变电所中变压器高压侧的计算负荷5)确定全车间变电所中高压母线上的计算负荷6)确定总降压变电所出线上的计算负荷上一页下一页返回任务一负荷计算7)确定总降压变电所低压侧母线的计算负荷8)确定全厂总计算负荷上一页下一页返回任务一负荷计算四、二项式法计算二项式法是考虑一定数量大容量用电设备对计算负荷的影响而提出的计算方法。数台大功率设备工作时对负荷的附加功率，会使计算结果偏大，一般用于低压配电干线和配电箱的负荷计算。二项式法的基本公式2.多组用电设备计算负荷的确定采用二项式法确定多组用电设备总的计算负荷时，一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，而是在各组用电设备中取其中一组最大的附加负荷cPx再加上各组的平均负荷cPe

，由此求得其总的有功计算负荷，即:上一页下一页返回任务一负荷计算统计某大型矿井地面低压总负荷根据到现场收集地面低压电力负荷原始资料表4一8，把计算负荷结果填写在表4-9中。根据到现场收集“地面低压电力负荷原始资料”表，结合所填写的“总负荷统计表49”和收获体会进行评议，并填写成绩评议表4一l0。上一页返回任务二变电所中变压器选择一、功率损耗与电能损耗功率损耗1)供配电线路的功率损耗在实际工作中，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△PL和无功功率损耗△QL

，可分别按下式计算:下一页返回任务二变电所中变压器选择2)变压器的功率损耗变压器的功率损耗包括有功功率损耗△PT和无功功率损耗么△QT变压器的有功功率损耗由两部分组成:一部分是变压器在额定电压UN时不变的空载损耗△Po

，也就是铁损△PFe另一部分是随负荷而变化的绕组损耗，即有载损耗△P1

，也就是铜损△PCU

。变压器的短路损耗△PK可认为是额定电流下的铜损△PCUN

由于有载损耗与变压器负荷电流的平方成正比，所以变压器在计算负荷SCa

。下的有功功率损耗△PT，为:上一页下一页返回任务二变电所中变压器选择2.供配电系统的电能损耗1)供配电线路年电能损耗的计算

2)变压器年电能损耗的计算变压器空载不变的功率损耗所引起的年电能损耗与接电时间Tom(近似取8760h)关，即:上一页下一页返回任务二变电所中变压器选择3)企业年电能需要量企业年电能需要量一也就是企业在一年内所消耗的电能，它是企业供配电设计的重要指标之一。若已知企业的年负荷曲线如图4-5所示，则负荷曲线下的面积即为企业有功年电能需要量:,。但实际上，负荷随时都在变动，通常用一个等值的矩形面积来代替负荷曲线下的面积二、变电所中变压器台数与容量的选择车间变电所变压器台数与容量的选择对于一般生产车间，尽量装设一台变压器，其额定容量应大于用电设备的总计算负荷，且应有适当富裕容量。上一页下一页返回任务二变电所中变压器选择对于有一、二级负荷的车间，要求两个电源供配电时，应选用两台变压器，每台变压器容量应能承担全部一、二级负荷的供配电。如果与相邻车间有联络线时，当车间变电所出现故障时，其一、二级负荷可通过联络线保证继续供配电，亦可只选用一台变压器。对于随季节变动较大的负荷，为了使运行经济，减少变压器空载损耗，也宜采用两台变压器，以便在低谷负荷时，切除一台。凡选用两台变压器的变电所，任一台变压器单独投人运行时，必须能满足变电所总计算负荷70%的需要和一、二级负荷的需要。)2.企业总降变电所主变压器的选择上一页下一页返回任务二变电所中变压器选择对第三级负荷供配电的总降变电所，或者有少量一、二级负荷，但可由邻近企业取得备用电源时，可只装设一台主变压器;其额定容量应大于企业全部车间变电所计算负荷的总和，并考虑15%一25%的富裕。当企业中一、二级负荷占全部负荷比重较大时，应装设两台主变压器，两台主变压器之间互为备用。当一台出现事故或检修时，另一台能承担全部一、二级负荷。3.变压器的经济运行所谓变压器的经济运行，是指变压器在功率损耗最小的情况下的运行方式。这样使电能损耗最小，运行费用最低。如果把无功损耗归算为有功损耗，则变压器在实际负荷S下，其总的功率损耗可由下式求得:上一页下一页返回任务二变电所中变压器选择

现假设变电所有两台同型号同容量的变压器，当其中一台变压器运行时，它承担所有的负荷5;当两台变压器同时并列运行时，每台承担负荷S/2。求出两种运行方案归算以后的功率损耗，并分别绘出随负荷而变化的曲线。两条曲线交于n点，它所对应的负荷称为变压器经济运行的临界负荷Scr，如图4-6所示。事故或检修时，另一台能承担全部一、二级负荷。地面变电所变压器的选择根据到现场收集地面低压电力负荷原始资料表4一8，把选择的变压器填写在表4一11中。上一页返回任务三功率因数的补偿一、功率因数的计算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: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:下一页返回任务三功率因数的补偿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二、提高功率因数的意义由于工矿企业使用大量的感应电动机和变压器等用电设备，因此供配电系统除供给有功功率外，还需供给大量的无功功率，为此必须提高工矿企业用户的功率因数，减少对电源系统的无功功率需求量。提高功率因数有下列实际意义:(1)提高电力系统的供配电能力。在发、输、配电设备容量一定的情况下，用户的功率因数越高，则无功功率越小，所需视在功率就越小，这样同样容量的供、配电设备，可向更多的用户提供配电能。上一页下一页返回任务三功率因数的补偿(2)减少供配电网络中的电压损失，提高供配电质量。用户的功率因数越高，在同样有功功率的情况下，线路中的电流就越小，因而网络上电压损失一也越小，用电设备的端电压就越高。(3)减少供配电网络的电能损耗。在线路电压和输送的有功功率一定的情况下，功率因数越高，电流就越小，则网络中的电能损耗就越少。三、功率因数的改善(1)提高自然功率因数。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:①正确选用感应电动机的型号和容量，使其接近满载运行;②更换轻负荷感应电动机或者改变轻负荷电动机的接线;③电力变压器不宜轻载运行;上一页下一页返回任务三功率因数的补偿④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;⑤使用无电压运行的电磁开关。(2)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。人工补偿无功功率的方法主要有以下三种:并联电容器补偿、同步电动机补偿和动态无功功率补偿。用静电电容器(或称移相电容器、电力电容器)作无功补偿以提高功率因数，是日前工业企业内广泛应用的一种补偿措施。)电力电容器的补偿容量可用下式确定:上一页下一页返回任务三功率因数的补偿

在计算补偿用电力电容器容量和个数时，应考虑到实际运行电压可能与额定电压不同，电容器能补偿的实际容量将低于额定容量，此时需对额定容量作修正:

例如将YY10.5一10一1型高压电容器用在6kV的工厂变电所中作无功补偿设备，则每个电容器的无功容量由额定值10kva:降低为:上一页下一页返回任务三功率因数的补偿

显然除了在不得已的情况下使用外，这种降压使用的做法应避免。在确定总补偿容量QC之后，就可根据所选并联电容器单只容量QC1决定并联电容器的个数:

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的三分之二，因此在实际工作中，电容器组多接成三角形接线。上一页下一页返回任务三功率因数的补偿用户处的静电电容器补偿方式可分为个别补偿、分组(分散)补偿和集中补偿三种。个别补偿将电容器直接安装在吸取无功功率的用电设备附近;分组(分散)补偿将电容器组分散安装在各车间配电母线上;集中补偿指电容器组集中安装在总降压变电所二次侧(6一10kV侧)或变配电所的一次侧或二次侧(6一10kV或380V侧)。在设计中一般考虑将测量电能侧的平均功率因数补偿到规定标准。四、提高功率因数的方法提高负荷的自然功率因数通过采取各种技术措施及改进用电设备的运行情况来提高负荷的功率因数的方法称为提高负荷的自然功率因数。提高自然功率因数的方法有:(1)正确选择并合理使用电动机，使其不轻载或空载运行。在条件允许时尽量选用笼形异步电动机。)上一页下一页返回任务三功率因数的补偿(2)合理选择变压器容量，适当调整其运行方式，尽量避免变压器空载或轻载运行。(3)对于容量较大，且不需调速的电动机(如矿井通风机)，尽量选用同步电动机，并使其运行于过激状态。因为同步电动机运行于过激状态时呈容性负载，能补偿线路上其他感性负载的无功功率。2.人工补偿法提高功率因数若自然功率因数不能满足要求，应采用人工补偿法来提高功率因数。日前工矿企业)’泛采用并联电容器进行无功功率的补偿。上一页下一页返回任务三功率因数的补偿五、电容器的选择电容器补偿容量的计算设补偿前负荷的有功功率为Pε，功率因数角为φNAT，补偿后功率因数角要求达到φac，则电容器所需补偿容量Qc为2.电容器台数的确定电容器的额定电压应当与接入的电网电压相适应，由于电容器实际补偿容量与其工作电压的平方成正比，因而电容器台数可按下式计算:上一页下一页返回任务三功率因数的补偿3.电容器的补偿方式和接线方式1)电容器的补偿方式电容器的补偿方式有三种:单独就地补偿、分散补偿和集中补偿。(1)单独就地补偿方式。单独就地补偿是将补偿电容器直接与要补偿的设备并联，并共用一套开关设备进行控制。这种补偿方式适用于长时运行的所需补偿容量较大的设备，或者由较长线路供配电的设备。(2)分散补偿方式。分散补偿是将电容器装设在各配电用户(如各车间变电所)的母线上。电容器视技术经济比较情况，既可装在配电变压器高压侧一也可装在低压侧，或采用高低压混合补偿方式。这种补偿方式适用于用电负荷分散的工矿企业。上一页下一页返回任务三功率因数的补偿(3)集中补偿方式。集中补偿就是将电容器集中装设在工矿企业总变电所的6一10kV高压母线上，用专用开关控制。这种补偿方式电容器利用率高，管理方便，适用于负荷较为集中的工矿企业。2)卜偿电容器的接线方式当电容器组采用三角形接线时，若某一电容器内部击穿会造成相间短路故障，有可能引起电容器爆炸。而星形接线时，当某一电容器被击穿时，故障电流仅为电容器组额定电流的3倍，不会形成相间短路故障。因而GB50227-1995《并联电容器装置设计规范》中规定:高压电容器组宜采用单星形接线或双星形接线。在中性点非直接接地的电网中，星形接线电容器组的中性点不应接地。低压电容器或电容器组，可采用三角形接线或中性点不接地的星形接线方式。上一页下一页返回任务三功率因数的补偿

电容器组还应单独装设控制、保护和放电设备。电容器与电网断开后，电容器中仍有残余电压，该电压最高可达电网的峰值电压，危及人身安全。因而GB50227-1995中规定:电容器组的放电装置，应能满足电容器组脱开电源后，在5*内将电容器组上的剩余电压降至50V及以下。另外，当人体接触电容器前还必须用导线将电容器两端短接以确保人身安全。高压电容器组放电设备一般采用电压互感器。单独补偿方式的电容器组由于与用电设备直接相连，所以不需要另外装设放电设备。日光灯电路功率因数的提高按设计电路图安装并接线，经老师检查后方可送电。根据操作填写表4一12、表4一13。上一页返回任务四导线的选择一、室内线路导线截面选择选择导线一般考虑三个因素:长期工作电流、机械强度和线路电压降在允许范围内。(1)根据长期工作允许电流选择导线截面。由于导线存在电阻，当电流通过电阻时会发热，如果超过一定限度，其绝缘物会老化、损坏，甚至发生电火灾。所以，根据导线敷设方式不同、环境温度不同，导线允许载流量一也不同。通常把允许通过的最大电流值称为安全载流量。在选择导线时，可依据用电负荷，参照导线规格型号及敷设方式来选择导线截面。(2)根据外力选择导线截面。导线安装后和运行中，要受到外力的影响。导线本身自重和不同的敷设方式使导线受到不同的张力，如果导线不能承受张力作用，会造成断线事故。在选择导线时必须考虑外力作用。下一页返回任务四导线的选择(3)根据电压损失选择导线截面。照明用户，由变压器低压侧至线路末端，电压损失应小于6%。在正常情况下，电动机端电压与其额定电压不得相差15%。按照以上条件选择导线截面的结果，在同样负载电流下可能得出不同截面数据。此时，应选择其中最大的截面。导线与用电设备接连，通过导线的电流应大于用电设备的额定电流。实际电流与导线安全载流相近时，考虑到安全及负载可能变化，应选择大一规格级别的导线。实际应用时可查表4一15一表4一17.二、架空线路导线截面的选择架空线路普遍采用裸铝绞线或钢芯铝绞线，导线规格应根据线路的计算负荷电流按安全载流量选用。)架空导线最小截面积的规定裸钢绞线为6mm2，裸铝绞线为16mm2。上一页下一页返回任务四导线的选择如果采用单股裸铜线时，其最大截面积不应超过16tntn2;裸铝导线不允许采用单股导线，也不允许把多股裸铝绞线拆开成小股使用。导线和电缆截面的选择原则有:1)按发热条件选择导线截面通过导线的电流过大，温度升高，所以导线温度不能超过允许温度，规定导线允许载流量是在环境温度25°C，如果所采用的导线的允许温度不是环境温度25°C。则导线允许载流量应考虑温度修正系数K1上一页下一页返回任务四导线的选择

如果多根电缆并排直接埋于土中，由于电缆间相互影响，使散热条件变坏，其允许载流量应修正，乘以并排修正系数KD

。和因土壤的热阻系数不同引起的修正系数Ktr。具体数值可查表4一18和表4一19。(1)对重复短暂工作制负荷。

(2)对短暂工作制负荷。工作时间不超过4min，按重复短暂工作负荷计算;工作时间超过4min，或停歇时间不足以使导体冷却到周围环境温度时，按长期工作制计算。2)保证电压质量，电压损失应低于允许值(1)电压损失是指线路始末两端电压的数值差，用△U好表示。上一页下一页返回任务四导线的选择(2)电压偏移是指线路中任一点的实际电压与线路额定电压的数值差，用△Udri表示。(3)线路电压损失计算。对于如图4-8所示接有一个集中负载的线路，当三相平衡时，可简化一相。三相线路电压损失为:上一页下一页返回任务四导线的选择

供配电干线上支接了2个用电负荷，线路的电压损失为各段线路段电压损失之和，即为:设供配电干线上有n个负荷，则总的电压损失为:上一页下一页返回任务四导线的选择(4)按允许电压损失选择导线、电缆截面。上一页下一页返回任务四导线的选择3)满足机械强度要求，满足经济要求

(1)工厂供配电线路选用的导线按机械强度进行校验，应保证所选导线截面不小于该导线在相应敷设方式时的最小允许截面。(2)按经济电流密度选择导线和电缆截面。经济电流密度是年运行费用最小时的电流密度。线路传送电能一定时，增大导线的截面积虽减少了电能的损耗，但增加了线路的电能损耗。因此，应综合考虑。按国家