工厂供电——第二章电力负荷及其计算1.ppt

工厂供电,武汉理工大学自动化学院,工厂供电,绪论------工厂供电及电力系统的基本知识电力负荷及其计算短路电流及其计算工厂变配电所及其一次系统工厂电力线路工厂供电系统的过电流保护实验,工厂供电,第二章电力负荷及其计算,第二节三相用电设备组计算负荷的确定,第一节电力负荷与负荷曲线的有关概念,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,第二章电力负荷及其计算,第五节尖峰电流及其计算,第四节工厂的计算负荷和年耗电量,第三节工厂供电系统的功率损耗和电能损耗,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,第一节电力负荷与负荷曲线的有关概念,电力负荷的分级及其对供电的要求用电设备的工作制负荷曲线及有关的物理量,一.电力负荷的分级及其对供电电源的要求,1、电力负荷的概念电力负荷（electricpowerload）又称电力负载，有两种含义1.电力负荷指耗用电能的用电设备或用电单位（用户），如说重要负荷、动力负荷、照明负荷等。2.电力负荷指用电设备或用电单位所耗用的电功率或电流大小，如说轻负荷（轻载）、重负荷（重载）、空负荷（空载、无载）、满负荷（满载）等。,2、电力负荷的分级及其对供电的要求电力负荷根据其对供电可靠性的要求及其中断供电造成的损失或影响分为三级1．一级负荷中断供电将造成人身伤亡，重大设备损坏，重大产品报废，或在政治、经济上造成重大损失。供电方式由两个独立电源供电。2．二级负荷中断供电将造成主要设备损坏，大量产品报废，重点企业大量减产，或在政治、经济上造成较大损失。供电方式由双回路供电。3．三级负荷所有不属于一、二级负荷的电力负荷。供电方式对供电电源无特殊要求。,二、用电设备的工作制,1．连续运行工作制（长期工作制）,2．短时运行工作制（短时工作制）,3．断续周期工作制（反复短时工作制）,暂载率（负荷持续率）指设备工作时间与工作周期的百分比值，即,吊车标准暂载率有15、25、40和60四种,电焊机标准暂载率有50、65、75和100四种,吊车电动机组（包括电葫芦、起重机、行车等）的设备容量指统一换算到ε25时的额定功率（kW），即,,,∴,电焊机及电焊变压器的设备容量指统一换算到ε100时的额定功率（kW），即,,负荷曲线（loadcurve）是表征电力负荷随时间变动情况的一种图形。1．负荷曲线的分类,按性质分有功负荷曲线和无功负荷曲线按负荷持续时间分日负荷曲线、月负荷曲线和年负荷曲线按计量地点可分个别用户、电力线路、变电所、发电厂以至整个系统的负荷曲线。将上述三种特征相结合，就确定了某一种特定的负荷曲线。,三、负荷曲线,年负荷曲线年最大负荷曲线或称运行年负荷曲线。,图2-2年最大负荷曲线,2．负荷曲线的绘制日负荷曲线逐点描绘法、梯形曲线法,取冬季为213天，夏季为152天，则图中功率P1所占时间为,,图2-3全年时间负荷曲线的绘制a）夏季典型日负荷曲线b）冬季典型日负荷曲线c）全年时间负荷曲线,全年时间负荷曲线（图2-3）或称年负荷持续曲线。,,四、与负荷曲线有关的物理量,1．年最大负荷和年最大负荷利用小时数,年最大负荷Pmax指全年中消耗电能最多的半小时的平均功率，即,年最大负荷利用小时数Tmax在此时间内，用户以年最大负荷持续运行所消耗的电能恰好等于全年实际消耗的电能，如图2-4所示。,可见年负荷曲线越平坦，Tmax越大；年负荷曲线越陡，Tmax越小。,图2-4年最大负荷与年最大负荷利用小时数,2．平均负荷与负荷系数,平均负荷Pav电力负荷在一定时间t内平均消耗的功率，即,负荷系数KL平均负荷与最大负荷的比值，即,年平均负荷为（图2-5）,,KL越大，负荷曲线越平坦，负荷波动越小。,图2-5年平均负荷,第二节三相用电设备组计算负荷的确定,概述按需要系数法确定计算负荷按二项式法确定计算负荷,通过负荷的统计计算求出的、用以按发热条件选择导体和电气设备的一个假想的持续负荷值，称为计算负荷，用Pc（或Qc、Sc、Ic）表示。,1、计算负荷的意义,通常把根据半小时平均负荷所绘制的负荷曲线上的“最大负荷”称为计算负荷，并作为按发热条件选择电气设备的依据，因此,一般中小截面导体的发热时间常数τ为10min以上，而导体通过电流达到稳定温升的时间大约为3τ～4τ，即载流导体大约经半小时（30min）后可达到稳定温升值,一、概述,2、确定计算负荷的系数,3．二项式系数b、c。,,,1．需要系数Kd负荷曲线中的最大有功计算负荷Pmax与全部用电设备额定功率之比值，即,2．利用系数Ku负荷曲线中的平均计算负荷Pav与全部用电设备额定功率之比值，即,1、概述,求计算负荷的方法有需要系数法、二项式系数法、利用系数法和单位产品耗电量法等。,2、按需要系数确定计算负荷,1．设备容量Pe的确定,对长期工作制的用电设备,对反复短时工作制的用电设备其设备容量是指换算到统一暂载率下的额定功率。,二、按需要系数法确定计算负荷,折算方法按同一周期等效发热条件进行换算。,吊车电动机组（包括电葫芦、起重机、行车等）的设备容量指统一换算到ε25时的额定功率（kW），即,,,∴,电焊机及电焊变压器的设备容量指统一换算到ε100时的额定功率（kW），即,,照明设备的设备容量,白炽灯、碘钨灯的设备容量等于灯泡上标注的额定功率；荧光灯应考虑镇流器中的功率损失（约为灯泡功率的20），其设备容量应为灯管额定功率的1.2倍；高压水银荧光灯和金属卤化物灯也应考虑镇流器中的功率损失（约为灯泡功率的10），其设备容量可取灯管额定功率的1.1倍。,单相负荷的设备容量,当单相用电设备的总容量不超过三相用电设备总容量的15时，其设备容量可直接按三相平衡负荷考虑；当超过15时，应将其换算为等效的三相设备容量，再同三相用电设备一起进行三相负荷计算。换算方法如下,,单相设备接于相电压时,,单相设备接于同一线电压时,式中，为等效三相设备容量（kW）；为最大负荷相所接的单相设备容量（kW）。,式中，为接于同一线电压的单相设备容量（kW）。,一般情况应先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，换算公式如下,A相,,,B相,C相,,然后分相计算各相的设备容量，则最大负荷相的3倍即为总的等效三相设备容量。,表2-3相间负荷换算为相负荷的功率换算系数,图2-8例2-5的电路,2．单台用电设备的计算负荷,,对长期连续工作的单台用电设备,,对需要计及效率的单台用电设备（如电动机）,3．用电设备组的计算负荷,式中，P30、Q30、S30的单位分别为kW、kvar、kVA；Kd为需要系数，查书中附录表1。,确定用电设备组的计算负荷时，应考虑以下几种因素,,各用电设备因工作情况不同，可能不同时工作，因此应考虑一个同时使用系数;,,各用电设备在工作时，不一定全部在满负荷下运行，因此应考虑一个负荷系数;,各用电设备的平均效率;,线路的供电效率。,,因此，用电设备组的计算负荷为,二、按需要系数法确定计算负荷,2．多个用电设备组的计算负荷,,,式中，为同时系数，查书中表2-5。,当车间配电干线上有多组用电设备时，各组用电设备的最大负荷不同时出现，此时应计入一个同时系数。,对车间干线取,例2-1已知某机修车间的金属切削机床组，拥有电压为380V的三相电动机7.5kW3台,4kW8台,3kW17台,1.5kW10台。试求其计算负荷。解此机床组电动机的总容量为查附录表1中“小批生产的金属冷加工机床电动机”项，得（取0.2）,,因此可求得有功计算负荷无功计算负荷视在计算负荷计算电流,例2-2某机修车间380V线路上，接有金属切削机床电动机20台共50kW其中较大容量电动机有7.5kW1台,4kW3台,2.2kW7台,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。解先求各组的计算负荷1.金属切削机床组查附录表1，取故2.通风机组查附录表1，取故,因此380V线路上的总计算负荷为（取）在供电工程设计说明书中，为了使人一目了然，便于审核，常采用计算表格的形式，如表2-1所示。,3.电阻炉查附录表1，取,故,表2-1例2-2的电力负荷计算表（按需要系数法）,三、按二项式法确定计算负荷1、二项式法的基本公式,式中，b、c为二项式系数，查书中附录表1；为由x台容量最大用电设备投入运行时增加的附加负荷（kW）；为该用电设备组的平均负荷（kW）。,比较例2-1和例2-3的计算结果可以看出，按二项式法计算的结果比按需要系数法计算的结果稍大，特别是在设备台数较少的情况下。供电设计的经验说明，选择低压分支干线时，按需要系数法计算的结果往往偏小，以采用二项式法计算为宜。我国建筑行业标准JGJ/T16-1992民用建筑电气设计规范也规定“用电设备台数较少、各台设备容量相差悬殊时，宜采用二项式法。”,例2-3试用二项式法来确定例2-1所示机床组的计算负荷。解由附录表1查得。而设备总容量为X台最大容量的设备容量为可求得其有功计算负荷为可求得其无功计算负荷为可求得其视在计算负荷为可求得其计算电流为,2、对不同工作制的多组用电设备,,,,,式中，为各用电设备组附加负荷中的最大值；为各用电设备组平均负荷的总和；为与对应的功率因数角的正切值；为各用电设备组对应的功率因数的正切值。,例2-4试用二项式法确定例2-2所述机修车间380V线路的计算负荷。解先求各组的bPe和cPx1金属切削机床组查附录表1，取故2通风机组查附录表1，取故3电阻炉查附录表1，取故,以上各组设备中，附加负荷以cPx1为最大，因此总计算负荷为在供电工程设计说明书中，以上计算可列成表2-2所示电力负荷计算表。,第四节工厂供电系统的功率损耗和电能损耗,工厂供电系统的功率损耗工厂供电系统的电能损耗,图2-9工厂供电系统中各部分的计算负荷和功率损耗（只示出有功部分）,一、工厂供电系统的功率损耗,在确定各用电设备组的计算负荷后，如果要确定车间或工厂的计算负荷，就需要逐级计入有关线路和变压器的功率损耗，如图2-9所示。例如要确定车间变电所低压配电线WL2首端的计算负荷P304，就应将其末端计算负荷P305加上线路损耗ΔPWL2（无功计算负荷则应加上无功损耗）。如果要确定高压配电线WL1首端的计算负荷P302，就应将车间变电所低压侧计算负荷P303加上变压器T的损耗ΔPT，再加上高压配电线WL1的功率损耗ΔPWL1。,一、功率损耗,1．线路的功率损耗,,可查附录表,几何均距，是指三相线路各相导线之间距离的几何平均值。如图2-10a所示A、B、C三相线路，其线间几何均距为,导线为等边三角形排列如果导线为水平排列,图2-10三相线路的线间距离a）一般情况b）等边三角形排列c）水平等距排列,２．变压器的功率损耗,铁心中的有功功率损耗，即铁损当外加电压和频率不变时，是固定不变的，与负荷大小无关不变损耗。,变压器的空载损耗可认为就是铁耗，即,变压器的有功功率损耗,消耗在一、二次线圈电阻上的有功功率损耗，即铜耗与负荷电流（或功率）的平方成正比。可变损耗,变压器的短路损耗可认为就是额定负载下的铜耗，则任意负载下的铜耗为,,所以,式中，为变压器的负荷率；S30为变压器的计算负荷（kVA）；SN为变压器的额定容量（kVA）。,用来产生主磁通即产生励磁电流的无功功率损耗只与电网的电压有关，与负荷大小无关，可用来表征。,所以,,变压器的无功功率损耗,消耗在一、二次线圈电抗上的无功功率损耗与负荷电流（或功率）的平方成正比，可用来表征。,所以额定负载下的损耗,任意负载下的损耗为,,在负荷估算中，可按下列近似公式进行计算,,二、电能损耗,1．线路的电能损耗,式中，τ为年最大负荷损耗小时数，它与Tmax以及cos有关，如图2-6所示。,τ的含义年最大负荷损耗小时数实际上是一个假想时间，在此时间内，线路持续通过计算电流所（I30）产生的电能损耗与实际负荷电流在全年内所产生的电能损耗恰好相等。,图2-6与Tmax关系曲线,2．变压器的电能损耗,由变压器铁损引起的电能损耗,,由变压器铜损引起的电能损耗,,因此，变压器全年的电能损耗为,,,第五节工厂的计算负荷与年耗电量,工厂计算负荷的确定工厂的功率因数、无功补偿及补偿后的工厂计算负荷工厂年耗电量的计算,一、工厂计算负荷的确定,1、按逐级计算法确定企业的计算负荷,,逐级计算法是指从企业的用电端开始，逐级上推，直至求出电源进线端的计算负荷为止。,一般工业企业的供电系统图如图2-7所示,图2-7负荷计算用供电系统,1.用电设备组的计算负荷（图2-7中的1点）,,2．车间变压器低压母线上的计算负荷（图2-7中的2点）,,,注意当变电所的低压母线上装有无功补偿用的静电电容器组，其容量为，则,一、工厂计算负荷的确定,3.车间变压器高压侧的计算负荷（图2-7中的3点）,注意若求计算负荷时车间变压器的容量和型号尚未确定，变压器的功率损耗可按近似公式进行计算，即,对SL7、S9、SC9等低损耗变压器,对SJL1等变压器,一、工厂计算负荷的确定,4.车间变电所高压母线上的计算负荷（图2-7中的4点）,,5.总降压变电所出线上的计算负荷（图2-7中的5点）,由于工业企业厂区范围不大，高压线路中的功率损耗较小，在负荷计算中可以忽略不计，所以有,,一、工厂计算负荷的确定,6.总降压变电所低压母线上的计算负荷（图2-7中的6点）,,注意如果在总降压变电所6～10kV二次母线侧采用高压电容器进行无功补偿，其容量为，则,7.企业总计算负荷（图2-7中的7点）,一、工厂计算负荷的确定,2、按需要系数法确定企业的计算负荷,式中，Kd为企业的需要系数，查表2-4；为全厂用电设备的总容量（不包括备用设备容量）。,3、按年产量估算企业的计算负荷,将企业年产量A乘以单位产品耗电量a，即可得到企业全年的耗电量,,,则企业的有功计算负荷为,,一、工厂计算负荷的确定,二、工厂的功率因数、无功补偿,1、功率因数低的不良影响,1．使供电网络中的功率损耗和电能损耗增大。,2．使供电网络的电压损失增大，影响负荷端的电压质量。,3．使供配电设备的容量不能得到充分利用，降低了供电能力。,4．使发电机的出力下降，发电设备效率降低，发电成本提高。,因为功率因数越低，在保证输送同样的有功功率时，系统中输送的总电流越大，从而使输电线路上的功率损耗和电能损耗增加。,,由于发电机、变压器都有一定的额定电压和额定电流，在正常情况下不允许超过额定值，根据，功率因数越低，输出的有功功率越小，使设备的容量不能得到充分利用，降低了供电能力。,当有功功率保持不变时，功率因数越低，无功电流越大，对发电机转子的去磁效应越大，端电压越低，发电机就达不到预定的出力。,,由于，当P、R、X一定时，功率因数越低，Q越大，则越大。,2、工厂的功率因数的计算,1.瞬时功率因数,可由功率因数表（相位表）直接读出，或由电压表、电流表和功率表在同一时刻的读数按下式求出,指某一规定时间内，功率因数的平均值。其计算公式为,2.均权功率因数,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。,式中，Wp为某一时间内消耗的有功电能（kWh）；Wq为同一时间内消耗的无功电能（kvarh）。,二、工厂的功率因数、无功补偿,指在年最大负荷（即计算负荷）时的功率因数。其计算公式为,3.最大负荷时的功率因数,,注意在供电设计中考虑无功补偿时，严格地讲，应按均权功率因数否满足要求来计算，但为简便起见，常按最大负荷时的功率因数来计算补偿容量。,我国供电部门每月向工业用户收取电费，就是按月均权功率因数的高低来调整的。并规定高压供电的用户，其功率因数不应低于0.9，其他电力用户的功率因数不应低于0.85。若达不到以上要求，应进行人工补偿，否则要加收电费。,二、工厂的功率因数、无功补偿,3、电容器并联补偿的工作原理,在工业企业中，绝大部分电气设备的等值电路可视为电阻R和电感L的串联电路，其功率因数可表示为,,当在R、L电路中并联接入电容器C后，如图2-8a）所示，回路电流为,,图2-8电容器无功补偿原理图,二、工厂的功率因数、无功补偿,,可见，并联电容器后与之间的夹角变小了，因此，供电回路的功率因数提高了。,,欠补偿补偿后电流落后电压，如图2-8b）所示。,过补偿补偿后电流超前电压，如图2-8c）所示。,一般都不采用过补偿，因为这将引起变压器二次侧电压的升高，会增大电容器本身的损耗，使温升增大，电容器寿命降低，同时还会使线路上的电能损耗增加。,,,二、工厂的功率因数、无功补偿,4、无功补偿功率的计算,电容器的补偿容量可用下式确定（图2-9）,式中，P30为最大有功计算负荷（kW）；和分别为补偿前、后的功率因数角的正切值；称为补偿率或比补偿功率（kvar/kW）。,在计算补偿用电容器的容量和个数时，应考虑以下两个问题,当电容器的额定电压与实际运行电压不相符时，电容器的实际补偿容量应按下式进行换算,图2-9功率因数与无功功率和视在功率的关系,二、工厂的功率因数、无功补偿,在确定了总的补偿容量QC时，就可根据所选电容器的单个容量qC来确定电容器的个数n，即,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；对单相电容器，则应取3的整数倍，以便三相均衡分配。,式中，QＮ为电容器的额定容量（kvar）；为电容器在实际运行电压时的容量（kvar）。,二、工厂的功率因数、无功补偿,5、无功补偿后的工厂计算负荷,工厂（或车间）装设了无功补偿装置以后，则在确定补偿装置装设地点以前的总计算负荷时，应扣除无功补偿的容量，即总的无功计算负荷为,,,,,因此补偿后总的视在计算负荷为,在变电所低压侧装设了无功补偿装置以后，由于低压侧总的计算负荷减小，从而可使变电所主变压器的容量选得小一些。,二、工厂的功率因数、无功补偿,例2-6某厂拟建一座降压变电所，装设一台主变压器。已知变电所低压侧有功计算负荷为650kW,无功计算负荷为800kvar。为了使工厂变电所高压侧的功率因数不低于0.9，如果在低压侧装设并联电容器补偿时，需装设多少补偿容量并问补偿前后工厂变电所所选主变压器容量有什么变化解1.补偿前应选变压器的容量及功率因数值变电所低压侧的视在计算负荷为变电所容量选择应满足的条件为SNTS302，因此在未进行无功补偿时，变压器容量应选为1250kVA（参看附录表8）。这时变电所低压侧的功率因数为,2无功补偿容量按规定变电所高压侧的变压器的无功功率损耗ΔQT远大于有功功率损耗ΔPT，一般因此在变压器低压侧进行无功补偿时，低压侧补偿后的功率因数应略大于高压侧补偿后的功率因数0.90，这里取。为使低压侧功率因数由0.63提高到0.92，低压侧需装设的并联电容器容量应为,3.补偿后的变压器容量和功率因数补偿后变电所低压侧的视在计算负荷为因此补偿后变压器容量可选为800kVA（参看附录表8）。变压器的功率损耗为变电所高压侧的计算负荷为无功补偿后，工厂的功率因数（最大负荷时）为这一功率因数值满足规定（0.9）的要求。4.无功补偿前后比较变电所主变压器在无功补偿后减少容量为这不仅会减少基本电费开支，而且由于提高了功率因数，还会减少电度电费开支。,三、工厂年耗电量的计算工厂的年耗电量可用工厂的年产量和单位产品耗电量进行估算，如式（2-54）所示。工厂年耗电量的较精确的计算，可用工厂的有功和无功计算负荷P30和Q30按下列公式计算年有功耗电量年无功耗电量式中α为年平均有功负荷系数，一般取为年平均无功负荷系数，一般取0.70.75；β为年平均无功负荷系数，一般取0.760.82；Ta为年实际工作小时数，按每周5个工作日计，一班制可取2000h，两班制可取4000h，三班制可取6000h。,例2-7假设例2-6所示工厂为两班制生产。试计算其年耗电量。解按式（2-64）和式（2-65）计算。取则工厂年有功耗电量为工厂年无功耗电量为,第六节尖峰电流及其计算一.概述尖峰电流（peakcurrent）是指持续时间12s的短时最大负荷电流。尖峰电流主要用来选择熔断器和低压断路器、整定继电保护装置及检验电动机自启动条件等。二.用电设备尖峰电流的计算一单台设备尖峰电流的计算单台设备的尖峰电流就是其启动电流（startingcurrent），因此尖峰电流为式中IN为设备额定电流；Ist为设备启动电流；Kst为设备的启动电流倍数，笼型电动机为57，绕线型电动机为23，直流电动机约为1.7，电焊变压器为3或稍大。,二多台设备尖峰电流的计算引至多台设备的线路上的尖峰电流按下式计算或式中和Ist-INmax分别为用电设备中启动电流与额定电流之差为最大的那台设备的启动电流及其启动电流与额定电流之差；为除启动电流与额定电流之差为最大的那台设备之外的其他n-1台设备的额定电流之和；KΣ为上述n-1台的同时系数，按台数多少选取，一般为0.71；I30为全部设备投入运行时线路的计算电流。,例2-8有一380V三相线路，供电给表2-4所示4台电动机。试计算该线路的尖峰电流。,解由表2-4可知，电动机M4的Ist－IN＝193.2A－27.6A＝165.6A为最大，因此该线路的尖峰电流为取KΣ0.9,小结,1、电力负荷按重要性分哪几级各级电力负荷对供电电源有什么要求2、什么叫负荷持续率怎样换算；3、什么叫计算负荷为什么计算负荷采用半小时最大负荷正确确定计算负荷有何意义4、确定计算负荷的需要系数法和二项式法各有什么特点各适用哪些场合5、掌握需要系数法和二项式法；,6、电力变压器的有功和无功功率损耗各如何计算其中哪些损耗与负荷无关哪些损耗与负荷有关7、进行无功功率补偿、提高功率因数有什么意义如何确定无功功率补偿容量8、什么叫尖峰电流如何计算供多台用电设备的线路尖峰电流,习题2-1已知某机修车间的金属切削机床组，拥有额定电压380V的三相电动机15kW1台，11kW3台，7.5kW8台,4kW15台,其他更小容量电动机容量共35kW。试分别用需要系数法和二项式法计算其P30、Q30、S30和I30。2-3某机械加工车间的380V线路上，接有流水作业的金属切削机床组电动机30台共85kW其中较大容量电动机有11kW1台，7.5kW3台,4kW6台,其他为更小容量电动机。另外有通风机3台，共5kW；电葫芦1个，3kW（ε＝40％）。试分别按需要系数法和二项式法确定各组的计算负荷及总的计算负荷P30、Q30、S30和I30。,2-6有一条长2km的10kV高压线路供电给两台并列运行的电力变压器。高压线路采用LJ-70铝绞线，等距水平架设，线距1m。两台变压器均为S9-800/10型，Dyn11联结，总的计算负荷为900kW，cosφ0.86，Tmax＝4500h。试分别计算此高压线路和电力变压器的功率损耗和年电能损耗。2-8某厂的有功计算负荷为4600kW,功率因数为0.75。现拟在该厂高压配电所10kV母线上装设BWF10.5-40-1型并联电容器，使功率因数提高到0.90，问需装设多少个装设电容器以后，该厂的视在计算负荷为多少比未装设电容器时的视在计算负荷减少了多少,2-9某车间有一条380V线路，供电给表2-6所列5台交流电动机。试计算该线路的计算电流和尖峰电流。（提示计算电流在此可近似地按公式计算，式中KΣ建议取0.9）。,表2-6习题2-9的负荷资料,第二章结束,