负荷计算方法无功功率补偿.doc

第二章 高压供电系统设计
2.1负荷计算
为了确定供电系统中各个环节的电力负荷的大小，以便正确地选择供电系统中的各个元件（包括电力变压器、导线、电缆等）。对电力负荷进行统计计算成为必要。
通过负荷的统计计算求出的用来按发热条件选择供电系统中组成元件的负荷值称为计算负荷。计算负荷是供电设计计算的基本依据，计算负荷确定的是否正确合理，将直接影响到电器和导线选择是否经济合理。如计算负荷确定过大，将使电器和导线选得过大，造成投资和有色金属的浪费。反之，又将使电器和导线运行时增加电能损耗，并产生过热引起绝缘过早老化、甚至烧毁现象，以致发生事故。同样给国家财产造成损失。由此可见，正确确定负荷具有重要意义。
2.1.1确定计算负荷的方法
我国目前采用的确定计算负荷的方法有：需要系数法、二项式法、以概率论为理论基础的利用系数法、和我国设计部门提出的“ABC”等。下面简单介绍各种方法的特点。
1、按需要系数法确定计算负荷
需要系数它与用电设备组的平均加权负荷系数、同时运行系数、电动机的平均加权效率以及网路供电效率等系数有关，且值恒小于1。
（1）单台用电设备计算负荷：
； --------- 计算负荷，---------- 电动机的额定容量，
--------- 电动机额定负荷时的效率
对于单个设备如白炽灯、电热器、电炉等。设备容量Psb： Pjs=Psb
（2）成组用电设备的负荷计算
计算负荷表达式： ；
----计算负荷有功功率 ------------ 无功功率 Kx--------需要系数
-------- 功率因数角对应的正切值
（3）多组用电设备的负荷计算
公式： ；
--------- 同期系数，对于车间干线，可取，对于低压母线，由用电设备组计算负荷直接相加来计算时。
2、二项式法确定计算负荷：
二项式法是用两个系数表征负荷变化规律的方法。
（1） 对于一组用电设备：
公式：Pjs=CPx+bPe，C，b ----- 系数（见P23表1—8）。Px----组中X台容量最大的用电设备的总额定容量（kw），Pe----该组中所有用电设备的总额定容量（kw）计算电流时： ，C1，b1不同工作制的不同类用电设备，规定取用大容量设备的数量X不同。金切机床采用X=5，反复短时工作制采用X=3，加热炉X=2；电焊设备X=1等。
（2） 对于不同类用电设备组（m组）其二项式表达式为：
有功功率：
式中---- 各用电设备组算术中第一项CPx的最大值。
---- 所有用电设备组算式中第二项总和。
无功功率：
式中： ----- 与相应的功率因数正切值，
---- 与各组设备相应的功率因数正切值。
3.“ABC”法
“ABC”计算负荷的特点是：1）运用概率论的基本原理找出计算负荷与设备容量之间的关系。2）利用单元功率的概念和“ABC”列表法，将繁杂的功率运算简化为台数的运算，使运算简单准确，利用“ABC”法计算公式为：

D-----单台等值功率（KW），一般容量（小于50KW）的机床，取D=3KW，对于电炉等，取D=9KW。
-----该组用电设备的利用系数。（见P24表1—9）.
， 。 ------该组用电设备中某一单台设备额定功率（KW）。------- 对应于该功率设备的台数。
； ，
无功功率：
4、利用系数法（同济大学）
公式：，， “其中，
Kmax-------最大负荷班内的半小时最大平均有功负荷P30（等于Pj）与总平均负荷（）之比。其值接近于负荷系数的倒数。
，QP-------每一用电设备组在最大负荷班内的平均有功负荷和平均无功负荷。
按利用系数法确定计算负荷时，不论计算范围大小，设备类型多少，都必须先将各类用电设备组的平均有功负荷PP和平均无功负荷QP分别代数相加，求得和 ，再依次去求利用系数KLP 、nyx（有效台数）、Kmax各值。求计算负荷时，只需最后乘一次Kmax值即得，不需再乘同期系数，不必按供电范围逐级求得Pj 、Qj 、SJ之后，又求得，， ，再乘以同期系数。因用利用系数求得的Pj是各类负荷最大值的总和，二者在概念上是有区别的。
纵观上述四种计算负荷的方法，各有特点。
1）需要系数法是当前通用的求计算负荷的方法。公式简单计算方便。为设计人员普遍接受，需要系数法的数值来源于大量的测定值和统计，这个公式对于单台设备，用电设备组，一个车间甚至一个工厂的计算负荷均可进行计算。这对于初步设计时估算全车间或全厂的计算负荷显得尤为方便。其缺点是没有考虑大容量电动机的运行特性（如起动和过载等）对整个计算负荷P30，Q30的影响，尤其是当总用电设备台数少时，其影响较大，但当设备台数足够多容量足够大，其影响是微弱的。
2）二项式法计算负荷时，考虑了电动机台数和大容量电动机对计算负荷的影响，一般被用来计算车间干线，支干线的负荷，其缺点是x的取值仍缺乏足够的理论依据，没有考虑x值随电动机台数的变化而变化，并且由于过分突出x台大型设备对电气负荷的影响，其计算结果要比用需要系数法算出的结果大一些。
3）“ABC”法也把计算负荷看作是平均负荷PPj与计算负荷对平均负荷参差值的叠加，但它对这个参数的估计是由设备容量的总平方根表征的。该方根随设备台数和设备容量而变化。容量值越大，对方根的影响越大。
“ABC”法适应于连续工作制、短时工作制、反复短时工作制类设备。其另一特点就是它的基本计算系数是最大负荷班的平均利用系数，该系数的数值稳定，易于通过实测取得，因而本方法具有实用价值。
通过以上三种方法的综合分析，从而充分熟悉了各种方法的优点，缺点和适用范围，根据本次负荷的特点和性质和鉴于指导老师的意见，本设计对于车间总的负荷计算则采用需要系数法。
2.1.2各车间负荷计算：
根据下列公式：
1） 单个设备的容量计算：
计算负荷表达式： ；
----计算负荷有功功率 ------------ 无功功率 Kx--------需要系数
-------- 功率因数角对应的正切值
2）整个车间的负荷计算：
计算负荷表达式： ；

--------- 同期系数（同时率）。对于车间干线：可取，取0.9；
对于低压母线：由于用电设备组计算负荷直接相加来计算时。

各车间变电所的计算负荷计算结果如下表：
序
车间或用电
设备容量
需要系数
功率因数
功率因数角
计算负荷
变压器台数及容量
号
设备组名称
（KW)
Kx
cosφ
正切tgφ
有功Pjs（千瓦）
无功Qjs(千乏）
视在Sjs(千伏安）
(台数×千伏安）
（1）№1变电所

1
薄膜车间
1680
0.6
0.6
1.33
1008.00
1340.64
1677.31

2
原料库
310
0.25
0.5
1.73
77.50
134.08
154.86

3
生活间
290
0.8
1
1.33
232.00
308.56
386.05

4
成品库一
305
0.3
0.5
1.73
91.50
158.30
182.84

5
成品库二
304
0.3
0.5
1.73
91.20
157.78
182.24

6
包装材料库
300
0.3
0.5
1.73
90.00
155.70
179.84

7
小计
3189

1590.20
2255.05
2759.34

K∑=0.9时：
=0.9*1590.20=1431.18(KW)
=0.9*2255.05=2029.545KVAR）
=
查手册选№1变电所变压器型号SG10-1600KVA/10KV/0.4KV,短路阻抗UK%=4,D,yn11

序
车间或用电
设备容量
需要系数
功率因数
功率因数角
计算负荷
变压器台数及容量
号
设备组名称
（KW)
Kx
cosφ
正切tgφ
有功Pjs（千瓦）
无功Qjs(千乏）
视在Sjs(千伏安）
(台数×千伏安）
（2）№2变电所

1
单丝车间
1685
0.6
0.6
1.3
1011.00
1314.30
1658.16

2
水泵房及其附属设备
320
0.65
0.8
0.75
208.00
156.00
260.00

3
小计
2005

1219.00
1470.30
1909.91

K∑=0.9时：
=0.9*1219.00=1097.1(KW)
=0.9*1470.30=1323.27（KVAR）
=
查手册选№2变电所变压器型号SG10-1250KVA/10KV/0.4KV,短路阻抗UK%=4,D,yn11

序
车间或用电
设备容量
需要系数
功率因数
功率因数角
计算负荷
变压器台数及容量
号
设备组名称
（KW)
Kx
cosφ
正切tgφ
有功Pjs（千瓦）
无功Qjs(千乏）
视在Sjs(千伏安）
(台数×千伏安）
（3）№3变电所

1
注塑车间
189
0.4
0.6
1.33
75.60
100.55
125.80
1台
2
管材车间
880
0.35
0.6
1.33
308.00
409.64
512.51
SG10-800KV/10KV/0.4KV　
3
小计
1069

383.60
510.19
638.31

K∑=0.9时：
=0.9*608.60=365.16(KW)
=0.9*809.44=728.496（KVAR）
=
查手册选№3变电所变压器型号SG10-800KVA/10KV/0.4KV,短路阻抗UK%=4,D,yn11

序
车间或用电
设备容量
需要系数
功率因数
功率因数角
计算负荷
变压器台数及容量
号
设备组名称
（KW)
Kx
cosφ
正切tgφ
有功Pjs（千瓦）
无功Qjs(千乏）
视在Sjs(千伏安）
(台数×千伏安）
（4）№4变电所

1
备料复制车间
138
0.6
0.5
1.73
82.80
143.24
165.45
1台　
2
生活间
10
0.8
1

8.00
0.00
8.00
SG10-500KVA　
3
浴室
3
0.8
1

2.40
0.00
2.40

4
锻工车间
30
0.3
0.65
1.17
9.00
10.53
13.85

5
原料、生活间
15
0.8
1

12.00
0.00
12.00

6
仓库
15
0.8
0.5
1.17
12.00
14.04
18.47

7
机修模具车间
100
0.25
0.65
1.73
25.00
43.25
49.96

8
热处理车间
150
0.6
0.7
1.02
90.00
91.80
128.56

9
铆焊车间
180
0.3
0.5
1.73
54.00
93.42
107.90

10
小计
641

295.20
396.28
494.15

K∑=0.9时：
=0.9*1870.20=1683.18(KW)
=0.9*1562.83=1406.547（KVAR）
=
查手册选№4变电所变压器型号SG10-500KVA/10KV/0.4KV,短路阻抗UK%=4,D,yn11

序
车间或用电
设备容量
需要系数
功率因数
功率因数角
计算负荷
变压器台数及容量
号
设备组名称
（KW)
Kx
cosφ
正切tgφ
有功Pjs（千瓦）
无功Qjs(千乏）
视在Sjs(千伏安）
(台数×千伏安）
（5）№5变电所

1
锅炉房
500
0.7
0.75
0.88
350.00
308.00
466.22

2
试验室
425
0.25
0.5
1.73
106.25
183.81
212.31

3
辅助材料库
410
0.2
0.5
1.73
82.00
141.86
163.85

4
油泵房
315
0.65
0.8
0.75
204.75
153.56
255.94

5
加油站
310
0.65
0.8
0.75
201.50
151.13
251.88

6
办公室、招待所、食堂
315
0.6
0.6
1.33
189.00
251.37
314.50

7
小计
2275

1133.50
1189.73
1643.25

8
全厂合计
9618

6421.50
7287.35
9712.93

K∑=0.9时：
=0.9*1133.50=1020.15(KW)
=0.9*1189.73=1070.757（KVAR）
=
查手册选№5变电所变压器型号SG10-315KVA/10KV/0.4KV,短路阻抗UK%=4,D,yn11
2.2无功功率补偿：
2.2.1无功补偿的意义：
电力系统无功功率优化和无功功率补偿是电力系统安全经济运行研究的一个重要组成部分。通过对电力系统无功电源的合理配置和对无功负荷的最佳补偿,不仅可以维持电压水平和提高电力系统运行的稳定性, 而且可以降低有功网损和无功网损,使电力系统能够安全经济运行。
无功优化计算是在系统网络结构和系统负荷给定的情况下，通过调节控制变量（发电机的无功出力和机端电压水平、电容器组的安装及投切和变压器分接头的调节）使系统在满足各种约束条件下网损达到最小。通过无功优化不仅使全网电压在额定值附近运行，而且能取得可观的经济效益，使电能质量、系统运行的安全性和经济性完美的结合在一起。无功补偿可看作是无功优化的一个子部分，即它通过调节电容器的安装位置和电容器的容量，使系统在满足各种约束条件下网损达到最小。
2.2.2无功补偿的种类
对于企业及大负荷用电单位，按照无功补偿的种类又分为高压集中补偿、低压集中补偿和低压就地补偿。在补偿容量相等的情况下，低压就地补偿减低的线损最大，因而经济效益最佳。这是可以理解的。由于低压就地补偿了负荷的感性部分，使流经线路和变压器上的无功电流大大减小，显然此种方法所取得的经济效益最佳。
2.2.3并联电容器装置设计的一般要求
1．高压并联电容器装置接入电网的设计，应按全面规划、合理布局、分级补偿、就地平衡的原则确定最优补偿容量和分布方式。
2．变电所里的电容器安装容量，应根据本地区电网无功规划以及国家现行标准《电力系统电压和无功电力技术导则》和《全国供用电规则》的规定计算后确定。当不具备设计计算条件时，电容器安装容量可按变压器容量的10%～30%确定。
3．电容器分组容量，应根据加大单组容量、减少组数的原则确定。
4．当分组电容器按各种容量组合运行时，不得发生谐振，且变压器各侧母线的任何一次谐波电压含量不应超过现行的国家标准《电能质量－公用电网谐波》的有关规定。
5．高压并联电容器装置应装设在变压器的主要负荷侧。当不具备条件时，可装设在三绕组变压器的低压侧。
6．当配电所中无高压负荷时，不得在高压侧装设并联电容器装置。低压并联电容器装置的安装地点和装设容量，应根据分散补偿和降低线损的原则设置。补偿后的功率因数应符合现行国家标准《全国供用电规则》的规定。
2.2.4并联电容器装置的布置和安装的一般规定
1．高压并联电容器装置的布置和安装设计，应利于分期扩建、通风散热、运行巡视、便于维护检修和更换设备。
2．高压并联电容器装置的布置型式，应根据安装地点的环境条件、设备性能和当地实践经验，选择屋外布置或屋内布置。一般地区宜采用屋外布置；严寒、湿热、风沙等特殊地区和污秽、易燃易爆等特殊环境宜采用屋内布置。屋内布置的并联电容器装置，应设置防止凝露引起污闪事故的措施。
3．低压并联电容器装置的布置型式，应根据设备适用的环境条件确定采用屋内布置或屋外布置。
4．屋内高压并联电容器装置和供电线路的开关柜，不宜同室布置。
5．低压电容器柜和低压配电屏可同室布置，但宜将电容器柜布置在同列屏柜的端部。
2.3无功补偿容量的计算：
初步计算总功率：
=788.58+759.6+345.24+265.68+196.65=2355.75（KW）
=1058.967+981.05+459.17+356.65+215.53=3071.07（KVAR）
因在工业企业消耗的无功功率中，电动机占70%，变压器占20%，线路占10%。
∑Qjs =3071.07KVAR未计算五台主变的无功功率，故设高压侧的无功功率为QH
则，QH ×（1－0.2）=∑Qjs= 3071.07KVAR；QH=∑Qjs/0.8= 3071.07/0.8=3838.84 KVAR即在未补偿前在厂变10KV母线上：
P=2355.75KW，Q=3071.07KVAR
补偿后：Cosφ=0.9，（φ=25.80）
则S=P/cosφ=2355.75/0.9=2617.5KVA
Q=S*Sin25.80=2617.5*0.618=1617.62 KVAR
应补偿的无功功率为：
∆Q=3071.07－1617.62=1453.46 KVAR
采用集中补偿和分散补偿相结合的方式补偿。在厂变10KV母线上，选择TBB3-10-750/50型电力电容器柜(2台)，每柜容量为750KVAR，将它们分别设置在Ⅰ、Ⅱ段母线上，另在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ变的低压母线上装设低压电容器进行补偿。（根据计算结果选择）
根据以上计算的补偿容量，选择无功补偿装置，补偿后变电站10kV侧功率因数为0.90。选取的补偿装置见下表：
并联补偿成套装置
型号
额定电压(kV)
总标称容量(kvar)
单台标称容量(kvar)
接线方式

10
750
50
Y
2.3供电电压的选择：
根据用电协议，电业部门拟定在厂南侧1公里处的110KV/10KV变电所用10KV架空线路向本厂供电。从以上负荷计算可知：总的视在功率为2617.5KVA，符合10KV架空线路的输送容量。
根据设计任务书，Ⅲ、Ⅳ变电所变压器10KV/0.4KV均为1台，其余Ⅰ、Ⅱ、Ⅴ变电所变压器皆设置两台变压器10KV/0.4KV。给本厂重要负荷车间供电。

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