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第二章负荷计算与无功功率补偿 第一节概述第二节三相用电设备组计算负荷的确定 重点 第三节单相用电设备组计算负荷的确定第四节尖峰电流的计算 重点 第五节无功功率补偿 重点 第六节供电系统的总计算负荷 重点 第七节供电系统的电能节约 第一节概述 一 计算负荷的概念 载流导体温升曲线 二 用电设备工作制及设备容量的计算 计算负荷是根据已知的用电设备容量按一定统计方法确定的 预期不变的最大假想负荷 作为按发热条件选择供电系统各元件的依据 1 长期连续运行工作制指工作时间内能达到稳定温升的用电设备 该类设备不允许过载运行 只允许短时过载 一 用电设备工作制 续上页 3 断续周期工作制指有规律性的 时而工作 时而停歇的用电设备 工作时间内也达不到稳定温升 允许过载运行 指工作时间很短 停歇时间相当长的用电设备 工作时间内达不到稳定温升 允许过载运行 断续周期工作制设备容量P与其负荷持续率 密切相关 对供电系统而言 按发热等效原则 同一周期内 求得其关系式 用负荷持续率表征其工作特性 二 设备容量的计算 长期连续工作制和短时工作制的设备容量Pe 就取所有设备 不含备用设备 的铭牌额定容量PN之和 2 短时运行工作制 续上页 则得 1 电焊机组要求设备容量统一换算到下 则 2 吊车电动机组当采用需要系数法计算负荷时 要求设备容量统一换算到下 则 当采用利用系数法计算负荷时 要求设备容量统一换算到下 三 负荷曲线 负荷曲线是表征电力负荷随时间变动情况的图形 一班制工厂日有功负荷曲线 绘制负荷曲线采用的时间间隔 t为30min 求确定计算负荷的有关系数 一般是依据用电设备组最大负荷工作班的负荷曲线 续上页 从发热等效的观点来看 计算负荷实际上与年最大负荷是基本相当的 所以计算负荷也可以认为就是年最大负荷 即Pc Pm P30 年负荷曲线 年最大负荷Pm 全年中有代表性的最大负荷班的半小时最大负荷 续上页 年平均负荷Pav 电力负荷在全年时间内平均耗用的功率 即 全年时间内耗用的电能 负荷曲线填充系数 亦称负荷率或负荷系数 即 四 确定计算负荷的系数 1 需要系数Kd需要系数定义为 设备容量 Kd值的相关因素 用电设备组中设备的负荷率 设备的平均效率 设备的同时利用系数 电源线路的效率 Kd值只能靠测量统计确定 利用系数定义为 2 利用系数Ku Ku可查附录表5 Pe 续上页 3 附加系数Ka Ka值与设备容量差别程度 设备台数和利用系数有关 为便于分析比较 从导体发热的角度出发 不同容量的用电设备需归算为同一容量的用电设备 于是可得到其等效台数neq为 附加系数定义为 根据利用系数Ku和等效台数neq查附录表6 可得到附加系数Ka值 续上页 年最大负荷利用小时数Tmax是假设电力负荷按年最大负荷Pm持续运行时 在此时间内电力负荷所耗用的电能恰与电力负荷全年实际耗用的电能相同 4 年最大负荷利用小时数 第二节三相用电设备组计算负荷的确定 一 单位容量法 在进行供电工程方案设计阶段 可采用单位容量法确定计算负荷 二 需要系数法 1 单位产品耗电量法 2 单位面积负荷密度法 一 一组用电设备的计算负荷 按需要系数法确定三相用电设备组计算负荷的基本公式为 有功计算负荷 kW 无功计算负荷 kvar 视在计算负荷 kVA 计算电流 A 例2 1 解此机床组电动机的总容量为 例2 1已知某机修车间的金属切削机床组 拥有电压380V的三相电动机22kW2台 7 5kW6台 4kW12台 1 5kW6台 试用需要系数法确定其计算负荷Pc Qc Sc和Ic 查附录表1 小批生产的金属冷加工机床电动机 项得Kd 0 2 cos 0 5 tan 1 73 因此可得 Pe 22kW 2 7 5kW 6 4kW 12 1 5kW 6 Pc KdPe 0 2 146kW 29 2kW 146kW 在确定低压干线上或低压母线上的计算负荷时 可结合具体情况对其有功和无功计算负荷计入一个同时系数K 续上页 注意 总的视在计算负荷和计算电流不能用各组的视在计算负荷或计算电流之和乘以K 来计算 二 多组三相用电设备的计算负荷 例2 2某380V线路上 接有水泵电动机 15kW以下 30台共205kW 另有通风机25台共45kW 电焊机3台共10 5kW 65 试确定线路上总的计算负荷 例2 2 解先求各组用电设备的计算负荷 Qc1 Pc1tan 164kW 0 75 123kvar 1 水泵电动机组查附录表1得Kd 0 7 0 8 取0 8 cos 0 8 tan 0 75 因此 2 通风机组查附录表1得Kd 0 7 0 8 取0 8 cos 0 8 tan 0 75 因此 Pc2 0 8 45kW 36kWQc2 36kW 0 75 27kvar Pc1 Kd1Pe1 0 8 205kW 164kW 续上页 3 电焊机组查附录表1得Kd 0 35 cos 0 35 tan 2 68 Pc3 0 35 8 46kW 2 96kW Pc 0 95 164 36 2 96 kW 192 81kWQc 0 97 123 27 7 94 kvar 153 20kvar 总计算负荷 取K p 0 95 K q 0 97 为 Sc 246 26kVAIc 246 26kVA 0 38kV 374 2A Qc3 2 96kW 2 68 7 94kvar 在 100 下的设备容量 Pe 10 5 8 46kW 三 利用系数法 1 求用电设备组在最大负荷班的平均负荷 2 求平均利用系数及等效设备台数 3 根据Ku与neq查附录表6 得出附加系数Ka 4 利用下列公式求出总计算负荷 例2 3已知某机修车间的金属切削机床组 拥有电压380V的三相电动机22kW2台 7 5kW6台 4kW12台 1 5kW6台 试用利用系数法来确定机床组的计算负荷 例2 3 解1 用电设备组在最大负荷班的平均负荷 Qav Pavtan 机床电动机查附录表5得Ku 0 12 tan 1 73 因此 2 平均利用系数 因只有1组用电设备 故Ku av Ku 0 12 Pav KuPe 3 用电设备的有效台数 取14 0 12 146kW 17 52kW 17 52kW 1 73 30 34kvar 续上页 4 计算负荷及计算电流 利用Ku av 0 12及neq 14查附录表6 通过插值求得Ka 2 2 17 52kW 35 04kW 2 30 34kvar 60 68kvar 第三节单相用电设备组计算负荷的确定 如果单相设备容量超过三相设备容量15 时 则应将单相设备容量换算为等效三相设备容量 再进行负荷计算 1 接于相电压的单相设备容量换算 2 接于同一线电压的单相设备容量换算 3 单相设备接于不同线电压时的负荷计算 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 分相计算各相的设备容量 并按需要系数法计算其计算负荷 总的等效三相计算负荷为其最大有功负荷相的计算负荷的3倍 4 单相设备分别接于线电压和相电压时的负荷计算 第四节尖峰电流的计算 尖峰电流是持续1 2S的短时最大负荷电流 一 单台用电设备的尖峰电流二 多台用电设备的尖峰电流式中 和分别为用电设备中起动电流与额定电流之差为最大的那台设备的起动电流和它的起动电流与额定电流之差 为将为最大的那台设备除外的其他n l台设备的额定电流之和 为上述n l台设备的综合系数 又称同时系数 按台数多少选取 一般为0 7 l 为全部设备投入运行时线路的计算电流 第四节尖峰电流的计算 尖峰电流是持续1 2S的短时最大负荷电流 一 单台用电设备的尖峰电流二 多台用电设备的尖峰电流 式中 和分别为用电设备中起动电流与额定电流之差为最大的那台设备的起动电流和它的起动电流与额定电流之差 为将为最大的那台设备除外的其他n l台设备的额定电流之和 为上述n l台设备的综合系数 又称同时系数 按台数多少选取 一般为0 7 l 为全部设备投入运行时线路的计算电流 第五节无功功率补偿 一 功率因数定义 1 瞬时功率因数 监测负荷用 2 平均功率因数 调整电费用 3 最大负荷时的功率因数 确定需要无功补偿容量用 二 无功补偿容量的确定 QN C Qc Qc Pc tan tan 稳态无功功率补偿设备 主要有同步补偿机和并联电容器 自愈式 三 无功补偿装置的选择 低压并联电容器装置根据负荷变化相应自动循环投切的电容器组数 在无功补偿容量QN C确定后可根据选定的单组容量qNC来选择 动态无功功率补偿设备 SVC 用于急剧变动的冲击负荷如炼钢电弧炉 轧钢机等的无功补偿 四 无功补偿装置的装设位置 在用户供电系统中 有三种方式 高压集中补偿 低压集中补偿和分散就地补偿 个别补偿 例2 3某用户10kV变电所低压计算负荷为800kW 580kvar 若欲使低压侧功率因数达到0 92 则需在低压侧进行补偿的并联电容器无功自动补偿装置容量是多少 并选择电容器组数及每组容量 例2 3 解 1 求补偿前的视在计算负荷及功率因数 2 确定无功补偿容量 800 tanarccos0 810 tanarccos0 92 238 4kvar 续上页 3 选择电容器组数及每组容量 初选BSMJ0 4 20 3型自愈式并联电容器 每组容量qN C 20kvar 取12组 补偿后的视在计算负荷 减少118 8kVA 第六节供电系统的总计算负荷 一 供电系统的功率损耗 一 电力线路的功率损耗 有功损耗 kW 无功损耗 kvar 二 电力变压器的功率损耗 有功损耗 无功损耗 简化公式 PT 0 01Sc QT 0 05Sc 如下图 变电所低压母线的视在计算负荷为 变电所高压侧计算负荷为低压母线的计算负荷加上变压器的损耗 即 Pc 1 Pc 2 PT Qc 1 Q c 2 QT 二 供电系统的总计算负荷 一般采用逐级计算法由用电设备处逐步向电源进线侧计算 各级计算点的选取 一般为各级配电箱 屏 的出线和进线 变电所低压出线 变压器低压母线 高压进线等处 例2 4某工厂有一个35 10kV总降压变电所 分别供电给1 4 车间变电所及4台冷却水泵用的高压电动机 PN 4 300kW Kd 0 8 cos 0 8 10kV母线上接有2700kvar无功补偿电容器组 已知1 4 车间变电所10kV侧计算负荷分别为 1 为1430kW j1230kvar 2 为1350kW j1200kvar 3 为1260kW j1030kvar 4 为960kW j750kvar 试计算该总降压变电所35kV侧计算负荷及功率因数大小 取K 0 9 例2 4 解 1 求10kV母线计算负荷 1 车间变电所Pc1 1430kW Qc1 1230kvar2 车间变电所Pc2 1350kW Qc2 1200kvar3 车间变电所Pc3 1260kW Qc3 1030kvar4 车间变电所Pc4 960kW Qc4 750kvar 高压电动机组Pc5 KdPN 0 8 4 300kW 960kWQc5 Pc5tan 960 0 75 720kvar 10kV母线计算负荷 0 9 1430 1350 1260 960 960 5364kW 续上页 2 求35kV侧计算负荷 变压器损耗 PT 0 01Sc 0 01 5638 56 38kW QT 0 05Sc 0 05 5638 281 9kvar 0 9 1230 1200 1030 750 720 2700 1737kvar 35kV侧计算负荷Pc 1 Pc 2 PT 5364 56 38 5420 4kWQc 1 Qc 2 QT 1737 281 9 2018 9kvar 第七节供电系统的电能节约 一 年电能需要量的计算 年有功电能消耗量 kWh Wp PcTa 取0 7 0 75 二 供电系统的电能损耗 变压器全年电能损耗为 Wa Wa1 Wa2 P0 8760 PkKL2 年无功电能消耗量 kvarh Wq QcTa 取0 76 0 82 线路上全年电能损耗为 Wa 3I2cRWL 年最大负荷损耗小时 与年最大负荷利用小时Tmax有一定关系 如图所示 续上页 用户供电系统的电能节约主要从降低用电设备的能耗和供电系统的能耗两方面着手 提高能源利用率 三 电能节约的技术措施 供电系统的能耗主要为变压器及线路的能耗 可采取 选用高效节能变压器 更新淘汰低效高耗能产品 合理选择电力变压器容量及数量 实行经济运行方式 改造现有不合理的供配电系统 降低线路损耗 改善系统功率因数 进一步降低系统功率损耗 用电设备的能耗可下述技术措施降低 通过改造原有的设备 提高效率及性能 采用新技术 选用高效节能设备 改进操作方法 改革落后的生产工艺 提高设备的运行维护检修水平等 一 电能节约的一般措施 续上页 1 单台变压器的经济运行 二 电力变压器的经济运行 变压器经济运行的条件是 传输单位kVA负荷所消耗的有功功率损耗归算值最小 2 两台变压器的经济运行 本章小结 本章是分析供电系统和进行供电设计计算的基础 本章首先简介了负荷计算的有关基本知识 然后着重讲述了用电设备组计算负荷的确定方法 介绍线路尖峰电流的计算 接着讲述了供电系统无功补偿 总计算负荷的确定及电能节约 本章重点 三相用电设备组计算负荷的确定方法 尖峰电流的计算方法 无功功率补偿容量的确定与无功功率补偿装置的选择 供电系统的总计算负荷确定方法 本章难点 利用系数法确定三相用电设备组的计算负荷 教学基本要求 了解单相用电设备组计算负荷的确定方法 电能节约的技术措施 理解用电设备工作制 确定计算负荷的系数 掌握三相用电设备组计算负荷的确定方法 尖峰电流的计算方法 无功功率补偿容量的确定与无功功率补偿装置的选择 供电系统的总计算负荷确定方法 习题 1 某380V线路供电给下表示的4台电动机 试计算该线路的尖峰电流 K 0 9 2 用户的有功计算负荷2400kw 功率因数0 65 拟在用户变电所10kv母线上装设BWF10 5 30 1型并联电容器 使用户功率因数提高到0 90 问需装多少个电容器 装设后用户的视在计算负荷 比未装设时的视在计算负荷减少多少 3 某降压变电所装有一台Yyn0联结的S9 800 10型主变 其380v侧有功计算负荷420kw 无功计算负荷350kvar 试求其一次侧的计算负荷及其功率因数 如果功率因数未达0 90 问此变电所低压母线上需装设多少并联电容器容量才能达到要求 习题 PT 0 01Sc QT 0 05Sc