供电工程第二章 负荷计算与无功功率补偿1

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。0100%ttt工作时间停歇时间指工作时间很短，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ε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。1P2.短时运行工作制续上页NNePP规定负荷持续率25％或100％铭牌负荷持续率铭牌容量等效容量则得：（1）电焊机组要求设备容量统一换算到下,则100%NeNNNNN100cosPPPS（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25%NeNNN252PPP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。100%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。042200400148610121816202224800600P/kWt/h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P/kW876080006000400020000t/h200400600800Pm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08760年负荷曲线Pt/hPmPavaav8760WP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avmPP四、确定计算负荷的系数1.需要系数Kd需要系数定义为：mdePKP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KuavuePKPKu可查附录表5Pe0.38kVMMMPm续上页3.附加系数KamaavPKP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：2e.i2e.ieqeqPPnn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。2e.ieq2e.iPnP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。amaxmWTP4.年最大负荷利用小时数08760年负荷曲线PmPt/hTmax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cctanPQcmdePPKPcccosPSccN3SIU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、cosφ＝0.5、tanφ＝1.73。因此可得Pe＝＝22kW×2＋7.5kW×6＋4kW×12＋1.5kW×6N.iPPc=KdPe＝0.2×146kW=29.2kWcctan=29.2kW1.73=50.52kvarQPcc29.2kW58.4kVAcos0.5PSccN58.4kVA88.73A330.38kVSIU=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cpc.iPKPcqc.iQKQ22cccSPQccN3SIU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0.38kVPc,QcSc,IcPc1,Qc1Pc2,Qc2Pci,Qci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（ε=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＝Pc1tanφ＝164kW×0.75=123kvar1．水泵电动机组查附录表1得Kd=0.7~0.8(取0.8），cosφ＝0.8，tanφ＝0.75，因此2.通风机组查附录表1得Kd=0.7~0.8（取0.8），cosφ=0.8,tanφ=0.75,因此Pc2=0.8×45kW=36kWQc2=36kW×0.75=27kvarPc1=Kd1Pe1＝0.8×205kW=164kW续上页3.电焊机组查附录表1得Kd=0.35，cosφ=0.35，tanφ=2.68。Pc3=0.35×8.46kW=2.96kWPc＝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)=374.2A22192.81153.203Qc3=2.96kW×2.68=7.94kvar65%100%在ε＝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：av.iu.ie.iPKPav.iav.iitanQPav.iue.iPKP2e.ieq2e.iPnPcaav.iPKPcaav.iQKQ22cccSPQccN3SIU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＝Pavtanφ机床电动机查附录表5得Ku=0.12，tanφ=1.73,因此2.平均利用系数因只有1组用电设备，故Ku.av＝Ku＝0.12Pav=KuPe3．用电设备的有效台数22e.ieq22222e.i14614.12227.564121.56PnP（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。caav.iPKP＝2×17.52kW＝35.04kWcaav.iQKQ＝2×30.34kvar＝60.68kvar22cccSPQ2235.0460.68kVA=70.07kVA＝ccN3SIU70.07kVA106.46A30.38kV＝＝a0.120.1(1.852.1)2.120.150.1K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ee.m3PP2.接于同一线电压的单相设备容量换算ee.3PP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e12=3+(3-3)PPPe1122=3tan(3-3)tanQPP第四节尖峰电流的计算尖峰电流是指只持续1～2s的短时最大负荷电流，它用来计算电压波动、选择熔断器和低压断路器及整定继电保护装置等。单台用电设备（如电动机）的尖峰电流Ipk，就是其起动电流Ist，即接有多台用电设备的线路，只考虑一台设备起动时的尖峰电流，按下列公式计算式中，Ist.max为起动电流最大的一台设备的起动电流；Ic(n-1)为除起动设备以外的线路计算电流。Ipk＝Ist＝kstIN.Mpkst.maxc(n-1)III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。cos3PPSUI2．平均功率因数调整电费用。pav22pqcos3．最大负荷时的功率因数确定需要无功补偿容量用。cccosPSSCSCPCQCQC二、无功补偿容量的确定QN.C=Qc－Qc’＝Pc(tanφ-tanφ’)QN.C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：N.CN.CQnq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）。M1C分散就地补偿2C3C6~10kV0.38kV高压集中补偿高压集中补偿的补偿区低压集中补偿的补偿区分散就地补偿的补偿区未补偿区未补偿区未补偿区低压集中补偿例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)2222ccc800580kVA988.1kVASPQcc800kWcos0.810988.1kVAPSNCc(tantan')QP＝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。NCNC238.4kvar11.9220kvarQnq取12组2222cccNC()800(580240)869.3kVASPQQ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23WL310cPIR23WL310cQIXX=x0lR=r0l22ccTFecu