负荷计算及无功补偿.ppt

第3章 负荷计算及无功补偿,3.1 电力负荷与负荷曲线 3.2 三相用电设备组计算负荷的确定 3.3 单相用电设备组计算负荷的确定 3.4 用户计算负荷及年耗电量的计算 3.5 尖峰电流及其计算,3.1电力负荷与负荷曲线,3.1.1 电力负荷的分级及其对供电电源的要求 电力负荷既可指用电设备或用电单位，也可指用电设备或用电单位所耗用的电功率或电流。 根据电力负荷对供电可靠性的要求及中断供电在政治、经济上所造成损失或影响的程度，分为以下三级： 1、一级负荷 2、二级负荷 3、三级负荷,3.1.2 电力负荷的类别 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（短暂工作制） （3）断续运行工作制（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，在工作时间内，用电设备的温升尚未达到该负荷下的稳定值即停歇冷却，在停歇时间内其温度又降低为周围介质的温度，这是短暂工作的特点。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。,断续运行工作制（重复短暂工作制） 用电设备以断续方式反复进行工作，其工作时间（t）与停歇时间（t0）相互交替。工作时间内设备温度升高，停歇时间温度又下降，若干周期后，达到一个稳定的波动状态。如电焊机和吊车电动机等。断续周期工作制的设备，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： 式中 t，t0工作时间与停歇时间，两者之和为工作周期T。,3.1.3 用电设备额定容量的计算 在每台用电设备的铭牌上都有“额定功率”PN，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“设备额定容量”，用Pe表示。,3.1.4 负荷曲线 负荷曲线（load curve）是指用于表达电力负荷随时间变化情况的函数曲线。在直角坐标系中，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）。,1负荷曲线的分类 按负荷的功率性质分： 可分为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： 可分为日负荷、月负荷和年负荷曲线。,2年最大负荷和年最大负荷利用小时数 （1）年最大负荷Pmax 年最大负荷Pmax就是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，因此年最大负荷也称为半小时最大负荷P30。 （2）年最大负荷利用小时数Tmax 年最大负荷利用小时数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。,下图为某厂年有功负荷曲线，此曲线上最大负荷Pmax就是年最大负荷，Tmax为年最大负荷利用小时数。,3.平均负荷Pav 平均负荷Pav，就是电力负荷在一定时间t内平均消耗的功率，也就是电力负荷在该时间内消耗的电能W除以时间t的值，即Pav=W/t 年平均负荷为Pav=Wa/8760,3.2 三相用电设备组计算负荷的确定 3.2.1计算负荷（calculated load） 通常将以半小时平均负荷为依据所绘制的负荷曲线上的“最大负荷”称为计算负荷，并把它作为按发热条件选择电气设备的依据，用Pca(Qca、Sca、Ica)或P30(Q30、S30、I30)表示。,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为10min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 3=31030（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。,负荷计算的意义和目的： 负荷计算主要是确定计算负荷，如前所述，若根据计算负荷选择导体及电器，则在实际运行中导体及电器的最高温升不会超过允许值。 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。,3.2.2 需要系数法 需要系数考虑了以下的主要因素： 式中 K同时使用系数，为在最大负荷工作班某组工作着的用电设备容量与接于线路中全部用电设备总额定容量之比； 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； wl线路供电效率； 用电设备组在实际运行功率时的平均效率。,实际上，上述系数对于成组用电设备是很难确定的，而且对一个生产企业或车间来说，生产性质,工艺特点，加工条件，技术管理和劳动组织以及工人操作水平等因素，都对Kd有影响。所以Kd只能靠测量统计确定,见附录表10。上述各种因素可供设计人员在变动的系数范围内选用时参考。,1. 用电设备组的计算负荷 （1）有功计算负荷：P30=KdPe Kd用电设备组的需要系数，见附录表10； 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：Q30=Pca2tanwm tanwm值见附录表10。 （3）视在计算负荷： （4）视在计算电流：,Pe的计算方法： （1）长期工作制和短时工作制的设备容量 Pe=PN （2）重复短暂工作制的设备容量 吊车机组用电动机（包括电葫芦、起重机、行车等 ）的设备容量统一换算到=25%时的额定功率（kW），若其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容量统一换算到100%时的额定功率（kW）。若其铭牌暂载率N不等于100%时，应进行换算，公式为:,2多组用电设备计算负荷的确定 （1）总有功计算负荷：P30pP30.i （2）总无功计算负荷：Q30qQ30.i （3）总视在计算负荷： P30.i、Q30.i各用电设备组的有功、无功计算负荷的总和 p，q综合系数。 对车间干线可取p=0.850.95，q=0.900.97； 对低压母线可取p=0.800.90，q=0.850.95。,例3.2.1 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4个共6kW（FCN =40%）试求计算负荷。,解： 冷加工电动机组： 查附录表10可得Kd=0.160.2（取0.2），cos=0.5，tan=1.73，因此 Pca(1)=KdPe=0.250 =10(kW) Qca(1)= P ca(1)tanwm=101.73=17.3 (kvar) Sca(1)= P ca(1)/coswm=10/0.5=20(kVA),通风机组： 查附录表3可得Kd=0.70.8（取0.8），cos=0.8，tan=0.75，因此 Pca(2)=KdPe=0.85 =4(kW) Qca(2)= P ca(2)tanwm=40.75=3 (kvar) Sca(2)= P ca(2)/coswm=4/0.8=5(kVA),电葫芦：由于是单台设备，可取Kd=1，查附录表3可得cos=0.5，tan=1.73，因此 Pca(3)= Pe=3.79 =3.79(kW) Qca(3)= Pca(3)tanwm=3.791.73= 6.56(kvar) Sca(3)= Pca(3)/coswm=3.79/0.5=7.58(kVA),取同时系数为0.9，因此总计算负荷为 Pca()Pca=0.9（10+4+3.79）=16.01(kW) Qca()Qca=0.9（17.3+3+6.56）=24.17(kW),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。,3.2.3 二项式法,1、基本公式：,Pe:用电设备组总容量,其计算方法与需要系数法一致 Px：X台最大容量的设备总容量 b、c为二项式系数，见附表10,2、多组用电设备计算负荷的确定,考虑各组用电设备的最大负荷不同时出现的因素在各组用电设备中取其中一组最大的附加负荷（cPx）max，再加各组的平均负荷bPe。 其计算公式为：,3.3 单相用电设备组计算负荷的确定 当有多台单相用电设备时，应将它们均匀地分接到三相上，力求减少三相负载不对称情况。设计规程规定，在计算范围内，单相用电设备的总容量如不超过三相用电设备总容量的15%时，可按三相对称分配考虑，如单相用电设备不对称容量大于三相用电设备总容量的15%时，则设备容量Pe 应按三倍最大相负荷的原则进行换算。,设备接于相电压或线电压时，设备容量Pe的计算如下： 单相设备接于相电压时 Pe3Pem 式中 Pe等效三相设备容量； Pem最大负荷所接的单相设备容量。 单相设备接于线电压时 式中 Pel接于同一线电压的单相设备容量。,单相设备分别接于线电压和相电压时的等效三相负荷计算,先将接于线电压的设备换算到接于相电压的设备容量，然后分相计算各相设备容量和计算负荷，计算公式如下：,等换算系数可查表23,总的等效三相计算负荷为：,其中,3.4 用户计算负荷及年耗电量的计算,3.4.1 供配电系统的功率损耗计算 在确定各用电设备组的计算负荷后， 如果要确定整个用户如一个企业或一个车 间的计算负荷，就需要逐级计入有关线路 和变压器的功率损耗，如图所示。 因此，需要计算线路和变压器的功率 损耗。,1、线路的功率损耗计算 在实际工作中，常根据计算负荷来求线路的功率损耗，即最大功率损耗，故三相线路的有功功率损耗PL和无功功率损耗QL可分别按下式计算： 式中 Ica线路中的计算电流，A； R线路每相电阻，等于单位长度的电阻R0乘以长度L； X线路每相电抗，等于单位长度的电抗X0乘以长度L。,上式如用线路的计算功率Pca、Qca及Sca表示时，则 式中 UN三相供电线路的额定电压，kV。,2、 变压器的功率损耗计算 变压器的功率损耗包括有功功率损耗PT和无功功率损耗QT。 变压器的有功功率损耗由两部分组成： 一部分是变压器在额定电压UN时不变的空载损耗P0，也就是铁损PFe；另一部分是随负荷而变化的绕组损耗，即有载损耗Pl，也就是铜损PCu。变压器的短路损耗Pk可认为是额定电流下的铜损PCuN。,由于有载损耗与变压器负荷电流的平方成正比，所以变压器在计算负荷Sca下的有功功率损耗PT为： 式中 Sca变压器低压侧的计算负荷，kVA； SNT变压器额定容量，kVA； P0变压器空载有功损耗，kW； Pk变压器有功短路损耗，kW。,变压器的无功功率损耗也由两部分组成： 一部分是变压器空载时不变的无功损耗Q0，另一部分是随着变压器负荷而变化在绕组中产生的无功损耗。所以变压器在计算负荷Sca下的无功功率损耗QT为： 式中 变压器空载时的无功损耗，kvar； 变压器额定负荷时的无功损耗，kvar； 变压器空载电流的百分值； 变压器阻抗电压的百分值。,3.4.2 用户计算负荷的确定,用户计算负荷是选择用户电源进线及其中一、二次设备的基本依据，也是计算用户功率因数和用户用电容量的基本依据。,2、按需要系数法确定用户的计算负荷,附表12列出了部分企业的需要系数、功率因数及年最大 负荷利用小时值，供参考。,1、按逐级计算法确定用户的计算负荷,计算负荷加上各级损耗进行计算,4、按年产量估算用户的计算负荷,式中 B为工厂的年产量；b为单位产品耗电量。,3、按负荷密度法估算用户的计算负荷,式中 A为建筑面积；a为用户的平均负荷密度，可由有关设计手册查得。,5、 用户的无功功率补偿及补偿后的用户计算负荷 按供电营业规则规定：用户在当地供电企业规定的电网高峰负荷时的功率因数，应达到下列规定：100千伏安及以上高压供电的用户功率因数为0.90以上。其他电力用户和大、中型电力排灌站，功率因数为0.85以上。农业用电，功率因数为0.80及以上。这里所指的功率因数，即为最大负荷时功率因数。 如达不到规定的功率因数要求时，必须考虑进行无功功率的人工补偿。,功率因数对供电系统的影响 （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）使电力系统内的电气设备容量不能充分利用。 综上可知,电力系统功率因数的高低是十分重要的问题，因此，必须设法提高电力网中各种有关部分的功率因数。目前供电部门实行按功率因数征收电费，因此功率因数的高低也是供电系统的一项重要的经济指标。,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。 电力电容器的补偿容量可用下式确定 Qc=Pav（tan1-tan2）=Pca（tan1-tan2） 式中：Pca最大有功计算负荷，kW； 月平均有功负荷系数； tan1、tan2补偿前、后平均功率因数角的正切值。,在确定总补偿容量Qc之后，就可根据所选并联电容器单只容量Qc1决定并联电容器的个数： n=Qc/Qc1 由上式计算所得的数值对三相电容器应取相近偏大的整数。若为单相电容器,则应取3的整数倍,以便三相均衡分配。,例3.4.1 某工厂的计算负荷为2400kW，平均功率因数为0.67。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BWF-10.5-40-1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=0.75）,解 tan1=tan(arccos0.67)=1.108 tan2=tan(arccos0.9)=0.484 Qc=Pav（tan1-tan2） =0.752400(1.108-0.484)=1122.66(kvar) n= Qc / Qc1=1122.66/4030(个)，每相装设10个。 此时的实际补偿容量为3040=1200(kvar)，所以补偿后实际平均功率因数为,3.4.3 用户供配电系统的电能损耗计算 1线