ch2_用户供电系统-1

,中国矿业大学信电学院电气工程研究所,供电技术电子课件,X,内容提要：,用户供电系统的电力负荷与负荷计算,供电电压以及电源的选择,变电所的主接线和二次接线,配电系统的设计,供电系统的电能节约与电能质量控制,第,2,章 用户供电系统,第,2,章 用户供电系统,第一节 电力负荷与负荷计算,第二节 供电电压与电源的选择,第三节 用户变电所,第四节 变电所的电气主接线,第五节 变电所的二次接线,第六节 高低压配电网,第七节 用户供电系统的电能损耗与节约,第八节 供电系统的方案比较,第一节 电力负荷与负荷计算,一、关于负荷的基本概念,a),连续运行工作制,b),短期运行工作制,c),断续周期工作制,1.,设备安装容量,设备安装容量,P,N,（亦称设备功率）是指连续工作的用电设备铭牌上的标称功率,P,E,。但是，用电设备往往因工作性质不同而具有不同的运行工作制，这时，从供电安全和经济性两方面来考虑，应按设备铭牌功率予以折算。,连续运行工作制,短期运行工作制,断续周期工作制,能长期连续运行，每次连续工作时间超过,8,小时，运行时负荷比较稳定。,这类设备的工作时间较短，停歇时间较长。,这类设备的工作呈周期性，时而工作时而停歇，如此反复，且工作时间与停歇时间有一定比例。,断续周期工作制（重复短暂工作制）,断续周期工作制的设备，通常用负荷持续率,(,暂载率,),FC,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，记为,FC,：,式中,t,g,，,t,x,工作时间与停歇时间，两者之和为工作周期,T,，工作周期一般不超过,10,分钟。,负荷持续率,(,暂载率,),也可表示为,实际负荷持续率下的功率修正公式,设备安装容量的确定,在每台用电设备的铭牌上都有“额定功率”,P,E,，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“设备安装容量”，用,P,N.M,示。,连续工作制和短时工作制的设备容量,:,P,N.M,=P,E,设备安装容量的确定,断续周期工作制的设备容量,吊车机组用电动机（包括电葫芦、起重机、行车等 ）的设备安装容量统一换算到,FC,=25%,时的额定功率（,kW,），若其,FC,N,不等于,25%,时应进行换算，公式为,:,电焊机及电焊变压器的设备安装容量统一换算到,FC,100%,时的额定容量。若其铭牌暂载率,FC,N,不等于,100%,时，应进行换算，公式为,:,F,CN,为与铭牌容量对应的负荷持续率,（,2,）电焊机的设备安装容量,电焊机属于反复短时工作制设备，它的设备容量应统一换算到 ，,所以,2,台电焊机的设备容量：,解：（,1,）金属切削机床的设备安装容量,金属切削机床属于长期连续工作制设备，所以,20,台金属切削机床的总容量为：,例 某小批量生产车间,380V,线路上接有金属切削机床共,20,台（其中,10.5kW-4,台，,7.5kW-8,台，,5kW-8,台），车间有,380V,电焊机,2,台（每台容量,20kVA,，,），车间有吊车,1,台,11kW,， ），试计算此车间的设备容量。,（,3,）吊车的设备安装容量,吊车属于反复短时工作制设备，它的设备容量应统一换算到 ，,所以,1,台吊车的容量为：,(4),车间的总设备安装容量为：,例 某小批量生产车间,380V,线路上接有金属切削机床共,20,台（其中,10.5kW-4,台，,7.5kW-8,台，,5kW-8,台），车间有,380V,电焊机,2,台（每台容量,20kVA,，,），车间有吊车,1,台,11kW,， ），试计算此车间的设备容量。,2.,负荷与负荷曲线,电力负荷是指单台用电设备或一组用电设备从电源取用的电功率，包括有功功率、无功功率和视在功率。,在生产过程中，由于生产过程的变化或用电设备使用上的随机性，实际负荷都是随着时间而变化的。,电力负荷随时间变化的曲线称为,负荷曲线,。,图,2-1,日负荷曲线与年负荷曲线,a),日有功负荷曲线,b),年有功负荷曲线,负荷曲线,曲线所包围的面积为用电负荷,为用电决策提供依据,曲线分类有多种,有功，无功等。,梯形，平滑形。,工作班、日、周、季度、年负荷曲线，其中日和年负荷曲线最常用。,3.,平均负荷、最大负荷、有效负荷与计算负荷,（,1,）平均负荷,P,av,平均负荷是指电力负荷在一段时间内的平均值。电力用户的年平均负荷,P,av,可由年电能消耗量与年工作时间之比来计算：,（,2,）最大负荷,P,max,最大负荷是指一年中典型,日负荷曲线,（全年至少出现,3,次的最大负荷工作班内的负荷曲线）中的最大负荷，即,30min,内消耗电能最大时的平均负荷，记作,P,max,或,P,30,。,（,3,）有效负荷,P,e,有效负荷是指由典型工作班负荷曲线（工作班时间为,T,）按下式计算所得的,有效值,：,平均负荷与最大负荷,电力用户的实际负荷并不等于用户中所有用电设备额定功率之和,，这是因为：,1,）并非所有设备都同时投入工作。,2,）并非所有设备都能工作于额定状态。,3,）并非所有设备的功率因数都相同。,4,）还应考虑用电设备的效率与配电设备的功率损耗。,因此，在用户供电系统设计中，必须首先找出这些用电设备的,等效负荷,。,所谓等效是指用电设备在实际运行中对配电设备所产生的最大热效应与等效负荷产生的热效应相等，或实际负荷产生的最大温升与等效负荷产生的温升相等。,（,4,）计算负荷,P,c,在供电系统设计中，将等效负荷称为计算负荷,P,c,。,通常我国求计算负荷的日负荷曲线时间间隔,t,取,30min,。,t,选择与导体的发热时间常数,有关。中小截面导体的发热时间常数一般在,10min,左右，而导体达到稳定温升的温升需要,(3-4),，因此选择,30min,是合适的。,从等效的含义上讲， “半小时最大平均负荷”就是等效负荷即计算负荷。,对于筹建中的电力用户，计算负荷则是根据统计规律按照一定的计算方法得到的半小时最大平均负荷的假想值。,计算负荷可以作为供电系统设计和电气设备选择的依据。,（,4,）计算负荷,P,c,4.,负荷系数、利用系数、需要系数与形状系数,（,1,）负荷系数 负荷系数是指平均负荷与最大负荷之比，它反映了负荷的平稳程度。负荷系数常分为有功负荷系数,和无功负荷系数,：,（,2,）利用系数 利用系数是针对用电设备组而言的。利用系数,K,x,定义为用电设备组在最大负荷工作班内消耗的平均负荷,P,av,与该设备组的总安装容量,P,N,之比，即,（,3,）需要系数 需要系数也是针对用电设备组而言的。需要系数,K,d,定义为用电设备组的最大负荷,P,max,（,或,P,30,）,与该设备组的总安装容量,P,N,之比，即,（,4,）形状系数 形状系数也是针对用电设备组或用户整体而言的。形状系数,K,z,定义为有效负荷,P,e,与平均负荷,P,av,之比，即,5.,年最大负荷利用小时数,Tmax,年最大负荷利用小时数,T,max,是这样一个假想时间：电力负荷按照最大负荷,P,max,持续运行,T,max,时间所消耗的电能恰好等于该电力负荷全年实际消耗的电能,W,a,。,如图,2-2,所示,年最大负荷,P,max,延伸到,T,max,的横线与两坐标轴所包围的矩形面积，恰好等于年负荷曲线与两坐标轴所包围的面积，即全年实际消耗的电能,W,a,，因此年最大负荷利用小时数为：,年最大负荷利用小时数,Tmax,下图为某厂年有功负荷曲线，此曲线上最大负荷,P,max,就是年最大负荷，,T,max,为年最大负荷利用小时数。,一班制工厂,T,max,=18003000h,两班制工厂,T,max,=35004800h,三班制工厂,T,max,=50007000h,二、负荷的估算,1.,单位产品耗电量法,若已知某企业的产品和产量，,查表,可得该产品的单位产品耗电量,和该类工厂的年最大负荷利用小时数,T,max,，进而按下式求出企业年电能需要量,W,a,和计算负荷,P,c,。,2.,负荷密度法,已知建筑面积,A,(,m,2,),，并,查表,得到同类建筑的负荷密度指标,(,W/m,2,),，则计算负荷,Pc,可按下式求得：,3.,形状系数法,1,）将用电设备分组，求出各用电设备组的总安装容量,.,2,）查出各用电设备组的利用系数及对应的功率因数，计算平均负荷：,3,）根据负荷的平稳程度，适当选择形状系数,K,z,的值（一般情况下可取,K,z,=1.15,），按下式估计计算负荷：,三、负荷的计算,根据工艺和建筑设计等部门提供的用电设备及其安装容量确定计算负荷的工作称为负荷计算。,其理论依据是相似性原理，即性质相同、功能相近的用电设备组、生产车间或电力用户，其负荷曲线应相似，其负荷曲线的特征参数值,(,负荷系数、利用系数、需要系数、最多有功负荷利用时数等,),应相近。,负荷计算就是求计算负荷,Pc,Qc,Sc,和,Ic,负荷计算的方法：需要系数法、二项式法、附加系数法等。其中，需要系数法以其计算简单、适用面广、需要系数数据齐全等特点而被广为应用。,三、负荷的计算,考虑到设备可能在额定工况下运行，单台用电设备的计算负荷就取设备的安装容量。,考虑到电动机的运行效率，单台电动机的计算负荷,P,c.M,应按下式计算：,1,单台用电设备的计算负荷,电动机额定功率时的效率,用电设备铭牌给出的功率因数角的正切值,当计算配电干线（譬如，第,j,条）上的计算负荷时，,首先将用电设备分组,，求出各组用电设备的总安装容量,P,N.,i,，,然后,查表,得到,各组用电设备的,需要系数,k,d.,i,及对应的功率因数,cos,i,和功率因数正切值,tan,i,，则,2,用电设备组的计算负荷,需要系数法适用于用电设备台数较多、设备容量差别不大的场合。若用电设备组的设备,台数较少,时，其,计算结果,往往,偏小,。,对于设备台数为,3,台及以下的用电设备组，其计算负荷应取各设备功率之和；,4,台用电设备的计算负荷宜取设备功率之和乘以,0.9,的系数。,2,用电设备组的计算负荷,车间或全厂的负荷计算以车间内用电设备组或配电干线的计算负荷为基础，从负荷端逐级向电源端计算，而且需要在各级配电点乘以同期系数,K,，即,3,车间或全厂的计算负荷,求出变压器低压侧总计算负荷后，变压器高压侧的计算负荷等于低压侧计算负荷与变压器功率损耗之和。在初步设计时，变压器的功率损耗可按下式近似估算,企业负荷确定的步骤,从负荷端开始，逐级上推到电源进线端。,用电设备组,车间低压变压器出线,高压出线,企业变压器出线,企业进线,4,单相用电设备计算负荷的确定,当单相用电设备的总容量小于三相设备总容量的,15,时，不论单相设备如何分配，均可直接按三相平衡负荷计算；若单相用电设备的总容量大于三相用电设备总容量的,15,时，则需将其换算成三相等效负荷后，再参与负荷计算。,4,单相用电设备计算负荷的确定,单相用电设备换算为三相等效设备容量的方法：,1,）单相设备接于相电压时，将三相线路中单相用电设备容量最大的一相乘以,3,作为三相等效设备容量。,2,）单相设备接于线电压时，首先应将接于线电压的单相设备容量换算为接于相电压的设备容量，然后再分相计算各相的设备容量，取最大负荷相的设备容量的,3,倍来作为等效的三相负荷容量。接于线电压的单相设备容量换算为接于相电压的设备容量时，换算公式如下：,例题：某机修车间,380V,线路上有如下设备：,对焊机一台：,S,N,=42kVA,N,=60%,cos=0.62,10,吨桥式起重机一台：,P,N,=39.6kW,N,=40%,金属切削用三相电机：,7.5kW 3,台, 4kW 8,台,;3kW 17,台,试求计算负荷。,思路：,先确定负荷应用范围：小批生产，属于冷加工车间,先分组：对焊机一组；起重机一组；金属切削用电机一组。,每一组用需用系数法分别计算：容量；查表得,Kd,和,cos,；计算,查表得多个组的同时系数，再计算,例题详细求解,举例：,某机修车间,380v,线路上，接有金属切削机床,20,台，共,50kw,，通风机,2,台共,3kw,，电阻炉,1,台,2kw,。试确定此线路上的计算负荷。,解： 先求各用电设备组的计算负荷,金属切削机床组,查表,2-1,，取,K,d,=0.16,Cos,=0.5 tan=1.73,Pca1=Kd,P,N,=,0.1650kw=8kw Qca1=Pca tan=8kw1.73=13.84kvar,通风机组,查表,2-1,，取,K,d,=0.8,Cos,=0.8 tan=0.75,有,Pca2=Kd,P,N,=0.83kw=2.4kw Qca2=Pca tan=2.4kw0.75=1.8kvar,电阻炉,查表,2-1,，取,K,d,=0.7,Cos,=0.98 tan=0.2,有,Pca3=Kd,P,N,=0.72kw=1.4kw Qca3=Pca tan=1.4kw0.2=0.28kvar, 380V,线路上的总计算负荷（取,K,=0.95,）,Pca=,K,(Pca1+Pca2+Pca3)=0.95(8+2.4+1.4)=11.564kw,Qca=,K,(Qca1+Qca2+Qca3)=0.95(13.8+1.4+0.28)=15.17kvar,对需用系数法的评价：,优点：,公式简单，计算方便。,只用一个原始公式 就可以表征普遍的计算方法。这个公式对用电设备组、车间变电站乃至一个企业变电站的计算负荷都可进行计算。,对于不同性质的用电设备、不同车间或企业的需用系数值，经过几十年的统计和积累，数值比较完整和准确，为供电设计提供了很好的条件。,缺点：,没有考虑大容量电动机对整个计算负荷的影响，尤其是当总用电设备较少时，影响更大。这种情况下，采用二项系数法更准确些。,对绝大多数企业，需用系数法，目前仍称得上一种准确而又简便的方法，因而在我国设计部门广泛采用。,二项式法,从图所示的日负荷曲线看出，其最大有功负荷可表示为,Pmax=Pca=Pav+P,式中,Pav,为企业日负荷曲线的平均负荷， ,P,则表示日负荷曲线的尖峰部分。,大量的考察和统计证明：,产生企业“尖峰负荷”的主要原因是：企业内,X,台最大容量的电动机在某一生产时间内较密集地处于高负荷运行状态。如果已知,X,台最大容量的电动机总容量为,Px,，则上式可表示为：,用电设备组的总额定容量,Px,X,台最大容量用电设备的总容量,b,、,c,二项系数,X,该用电设备组中取最大用电设备的台数,四、功率因数及其提高,1,）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：,式中：,P,功率表测出的三相功率读数（,kW,）；,U,电压表测出的线电压读数（,kV,）；,I,电流表测出的相电流读数（,A,）。,瞬时功率因数值代表某一瞬间状态的无功功率的变化情况。,1,工厂的功率因数分类和计算,瞬时功率因数,平均功率因数,自然功率因数,总功率因数,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,式中：,W,某一时间内消耗的有功电能（,kWh,）；由有功电度表读出。,V,某一时间内消耗的无功电能（,kvarh,）；由无功电度表读出。,我国电业部门每月向工业用户收取电费，规定电费要按月平均功率因数来调整。上式用以计算已投入生产的工业企业的功率因数。,3,）自然功率因数,未装设人工补偿装置时的功率因数。,4,）总功率因数,设置人工补偿装置后的功率因数。,（,1,）系统中输送的,总电流增加,，使得供电系统中的电气元件，容量增大，从而使工厂内部的启动控制设备、测量仪表等规格尺寸增大，因而,增大了初投资费用,。,（,2,）,增加电力网中输电线路上的有功功率损耗和电能损耗。,（,3,）,线路的电压损耗增大,。影响负荷端的异步电动机及其它用电设备的正常运行。,（,4,）,发动机出力相对降低,。,2,功率因数对供电系统的影响,3,功率因数的提高,高压,供电的工业用户和高压供电装有带负荷调压装置的电力用户，功率因数应达到,0.9,以上，,其他用户,功率因数应在,0.85,以上。,人工补偿无功功率,提高自然功率因数,提高功率因数,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：, 正确选用感应电动机的型号和容量，使其接近满载运行；, 更换轻负荷感应电动机或者改变轻负荷电动机的接线；, 电力变压器不宜轻载运行；, 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；,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,动态无功功率补偿,并联电容器原理,原理：,电感性负载电流滞后电网电压，而电容器的电流超前电网电压，这样就可以完全或部分抵消。减小功率因数角，提高功率因数。,方法：,并联静电电容器,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，是目前工业企业内广泛应用的一种补偿装置。,并联电容器提高功率因数的原理,电容器的补偿方式,无功补偿应本着,就近平衡,的原则，低压设备的无功功率宜在低压侧补偿，高压设备的无功功率应在高压侧补偿。,补偿装置应尽量靠近无功负荷。,按照补偿电容器安装的位置，分为,就地补偿,和,集中补偿,。,图,2-3,补偿电容器的布置方式,电容器的补偿方式,-,就地补偿,就地补偿：,即对于容量较大、负荷平稳的用电设备，在其附近按照其本身无功功率的需要装设电容器。,优点：,补偿效果最好,。能最大限度减少系统中流过的无功，使供电线路功率及能量损耗降低；线路的截面积减小；开关设备和变压器容量降低。,缺点：电容器将随着用电设备一同工作和停止，所以利用率较低、投资大、管理不方便；易受机械振动及其他环节条件的影响。,对大容量感应电动机而言，补偿容量应按照轻负荷时电机所需要的无功功率计算，以免轻负荷时出现过补偿。,电容器的补偿方式,-,集中补偿,集中补偿：,将电容器集中装设在变电所的母线上，以专用的开关控制。,优点：和就地补偿相比，所需电容器总容量较少，即电容器的利用率较高。,缺点：,补偿效果稍差,。,具体分为：分组集中补偿、低压集中补偿和高压集中补偿。,低压集中补偿：补偿,6(10)kV,变压器低压侧的无功功率。,高压集中补偿：主要补偿高压用电设备的无功功率和,6(10)kV,变压器的无功损耗。,但从提高电源进线的功率因数来看，仅在高压侧补偿也能满足要求，但,高压侧补偿只能节约电源至,6(10)kV,变电所的导体截面,，而设置在,低压侧,除具有上述优点外，还能,提高,6(10)kV,变压器的负荷能力,。,5,补偿容量和补偿后计算负荷的计算,（,1,）补偿容量的计算,(2),补偿后计算负荷的计算,确定电容器的个数,补偿后总的无功计算负荷为,补偿后的视在计算负荷为,补偿前后对应的功率因数角正切值,电容器的接线方式,接线方式分为三角形接线和星形接线,三角形接线：当电容器额定电压按电网的线电压选择时，应采用三角形接线。,星形接线：当电容器额定电压低于电网的线电压时，应采用星形接线。,三角形接线的电容器直接承受线间电压，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。因此这种接线已经很少在,10kV,系统中使用，只是在,380V,配电系统中有少量使用。,星形接线电容器的极间电压是电网的相电压，绝缘承受的电压较低，电容器的制造设计可以选择较低的工作场强。,当电容器组中有一台电容器因故障击穿短路时，由于其余两健全相的阻抗限制，故障电流将减小到一定范围，并使故障影响减轻。,星形接线的最大优点是可以选择多种保护方式。少数电容器故障击穿短路后，单台的保护熔丝可以将故障电容器迅速切除，不致造成电容器爆炸。,三角形和星形接线的比较,若某一电容器内部击穿,:,三角形接线时，就形成了相间短路故障，有可能引起电容器膨胀、爆炸、使事故扩大；,星形接线，不形成相间短路故障。,三角形和星形接线的比较,三角形接线比星形接线能节约电容,2,3,。,电容器的接线还有双三角形和双星形之分。,双星形接线，是将电容器平均分为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连接起来。,利用其中性点连接的电流保护装置，当电容器故障击穿切除后，会产生不平衡电流，使保护装置动作将电源断开，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。,电容器一次侧接有串联电抗器和并联放电线圈。,放电线圈的作用是将断开电源后的电容器上的电荷迅速、可靠地释放掉。,和电容器并联，形成感容并联谐振电路，使电能在谐振中消耗掉。放电线圈应能在电容器断开电源,5s,内将电容器端电压下降到,50V,。,串联电抗器是为了限制合闸涌流和限制谐波,在电容器回路中串联一定数值的电抗器，即造成一个对,n,次谐波的滤波回路,对于,3,次谐波：,3XL =,（,1/3,）,XC,，则,XL =,（,1/9,）,XC = 0.11XC,；对于,5,次谐波：,5XL =,（,1/5,）,XC,，则,XL =,（,1/25,）,XC = 0.04XC,。,普遍采有在回路中串联,12%,电抗构成,3,次谐波滤波器，,12%,电抗率的含义是指串联电抗器的感抗值为该回路电容器容抗值的,12%,而用串联,6%,电抗构成,5,次谐波滤波器。不正好采用,11%,和,4%,，而是稍大一点，目的是使电容器回路阻抗呈感性，避免完全谐振时电容器过电流。,在电业部门以单星形接线最多，在工矿企业却大量存在三角形接线电容器组。,1985年以后，电业部门执行统一的部颁设计标准，新(扩)建电容器组均未采用三角形接线。,工矿企业与民用部门，因受以前的影响和无统一标准，直到近期仍在设计安装三角形电容器组。,静电电容器运行中的注意事项,温度：静电电容器的周围空气极限温度是,-40,C,+40,C,，,因此电容器室应有良好的通风，当周围空气温度达到,35,C,时，便应将电容器从电网中切除。,电压：电容器对电压比较敏感，当电压升高而且超过电容器的额定电压时，很容易使电介质击穿，因此，在运行中应严格监视加在电容器上的电压。当线路电压降低时，电容器的输出功率随之下降，从而使电网所需无功功率加大，进一步使电压质量变坏。,残压：电容器从电网上切断时，由于残余电荷的影响，接线端上有电压且其值和没有断开时一样，因此对电容器要求装设专用的放电设备。 保证,1,分钟内电容器组的残压在,65V,以下。,1kV,以上的电容器组用电压互感器做为放电设备，,1kV,以下的电容器组可用电阻或者白炽灯做为放电设备。,五、供电系统负荷计算示例,某用户供电系统结构和负荷数据如图,2-4,所示，按照需要系数法，各级负荷计算如下。,例,图,2-4,负荷计算示例图,解,（,1,）通风机,通风机：,P,N,=29kW,，查表得,K,d,0.85,和,tan,=0.75,，于是,（,2,）高频加热设备,高频加热设备：,P,N,=80kW,，查表得,K,d,=0.8,和,tan,=1.33,，于是,（,3,）机加工车间,冷加工机床：,P,N,=50kW,，查表得,K,d,=0.16,和,tan,=1.73,；,热加工机床：,P,N,=92kW,，,查表得,K,d,=0.25,和,tan,=1.52,；于是,1.,用电设备组的负荷计算,（,4,）点焊机,点焊机：,P,N,=90kW,，查表得,K,d,=0.35,和,tan,=1.33,，于是,取,1,变电所各组负荷的,同期系数,为：,K,=0.90,，,于是,2. 1,变电所低压侧计算负荷,采用电容器分组自动投切的,低压集中补偿方式,，设补偿后功率因数为,cos,=0.93,，则,补偿后变压器低压侧计算负荷为,122kW+j48kvar,，,S,c,=131kV,A,。,1,变电所变压器损耗按下式,估算,：,1,变电所高压侧计算负荷为：,3.,低压集中补偿容量的计算,4.,变电所高压侧计算负荷,取全厂负荷的同期系数为：,K,=0.90,，,于是,5.,全厂总计算负荷,第二节 供电电压与电源的选择,一、线路电压损失,由于线路存在阻抗，当输送一定负荷时，线路首末端将存在电压之差。,电压损失计算示意图,a),电路图,相,量,图,1,、一个集中负荷线路的电压损失,每相电压损失：,U,U,A,-U,B,线电压损失：,U,电压损失的百分值：,一、线路电压损失,（二）带多个集中负荷线路的电压损失,总的电压损失,若以各负载功率来计算，则公式变换为,若线路全长采用同一截面的电线或电缆,则,二、电压与负荷容量和输送距离的关系,由于受导线截面的限制和线路电压损失的要求，每一标称电压下线路的输电能力是有限的。,1),通常用户供电系统所用的导线,最大,标称截面为,240mm,2,，其承载电流的能力限制了某一电压下输送功率的大小。对截面为,A,的导线，设,在满足经济性条件下其可承载的最大电流为,I,max,，则其可输送的最大功率,为,:,例如：对,截面为,240mm,2,的铝芯架空线，在满足经济性条件下其可承受的最大电流为,216A,，设负荷功率因数为,0.8,，则在,10kV,电压下可输送的最大功率为：,二、电压与负荷容量和输送距离的关系,2),按线路电压损失要求,(,一般不应大于,5,),，在额定电压,U,N,下，对某一截面导线的负荷矩限制如下：,例如：对,截面为,240mm,2,的铝芯架空线，线间几何均距为,1m,，设负荷功率因数为,0.8,，则在,10kV,电压下的最大负荷矩为：,最大负荷下的传输距离为：,线路的输送容量和输送距离,并联电容器提高功率因数的原理,图,2-3,补偿电容器的布置方式,三角形接线的电容器直接承受线间电压。,很少在10kV系统中使用，只是在380V配电系统中有少量使用。,星形接线电容器的极间电压是电网的相电压。,三角形和星形接线的比较,若某一电容器内部击穿,:,三角形接线时，就形成了相间短路故障，有可能引起电容器膨胀、爆炸、使事故扩大；,星形接线，不形成相间短路故障。,三角形和星形接线的比较,三角形接线比星形接线能节约电容,2,3,。,三、电压的选择,用户供电系统的电压等级应符合电力系统的额定电压。由于用户负荷相对较小、供电距离较短，故从安全和经济的角度考虑，用户供电系统的电压等级一般在,35kV,及以下,1,供电电压的选择,供电电压的选择应根据用电容量和供电距离参照表,2-6,并考虑当地电网现状、用户的用电负荷性质及未来发展规划等因素综合而定。,一般,用户的供电电压为,610kV,，大中型工业,企业的供电电压可为,35kV,。对于,个别,电力用户，当用电负荷很大、输电距离长且有大功率冲击性负荷,(,如电弧炼钢炉、轧钢设备及大型整流装置等,),时，在技术经济合理的条件下，可考虑采用,更高一级电压,供电。,2,高压配电电压的选择,用户供电系统的高压配电电压一般采用,610kV,。由于,10kV,技术经济指标好，如供电系统能耗和有色金属耗量均较小，因而高压配电电压应首选,10kV,。当用户有多台,6kV,用电设备、且容量较大、在技术经济上合理时，才采用,6kV,。当用户有少量,3kV,电动机时，可用,10(6),3kV,专用变压器供电。,3,低压配电电压的选择,1000V,以下的电压，除非因为安全所规定的特殊电压外，对于供给用户直接使用的交流动力及照明电压，我国是,380,220V,。对于矿山和油田等特殊场合，由于负荷分散，供电距离长，为了保证电压质量，动力用电可采用,660,380V,或,1140/660V,。,四、电源的选择,由于生产性质或使用场合的不同，不同用户或同一用户内的不同设备对供电可靠性的要求是不同的。可靠性即根据用电负荷的性质和突然中断其供电在政治或经济上造成损失或影响的程度对用电设备提出的不允许中断供电的要求。供电电源首先应满足用电负荷的特定要求。,1,负荷等级,按照用电负荷对供电可靠性的要求，即中断供电对人身生命、生产安全造成的危害及对经济影响的程度，用电负荷分为下列三级：,(1),一级负荷（关键负荷） 突然停电将关乎人身生命安全，或在经济上造成重大损失，或在政治上造成重大不良影响者。,(2),二级负荷（重要负荷） 突然停电将在经济上造成较大损失，或在政治上造成不良影响者。,(3),三级负荷（一般负荷） 不属于一级和二级负荷者。,2,电源及其选择,电力用户可由,多种电源供电,，以满足不同设备对电力和供电可靠性的需要。,直接来自电力系统的电源是绝大多数电力用户的主要电能来源，它为用户提供了满足长期稳定持续供电需要的大宗电能，属于,正常电源,。,除正常电源外，用户根据需要可以设置一些,应急电源,，以备正常电源故障中断时的急需之用。譬如，独立于正常电源的备用发电机组、独立于正常电源的备用馈电线路、蓄电池组、不间断电源（,UPS,）等。,2,电源及其选择,各级用电负荷的供电电源和供电方式，应根据负荷对供电可靠性的要求和地区供电条件，按下列原则考虑确定：,（,1,）,一级负荷,应由两个,独立电源,供电，有特殊要求的一级负荷，两个独立电源应来自两个不同的地点。两个供电电源应在设备的控制箱内实现自动切换，切换时间应满足设备允许中断供电的要求。除正常电源外，还需增设应急电源。,（,2,）,二级负荷,应由两回线路供电，并可在配电装置内实现切换，当一回线路故障时，应不影响另一回线路供电。当负荷较小或取得两回线路有困难时，可由一回专用线路供电。小容量负荷可以采用一路电源加不间断电源，或一路电源加设备自带的蓄电池组在末端实现切换。,（,3,）,三级负荷,对供电方式无特殊要求，但在不增加投资或经济允许的情况下，也应尽量提高供电可靠性。,独立电源指不受其他电源影响的电源。具备下列条件的发电厂或变电所的不同母线均属于独立电源：,每段母线的电源来自不同的发电机，且以后的输变配各环节均为分列运行。,母线段间无联系，或虽有联系但当其中一段母线发生故障时，能自动断开联系，不影响其余母线继续供电。,第三节 用户变电所,用户变电所是用户供电系统的主要组成部分，它向用户分配电能并进行控制，其组成结构如图,2-7,所示。,图,2-7,用户供电系统结构框图,1,总降压变电所,2,配电所,3,10(6)kV,变电所,4,高压用电设备,一、变电所的作用与组成,变电所的,主要作用,是降低电压并向用电设备或用电设备组配电。,用户变电所,按电压等级分为,总降压变电所,和,10(6)kV,变电所,（在工业企业称为车间变电所）。总降压变电所将进线,35110kV,降为,610kV,，配电给,10(6)kV,变压器或高压用电设备，然后由,10(6)kV,变电所再次降压为,380/220V,供给低压用电设备。如果进线电压为,10(6)kV,，则可在用户区内设置,10(6)kV,总配电所。由,35kV,直接供电的,35/0.4kV,变电所称为,直接降压变电所,。,高低压开关、供配电线路和测量保护设备等是变电所中的主要电气设备，实现着电能的控制与分配和供电系统的监视与保护。,安全、可靠、合理、经济是对用户供电系统的,基本要求,，也是对用户变电所的要求。变电所的设计要保证操作人员安全和供用电设备安全，变电所的设置要满足用电负荷对供电可靠性和电能质量的要求，同时，既要考虑用户用电负荷进一步发展的需要，又要努力降低建设投资和年运行费用。,二、变电所的设置及位置的确定,1,总降压变电所或总配电所,当用户供电电压为,35kV,及以上时，一般应考虑设置总降压变电所。对于以,35kV,供电的用户，若用户没有高压用电设备，为简化供电系统，减少投资和电能损耗，在周围环境允许时，也可以不设总降压变电所，而以,35,0.4kV,的变压器直接向负荷供电。总降压变电所可以设置,12,台降压变压器。,当供电电压为,10(6)kV,且有多台高压用电设备或,10(6)kV,变电所较多时，宜设置总配电所。对负荷不大的小型用户，可将总配电所与某个,10(6)kV,变电所合并，扩充为变配电所，或仅设一个独立式变电所。,总降压变电所的位置应,接近负荷中心,，并适当,靠近电源的进线方向,，以便使有色金属耗量最少和线路功率及电能损耗最小。同时，还应考虑变电所周围的环境、进出线的方便和设备运输的方便。,图,2-8,负荷指示图,注：,1,圆中带斜线者为动力负荷，不带斜线者为照明负荷,2,分线值为示例，分子为动力负荷，分母为照明负荷,图,2-9,负荷分布示意图,2,10(6)kV,变电所,10(6)kV,变电所（在工厂供电系统中常称为,车间变电所,）的设置主要取决于车间（或小区）负荷的大小、车间（或小区）之间的距离、各生产车间之间工艺联动要求以及经济效果。,车间（或小区）负荷较小时，可考虑几个邻近车间（或小区）或工艺上有联动要求的车间合建一个变电所。,车间（或小区）负荷较大时，可考虑单独建立一个变电所。当车间（或小区）负荷很大时，也可在该车间（或小区）建立多个变电所。,根据负荷的大小和负荷等级，一个,10(6)kV,变电所一般设置,12,台变压器，单台变压器容量一般不大于,1600kVA,。,10(6)kV,变电所的形式,独立变电所,具有独立完整的变电所建筑。,附设变电所,附设变电所利用厂房一面或两面墙壁建造。当厂房生产面积有限、生产环境特殊或因生产工艺要求设备经常变动时，宜采用外附式，否则应采用内附式。,（图,2-10,）,箱式变电所,箱式变电所集配电变压器和开关电器于一体，装配在箱内，整体可独立置于户外，具有体积小、安装灵活、无需建筑等特点，适用于小型工业企业、居民小区、广场和道路照明等场合。,地下变电所,地下变电所设于地下，通风不良，投资较大，用于有防空等特殊要求的场合，此外，民用高层建筑的变电所常设置在地下室内。,三、变压器的选择,电力变压器（,power transformer,）是变电所的核心设备，通过它将一种电压的交流电能转换成另一种电压的交流电能，以满足输电、供电、配电或用电的需要,电力变压器分类：,按绕组形式可分为：,双绕组变压器,、三绕组变压器和自耦变压器。,按相数可分为：单相变压器、,三相变压器,和多相变压器。,按冷却方式可分为：,油浸自冷,、油浸风冷、油浸水冷和,空气自冷,等。,按绝缘介质可分为：,油浸式变压器,，,干式变压器,，充气式变压器等。,按调压方式分为：,有载调压变压器、无励磁调压变压器,。,按中性点绝缘水平分为：,全绝缘变压器,和半绝缘变压器。,单相变压器,三相电力变压器,油浸变压器,干式变压器,三、变压器的选择,具体内容：,选用低损耗节能型,普通变压器或有载调压变压器：总降压变压器可选用有载调压型，车间变压器选用普通型。,双绕组变压器或三绕组变压器：具有三级高压的大型工厂变电所，如通过主变压器各侧的功率达到该变压器容量的,15,以上，宜采用三绕组变压器。,变压器的台数：根据供电条件、负荷性质、用电容量和运行方式等综合确定。,变压器的容量：除了考虑正常负荷外，还应考虑到变压器的过负荷能力和经济运行条件。,变压器的绕组接线型式：依据中性点接地方式不同选择。,Y/,-11,、,Y/Yn-0,等。,三、变压器的选择,1,变压器的过负荷能力,变压器在额定条件下可持续正常运行,(,20-30,年,),。但实际上，变压器在许多时间内的实际负荷小于额定容量，因而使得变压器在不降低规定使用寿命的条件下具有一定的过负荷能力。,正常过负荷：昼夜负荷变化而允许的过负荷。环境温度较低或轻载时，绝缘材料老化速度减缓，过负荷或环境温度较高时，绝缘材料老化速度变快。这两种情况可以互相补偿。,正常过负荷的大小可查相关手册,。在正常过负荷下，其绝缘老化程度只相当于绝缘自然损坏率的,80,。,事故过负荷：当互为备用同时运行的两台变压器中一台因故障退出运行时，另一台变压器可在急救过负荷下运行一段时间。事故过负荷的大小可查阅相关手册。,自然循环油冷双绕组变压器的允许过负荷百分数,变压器平均负荷与最大负荷之比,最多负荷在下列持续时间下，变压器过负荷百分数,2h,4h,6h,8h,10h,12h,0.5,28,24,20,16,12,7,0.6,23,20,17,14,10,6,0.7,17.5,15,12.5,10,7.5,5,0.75,14,12,10,8,6,4,0.8,11.5,10,8.5,7,5.5,3,0.85,8,7,6,4.5,3,2,0.9,4,3,2,变压器急救情况下的允许过负荷百分数和时间,自然循环油浸式,过负荷百分数,30,60,75,100,200,过负荷时间,/min,120,45,20,10,1.5,干式,过负荷百分数,10,20,30,50,60,过负荷时间,/min,75,60,45,18,5,三、变压器的选择,2,变压器的经济运行,变压器是变电所中耗能最大的设备，变电所的经济运行取决于变压器的经济运行。,变压器的经济运行是指：变压器在运行中传输单位,kVA,所产生的有功功率损耗最小。,变压器的经济运行与变压器的负荷率,(,变压器实际负荷与其额定容量的比值,),有关，通常单台变压器的经济运行负荷率约为,70,。,多台并列运行的变压器，也存在经济运行的问题。随负荷的变化，可以改变变压器的台数，以便在不同的负荷区间，总允许损耗最小。,三、变压器的选择,3,变压器数量和容量的选择,变压器台数的选择：通常,1,2,台。台数过多，投资增加，消耗材料多，系统接线复杂，维护困难。,一、二级负荷较大时，为满足供电可靠性，应采用,2,台。,一、二级负荷较小，并可由低压侧取得足够容量的备用电源，也可装设,1,台 。,三级负荷时，通常采用,1,台。但当负荷较大或认为经济合理时，也可采用,2,台。,三、变压器的选择,3,变压器数量和容量的选择,变压器容量的选择：首先要满足在计算负荷下变压器能够长期可靠运行。,单台变压器额定容量应大于等于计算负荷。,两台并列运行的变压器，应满足：,变压器容量还用考虑：留有,15,-25%,的裕量、满足经济运行条件。,三、变压器的选择,3,变压器数量和容量的选择,对于设有两台变压器的变电所，通常选用,2,台等容量的变压器，其单台变压器的容量选择根据它的备用方式。,明备用,：一台变压器工作，另一台变压器停止运行作为备用。此时，两台变压器均按最大负荷时变压器负荷率为,100,考虑。,暗备用,：两台变压器同时投入运行，正常情况下每台变压器各承担约全部负荷的,50, 。此时，每台变压器的容量宜按全部最大负荷的,70,选择。,暗备用的特点,：正常情况下，变压器最大负荷率为,70,，负荷变压器经济运行条件，并留有一定裕量；若一台变压器故障，另外一台可以在承担全部最大负荷的情况下持续运行一段时间，这段时间完全有可能调整生产，切除部分不重要的负荷，保证生产秩序；其投资省、能耗小，在实际中被广泛应用。,四、变电所的主要电气设备,由一次设备和二次设备组成：,一次设备：,指直接生产、输送和分配电能的设备。,包括变压器、高压断路器、隔离开关、电抗器、并联补偿电力电容器、电力电缆、送电线路、母线等。又称为,一次部分,。,二次设备：,对一次设备的工作状态进行监视、测量、控制和保护的辅助电气设备称为二次设备。,包括测量仪表、控制与信号回路、继电保护装置、制动装置以及远动装置等。又称为,二次部分,。这些设备通常由电压互感器、电流互感器、蓄电池组或低压电源供电。,1,、开关设备,在电力系统中，将能接通、断开或转换高压电路的电器统称为“高压开关电器” 。,分立使用的高压开关电器主要有：,断路器,隔离开关,负荷开关,熔断器,开关电器中的电弧,开关电器切断电路时，在分离的触头间不可避免的要产生电弧。,电弧是由数量很多的正负带电质点形成的良导体。,开关电器触头间的电弧未熄灭时，电路中的电流始终保持流通，所以虽然触头已经分离，但电路并未真正开断。,直到电弧完全熄灭，电路才真正开断。,当断路器分闸时，触头间的气体是绝缘的。,气体从绝缘状态转变为导电状态，存在一个游离过程。,游离,：使电子从围绕原子核运动的轨道中解脱出来，成为自由电子。中性原子失去电子成为正离子。,触头间的气体因为游离而成为导电状态，就是电弧放电。,断路器触头置于气体介质中（如,SF6,气体）,电弧的产生和维持,电弧产生： 电路断开,间隙处产生高强度电场,自由电子产生并与中性质子撞击,间隙介质被游离,电弧产生。,发射自由电子：,热电子发射,和,强电场发射,触头间隙的游离过程：,电场游离,和,热游离,电弧维持：电弧产生高温,高温维持电场游离和热游离。,电场游离产生电弧，热游离维持电弧燃烧。,感性电路在断开时、容性电路在闭合时，都将产生电弧。,以断路器为例,电弧的产生和维持,去游离包括：,复合,与,扩散,扩散,:,由于游离质点的热运动或外来作用，使自由电子从电弧区域逸出，到达电弧区域外,影响复合与扩散的因素：,游离质点的密度,电弧的温度,电弧区的气体压力,电弧区的质点密度,复合,:,异号带电质点的电荷发生中和。,电弧的熄灭是断路器触头间电弧区域内，已电离的质点不断发生,去游离,的结果。,电弧的熄灭,电弧的熄灭,电弧熄灭：间隙加大，电弧不能自行维持。,灭弧原则：减弱游离作用，加强去游离作用。,熄灭电弧的常用方法：,拉长电弧,吹弧灭弧（油、压缩空气、磁吹）,用,SF6,气体灭弧,真空灭弧,窄缝灭弧,长电弧截成多段短电弧,多断口灭弧,可使电弧表面积增大，散热快，使热游离作用减弱；,可使电弧区离子和自由电子容易扩散；,长度大的电弧，其电阻也大；,触头开距大，要重新击穿也不容易。,触头的分离速度越快，电弧熄灭就越快，通常在高压断路器中装设强力的跳脱弹簧来加快触头分开的速度。,灭弧方法,1,）拉长电弧,2,）吹弧灭弧法,利用外力（如气流、油流或电磁力）来吹动电弧，使电弧加速冷却，同时拉长电弧，降低电弧中的电场强度，加速电弧的熄灭，按吹弧的方向来分，有横吹和纵吹两种。,a,）横吹,b,）纵吹,灭弧方法,当低压刀开关迅速拉开刀闸时，不仅迅速拉长了电弧，同时使本身回路电流产生的电动力作用于电弧，吹动电弧，使其拉长电弧直到电弧熄灭。,如果开关利用专门吹弧线圈来吹动电弧，使电弧移动，电弧移动的力实际上是电弧电流在线圈磁场中产生的电动力。,也有的开关利用铁磁物质（钢片等）来吸动电弧。,高温电弧与绝缘油接触，使绝缘油汽化成油蒸汽或分解成其它种类气体，形成高压气流吹动电弧，迅速冷却电弧，同时把弧区已电离的质点吹到弧区外。,灭弧方法,4,）真空灭弧法,真空具有较高的绝缘强度，如果将开关触头装置置于真空容器，使电弧在真空中形成，在真空中熄灭。,高真空条件下，气体的自由行程大，碰撞游离很难产生，绝缘强度很高，电弧容易熄灭。,3,）,SF6,气体灭弧,也是一种气吹断路器，,SF6,的灭弧特性和绝缘特性比绝缘油和压缩空气更好。,灭弧方法,6,）多断口灭弧,将主触头设计为几对触头串联。相当于增加断口，每个断口电弧电压降低。,5,）窄缝灭弧法,电弧在固体介质所形成的窄沟内燃烧，将电弧冷却，同时电弧在狭缝窄沟中燃烧，压力增大，有利于电弧的熄灭。,灭弧方法,7,）短弧灭弧法,利用金属片将长弧切成若干短弧，则电弧上的压降将近似地增大若干倍。当外施电压小于电弧上的压降时，则电弧就不能维持而迅速熄灭。,通常采用钢灭弧栅，让电弧进入钢片，一是利用了电动力吹弧，二是利用了铁磁吸弧，同时钢片对电弧还有冷却作用。,灭弧方法,断路器,高压断路器,（,circuit-breaker,）,是带有强力灭弧装置的高压开关设备，是供配电系统中重要的开关设备。,能够开断和闭合正常线路与故障线路，主要用于供配电系统发生故障时与保护装置配合自动切断系统的短路电流。,高压断路器通常按照灭弧介质分类，主要有,:,多油断路器,少油断路器,真空断路器,SF,6,（六氟化硫）断路器,多油断路器,使用,油作为灭弧和绝缘介质,，箱内充油较多。,10KV,以下的多油断路器，三个触头都放在一个油箱中，,35KV,以上的，每相单独放在一个油箱内。,少油断路器,少油断路器有一个装在绝缘筒或不接地的金属筒中的较好的灭弧装置，筒中的,油只用作灭弧,。绝缘靠空气和瓷绝缘子实现。因此少油断路器用油量甚少。,断路器均压电容器,支持瓷套,灭弧装置,中间机构箱,底座,真空断路器,真空断路器，是把断路器的触头封闭在真空室中。采用,高真空,作为灭弧介质，其核心部件为真空灭弧室。,真空灭弧室内空气非常稀薄，其内气体几乎没有,游离,作用。触头在分离过程中能迅速灭弧，不会产生大的电弧。,动触杆,波纹管,动触头,屏蔽罩,真空断路器灭弧室如图所示，触头密封在真空灭弧室内，动、静触头分别焊接在动、静导电杆上，动触头借助波纹管实现密封。在机械机构的驱动作用下，动触头可在灭弧室内沿轴向移动，实现分合电路的作用。,真空灭弧室的结构,SF6,断路器,采用六氟化硫气体作为灭弧介质的断路器。,SF6,是一种化学性质稳定的惰性气体，正常状态下无色、无味、无毒、不燃、无老化现象。具有良好的绝缘和灭弧性能。,SF6,断路器具有开断能力强、断口电压高、噪音小、无火灾危险等优点。,SF6,在高温电弧的作用下分解的低氟化物剧毒，对断路器的加工工艺要求非常严格。,适用于,：地面高压、超高压电网。,SF6,断路器,隔离开关,主要功能是,隔离电源,，当它处于分闸状态时，有着明显的断口，使处于其后的高压母线、断路器等电力设备与电源或带电高压母线隔离，以,保障检修,工作的安全。由于不设灭弧装置，隔离开关一般不允许带负荷操作，即不允许接通和分断负荷电流。,可用来分合一定的小电流，如励磁电流不超过,2A,的空载变压器、电容电流不超过,5A,的空载线路、感性负荷电流不超过,5A,的用电设备以及电压互感器和避雷器等。,隔离开关的操作暨倒闸操作规定,由于隔离开关没有灭弧装置，只能切除相当小的电流，所以严禁带负荷进行分合闸操作。须严格遵守“倒闸操作”的规定。,倒闸操