供電負荷預測與計算.ppt

第2章 供電負荷計算,安徽建筑工業(yè)學院機電學院,2,第2章 供電負荷計算,2.1 負荷曲線與計算負荷 2.2 用電設備額定容量的確定 2.3 負荷計算的方法 2.4 功率損耗與電能損耗 2.5 變電所中變壓器臺數與容量的選擇 2.6 功率因數與無功功率補償,3,2.1 負荷曲線與計算負荷,2.1.1 負荷曲線 負荷曲線（load curve）是指用于表達電力負荷隨時間變化情況的函數曲線。在直角坐標系中，縱坐標表示負荷（有功功率或無功功率）值，橫坐標表示對應的時間（一般以小時為單位）。,4,1負荷曲線的分類 按負荷的功率性質分： 可分為有功負荷曲線和無功負荷曲線； 按所表示的負荷變動的時間分： 可分為日負荷、月負荷和年負荷曲線。,5,6,7,2年最大負荷和年最大負荷利用小時數 （1）年最大負荷Pmax 年最大負荷Pmax就是全年中負荷最大的工作班內消耗電能最大的半小時的平均功率，因此年最大負荷也稱為半小時最大負荷。 （2）年最大負荷利用小時數Tmax 年最大負荷利用小時數又稱為年最大負荷使用時間Tmax，它是一個假想時間，在此時間內，電力負荷按年最大負荷Pmax持續(xù)運行所消耗的電能，恰好等于該電力負荷全年實際消耗的電能。,8,下圖為某廠年有功負荷曲線，此曲線上最大負荷Pmax就是年最大負荷，Tmax為年最大負荷利用小時數。,9,3.平均負荷Pav 平均負荷Pav，就是電力負荷在一定時間t內平均消耗的功率，也就是電力負荷在該時間內消耗的電能W除以時間t的值，即Pav=W/t 年平均負荷為Pav=Wa/8760,10,2.1.2 計算負荷（calculated load） 通常將以半小時平均負荷為依據所繪制的負荷曲線上的“最大負荷”稱為計算負荷，并把它作為按發(fā)熱條件選擇電氣設備的依據，用Pca(Qca、Sca、Ica)或用P30(Q30、S30、I30)表示。,11,規(guī)定取“半小時平均負荷”的原因： 一般中小截面導體的發(fā)熱時間常數為10min以上，根據經驗表明，中小截面導線達到穩(wěn)定溫升所需時間約為 3=31030（min），如果導線負載為短暫尖峰負荷，顯然不可能使導線溫升達到最高值，只有持續(xù)時間在30min以上的負荷時，才有可能構成導線的最高溫升。,12,2.1.3 計算負荷的意義和計算目的 負荷計算主要是確定計算負荷，如前所述，若根據計算負荷選擇導體及電器，則在實際運行中導體及電器的最高溫升不會超過允許值。 計算負荷是設計時作為選擇供配電系統(tǒng)供電線路的導線截面、變壓器容量、開關電器及互感器等的額定參數的依據。 正確確定計算負荷意義重大，是供電設計的前提，也是實現供電系統(tǒng)安全、經濟運行的必要手段。,返回目錄,13,2.2 用電設備額定容量的確定,2.2.1 用電設備的工作方式 用電設備按其工作方式可分為三種： （1）連續(xù)運行工作制（長期工作制） （2）短時運行工作制（短暫工作制） （3）斷續(xù)周期工作制（重復短暫工作制）,14,連續(xù)運行工作制（長期工作制） 在規(guī)定的環(huán)境溫度下連續(xù)運行，設備任何部分溫升均不超過最高允許值，負荷比較穩(wěn)定。如通風機水泵、空氣壓縮機、皮帶輸送機、破碎機、球磨機、攪拌機、電機車等機械的拖動電動機，以及電爐、電解設備、照明燈具等，均屬連續(xù)運行工作制的用電設備。,15,短時運行工作制（短暫工作制） 用電設備的運行時間短而停歇時間長，在工作時間內，用電設備的溫升尚未達到該負荷下的穩(wěn)定值即停歇冷卻，在停歇時間內其溫度又降低為周圍介質的溫度，這是短暫工作的特點。如機床上的某些輔助電動機（如橫梁升降、刀架快速移動裝置的拖動電動機）及水閘用電動機等設備。這類設備的數量不多。,16,斷續(xù)周期工作制（重復短暫工作制） 用電設備以斷續(xù)方式反復進行工作，其工作時間（t）與停歇時間（t0）相互交替。工作時間內設備溫度升高，停歇時間溫度又下降，若干周期后，達到一個穩(wěn)定的波動狀態(tài)。如電焊機和吊車電動機等。斷續(xù)周期工作制的設備，通常用暫載率表征其工作特征，取一個工作周期內的工作時間與工作周期的百分比值，即為 ，即： 式中：t，t0工作時間與停歇時間，兩者之和為工作周期T。,17,2.2.2 用電設備額定容量的計算 在每臺用電設備的銘牌上都有“額定功率”PN，但由于各用電設備的額定工作方式不同，不能簡單地將銘牌上規(guī)定的額定功率直接相加，必須先將其換算為同一工作制下的額定功率，然后才能相加。經過換算至統(tǒng)一規(guī)定的工作制下的“額定功率”稱為“設備額定容量”，用Pe表示。,18,（1）長期工作制和短時工作制的設備容量 Pe=PN （2）重復短暫工作制的設備容量 吊車機組用電動機（包括電葫蘆、起重機、行車等 ）的設備容量統(tǒng)一換算到=25%時的額定功率（kW），若其N不等于25%時應進行換算，公式為: 電焊機及電焊變壓器的設備容量統(tǒng)一換算到100%時的額定功率（kW）。若其銘牌暫載率N不等于100%時，應進行換算，公式為:,19,（3）電爐變壓器的設備容量 電爐變壓器的設備容量是指在額定功率因數下的額定功率（kW），即： Pe=PN=SNcos,20,（4）照明設備的設備容量 白熾燈、碘鎢燈設備容量就等于燈泡上標注的額定功率（kW）； 熒光燈還要考慮鎮(zhèn)流器中的功率損失（約為燈管功率的20%），其設備容量應為燈管額定功率的1.2倍（kW）； 高壓水銀熒光燈亦要考慮鎮(zhèn)流器中的功率損失（約為燈泡功率的10%），其設備容量應為燈泡額定功率的1.1倍（kW）； 金屬鹵化物燈：采用鎮(zhèn)流器時亦要考慮鎮(zhèn)流器中的功率損失（約為燈泡功率的10%），故其設備容量應為燈泡額定功率的1.1倍（kW）。,21,（5）不對稱單相負荷的設備容量 當有多臺單相用電設備時，應將它們均勻地分接到三相上，力求減少三相負載不對稱情況。設計規(guī)程規(guī)定，在計算范圍內，單相用電設備的總容量如不超過三相用電設備總容量的15%時，可按三相對稱分配考慮，如單相用電設備不對稱容量大于三相用電設備總容量的15%時，則設備容量Pe應按三倍最大相負荷的原則進行換算。,22,設備接于相電壓或線電壓時，設備容量Pe的計算如下： 單相設備接于相電壓時 Pe3Pem 式中：Pe等效三相設備容量； Pem最大負荷所接的單相設備容量。 單相設備接于線電壓時 式中Pel接于同一線電壓的單相設備容量。,返回目錄,23,2.3 負荷計算的方法,負荷計算的方法有： 需要系數法、二項式法、利用系數法、形狀系數法、附加系數法 需要系數法比較簡便因而廣泛使用。這里僅介紹需要系數法。,24,需要系數 需要系數考慮了以下的主要因素： 式中： K同時使用系數，為在最大負荷工作班某組工作著的用電設備容量與接于線路中全部用電設備總額定容量之比； KL負荷系數，用電設備不一定滿負荷運行，此系數表示工作著的用電設備實際所需功率與其額定容量之比； wl線路供電效率； 用電設備組在實際運行功率時的平均效率。,25,實際上，上述系數對于成組用電設備是很難確定的，而且對一個生產企業(yè)或車間來說，生產性質，工藝特點，加工條件，技術管理，和勞動組織以及工人操作水平等因素，都對Kd有影響。所以Kd只能靠測量統(tǒng)計確定,見附錄表35。上述各種因素可供設計人員在變動的系數范圍內選用時參考。,26,2.3.1 需要系數法 由負荷端逐級向電源端進行計算,27,1單臺用電設備的計算負荷 （1） 有功計算負荷： 考慮到單臺用電設備總會有滿載運行的時候，其計算負荷Pca1為 Pe換算到統(tǒng)一暫載率下的電動機的額定容量； 用電設備在額定負載下的的效率。 （2）無功計算負荷： Qca1=Pca1tan 用電設備功率因數角。 計算目的：用于選擇分支線導線及其上的開關設備。,28,2. 用電設備組的計算負荷 （1）有功計算負荷：Pca2=KdPe Kd用電設備組的需要系數，見附錄表3； Pe用電設備組的設備額定容量之和，但不包括備用設備容量。 （2）無功計算負荷：Qca2=Pca2tanwm tanwm值見附錄表3。 （3）視在計算負荷： 計算目的：用于選擇各組配電干線及其上的開關設備。,29,當Kd值有一定變動范圍時，取值要作具體分析。如臺數多時，一般取用較小值，臺數少時取用較大值；設備使用率高時，取用較大值，使用率低時取用較小值。當一條線路內的用電設備的臺數較?。╪3臺）時，一般是將用電設備額定容量的總和作為計算負荷，或者采用較大的Kd值(0.851)。,30,3確定車間配電干線或車間變電所低壓母線上的計算負荷 （1）總有功計算負荷：Pca3Pca2 （2）總無功計算負荷：Qca3Qca2 （3）總視在計算負荷： Pca3、Qca3、Sca3車間變電所低壓母線上的有功、無功及視在計算負荷； Pca2、Qca2各用電設備組的有功、無功計算負荷的總和 最大負荷時的同時系數?？紤]各用電設備組的最大計算負荷不會同時出現而引入的系數。的范圍值見附錄表6。 注意：當變電所的低壓母線上裝有無功補償用的靜電電容器組，其容量為Qc3則當計算Qca3時，要減去無功補償容量，即Qca3Qca2Qc3 計算目的：用于選擇車間配電干線及其上的開關設備，或者用于低壓母線的選擇及車間變電所電力變壓器容量的選擇。,31,4. 確定車間變電所中變壓器高壓側的計算負荷 Pca4Pca3+PT Qca4Qca3+QT Pca、Qca、Sca車間變電所中變壓器高壓側的有功、無功及視在計算負荷（kW、kvar及kVA）； PT、QT變壓器的有功損耗與無功損耗（kW、kvar）。 計算目的：用于選擇車間變電所高壓配電線及其上的開關設備,32,在計算負荷時，車間變壓器尚未選出，無法根據變壓器的有功損耗與無功損耗的理論公式進行計算，因此一般按下列經驗公式估算： 對SJL1等型電力變壓器： PT0.02Sca3 （kW） QT0.08Sca3 （kvar） 對SL7、S7、S9、S10等低損耗型電力變壓器： PT0.015Sca3 （kW） QT0.06Sca3 （kvar） 式中：Sca3變壓器低壓母線上的計算負荷（kVA）。,33,5. 確定全車間變電所中高壓母線上的計算負荷 Pca5Pca4+P4m Qca5Qca4+Q4m P4m、Q4m車間高壓用電設備的有功及無功計算負荷。 計算目的：用于車間變電所高壓母線的選擇。,34,6. 確定總降壓變電所出線上的計算負荷 Pca6= Pca5 +PLPca5 Qca6 = Qca5 +QL Qca5 Sca6Sca5 PL、QL高壓線路功率損耗，由于一般工廠范圍不大，線路功率損耗小，故可忽略不計。 計算目的：用于選擇總降壓變電所出線及其上的開關設備。,35,7. 確定總降壓變電所低壓側母線的計算負荷 Pca7Pca Qca7Qca 注意：如果在總降壓變電所10kV二次母線側采用高壓電容器進行無功功率補償，則在計算總無功功率Qca7時，應減去補償設備的容量時Qc7 ，即Qca7Qca- Qc7 計算目的：用于選擇總降壓變電所低壓母線以及選擇總降壓變電所主變壓器容量。,36,8確定全廠總計算負荷 Pca8Pca7+PT Qca8Qca7+QT 計算目的：全廠總計算負荷的數值可作為向供電部門申請全廠用電的依據，并作為原始資料進行高壓供電線路的電氣計算，選擇高壓進線導線及進線開關設備。,37,例2.3.1 一機修車間的380V線路上，接有金屬切削機床電動機20臺共50kW；另接通風機3臺共5kW；電葫蘆4個共6kW（FCN =40%）試求計算負荷。,解： 冷加工電動機組： 查附錄表3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),通風機組： 查附錄表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),38,電葫蘆：由于是單臺設備，可取Kd=1，查附錄表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),取同時系數為0.9，因此總計算負荷為 Pca()Pca=0.9（10+4+3.79）=16.01(kW) Qca()Qca=0.9（17.3+3+6.56）=24.17(kW),39,為了使人一目了然，便于審核，實際工程設計中常采用計算表格形式，如下表所示。,返回目錄,40,2.4 功率損耗與電能損耗,2.4.1 供電線路的功率損耗 在實際工作中，常根據計算負荷來求線路的功率損耗，即最大功率損耗，故三相線路的有功功率損耗PL和無功功率損耗QL可分別按下式計算： 式中： Ica線路中的計算電流，A； R線路每相電阻，等于單位長度的電阻R0乘以長度L； X線路每相電抗，等于單位長度的電抗X0乘以長度L。,41,上式如用線路的計算功率Pca、Qca及Sca表示時，則 式中：UN三相供電線路的額定電壓，kV。,42,2.4.2 變壓器的功率損耗 變壓器的功率損耗包括有功功率損耗PT和無功功率損耗QT。 變壓器的有功功率損耗由兩部分組成： 一部分是變壓器在額定電壓UN時不變的空載損耗P0，也就是鐵損PFe；另一部分是隨負荷而變化的繞組損耗，即有載損耗Pl，也就是銅損PCu。變壓器的短路損耗Pk可認為是額定電流下的銅損PCuN。,43,由于有載損耗與變壓器負荷電流的平方成正比，所以變壓器在計算負荷Sca下的有功功率損耗PT為： 式中： Sca變壓器低壓側的計算負荷，kVA； SNT變壓器額定容量，kVA； P0變壓器空載有功損耗，kW； Pk變壓器有功短路損耗，kW。,44,變壓器的無功功率損耗也由兩部分組成： 一部分是變壓器空載時不變的無功損耗Q0，另一部分是隨著變壓器負荷而變化在繞組中產生的無功損耗。所以變壓器在計算負荷Sca下的無功功率損耗QT為： 式中： 變壓器空載時的無功損耗，kvar； 變壓器額定負荷時的無功損耗，kvar； 變壓器空載電流的百分值； 變壓器阻抗電壓的百分值。,45,2.4.3 供電系統(tǒng)的電能損耗 1供電線路年電能損耗的計算 式中： 按計算負荷求得的線路最大功率損耗； 年最大負荷損耗時間（小時數）。 的含義是：線路連續(xù)通過計算負荷所產生的電能損耗與實際負荷在全年內所產生的電能損耗恰好相等所需要的時間，稱為年最大負荷損耗時間，它與Tmaxa以及功率因數有關。,46,2.變壓器年電能損耗的計算 變壓器空載不變的功率損耗所引起的年電能損耗與接電時間Ton（近似取8760h）有關，即： WT0=P0Ton 隨負荷而變化的有載功率損耗所引起的年電能損耗為： 變壓器總的年電能損耗為：,47,2.4.4 企業(yè)年電能需要量 企業(yè)年電能需要量也就是企業(yè)在一年內所消耗的電能，它是企業(yè)供電設計的重要指標之一。若已知企業(yè)的年負荷曲線如圖，則負荷曲線下的面積即為企業(yè)有功年電能需要量Wa。 但實際上，負荷隨時都在變動，通常用一個等值的矩形面積來代替負荷曲線下的面積。,返回目錄,48,2.5 變電所中變壓器臺數與容量的選擇,2.5.1 車間變電所變壓器臺數與容量的選擇 對于一般生產車間，盡量裝設一臺變壓器，其額定容量應大于用電設備的總計算負荷，且應有適當富裕容量。 對于有一、二級負荷的車間，要求兩個電源供電時，應選用兩臺變壓器，每臺變壓器容量應能承擔全部一、二級負荷的供電。如果與相鄰車間有聯絡線時，當車間變電所出現故障時，其一、二級負荷可通過聯絡線保證繼續(xù)供電，亦可只選用一臺變壓器。,49,對于隨季節(jié)變動較大的負荷，為了使運行經濟，減少變壓器空載損耗，也宜采用兩臺變壓器，以便在低谷負荷時，切除一臺。 凡選用兩臺變壓器的變電所，任一臺變壓器單獨投入運行時，必須能滿足變電所總計算負荷70%的需要和一、二級負荷的需要。,50,2.5.2 企業(yè)總降變電所主變壓器的選擇 對第三級負荷供電的總降變電所，或者有少量一、二級負荷，但可由鄰近企業(yè)取得備用電源時，可只裝設一臺主變壓器；其額定容量應大于企業(yè)全部車間變電所計算負荷的總和，并考慮1525%的富裕。 當企業(yè)中一、二級負荷占全部負荷比重較大時，應裝設兩臺主變壓器，兩臺主變壓器之間互為備用。當一臺出現事故或檢修時，另一臺能承擔全部一、二級負荷。,51,2.5.3 變壓器的經濟運行 所謂變壓器的經濟運行，是指變壓器在功率損耗最小的情況下的運行方式。這樣使電能損耗最小，運行費用最低。 如果把無功損耗歸算為有功損耗，則變壓器在實際負荷S下，其總的功率損耗可由下式求得： 式中 Kr為無功功率經濟當量。它的意義是指供電系統(tǒng)中每增加1kvar的無功損耗，相當于有功損耗增加的千瓦數，此值通常取0.060.1kW/kvar。,52,現假設變電所有兩臺同型號同容量的變壓器，當其中一臺變壓器運行時，它承擔所有的負荷S；當兩臺變壓器同時并列運行時，每臺承擔負荷S/2。 求出兩種運行方案歸算以后的功率損耗，并分別繪出隨負荷而變化的曲線。,53,兩條曲線交于n點，它所對應的負荷稱為變壓器經濟運行的臨界負荷Scr。,54,同理，如果變電所裝設同容量多臺變壓器，根據n臺和n+1臺兩種運行方式總有功損耗相等的原則，可求出其臨界負荷值： 顯然，實際負荷小于Scr應取n臺運行，大于Scr則取n+1臺運行。,返回目錄,55,2.6 功率因數與無功功率補償,2.6.1 功率因數的計算 （1）瞬時功率因數 瞬時功率因數由功率因數表或相位表直接讀出，或由功率表、電流表和電壓表的讀數按下式求出： 式中：P功率表測出的三相功率讀數（kW）； U電壓表測出的線電壓讀數（kV）； I電流表測出的相電流讀數（A）。 瞬時功率因數值代表某一瞬間狀態(tài)的無功功率的變化情況。,56,（2）平均功率因數 平均功率因數指某一規(guī)定時間內，功率因數的平均值。其計算公式為 式中： Wa-某一時間內消耗的有功電能（kWh）；由有功電度表讀出。 Wr-某一時間內消耗的無功電能（kvarh）；由無功電度表讀出。 我國電業(yè)部門每月向工業(yè)用戶收取電費，就規(guī)定電費要按月平均功率因數來調整。上式用以計算已投入生產的工業(yè)企業(yè)的功率因數。,57,對于正在進行設計的工業(yè)企業(yè)則采用下述的計算方法： 式中： Pca-全企業(yè)的有功功率計算負荷，kW； Qca-全企業(yè)的無功功率計算負荷，kvar； -有功負荷系數，一般為0.70.75； -無功負荷系數，一般為0.760.82。,58,（3）最大負荷時的功率因數 最大負荷時的功率因數指在年最大負荷（即計算負荷）時的功率因數。根據功率因數的定義可以分別寫出： 式中： Pca全企業(yè)的有功功率計算負荷，kW； Qca全企業(yè)的無功功率計算負荷，kvar； Sca全企業(yè)的視在計算負荷，kVA。,59,2.6.2 功率因數過低對供電系統(tǒng)的影響 （1）系統(tǒng)中輸送的總電流增加，使得供電系統(tǒng)中的電氣元件，容量增大，從而使工廠內部的起動控制設備、測量儀表等規(guī)格尺寸增大，因而增大了初投資費用。 （2）增加電力網中輸電線路上的有功功率損耗和電能損耗。 （3）線路的電壓損耗增大。影響負荷端的異步電動機及其它用電設備的正常運行。 （4）使電力系統(tǒng)內的電氣設備容量不能充分利用。 綜上可知電力系統(tǒng)功率因數的高低是十分重要的問題，因此，必須設法提高電力網中各種有關部分的功率因數。目前供電部門實行按功率因數征收電費，因此功率因數的高低也是供電系統(tǒng)的一項重要的經濟指標。,60,2.6.3 功率因數的改善 （1）提高自然功率因數 提高自然功率因數的方法，即采用降低各用電設備所需的無功功率以改善其功率因數的措施，主要有： 正確選用感應電動機的型號和容量，使其接近滿載運行； 更換輕負荷感應電動機或者改變輕負荷電動機的接線； 電力變壓器不宜輕載運行； 合理安排和調整工藝流程，改善電氣設備的運行狀況，限制電焊機、機床電動機等設備的空載運轉； 使用無電壓運行的電磁開關。,61,（2） 人工補償無功功率 當采用提高用電設備自然功率因數的方法后，功率因數仍不能達到供用電規(guī)則所要求的數值時，就需要設置專門的無功補償電源，人工補償無功功率。 人工補償無功功率的方法主要有以下三種： 并聯電容器補償 同步電動機補償 動態(tài)無功功率補償,62,用靜電電容器（或稱移相電容器、電力電容器）作無功補償以提高功率因數，是目前工業(yè)企業(yè)內廣泛應用的一種補償裝置。 電力電容器的補償容量可用下式確定 Qc=Pav（tan1-tan2）=Pca（tan1-tan2） 式中：Pca最大有功計算負荷，kW； 月平均有功負荷系數； tan1、tan2補償前、后平均功率因數角的正切值。,63,在計算補償用電力電容器容量和個數時，應考慮到實際運行電壓可能與額定電壓不同，電容器能補償的實際容量將低于額定容量，此時須對額定容量作