《供配電系統的運行與維護》-項目４

任務４.１電力負荷與負荷曲線４.１.１電力負荷的分級及其對供電電源的要求１.電力負荷電力負荷是指用電設備耗用的功率或電流。負荷分為有功功率、無功功率和視在功率。有功功率Ｐ（單位Ｗ）：用電設備真實消耗的功率，稱為有功負荷，如機械能、光能、熱能等。無功功率Ｑ（單位ｋｖａｒ）：在電、磁場間交換的那部分能量，沒有做功，稱為無功負荷。視在功率ＳＮ（單位Ｖ·Ａ）：額定電壓ＵＮ和額定電流ＩＮ的乘積，稱為視在功率。下一頁返回任務４.１電力負荷與負荷曲線對于三相交流設備的視在功率：，三者符合直角三角形關系，如圖４.１所示。２.電力負荷分級根據電力負荷的重要程度將負荷分為三級。（１）一級負荷：供電突然中斷，將造成傷亡或財產重大損失。一級負荷供電要求：要求有兩個獨立電源和備有應急電源。（２）二級負荷：供電突然中斷，將造成較大的經濟損失。二級負荷供電要求：兩路供電或一路專線供電。（３）三級負荷：一、二級負荷以外的所有負荷。三級負荷供電要求：無特殊要求，可采用單回路供電。上一頁下一頁返回任務４.１電力負荷與負荷曲線３.用電設備工作制根據用電設備的工作情況分為三種工作制。（１）長期工作制：電氣設備在恒定負荷下運行，且運行期間達到熱平衡狀態，如通風機、水泵等。（２）短時工作制：設備工作時間短而停歇時間長，如機床輔助電動機等。（３）斷續周期工作制：設備工作一會停歇一會，以斷續方式反復工作，其周期一般不超過１０ｍｉｎ。用暫載率來描述斷續周期工作制設備的工作情況。暫載率為一個工作周期內工作時間與工作周期的百分比值，用ε表示。上一頁下一頁返回任務４.１電力負荷與負荷曲線４.１.２負荷曲線及有關概念１.負荷曲線的種類與繪制負荷曲線是表征電力負荷隨時間變動情況的圖形。縱坐標軸表示負荷功率（一般用有功功率），橫坐標軸表示負荷變動所對應的時間。負荷曲線的種類有工廠的、車間的或某臺設備的負荷曲線；有功和無功負荷曲線；年的、月的、日的和工作班的負荷曲線；依點連成的負荷曲線和梯形負荷曲。上一頁下一頁返回任務４.１電力負荷與負荷曲線日負荷曲線表示全天２４ｈ內每半小時的平均負荷，如圖４.２所示。年每日最大負荷曲線表示全年３６５天內每日的最大負荷變動情況，如圖４.３所示。年負荷持續時間曲線表示全年８７６０ｈ內各種負荷的持續時間（大負荷靠近左側繪制），如圖４.４所示。２.與負荷曲線有關的物理量１）年最大負荷Ｐｍａｘ和年最大負荷利用小時Ｔｍａｘ年最大負荷Ｐｍａｘ指全年中負荷最大的工作班內消耗電能最多的半小時平均負荷，即Ｐ３０。上一頁下一頁返回任務４.１電力負荷與負荷曲線年最大負荷利用小時Ｔｍａｘ是指假設電力負荷按Ｐｍａｘ持續運行，在某段時間內所耗用的電能，恰與該電力負荷全年實際耗用的電能相等，則稱這段時間為年最大負荷利用小時Ｔｍａｘ，如圖４.５所示。２）平均負荷Ｐａｖ和負荷率β平均負荷Ｐａｖ指電力負荷在一定時間ｔ內平均耗用的功率。上一頁下一頁返回任務４.１電力負荷與負荷曲線年平均負荷Ｐａｖ指電力負荷全年平均耗用的功率。負荷率β指平均負荷Ｐａｖ與最大負荷Ｐｍａｘ的比值。負荷率表征負荷變動的程度，應盡量設法提高β值。上一頁返回任務４.２負荷計算４.２.１用電設備的額定容量與設備容量１.用電設備的額定容量用電設備的額定容量是指用電設備在額定電壓下、在規定的使用壽命內能連續輸出或耗用的最大功率。電動機額定容量是指其軸上正常輸出的最大功率。因此其耗用的功率即從電網吸取的功率，應為其額定容量除以其本身的效率。對電燈和電爐等，其額定容量是指其在額定電壓下耗用的功率，而不是指其輸出的功率。２.負荷計算中的設備容量下一頁返回任務４.２負荷計算引入設備容量：因設備存在三種不同的工作制，在進行負荷計算時，需要將不同的工作制下用電設備的額定容量（功率）ＰＮ換算到同一工作制下，經換算后的額定容量（功率）稱為設備容量，用Ｐｅ表示。設備容量的換算方法：（１）長期工作制、短期工作制的設備容量Ｐｅ的計算。設備容量Ｐｅ等于其銘牌功率ＰＮ，即Ｐｅ＝ＰＮ。（２）斷續周期工作制的設備容量Ｐｅ的計算。①吊車電動機換算到標準暫載率εＮ＝２５％時的有功功率上一頁下一頁返回任務４.２負荷計算②電焊機換算到標準暫載率εＮ＝１００％時的有功功率（３）照明設備的設備容量Ｐｅ的計算。４.２.２負荷計算用戶的實際負荷并不等于所有用電設備額定功率之和。上一頁下一頁返回任務４.２負荷計算在設計時，必須找出這些用電設備的等效負荷。一般電氣設備大約經３０ｍｉｎ后可達到穩定工作狀態。因此取半小時平均最大負荷Ｐ３０、Ｑ３０和Ｓ３０作為“計算負荷”。計算負荷是供配電設計計算的基本依據。如果計算負荷確定過大，將使設備和導線、電纜選擇偏大。如果計算負荷確定過小，又將使設備和導線、電纜選擇偏小，運行時過熱，增加電能損耗和電壓損耗，甚至燒毀。實際上，負荷計算也只能是力求接近實際的估算值。計算負荷的計算方法，有需要系數法和二項式法。１.按需要系數法確定計算負荷上一頁下一頁返回任務４.２負荷計算計算步驟：先確定計算范圍，然后計算設備容量Ｐｅ。再將工藝性質相同的設備合并成組，算出每一組用電設備的計算負荷，最后計算總的計算負荷。ＰｅΣ是設備的輸出容量，與輸入容量存在一個效率η；這些設備不可能同時運行，存在一個同時系數ＫΣ；這些設備不可能同時滿負荷出力，存在一個負荷系數ＫＬ；供電線路有功耗，存在一個供電效率ηｗ。所以，電網供給的有功計算負荷上一頁下一頁返回任務４.２負荷計算１）單臺設備的計算負荷由公式及功率三角形關系，得出２）單組設備的計算負荷單組設備是指用電設備性質相同的一組設備，即Ｋｄ相同。圖４.６所示為Ｅ層面負荷。上一頁下一頁返回任務４.２負荷計算計算負荷公式的ＰｅΣ———設備容量總和（備用設備不計）；ｔａｎφ———該設備組的功率因數角正切值。３）多組用電設備的計算負荷上一頁下一頁返回任務４.２負荷計算如圖４.６所示，首先計算出各組計算負荷（Ｅ層面），然后將各組計算負荷分別相加，得到Ｄ層面負荷（低壓干線）總的Ｐ３０、Ｑ３０、Ｓ３０和Ｉ３０。計算公式為上一頁下一頁返回任務４.２負荷計算４）車間低壓母線Ｃ點的計算負荷如圖４.６所示，首先計算出各低壓干線（Ｄ層面）計算負荷；然后將各低壓干線計算負荷分別相加，得到Ｃ層面負荷（變壓器低壓側）總的Ｐ３０、Ｑ３０、Ｓ３０和Ｉ３０。計算公式為２.二項式系數法求計算負荷上一頁下一頁返回任務４.２負荷計算二項式系數法適用于總用電設備臺數較少且容量差別很大時的負荷計算。１）用二項式系數法求用電設備組的計算負荷計算公式：如果設備的臺數ｎ≤２ｘ，則ｘ＝ｎ／２臺。如果設備的臺數ｎ為２臺以下，則取ｂ＝１，ｃ＝０。Ｐ３０確定后，求Ｑ３０、Ｓ３０、Ｉ３０同需要系數法。２）用二項式系數法求低壓干線的計算負荷上一頁下一頁返回任務４.２負荷計算當采用二項式法確定多組用電設備總的計算負荷時，也應考慮各組用電設備的最大負荷不同時出現的因素，但不是計入一個同時系數，而是在各組設備中取其中一組最大的有功附加負荷（ｃＰｘ）ｍａｘ，再加上各組的平均負荷ｂＰｅ，由此求得總的有功計算負荷為總的無功計算負荷為３.單相計算負荷的確定無論需要系數法或二項式系數法求計算負荷，所有公式都適用于三相負荷。單相負荷只有換算成三相負荷才能應用上述方法求計算負荷。上一頁下一頁返回任務４.２負荷計算（１）單相用電設備的容量小于三相設備的總容量的１５％，單相負荷與三相負荷直接相加不必換算。（２）對接在相電壓上的單相用電設備，按最大負荷相上的單相設備容量乘以３，即為等效三相設備容量。（３）當單相負荷全部接在線電壓上時：（４）單相設備既有接在線電壓上的，又有接在相電壓上的，計算步驟如下：上一頁下一頁返回任務４.２負荷計算①先將接在線電壓上的設備容量換算為接在相電壓上的設備容量。②分相計算各相的設備容量和計算負荷。③總的等效三相有功計算負荷為最大有功計算負荷相的有功計算負荷的３倍，總的等效三相無功計算負荷就是對應最大有功負荷相的無功計算負荷的３倍，最后再按公式計算出Ｓ３０和Ｉ３０。接在線間的單相負荷換算為接在相間的單相負荷的換算公式：Ａ相上一頁下一頁返回任務４.２負荷計算Ｂ相Ｃ相其中的換算系數見表４.１。上一頁返回任務４.３供配電系統的功率損耗４.３.１線路功率損耗的計算供電線路的三相有功功率損耗和三相無功功率損耗為４.３.２電力變壓器的功率損耗電力變壓器的功率損耗包括有功損耗和無功損耗。１.有功損耗ΔＰＴ電力變壓器的有功功率損耗由鐵損（約為空載損耗ΔＰ０）和銅損（約為短路損耗ΔＰＫ）構成。下一頁返回任務４.３供配電系統的功率損耗２.無功損耗ΔＱＴ電力變壓器的無功功率損耗由空載無功功率損耗ΔＱ０和負載無功功率損耗ΔＱＮ構成。在工程設計中變壓器的有功損耗和無功損耗可以用下式估算：對普通變壓器低損耗變壓器上一頁返回任務４.４功率因數的提高及全廠負荷的計算４.４.１功率因數及功率因數的提高因感性設備要從供電電源中吸收無功功率來建立磁場，從而使供電系統功率因數降低，功率因數太低將會導致以下三種情況發生。（１）電能損耗增加：當輸送功率和電壓一定時，功率因數越低，線路上電流越大，導致電能損耗。（２）電壓損失增加：線路上電流增加，必然也造成線路壓降的增大，使用戶端電壓降低。（３）供電設備利用率降低：無功電流增加后，供電設備的溫升會升高，于是不得不降低輸送的有功功率Ｐ來控制電流Ｉ的值，這樣就降低了供電設備的供電能力。下一頁返回任務４.４功率因數的提高及全廠負荷的計算國標規定：應在負荷側集中補償無功功率即集中安裝無功補償設備電容器以提高功率因數。１.功率因數的種類瞬時功率因數：由表讀出，用來分析無功功率的變化情況，以采取相應的補償對策。平均功率因數：通過電能表讀數計算求出，作為調整收費標準的依據（罰或獎）。最大負荷時功率因數：通過公式ｃｏｓφ＝Ｐ３０／Ｓ３０計算求出。最大負荷功率因數是功率因數補償的依據。上一頁下一頁返回任務４.４功率因數的提高及全廠負荷的計算２.利用并聯電容器提高功率因數利用電容器進行無功功率補償的原理是，在交流電路中，電容器電流始終超前電壓，發出容性無功功率。把電容器并聯在供電設備上運行，供電設備要“吸收”的感性無功功率正好由電容器“發出”的容性無功功率供給，從而起到無功功率補償的作用。無功功率補償如圖４.８所示。補償前：有功功率Ｐ３０，無功功率Ｑ３０，視在功率Ｓ３０，功率因數ｃｏｓφ（低）。補償后：有功功率Ｐ３０（補償前、后不變），無功功率Ｑ′３０，視在功率Ｓ′３０，功率因數ｃｏｓφ′（高）。上一頁下一頁返回任務４.４功率因數的提高及全廠負荷的計算所需無功補償的電容容量Δｑｃ＝ｔａｎφ－ｔａｎφ′稱為無功補償率，查附表９。并聯電容器的技術數據見附表１０。根據ＱＣ計算出所需三相電容器個數。４.４.２無功功率自動補償裝置上一頁下一頁返回任務４.４功率因數的提高及全廠負荷的計算無功功率自動補償裝置：采用并聯電容器作無功補償元件，根據電網的感性無功功率的變化情況，自動控制并聯電容器的投切，使電網的無功功率保持在最小狀態，從而提高電網的功率因數。ＰＧＪ１型低壓無功自動補償屏的內部接線如圖４.９所示。自動控制器按功率因數的高低來控制并聯電容器組的投切。有１、２、３、４四種接線方案，其中１、２屏為主屏，３、４屏為輔屏。１、３屏各有６支路，采用６步控制。２、４屏各有８支路，采用８步控制。選擇時，先根據控制步數（６步或８步）的要求，選擇一臺１號或２號主屏，然后根據所需無功補償容量補充一臺或數臺３號或４號輔屏。上一頁下一頁返回任務４.４功率因數的提高及全廠負荷的計算４.４.３全廠計算負荷的最終確定１.全廠計算負荷的最終確定的計算步驟（１）設備容量換算（考慮設備工作制）。（２）計算各組計算負荷（考慮需要系數）。（３）計算低壓干線負荷（考慮同時系數）。（４）計算線路和變壓器的功率損耗。（５）計算功率因數及補償無功功率。（６）進行變電所一次側的負荷計算。2.無功補償后的評估簡單進行總結。上一頁下一頁返回任務４.４功率因數的提高及全廠負荷的計算（１）變壓器容量減小了，原來為１２５０ｋＶ·Ａ，現為８００ｋＶ·Ａ，買變壓器的費用降低了。（２）變壓器容量減小了，固定損耗降低了。（３）變壓器容量減小了，基礎電費少交了。（４）功率因數提高了，電費少交了。上一頁返回任務４.５用戶供配電系統的電能損耗計算４.５.１線路全年的電能損耗計算線路全年的電能損耗的計算公式ΔＷａ＝３Ｉ２３０ＲＷＬττ為年最大負荷損耗小時，τ＝Ｔ２ｍａｘ／８７６０，其值可從圖４.１０查得。其中一班制企業，Ｔｍａｘ＝１８００～３０００ｈ；兩班制企業，Ｔｍａｘ＝３５００～４８００ｈ；三班制企業，Ｔｍａｘ＝５０００～７０００ｈ。４.５.２變壓器的電能損耗計算變壓器的電能損耗主要是鐵損ΔＰＦｅ和銅損ΔＰＣｕ。下一頁返回任務４.５用戶供配電系統的電能損耗計算其中變壓器鐵損近似等于空載損耗ΔＰ０。全年鐵損電能損耗：變壓器銅損ΔＰＣｕ近似等于短路損耗ΔＰｋ。全年銅損電能損耗變壓器全年總電能損耗：４.５.３用戶年耗電量的計算用戶年耗電分別為年有功電能消耗量Ｗｐ.ａ和年無功電能消耗量Ｗｑ.ａ。上一頁下一頁返回任務４.５用戶供配電系統的電能損耗計算年有功電能消耗量Ｗｐ.ａ＝αＰ３０Ｔ