供配电技术 第2章 负荷计算与无功补偿.pdf

第二章负荷计算与无功补偿-a，五六主要内容用电设备组计算负荷的确定供配电系统的计算负荷第一节概述计算负荷负荷曲线负荷曲线有关的物理】1、负荷计算的意义负荷计算主要是确定计算负荷。计算负荷是设计时作为选择工厂供配电系 统供电线路的导线截面、变压器容量、开关电器 及互感器等的额定参数的依据。正确确定计算负荷意义重大，是供电设计 的前提，也是实现供电系统安全、经济运行的必 要手段。返回目录 KacU2、计算负荷的概念电力负荷(Electric Power Load)又称电力 负载，一般是指电力系统中的用电设备或用户耗 用的功率。实际负荷通常是随机变动的，故通常选取一 个假想的持续性负荷，它在一定的时间间隔中产 生特定效应与变动的实际负荷相等，这一假想的 持续性负荷就称为计算负荷(Calculated Load)返回 目录3、计算负荷的确定是按发热条件选择电气设备的一个假定 负荷，其物理含义是计算负荷所产生的恒定 温升等于实际变化负荷所产生的最高温升。通常将以黑处平均负荷为依据所绘制 的负荷曲线上加短大负需作为计算负荷,并把它作为按发热条件选择电气设备的依据o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工为 lOmin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3t=3X10=30(min),如果导线负载为短暂尖峰负荷，显然不可能使导线温升达到最高值,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。Eacu1、负荷曲线的概念负荷曲线（load curve）是表达电 力负荷随时间变化情况的函数曲线。纵坐标表示负荷（有功功率或无功功 率）值，横坐标表示对应的时间（一般以 小时为单位）。2、负荷曲线的分类按负荷的功率性质分:有功负荷曲线和无功负荷曲线;按所表示的负荷变动的时间分：日负荷、月负荷和年负荷曲线。日负荷曲线受、d4日有功负荷曲线a）依点连成的负荷曲线b）绘成梯形的负荷曲线年负荷曲线年负荷持续时间曲线、年每日最大负荷曲线A V I J24 0 4 8 12 16 20 24 0 1000 2000 3000 4000 5000600070008000876()0 4 8 12 16 20 tlh(a)莫日负荷曲线Mi/h(b)冬日负荷曲线(C)年负荷持续时间曲线年负荷持续时间曲线绘制(？)1/1 1/4 1/7 1/10 31/12日期（日/月）图23年每日最大负荷曲线Ps 5(1)年最大负荷Pnwzx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，即半小时最大负荷P30(2)年最大负荷利用小时数lx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 Pmax(或P30)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。/h年最大负荷和年最大负荷利用小时数(3)平均负荷和负荷系数平均负荷PavPav=W/t年平均负荷Pav=Wa/8760负荷系数&又称负荷率，即P avP max年负荷曲线8760Eaeu(3)平均负荷和负荷系数负荷系数显又称负荷率，即 勺=尸样而火单个用电设备或用电设备组而言，负荷 系数就是设备的输出功率P与设备额定功率的 比值，即kl=p/pnBacu第二节电力负荷的分类按照供电可靠性的要求，将电力负荷划分为三级。-What?返回 目录Bacu级别级二级三级停电影响人身伤亡，重大设 备损坏，政治、经 济与叫政治、经济造 成较大损失，设备局部损坏 大量减产等不属于一 级、二级 的负荷允许停电 时间备用电源投入时间，型辘谢篇 许停电允许短时停电 几分钟停电影响 不大对供电电 源要求两个独立电源供电两回路供电无特殊要 求举例炼钢厂的炼钢炉、医院、人民大会堂纺织厂，化工厂第三节用电设备组计算负荷的确定用电设备额定容量的确定1用电设备的工作方式2用电设备额定容量的确定负荷计算的方法返回 目录用电设备的工作方式用电设备按其工作方式可分为三种:(1)连续运行工作制(长期工作制)(2)短时运行工作制(3)断续周期工作制(短暂工作制)(重复短暂工作制)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。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。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。断续周期工作制（重复短暂工作制）用电设备以断续方式反复进行工作，周期性地 时而工作，时而停歇。通常用暂载率表征其工作特征，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“即:二X100%T%+%式中：t,t0工作时间与停歇时间，两者之和为工作 周期T。用电设备额定容量的确定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 Pe表示。(1)长期工作制和短暂工作制的设备容量Pe=PN(2)重复短暂工作制的设备容量设备容量统一换算到标准暂载率时的额定功率Pe=Pn 乂重复短暂工作制 吊车机组用电动机（包括电葫芦、起重机、行车 等）：标准暂载率25%25%”电焊机及电焊变压器：标准暂载率100%Pe=SnCus(PnH(3)照明设备的设备容量白炽灯、碘鸨灯设备容量就等于灯泡上标注的额定功率(kW)；荧光灯还要考虑镇流器中的功率损失(约为灯管功率的20%),其设备容量应为灯管额定功率的12倍(kW)；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%),其设备容量应为灯泡额定功率的1.1倍(kW)；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%),故其设备容量应为 灯泡额定功率的11倍(kW)o负荷计算的方法需要系数法 二项式法单位指标法、利用系数法等需要系数法比较简便因而广泛使用。这里仅介 绍需要系数法。需要系数法需要系数 口 KyKL K”上人式中：Ky同时使用系数，为在最大负荷工作班某组工 磐喜唆昆电设备容量与接于线路中全部用电设备总额定kl负荷系数，用电设备不一定满负荷运行，此系 数表示工作着的用电设备实际所需功率与其额定容量 之比；nwi线路供电效率；n用电设备组在实际运行功率时的平均效率。1.单台用电设备的计算负荷(1)有功计算负荷：考虑到单台用电设备总会有满载运行的时候，其计算负荷Pc”为 P匕=Pe换算到统一暂载率下的矗J机的额定容量；可一用电设备在额定负载下的的效率。(2)无功计算负荷：Qca=Pcatan(P(P-用电设备功率因数角。计算目的：用于选择分支线导线及其上的开关设备。2.单组用电设备的计算负荷(1)有功计算负荷：PcERPe用电设备组的需要系数:Pe用电设备组的设备额定容量之和，但不包括备用 设备容量。(2)无功计算负荷：QccTPccfan(P(P用电设备组的加权平均功率因数角。(3)视在计算负荷：.-+C=月cos(PS-Ca当Kd值有一定变动范围时，取值要作具体分析。如台数多时，一般取用较小值，台数少时取用较大值；设备使用率高时，取用较大值，使用率低时取用较小值。当 一条线路内的用电设备的台数较小（n3 台）时，一般是将用电设备额定容量的总 和作为计算负荷，或者采用较大的Kd值(0.851)o3.多组用电设备的计算负荷(车间配电干线或车间变电所低压母线上)(1)总有功计算负荷：Pca=KgZPca(2)总无功计算负荷：Qca=KQca(3)总视在计算负荷-黑二次+C例题2-3 A 例23 一机修车间的380V线路上，接有金属切削机床电动机20台共50kW;另接通风机3台共5kW;电葫芦1个3kW(FCn=40%)试求计算负荷。冷加工电动机组：查附录表1可得Kd=0.160.2(取0.2)9 cos(p=0.5,tan(p=1.73,因此Pca(1)=KPe=0.2 X 50=10(kW)Qca(i)=p ca(i)tan(Pwm=1Q 义 173=17.3(kvar)/a)=P ccos%/10/05=20(kVA)通风机组：查附录表1可得Kd=0.70.8(取08),cos(p=0.8,tan(p=0.75,因此Pca(2)=KP=0.8X5=4(kW)。皿2)=P ca(2)tan(Pwm=4 X 0.75=3(kvar)Sc=p/cos 0wm=4/O.8=5(kVA)电葫芦：由于是单台设备，可取Kd=l,查附录表1 可得cos(p=0.5,tan(p=1.73,因此月二尸N X、急=2方向二2 X 3 X/=3.79(左W)尸皿3)二 e(，Qca(3r Pca(3)tan(Pwm=79 x 173=6.56(kvar)艮(3尸 P。os%加=379/05=7.58(kVA)取同时系数/为09,因此总计算负荷为Pca(1)=KPca=0.9X(10+4+3.79)=16.01(kW)Qca(D=KIZQca=0.9X(17.3+3+6.56)=24.17(kW)：S a0=曰+,=a/16,012+24.172=28.99(m)为了使人一目了然，便于审核，实际工程设计中常采用计算表格形式，如下表所示。序号用电设 备组名 称台数设备容 量(kW)Kdcos 夕tan(p计算负荷PgCa(kW)Qca(kVar)%(kVA)1机床组20500.20.51.731017.3202通风机 组350.80.80.754353电葫芦13.79(8=25%)10.51.733.796.567.58负荷总计2417.7926.86取 K=0.916.0124.1728.99一、一二项式法二项式法是考虑了大容量用电设备对计算负荷影响的经 验公式。它适于确定设备台数较少而容量差别较大的低干线和分 支线的计算负荷。Prn=bPp+cPx Cz A/V式中：Pe-用电设备组的设备额定容量之和；Px用电设备组中X台容量最大的用电设备的功率之和；b,c称为二项式系数。*第四节尖峰电流尖峰电流是电动机等用电设备启动或冲击性负 荷工作时产生的最大负荷电流，一般比计算电流 大得多,其持续时间一般为12s。尖峰电流是选择熔断器、整定低压断路器和继 电保护装置、计算电压波动及校验电动机启动条 件的依据。返回 目录第五节功率因数与无功补偿 无功功率和功率因数工 功率因数的提高返回 目录一、无功功率和功率因数h供配电系统的无功功率2、功率因数的工程计算瞬时功率因数平均功率因数最大负荷功率因数无功功率是在电源与负荷之间来回交换的电功 率，它是由电感性和（或）电容性阻抗产生的。无功功率不是无用的功率，对于很多设备来 说没有无功功率就不能工作。供配电系统中的用电设备以电感居多，需要 从电网吸收大量的无功功率。减少电网中的无功功率，对供配电系统具有 多方面的重要意义。无功电源:发出感性无功无功负载:吸收感性无功无功调节装置:既可发出感性无功 又可吸收感性无功电力系统的无功电源同步发电机、同步调相机、大型同步电动 机、并联电容器、静止补偿器以及输电线。除发电机外，无功电源的设置不受能源条件 的限制，一般是在无功功率就地平衡的原则下 按技术经济条件来选择无功电源的设置地点和 容量。功率因数Pcos cp=S功率因数总是小于或等于1。在视在功 率一定时，功率因数数值越大表示电网中有 功功率比重越大，无功功率比重越小。功率因数是供电部门考核用电单位的一 项重要经济指标。1）瞬时功率因数COS0=PJ3IU2）最大负荷功率因数Pca cos cp-S ca3）平均功率因数：cos(p=咽+%1设计中用户瞬时功率因数对系统控制等是一个有用的参 数，但并不适合用于对供配电系统功率因数的考核,因为不能仅凭某一个或几个瞬时的量来判断用户 或系统的功率因数长期情况。在供配电系统中，一般采用平均功率因数作为考核指标，用最大负荷功率因数来设计系统的无 功补偿方案。二、功率因数的提高1.提高自然功率因数(1)合理选择异步电动机的规格和型号(2)减少电动机的空载或轻载运行时间(3)保证电动机的检修质量(4)尽可能采用同步电动机代替异步电动机,或绕线式异步电动机同步运行(5)合理选择变压器的容量2.人工补偿提高功率因数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调相机补偿动态无功功率补偿1.无功功率补偿的原理负荷(a)圉2-7无功功率补偿的原理储(a)无补偿装置；(b)有补偿装置2.补偿容量的计算(1)补偿容量：Qc=Pav(tan(prtan(p2)=Pca(tancptan)式中：Pca最大有功计算负荷，kW；a月平均有功负荷系数；tang)、tan(p2-补偿前、后平均功率因数角的正切值。电容器的选择：1）容量的修正：实际运行电压可能与额定电压不同,此时须对额定容量作修正：；2=Qn（，）2U N2）个数:=2c/G三相电容器，应取相近偏大的整数；单相电容器，取3%整教皆以便三相均衡分配。电容器的接线方式：基本接线有三角形和星形两种，两种接法 各有优缺点。采用三角形接法，电容器所加电 压为线电压，其补偿容量是星形接法的3倍。但是采用三角形接法时电容器直接接在线电压 上，任何一台电容器因故障被击穿时，就形成 两相短路，故障电流很大，如果故障不能迅速 切除，故障电流和电弧将使绝缘介质分解产生 气体，使油箱爆炸，并波及邻近的电容器。电容器的接线方式因此，220/380V系统中，为了提高补偿容 量，电容器多采用三角形接线；10kV以上高压 系统一般采用星形或双星形接线。注：双星形接线是将电容器平均分成两个电容相等或 相近的星形接线电容器组，并联到电网母线，两组电 容器的中性点之间经过一台低变比的电流互感器相连 o这种保护方式简单有效，不受系统电压不平衡或接 地故障的影响。例27某工厂的计算负荷为2400kW,平均功率因数为067。根据规定应将平均功率因数提高到0.9（在10kV侧固定补偿），如果采用BWF10540-1型并联电容器，需装设多少个？并计算补偿后的实际平均功率因数。（取平均负荷系数a=0.75,p=0.8)返回 目录计算负荷2400kW,平均功率因数由067提高到0.9,BWF-10.5-40-1型并联电容器。计算电容器个数及补偿后的实际平均功率因(a=0.75,P=0.8)解:tan(pT-tan(arccos0.67)-1.108t2m(p2-tan(arccosO.9)=0.484Qc=pav(tan(prtan(p2)=0.75 X2400 X(1.108-0.484)=1122.66(kvar)返回 目录n=Qc/Qc=I122.66/40-30(),每相装设 10个。pav aPcaCOS(pav=/=Sav 7(aPJ2+aPca tan(pi-Qc)2_0.75x2400_7(0.75 x 2400)2+(0.75 x 2400 x 1.108-1200)2=0.91补偿方式的选择（补偿装置的装设）个别补偿直接安装在吸取无功功率的用电设备附近;分组（分散）补偿 分散安装在各车间配电母线上；集中补偿 集中安装在总降压变电所二次侧（610kV 侧）或变配电所的一次侧或二次侧（610kV或380V 侧）。在设计中一般根据负荷分布的特点综合考虑，可 将三种补偿方式有机结合，达到最佳效果，同时必须将计量电能侧的平均功率因数补偿到规定标准以上。I第六节供配电系统的计算负荷 一、供配电系统的功率损耗与电能损耗1电力线路的功率损耗三-/-*5 上一/J /J二厂供配电系统的计算负荷的确定返回1电力线路的功率损耗用 s；R jX 葭一1 一_。o-OA=3/xlO-3=3/ZxlO-3AQW=31 x 10-3=3liXol x 10-32变压器的功率损耗OJjT3AR=AH+AB/U L0=2+AQ 优几=%/sNT韬+需优上在负荷计算中，当变压器技术数据不详 时，变压器的功率损耗在负荷率不大于85%时，低损耗变压器的功率损耗可按下式估算APt=0.0 电 a2=0.05 几3电力网的电能损耗电力线路上的电能损耗线路上流过的电流、有功和无功时随时间变化 的，因此线路上的电能损耗为y由最大负荷利用小时数可以直接查表（表2-4）得到最大负荷损耗时间T 晕损耗，则全年电能损耗为max。忽略线路电AW=MnaxXPs最大负荷时的功率损耗7变压器的电能损耗双绕组八卬二轨7+记今U K c，UldX、Nq 2 q 2 q 2AW=A/T+A/1 Y/maxi+A号2 Tmax2+-2 max3，U Av 1。，lllclAl KN。，lllclA K D lllclAJ、N、N、NT-一变压器的运行时间（力y线损率（网损率）电力系统的一项重要经济指标，是衡量供电企业管理水平的主要标志之一线损率%=电能损耗 供电量xlOO二、供配电系统的计算负荷的确定是选择电源进线和一、二次设备的基 本依据，是供配电系统设计的重要组成部 分，也是与电力部门签订用电协议的基本 依据。逐级计算法：由用电设备组开始逐级向电 源进线侧计算。计算点的选取：一般为各级配电箱（屏）的出线和进线、变电所的低压出线、变 压器低压母线、高压进线等处。需要系数法步骤：(1)首先确定单台用电设备的计算负荷；(2)将用电设备分类，采用需要系数法确定 各用电设备组的计算负荷；(3)根据用户的供配电系统图，从用电设备 向电源进线侧逐级计算负荷；需要系数法(4)在计算点(配电点)处考虑同时系数；(5)在安装有变压器安装时，变压器高压侧 应加上变压器功率损耗，配电线路较长时,应考虑线路上的功率损耗；(6)在变配电所的高压侧和并联电容器安装 处，应取无功补偿后的负荷进行计算。7计算原理及步骤至农电，至选矿至铜冶炼例题28由负荷 端逐级向电 源端进行计 算1.单台用电设备的计算负荷(1)有功计算负荷：考虑到单台用电设备总会有满载运行的时候，其计算负荷PC.为 Q PePgl=Pe换算到统一暂载率下的电动机的额定容量；”用电设备在额定负载下的的效率。(2)无功计算负荷：Qcal=Pcaltan(P(P用电设备功率因数角。计算目的：用于选择设备所在分支线导线及其上的设备。2.用电设备组的计算负荷(1)有功计算负荷：廿尔K用电设备组的需要系数:ZPe用电设备组的设备额定容量之和，但不包 括备用设备容量。(2)无功计算负荷：Qca.2=Pca-2tan(Pwm(3)视在计算负荷：计算目的：用于选择各组配电干线及其上的设备。当Kd值有一定变动范围时，取值要作具体分析。如台数多时，一般取用较小值，台数少时取用较大值；设备使用率高时，取用较大值，使用率低时取用较小值。当 一条线路内的用电设备的台数较小（n Ica-5=V ca-5+Qca-5Pca 4 Qca.4 S0a 4 一车间变电所中变压器高压侧的有功、无功及视在计算负商(kW kvar及kVA)APt AQt变压器的有功损耗与无功损耗(kW kvar)o计算目的：用于选择车间变电所高压配电线及其 上的设备6,确定全车间变电所中高压母线上的计算负荷P-V P+p“ca-6/ca-5 5mQca-6):Qca-5+Qsm 黑6=J P；a6+。：6 尸5%。5.车间高压用电设备的有功及无功计算 负荷。计算目的：用于选择车间变电所高压母线、高压 配电线路的及其上的设备O7.确定总降压变电所出线上的计算负荷p 7=p.ca,/caOQ 7=Q A匕cq7 匕cq6q=q2 ca7 由于一般用户或区域供电的范围不大，且高压线路中电流较小，故在高压配电线路中的功率损耗较小，在负荷计算中可忽略不计。计算目的：用于选择高压配电干线及其上的开关 设备。8.确定总降压变电所低压侧母线的计算负荷匕.8Qcaq=/Pca,y=Kx Qca-1 Qc7=d P；a.8+。；.8注意：如果在总降压变电所6 10kV二次母线侧采用高压 电容器进行无功功率补偿，则在计算总无功功率Qca.7时，应减去补偿设备的容量时Qc7，即28=a2”Qc7 计算目的：用于选择总降变电所变压器容量和低压母线及 其上设备。9.确定全厂总计算负荷匕9=匕8+A与Qca-9=+八。7Sc9=J 匕；9+计算目的：全厂总计算负荷的数值可作为向供电 部门申请全厂用电的依据，并作为原始资料进行 高压供电线路的电气计算，选择高压进线导线及 进线开关设备。【例28】某企业35/10kV的总降压变电所，分别供电给l#4#10kV车间变电所及3台10kV空气压缩机，如图210所示。其中1#变电所负荷有：机加工车间有冷加工机床功率共342kW、通风机18kW、电焊机81kW（60%）、吊车87.5kW（40%）、照明（荧光灯，电子镇流器）5.4kW,办公大楼照明（荧光灯，电子镇流器）12.6kW、空调126kW,科研设计大楼照明（荧光灯，电子镇流器）2L6kW、空调180kW,室外照明（高压钠灯，节能型电感镇流器）10kW,2#4#车间变电所的计算负荷分别为：Pca2=720kW,Qca2=550kvar;Pca3=650kW,Qca3=446kvar;Pca4=568kW,Qca4=420kvaro 空调压缩机电动机每台容量为355kW。试计算该用户总计算负荷（忽略线损）。照明 电焊机 吊车5.4kW 81kW 87.5kW=60%=40%通风机 18kWlOkVPca2=720kW Pca3=650kW Pca4=568kWQca2=5 50kvar 2ca3=446kvar gca4=420kvarP=355kW0.38/0.22kV室外照明 lOkW冷加工机床照明空调 342kW 12.6kW 126kW办公大楼照明空调 21.6kW 180kW 科研设计大楼尸二355kW P=355kW空调压缩机