1、第二章負荷計算及無功補償1.電力負荷和負荷曲線2.負荷計算的方法3.企業負荷的確定和變壓器選擇4.功率因數補償技術主要要研究三個問題:1.什么是負荷?2.為什么要進行負荷計算?3.怎樣進行負荷計算?1、什么是負荷?(1概念:“電力負荷”在不同的場合可以有不同的含義,它可以指用電設備或用電單位,也可以指用電設備或用電單位的功率或電流的大小。(2負荷分類:A:按用途可分為:照明負荷和動力負荷B:按行業分:工業負荷、非工業負荷和居民生活負荷(民用電C:電力負荷(設備按工作制的分類:長期連續工作制、短時工作制、斷續周期工作制2 為什么負荷計算從工礦企業用電角度供電系統電氣設備選擇(導線、開關、變壓器等

2、繼電保護整定選擇儀表量程從系統供電角度安排供電方案及系統運行方式估算過高:增加供電設備的容量,使電網復雜;浪費有色金屬,增加初投資和運行管理工作量;由于工廠企業是國家電力的主要用戶,將給電力系統及整個國民經濟建設帶來很大的危害;估算過低:投入生產后,線路及電氣設備過熱;絕緣老化加快,降低使用壽命,增大電能損耗;影響供電系統的正常可靠運行。3 負荷計算方法需要系數法需要系數是按照車間以上的負荷情況來確定的,適用于變、配電所的負荷計算。負荷計算方法二項式系數法二項式系數法考慮了用電設備中幾臺功率較大的設備工作時對負荷影響的附加功率,一般適用于低壓配電支干線和配電箱的負荷計算。第一節負荷曲線及參數1

3、.什么是負荷曲線?電力負荷隨時間變化的曲線,反映了用戶用電的特點和規律。描述負荷變化趨勢的數學手段:可用來預測負荷變化趨勢。2.負荷曲線用途(1確定系統運行方式(2安排設備檢修計劃(3負荷統計計算3.負荷曲線分類(1按負荷性質分:有功負荷曲線和無功負荷曲線(2按負荷變動的時間分:日負荷曲線(24h、月負荷曲線、年負荷曲線(8760h4. 日負荷曲線:負荷在一晝夜間(024h變化情況。(依點連成的負荷曲線(階梯型負荷曲線繪制:(1以某個監測點為參考點,在24h中 各個時刻記錄有功功率表的讀數,逐點繪制而成折線形狀,稱折線形負荷曲線。(2通過接在供電線路上的電度表,每隔一定的時間間隔(一般為半小時

4、將其讀數記錄下來,求出0.5h的平均功率,再依次將這些點畫在坐標上,把這些點連成階梯狀的是階梯形負荷曲線。日負荷曲線的繪制圖負荷曲線通常都繪制在直角坐標上,橫坐標表示負荷變動時間,縱坐標表示負荷大小(功率kW 、kvar 。5.年負荷曲線年負荷曲線又分為年運行負荷曲線和年持續負荷曲線。年運行負荷曲線可根據全年日負荷曲線間接制成。反映一年內逐月(或逐日電力系統最大負荷的變化。 年持續負荷曲線的繪制,是不分日月先后,僅按全年的負荷變化,按不同負荷值在年內累計持續時間重新排列組成。 (a 年負荷持續時間曲線,反映了全年負荷變動與對應的負荷持續時間(全年按8760h 計的關系。(b 年每日最大負荷曲線

5、,反映了全年當中不同時段的電能消耗水平,是按全年每日的最大半小時平均負荷來繪制的。工程上,企業的年有功負荷曲線可以根據企業一年中具有代表性的冬季和夏季的日有功負荷曲線來繪制。 圖c 就假定是繪制我國南方某企業的年負荷曲線。6.有關負荷計算的幾個物理量 (1年最大負荷P max年負荷持續時間曲線上的最大負荷, 它是全年中負荷最大的工作班消耗電能最多的半小時平均負荷P 30。(2年最大負荷利用小時Tmax它是一個假想時間,假設負荷按最大負荷P max持續運行時,在此時間內電力負荷所耗用的電能與電力負荷全年實際耗用的電能相同。(3平均負荷:平均負荷就是負荷在一定時間t 內消耗電能的平均值 (4年平均

6、負荷:年平均負荷就是全年工廠負荷消耗的總電能除全年總小時數。 (5負荷系數: 負荷系數又稱負荷率,它是用電負荷的平均負荷Pav,與其最大負荷Pmax 的比值,112165200T t t =+tav W P t=8760aav W P =即 用來表征負荷變化程度,比值越大,則負荷越平穩。 7.計算負荷(1計算負荷,是通過統計計算求出的,用來按發熱條件選擇供電系統中導體和電氣設備的假想負荷。(2計算負荷持續流過導體(或其它電氣設備所產生的熱效應(恒定溫升應等于按實際變動負荷長期運行時所產生的最大熱效應(平均最高溫度(3計算負荷是供電設計計算的基本依據。工程上常取半小時平均最大負荷P30(亦即年最

7、大負荷作為計算負荷。(4負荷計算:是指對某一線路中的實際用電負荷的運行規律進行分析,從而求出該線路的計算負荷的過程。Pca-負荷的有功計算負荷 Qca-負荷的無功計算負荷 Sca-負荷的視在計算負荷 Ica-負荷的計算電流第二節 負荷計算的方法我國目前普遍采用的確定用電設備組計算負荷的方法,有需要系數法和二項式法。需要系數法是世界各國普采用的確定計算負荷的基本方法,二項式法應用的局限性較大,但在確定設備臺數較少而設備容量 差別懸殊的分支干線的計算負荷時,采用二項式法較之采用需要系數法合理,且計算也較簡便。 一、用電設備容量的確定 1、設備容量的定義在每臺用電設備的銘牌上都有“額定功率”P N

8、,但由于各用電設備的額定工作方式不同,不能簡單地將銘牌上規定的額定功率直接相加,必須先將其換算為同一工作制下的額定功率,然后才能相加。經過換算至統一規定的工作制下的“額定功率”稱為“設備額定容量”,用P e 表示。 通常用一個工作周期內工作時間占整個周期的百分比來表示負荷持續率(或稱暫載率 t:工作時間 to:停歇時間起重電動機的標準暫載率有15%、25%、40%、50%四種。 電焊設備的標準暫載率有50%、65%、75%、100%四種。 斷續工作制電氣設備的功率與負荷持續率的關系同一設備在不同的暫載率下工作時,其輸出功率是不同的。在計算其設備容量時,必須先轉換到一個統一的下。這種換算按同一周

9、期內相同發熱條件來進行換算。 3、 設備容量的確定方法 (1長期工作制和短期工作制的用電設備長期工作制和短時工作制的設備容量就是所有設備的銘牌額定功即 Pe=P N (2反復短時工作制的用電設備反復短時工作制的設備容量是指某負荷持續率的額定功率換算到統一的負荷持續率下的功率。 對起重電動機應統一換算到=25%,換算公式為: 對電焊機設備,應統一換算到=100%,換算公式為:0100%N ttt =+212t t t P UI P I A I R I T P P =功率,故在相同電壓下假設工作周期內為絕熱過程,即發熱不向四周散失,則熱量=,在設備電阻不變而發熱量相同時,=,在同一周期內因此有N

10、N NN eP P P 225=cos e N N P P S = 二、需要系數法 1、需要系數Kd由于一個用電設備組中的設備并不一定同時工作,工作的設備也不一定都工作在額定狀態下,另外考慮到線路的損耗、用電設備本身的損耗等因素,設備或設備組的計算負荷等于用電設備組的總容量乘以一個小于1的系數,叫做需要系數,用Kd 表示。需要系數的含義(1同時系數K :并非供電范圍內的所有用電設備都會同時投入使用 (2負荷系數K Lo :并非投入使用的所有電氣設備任何時候都會滿載運行(3線路的平均效率l :考慮直接向電氣設備配電的配電線路上的功率損耗后,電氣設備輸入功率與系統向設備提供的功率不一定相同(4電氣

11、設備的平均效率e :電氣設備額定功率與輸入功率不一定相等(5需要系數Kd注:工程實際中,很難通過K d 的表達式來求得需要系數,一般都是通過查表求得其經驗值 2、需要系數法Pe 用電設備組所有設備容量之和 Pei 用電設備組每臺設備的容量 (1對一臺用電設備宜取Kd=1(2對用電設備組的計算負荷:有功計算負荷: 無功計算負荷: 視在計算負荷: 計算電流:當K d值有一定變動范圍時,取值要作具體分析。如臺數多時,一般取用較小值,臺數少時取用較大值;設備使用率高時,取用較大值,使用率低時取用較小值。當一條線路內的用電設備的臺數較少時,一般是將用電設備額定容量的總和作為計算負荷,或者采用較大的K d

12、值(0.851。 在確定多組用電設備的計算負荷時,應考慮各組用電設備的最大負荷不會同時出現的因素,計入一個同時系數K 。(3 多組用電設備的計算負荷 : 總的有功計算負荷: 總的無功計算負荷:總的視在計算負荷: 總的計算電流: 例題1、某小批量生產車間380V 線路上接有金屬切削機床共20臺(其中10.5kW-4臺,7.5kW-8臺,5kW-8臺,車間有380V 電焊機2臺(每臺容量20kV A , ,車間有吊車1臺11kW , ,試計算此車間的計算負荷。 解:(1金屬切削機床組的計算負荷 查表取需要系數和功率因數為:(2電焊機組的計算負荷 查表 取需要系數和功率因數為: (3吊車組的計算負荷

13、 查表取需要系數和功率因數為llo d K K K e =e d ca P K P *=e eiP P =e d ca P K P *=tan ca caP Q =22ca ca ca Q P S +=Ncaca U S I 3=cai ca P K P =caica QK Q 22caca ca Q P S +=Ncaca US I 3=24.3A I =0.15 cos 0.5 tan 1.73d K =,kW(4全車間的總計算負荷查表取同時系數為0.8,所以全車間的計算負荷為:例題2、一機修車間的380V 線路上,接有金屬切削機床電動機20臺共50kW ,另接通風機1.2kW2臺;電阻爐

14、1臺2kW 。試求計算負荷(設同時系數為0.9。解 : (1 冷加工機床:查表可得K d1=0.2,cos 1=0.5, tg 1=1.73P ca1= K d1P e1=0.2×50=10kW Q ca1=P c1tg 1=10×1.73=17.3kvar (2通風機:K d2=0.8,cos 2=0.8,tg 2=0.75P ca2= K d2P e2=0.8×2.4=1.92kW Q ca2=P c2tg 2=1.92×0.75=1.44kvar (3電阻爐:因只1臺,故其計算負荷等于設備容量 P ca3=P e3=2kW Q ca3=0(4車間計

15、算負荷:Pca=K p(P ca1 +P ca2 +P ca3 =0.9(10+1.92+2=12.53 3、 二項式法確定計算負荷(了解當確定的用電設備臺數較少而容量差別相當大的低壓支線和干線的 計算負荷時,采用二項式法。對于同工作制的單組用電設備,二項式系數法的基本公式為: 但是必須注意: 按二項式系數法確定計算負荷時,如果設備總臺數n<2x 時,則x 宜相應取小一些,建議取為x=n/2如果用電設備組只有1-2臺設備時,就可認為P 30=P e,即 b=1、c=0。第三節 企業負荷的確定與變壓器的選擇1、供電線路的功率損耗式中 Ica 線路中的計算電流,A ;R 線路每相電阻,等于單

16、位長度的電阻R0乘以長度L ; X 線路每相電抗,等于單位長度的電抗X0乘以長度L 。2、變壓器的功率損耗變壓器的功率損耗包括有功功率損耗P T 和無功功率損耗Q T 。變壓器的有功功率損耗由兩部分組成:一部分是變壓器在額定電壓U N 時不變的空載損耗P 0,也就是鐵損P Fe ;另一部分是隨負荷而變化的繞組損耗,即有載損耗P l ,也就是銅損P Cu 。變壓器的短路損耗P k 可認為是額定電流下的銅損P Cu ·N 。由于有載損耗與變壓器負荷電流的平方成正比,所以變壓器在計算負荷S ca 下的有功功率損耗P T 為:式中 S ca 變壓器低壓側的計算負荷,kVA ;S NT 變壓器

17、額定容量,kVA ;P 0變壓器空載有功損耗,kW ; P k 變壓器有功短路損耗,kW 。ei q Q K Q kVA 75504.66362230=+=S A08.11438.037530=I 1tan ca x N ca ca ca P c P b P Q P S =+=2323310 (kw310 (kvarl ca l ca P I R Q I X -=200,ca T l k NT S P P P P P kWS =+ 變壓器的無功功率損耗也由兩部分組成:一部分是變壓器空載時不變的無功損耗Q 0,另一部分是隨著變壓器負荷而變化在繞組中產生的無功損耗。所以變壓器在計算負荷S ca 下

18、的無功功率損耗Q T 為: 式中 變壓器空載時的無功損耗,kvar ; 變壓器額定負荷時的無功損耗,kvar ;變壓器空載電流的百分值; 變壓器阻抗電壓的百分值。在負荷計算中,變壓器的有功損耗和無功損耗可按下式近似計算:SL9等型號變壓器 SL7等型號變壓器 3 企業年電能損耗二、 企業計算負荷的確定企業計算負荷可以按逐級計算法來確定。這種方法是先用需用系數法確定各級用電設備組的計算負荷,然后從用電末端向車間變電所0.4kV 母線及6-10kV 母線考慮同時系數逐級相加的計算方法。1.求用電設備組的計算負荷先將車間用電設備按工作制的不同分為若干組,求各用電設備組的設備容量,再用需用系數法確定各

19、用電設備組的計算負荷。如圖中的點。計算目的:用于選擇各組配電干線及其上的開 關設備。2.求車間低壓變壓器側的P ca將低壓各用電設備組的計算負荷的總和乘以同時系數就得到0.4kV 母線的計算負荷。如圖中點。計算目的:可選擇車間變壓器的容量及低壓導線的截面。3.求車間變壓器高壓側Pca變壓器低壓側計算負荷加上該變壓器的功率損耗(估算法便得變壓器高壓側的計算負荷(圖中點。計算目的:用于選擇車間變電所高壓側進線導線的截面。4.總降壓站610kV 側的Pca總降壓站各配出線計算負荷的總和乘以一個同時系數,再加上各高壓配出線的功率損耗(如線路不長,其功率損耗可以忽略。圖中點。計算目的:用來選擇總降壓站主

20、變壓器的容量及臺數。5.企業總計算負荷的確定首先計算出主變壓器的功率損耗,然后將610kV 側的計算負荷加上主變壓器功率損耗。(圖中點計算目的:全廠總計算負荷的數值可作為向供電部門申請全廠用電的依據,并作為原始資料進行高壓供電線路的電氣計算,選擇高壓進線導線及進線開關設備。三、 變壓器選擇1. 車間變電所變壓器臺數與容量的選擇2200%100100ca k ca T N NT NT NT S I U S Q Q Q S S S =+ NT S I Q 100%00=NT k N S U Q 100%=%0I %k U 0.01 (kw0.05 (kvar T Ca T Ca P S Q S 0

21、.015 (kw0.06 (kvar T Ca T Ca P S Q S 對于一般生產車間,盡量裝設一臺變壓器,其額定容量應大于用電設備的總計算負荷,且應有適當富裕容量。對于有一、二級負荷的車間,要求兩個電源供電時,應選用兩臺變壓器,每臺變壓器容量應能承擔全部一、二級負荷的供電。如果與相鄰車間有聯絡線時,當車間變電所出現故障時,其一、二級負荷可通過聯絡線保證繼續供電,亦可選用一臺變壓器。 對于隨季節變動較大的負荷,為了使運行經濟,減少變壓器空載損耗,也宜采用兩臺變壓器,以便在低谷負荷時,切除一臺。凡選用兩臺變壓器的變電所,任一臺變壓器單獨投入運行時,必須能滿足變電所總計算負荷70%的需要和一、

22、二級負荷的需要。2 .企業總降壓變電所主變壓器的選擇對第三級負荷供電的總降變電所,或者有少量一、二級負荷,但可由鄰近企業取得備用電源時,可只裝設一臺主變壓器;其額定容量應大于企業全部車間變電所計算負荷的總和,并考慮15%25%的富裕。當企業中一、二級負荷占全部負荷比重較大時,應裝設兩臺主變壓器,兩臺主變壓器之間互為備用。當一臺出現事故或檢修時,另一臺能承擔全部一、二級負荷。四、 變壓器的經濟運行所謂變壓器的經濟運行,是指變壓器在功率損耗最小的情況下的運行方式。這樣使電能損耗最小,運行費用最低。如果把無功損耗歸算為有功損耗,則變壓器在實際負荷S 下,其總的功率損耗可由下式求得:式中 K q 為無

23、功功率經濟當量。它的意義是指供電系統中每增 加1kvar 的無功損耗,相當于有功損耗增加的千瓦數,此值通常取0.060.1kW/kvar ?，F假設變電所有兩臺同型號同容量的變壓器,當其中一臺變壓器運行時,它承擔所有的負荷S ;當兩臺變壓器同時并列運行時,每臺承擔負荷S/2。求出兩種運行方案歸算以后的功率損耗,并分別繪出隨負荷而變化的曲線。兩條曲線交于n 點,它所對應的負荷稱為變壓器經濟運行的臨界負荷Scr 。同理,如果變電所裝設同容量多臺變壓器,根據n 臺和n+1臺兩種運行方式總有功損耗相等的原則,可求出其臨界負荷值: 顯然,實際負荷小于S cr 應取n 臺運行,大于S cr 則取n+1臺運行

24、。 第四節 功率因數補償技術一、功率因數概論(一功率因數的定義工廠供配電系統中的用電設備絕大多數都是根據電磁感應原理工作的。一部分用于作功,將電能轉換為機械能,稱為有功功率;另一部分用來建立交變磁場,將電能轉換為磁能,再由磁能轉換為電能,這樣反復交換的功率,稱為無功功率。在交流電路中,有功功率與視在功率的比值稱為功率因數,用cos 表示。 當有功功率一定時,用戶所需感性無功功率越大,其功率因數越小。當cr S S S <'=時,因I '<'P P ,故宜選用一臺運行; 當cr S S S >''=時,因I ''<&

25、#39;'P P ,故宜選用兩臺運行;當S= S cr 時,因P I =P II ,即為經濟運行的臨界負荷值。(200 +=NT k q k q S S Q K P Q K P P k q k q NT cr Q K P Q K P n n S S +=001(二企業供電系統的功率因數1. 瞬時功率因數瞬時功率因數由功率因數表或相位表直接讀出,或由功率表、電流表和電壓表的讀數按下式求出: 式中:PkW ; U 電壓表測出的線電壓讀數(kV ;I 電流表測出的相電流讀數(A 。瞬時功率因數值代表某一瞬間狀態的無功功率的變化情況。 2. 平均功率因數 平均功率因數指某一規定時間內,功率因數

26、的平均值其計算公式為 式中: A P -某一時間內消耗的有功電能(kW ·h ; 由有功電度表讀出。A q -某一時間內消耗的無功電能(kvar ·h ;由無功電度表讀出。我國電業部門每月向工業用戶收取電費,就規定電費要按月平均功率因數來調整。上式用以計算已投入生產的工業企業的功率因數。對于正在進行設計的工業企業則采用下述的計算方法: 式中: P ca - Q ca -全企業的無功功率計算負荷,kvar ;-有功負荷系數,一般為0.70.75;-無功負荷系數,一般為0.760.82。3、最大負荷時的功率因數最大負荷時的功率因數指在年最大負荷(即計算負荷時的功率因數。根據功率

27、因數的定義可以分別寫出: 式中:P ca 全企業的有功功率計算負荷,kW ;Q ca 全企業的無功功率計算負荷,kvar ;S ca 全企業的視在計算負荷,kVA 。(三 功率因數對供電系統的影響(1系統中輸送的總電流增加,使得供電系統中的電氣元件,容量增大,從而使工廠內部的啟動控制設備、測量儀表等規格尺寸增大,因而增大了初投資費用。(2增加電力網中輸電線路上的有功功率損耗和電能損耗。(3線路的電壓損耗增大。影響負荷端的異步電動機及其它用電設備的正常運行。(4使電力系統內的電氣設備容量不能充分利用。綜上可知,電力系統功率因數的高低是十分重要的問題,因此,必須設法提高電力網中各種有關部分的功率因

28、數。目前供電部門實行按功率因數征收電費,因此功率因數的高低也是供電系統的一項重要的經濟指標。(四 國家相關規定我國有關規程規定:高壓供電的工廠,最大負荷時的功率因數不得低于0.9,其它工廠則不得低于0.85。目前,供電部門征收電費,將用戶的功率因數高低作為一項重要的經濟指標cos =cos =cos av av av P S =cos ca ca ca P S =二、提高功率因數的方法 1、提高自然功率因數不添置任何無功補償設備,是采用降低各用電設備所需的無功功率以改善其功率因數的措施,它不需要增加投資,是提高功率因數的基本措施。主要有: 正確選用感應電動機的型號和容量,使其接近滿載運行; 更

29、換輕負荷感應電動機或者改變輕負荷電動機的接線; 電力變壓器不宜輕載運行; 合理安排和調整工藝流程,改善電氣設備的運行狀況,限制電焊機、機床電動機等設備的空載運轉; 使用無電壓運行的電磁開關。2、人工補償無功功率當采用提高用電設備自然功率因數的方法后,功率因數仍不能達到供用電規則所要求的數值時,就需要設置專門的無功補償電源,人工補償無功功率。人工補償無功功率的方法主要有以下幾種:并聯電容器補償、同步電動機補償及動態無功功率補償三、并聯電力電容器組提高功率因數(一電容器并聯補償的工作原理(二無功補償區的概念對于用戶供電系統,電力電容器組的設置有高壓集中補償、低壓成組補償和分散就地補償3種方式 。高

30、壓集中補償 將電容器組集中裝設在變電所的6kv 10kv 母線上。補償范圍最小, 經濟效果較差。但裝設集中,運行條件較好,維護管理方便,投資較少;低壓成組補償 把低壓電容器組或無功功率自動補償裝置裝設在車間動力變壓器的低壓母線上。補償范圍比高壓集中補償大,比較經濟,運行維護安全方便;分散就地補償 將電容器組分別地裝設在各組用電設備或單獨的大容量電動機處。補償范圍最大,效果最好,但投資較大,電容器的利用率較低。 (三補償電容器組的接線方式在無功補償中,10kV 及以下線路的補償電容器組常按三角形接線,主要原因如下:1可以防止電容器容量不對稱而出現的過電壓。2若發生一相斷線,只是使各相的補償容量有

31、所減少,不致于使該相失去補償。3可以充分發揮電容器的補償能力 。缺點:當任何一臺電容器被擊穿時,就形成兩相短路, 其故障電流很大。圖2-10 并聯電容器的補償原理 a -接線圖;b -相量圖當單相電容器的額定電壓低于電網額定電壓時,應采用Y 聯結,或幾個電容器串聯后,使每相電容器組的額定電壓高于或等于電網的額定電壓,再接成聯結。在短路容量較小的工礦企業變電所中,多采用聯結。四、高壓集中補償提高功率因數的計算在供電設計中,無功補償計算的目的:1.選擇合適的電容器柜數2.計算補償后的功率因數和企業總計算負荷(一確定用戶610kV 母線上的自然功率因數在設計階段,自然功率因數cos 1按下式確定:c

32、os 1=P ca.6/S ca.6 在已正常生產的用戶中,cos 1按下式確定: Q c =K l0P ca (tan 1-tan 2式中:P ca 最大有功計算負荷,kW ; K lo 平均負荷系數,計算時取 0.70.85; tan 1、tan 2補償前、后平均功率因數角的正切值。(三計算所需電容器的臺數在計算補償用電力電容器容量和個數時,應考慮到實際運行電壓可能與額定電壓不同,電容器能補償的實際容量將低于額定容量,此時需對額定容量作修正: 式中:Q N -電容器銘牌上的額定容量,kvar ; Q e -電容器在實際運行電壓下的容量,kvar ;U N -電容器的額定電壓,kV;U -電容器的實際運行電壓,kV 。按三角形聯接時,單相電容器總臺數N 為:N=Q c /Q e每相電容器的臺數為