電力工程基礎

電力工程基礎第一頁，共五十一頁，2022年，8月28日第2章負荷計算與無功功率補償2.1電力負荷與負荷曲線2.2計算負荷的確定2.3功率損耗與電能損耗計算2.4企業(yè)計算負荷的確定2.5無功功率補償2.6尖峰電流的計算第二頁，共五十一頁，2022年，8月28日3/28/20232河北科技大學電氣信息學院

二、電力負荷的分級供電方式:由兩個獨立電源供電。1．一級負荷：中斷供電將造成人身傷亡，重大設備損壞，重大產品報廢，或在政治、經濟上造成重大損失。2．二級負荷：中斷供電將造成主要設備損壞，大量產品報廢，重點企業(yè)大量減產，或在政治、經濟上造成較大損失。供電方式:由雙回路供電。2.1電力負荷與負荷曲線

一、負荷計算的目的及意義

計算負荷是選擇電力變壓器、開關設備及導線、電纜等額定參數(shù)的依據(jù)。第三頁，共五十一頁，2022年，8月28日3/28/20233河北科技大學電氣信息學院

三、負荷曲線1．負荷曲線的分類按性質分：有功負荷曲線和無功負荷曲線

按負荷持續(xù)時間分：日負荷曲線和年負荷曲線2．負荷曲線的繪制日負荷曲線（圖2-1）：逐點描繪法、梯形曲線法年負荷曲線：年最大負荷曲線（圖2-2）：或稱運行年負荷曲線。3．三級負荷：所有不屬于一、二級負荷的電力負荷。供電方式:對供電電源無特殊要求。

第四頁，共五十一頁，2022年，8月28日3/28/20234河北科技大學電氣信息學院圖2-1日有功負荷曲線a）折線圖b）梯形圖圖2-2年最大負荷曲線第五頁，共五十一頁，2022年，8月28日3/28/20235河北科技大學電氣信息學院取冬季為213天，夏季為152天，則圖中功率P1所占時間為：圖2-3全年時間負荷曲線的繪制a）冬季典型日負荷曲線b）夏季典型日負荷曲線c）全年時間負荷曲線全年時間負荷曲線（圖2-3）：或稱年負荷持續(xù)曲線。第六頁，共五十一頁，2022年，8月28日3/28/20236河北科技大學電氣信息學院

四、與負荷曲線有關的物理量1．年最大負荷和年最大負荷利用小時數(shù)年最大負荷Pmax：指全年中消耗電能最多的半小時的平均功率，即年最大負荷利用小時數(shù)Tmax：在此時間內，用戶以年最大負荷持續(xù)運行所消耗的電能恰好等于全年實際消耗的電能，如圖2-4所示。可見：年負荷曲線越平坦，Tmax越大；年負荷曲線越陡，Tmax越小。圖2-4年最大負荷與年最大負荷利用小時數(shù)第七頁，共五十一頁，2022年，8月28日3/28/20237河北科技大學電氣信息學院2．平均負荷與負荷系數(shù)平均負荷Pav：電力負荷在一定時間t內平均消耗的功率，即負荷系數(shù)

KL：平均負荷與最大負荷的比值，即年平均負荷為（圖2-5）:KL越大，負荷曲線越平坦，負荷波動越小。圖2-5年平均負荷第八頁，共五十一頁，2022年，8月28日3/28/20238河北科技大學電氣信息學院3．需要系數(shù)和利用系數(shù)需要系數(shù)Kd：負荷曲線中的最大有功計算負荷Pmax與全部用電設備額定功率之比值，即利用系數(shù)Ku：負荷曲線中的平均計算負荷Pav與全部用電設備額定功率之比值，即第九頁，共五十一頁，2022年，8月28日3/28/20239河北科技大學電氣信息學院通過負荷的統(tǒng)計計算求出的、用以按發(fā)熱條件選擇導體和電氣設備的一個假想的持續(xù)負荷值，稱為計算負荷，用Pc（或Qc

、Sc

、Ic

）表示。通常把根據(jù)半小時平均負荷所繪制的負荷曲線上的“最大負荷”稱為計算負荷，并作為按發(fā)熱條件選擇電氣設備的依據(jù)，因此一般中小截面導體的發(fā)熱時間常數(shù)τ為10min以上，而導體通過電流達到穩(wěn)定溫升的時間大約為3τ～4τ，即載流導體大約經半小時（30min）后可達到穩(wěn)定溫升值4．計算負荷第十頁，共五十一頁，2022年，8月28日3/28/202310河北科技大學電氣信息學院

一、概述求計算負荷的方法有：需要系數(shù)法、二項式系數(shù)法、利用系數(shù)法和單位產品耗電量法等。2.2計算負荷的確定

二、用電設備的工作制及設備容量的計算

暫載率（負荷持續(xù)率）：指設備工作時間與工作周期的百分比值，即連續(xù)運行工作制（長期工作制）短時運行工作制（短時工作制）斷續(xù)周期工作制（反復短時工作制）1．用電設備的工作制

第十一頁，共五十一頁，2022年，8月28日3/28/202311河北科技大學電氣信息學院2．設備容量Pe的確定對長期工作制的用電設備：對反復短時工作制的用電設備：其設備容量是指換算到統(tǒng)一暫載率下的額定功率。折算方法：按同一周期等效發(fā)熱條件進行換算。吊車：標準暫載率有15%、25%、40%和60%四種電焊機：標準暫載率有50%、65%、75%和100%四種第十二頁，共五十一頁，2022年，8月28日3/28/202312河北科技大學電氣信息學院吊車電動機組（包括電葫蘆、起重機、行車等）的設備容量：指統(tǒng)一換算到ε=25%時的額定功率（kW），即∴第十三頁，共五十一頁，2022年，8月28日3/28/202313河北科技大學電氣信息學院電焊機及電焊變壓器的設備容量：指統(tǒng)一換算到ε=100%時的額定功率（kW），即 照明設備的設備容量：白熾燈、碘鎢燈的設備容量：等于燈泡上標注的額定功率；熒光燈應考慮鎮(zhèn)流器中的功率損失（約為燈泡功率的20%），其設備容量應為燈管額定功率的1.2倍；高壓水銀熒光燈和金屬鹵化物燈也應考慮鎮(zhèn)流器中的功率損失（約為燈泡功率的10%），其設備容量可取燈管額定功率的1.1倍。第十四頁，共五十一頁，2022年，8月28日3/28/202314河北科技大學電氣信息學院單相負荷的設備容量：當單相用電設備的總容量不超過三相用電設備總容量的15%時，其設備容量可直接按三相平衡負荷考慮；當超過15%時，應將其換算為等效的三相設備容量，再同三相用電設備一起進行三相負荷計算。換算方法如下：單相設備接于相電壓時：

單相設備接于同一線電壓時：式中，為等效三相設備容量（kW）；為最大負荷相所接的單相設備容量（kW）。式中，為接于同一線電壓的單相設備容量（kW）。第十五頁，共五十一頁，2022年，8月28日3/28/202315河北科技大學電氣信息學院一般情況：應先將接于線電壓的單相設備容量換算為接于相電壓的設備容量，換算公式如下：A相:B相:C相:然后分相計算各相的設備容量，則最大負荷相的3倍即為總的等效三相設備容量。第十六頁，共五十一頁，2022年，8月28日3/28/202316河北科技大學電氣信息學院三、單臺用電設備的負荷計算對長期連續(xù)工作的單臺用電設備：對需要計及效率的單臺用電設備（如電動機）：四、用電設備組的負荷計算1．需要系數(shù)法確定用電設備組的計算負荷時，應考慮以下幾種因素：各用電設備因工作情況不同，可能不同時工作，因此應考慮一個同時使用系數(shù)

;各用電設備在工作時，不一定全部在滿負荷下運行，因此應考慮一個負荷系數(shù)

;第十七頁，共五十一頁，2022年，8月28日3/28/202317河北科技大學電氣信息學院各用電設備的平均效率;

線路的供電效率。

因此，一個用電設備組的需要系數(shù)可表示為單組用電設備計算負荷的確定說明：P30、Q30、S30的單位分別為kW、kvar、kVA2第十八頁，共五十一頁，2022年，8月28日3/28/202318河北科技大學電氣信息學院多組用電設備計算負荷的確定式中，為同時系數(shù)，一般取0.85~0.95

。當車間配電干線上有多組用電設備時，各組用電設備的最大負荷不同時出現(xiàn)，此時應計入一個同時系數(shù)。第十九頁，共五十一頁，2022年，8月28日3/28/202319河北科技大學電氣信息學院電力負荷計算表序號用電設備名稱臺數(shù)設備容量/kWKdcos

tan計算負荷銘牌值換算值P30/kWQ30/kvarS30/kVAI30/A1金屬切削機床組3085850.160.51.7313.623.532通風機組3550.850.850.624.252.6353吊車組133.7950.150.51.730.5690.984小計349393.79518.41924.149負荷總計（）16.5824.4329.5244.85例2-1（P31）第二十頁，共五十一頁，2022年，8月28日3/28/202320河北科技大學電氣信息學院

2.二項式系數(shù)法單組用電設備計算負荷的確定由x臺容量最大用電設備投入運行時增加的附加負荷用電設備組的平均負荷第二十一頁，共五十一頁，2022年，8月28日3/28/202321河北科技大學電氣信息學院多組用電設備計算負荷的確定各用電設備組附加負荷中的最大值各用電設備組平均負荷的總和第二十二頁，共五十一頁，2022年，8月28日3/28/202322河北科技大學電氣信息學院例2-2（P33）電力負荷計算表與例2-1（S30=29.52kVA，I30=44.85A）比較可知，按二項式計算的結果比按需要系數(shù)法計算的結果要大。序號用電設備名稱設備臺數(shù)設備容量二項式系數(shù)costans計算負荷P30/kW總臺數(shù)大容量臺數(shù)/kW/kWbc1切削機床3058537.50.140.40.51.7311.9+15=26.92通風機組350.650.250.80.753.25+1.25=4.53吊車組13（ε=40%）3.795(ε=25%）0.060.20.51.730.228+0.759=0.987負荷總計P30=30.38kWQ30=49.37kvarS30=57.97kVAI30=88.1A第二十三頁，共五十一頁，2022年，8月28日3/28/202323河北科技大學電氣信息學院

一、功率損耗1．線路的功率損耗2.3功率損耗與電能損耗計算等邊三角形排列：水平等距離排列：而x1與導線之間的幾何均距有關。其中:圖2-6三相導線的布置方式a）等邊三角形布置b）水平等距布置第二十四頁，共五十一頁，2022年，8月28日3/28/202324河北科技大學電氣信息學院２．變壓器的功率損耗鐵心中的有功功率損耗，即鐵損（不變損耗）變壓器的空載損耗可認為就是鐵耗，即有功功率損耗消耗在一、二次線圈電阻上的有功功率損耗，即銅耗:與負荷電流（或功率）的平方成正比。——可變損耗變壓器的短路損耗可認為就是額定負載下的銅耗，則任意負載下的銅耗為：第二十五頁，共五十一頁，2022年，8月28日3/28/202325河北科技大學電氣信息學院所以無功功率損耗所以式中，為變壓器的負荷率；S30為變壓器的計算負荷（kVA）；SN為變壓器的額定容量（kVA）。用來產生主磁通即產生勵磁電流的無功功率損耗：只與電網的電壓有關，與負荷大小無關，可用來表征。第二十六頁，共五十一頁，2022年，8月28日3/28/202326河北科技大學電氣信息學院所以——額定負載下的損耗近似公式：消耗在一、二次線圈電阻上的有功功率損耗：與負荷電流（或功率）的平方成正比，可用來表征。

第二十七頁，共五十一頁，2022年，8月28日3/28/202327河北科技大學電氣信息學院

二、電能損耗1．線路的電能損耗：τ的含義：在此時間內，線路持續(xù)通過計算電流所（I30）產生的電能損耗與實際負荷電流在全年內所產生的電能損耗相等。圖2-7τ與Tmax關系曲線式中，τ為年最大負荷損耗小時數(shù)，它與Tmax以及cos有關，如圖2-7所示。第二十八頁，共五十一頁，2022年，8月28日3/28/202328河北科技大學電氣信息學院2．變壓器的電能損耗由變壓器鐵損引起的電能損耗：由變壓器銅損引起的電能損耗：因此，變壓器全年的電能損耗為第二十九頁，共五十一頁，2022年，8月28日3/28/202329河北科技大學電氣信息學院

三、線損率的計算1.線損：發(fā)電廠發(fā)出來的電能，在電力網輸送、變壓、配電各環(huán)節(jié)所造成的損耗，稱為電力網的電能損耗，簡稱為線損。包括理論線損和管理線損兩部分。2.線損率：指線損電量占電網供電量的百分數(shù)，即實際線損率：理論線損率：第三十頁，共五十一頁，2022年，8月28日3/28/202330河北科技大學電氣信息學院2.4企業(yè)計算負荷的確定

一、按逐級計算法確定企業(yè)的計算負荷

逐級計算法是指從企業(yè)的用電端開始，逐級上推，直至求出電源進線端的計算負荷為止。一般工業(yè)企業(yè)的供電系統(tǒng)圖如圖2-8所示：圖2-8負荷計算用供電系統(tǒng)第三十一頁，共五十一頁，2022年，8月28日3/28/202331河北科技大學電氣信息學院1.用電設備組的計算負荷（圖2-8中的1點）2．車間變壓器低壓母線上的計算負荷（圖2-8中的2點）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，則第三十二頁，共五十一頁，2022年，8月28日3/28/202332河北科技大學電氣信息學院3.車間變壓器高壓側的計算負荷（圖2-8中的3點）

注意：若求計算負荷時車間變壓器的容量和型號尚未確定，變壓器的功率損耗可按近似公式進行計算，即對SL7、S9、SC9等低損耗變壓器：對SJL1等變壓器：第三十三頁，共五十一頁，2022年，8月28日3/28/202333河北科技大學電氣信息學院4.車間變電所高壓母線上的計算負荷（圖2-8中的4點）5.總降壓變電所出線上的計算負荷（圖2-8中的5點）由于工業(yè)企業(yè)廠區(qū)范圍不大，高壓線路中的功率損耗較小，在負荷計算中可以忽略不計，所以有第三十四頁，共五十一頁，2022年，8月28日3/28/202334河北科技大學電氣信息學院6.總降壓變電所低壓母線上的計算負荷（圖2-8中的6點）注意：如果在總降壓變電所6～10kV二次母線側采用高壓電容器進行無功補償，其容量為，則7.企業(yè)總計算負荷（圖2-8中的7點）第三十五頁，共五十一頁，2022年，8月28日3/28/202335河北科技大學電氣信息學院

二、按需要系數(shù)法確定企業(yè)的計算負荷

式中，Kd為企業(yè)的需要系數(shù)，查表2-4；為全廠用電設備的總容量（不包括備用設備容量）。

三、按年產量估算企業(yè)的計算負荷將企業(yè)年產量A乘以單位產品耗電量a，即可得到企業(yè)全年的耗電量：則企業(yè)的有功計算負荷為：第三十六頁，共五十一頁，2022年，8月28日3/28/202336河北科技大學電氣信息學院2.5無功功率補償一、功率因數(shù)低的不良影響1．使供電網絡中的功率損耗和電能損耗增大。2．使供電網絡的電壓損失增大，影響負荷端的電壓質量。3．使供配電設備的容量不能得到充分利用，降低了供電能力。4．使發(fā)電機的出力下降，發(fā)電設備效率降低，發(fā)電成本提高。因為功率因數(shù)越低，在保證輸送同樣的有功功率時，系統(tǒng)中輸送的總電流越大，從而使輸電線路上的功率損耗和電能損耗增加。由于發(fā)電機、變壓器都有一定的額定電壓和額定電流，在正常情況下不允許超過額定值，根據(jù)，功率因數(shù)越低，輸出的有功功率越小，使設備的容量不能得到充分利用，降低了供電能力。當有功功率保持不變時，功率因數(shù)越低，無功電流越大，對發(fā)電機轉子的去磁效應越大，端電壓越低，發(fā)電機就達不到預定的出力。

由于，當P、R、X一定時，功率因數(shù)越低，Q越大，則越大。第三十七頁，共五十一頁，2022年，8月28日3/28/202337河北科技大學電氣信息學院二、功率因數(shù)的計算1.瞬時功率因數(shù)：可由功率因數(shù)表（相位表）直接讀出，或由電壓表、電流表和功率表在同一時刻的讀數(shù)按下式求出：

指某一規(guī)定時間內，功率因數(shù)的平均值。其計算公式為：2.均權功率因數(shù)：瞬時功率因數(shù)值代表某一瞬間狀態(tài)的無功功率的變化情況。式中，Wp為某一時間內消耗的有功電能（kW·h）；Wq為同一時間內消耗的無功電能（kvar·h）。第三十八頁，共五十一頁，2022年，8月28日3/28/202338河北科技大學電氣信息學院指在年最大負荷（即計算負荷）時的功率因數(shù)。其計算公式為：3.最大負荷時的功率因數(shù)：注意：在供電設計中考慮無功補償時，嚴格地講，應按均權功率因數(shù)否滿足要求來計算，但為簡便起見，常按最大負荷時的功率因數(shù)來計算補償容量。我國供電部門每月向工業(yè)用戶收取電費，就是按月均權功率因數(shù)的高低來調整的。并規(guī)定：高壓供電的用戶，其功率因數(shù)不應低于0.9，其他電力用戶的功率因數(shù)不應低于0.85。若達不到以上要求，應進行人工補償，否則要加收電費。第三十九頁，共五十一頁，2022年，8月28日3/28/202339河北科技大學電氣信息學院三、提高功率因數(shù)的方法提高自然功率因數(shù)的方法不加任何補償設備，采取措施減少供電系統(tǒng)中無功功率的需要量，稱為提高自然功率因數(shù)。用小容量的電動機代替負荷不足的大容量電動機。正確選用感應電動機的型號和容量。當電動機的負荷系數(shù)KL＞70%時，可以不換；當KL＜40%時，必須換小電機；當40%＜KL＜70%時，則需經過技術經濟比較后再進行更換。降低感應電動機的端電壓就降低了感應電動機的無功功率需要量，從而可提高系統(tǒng)的功率因數(shù)。對負荷不足的電動機可用降低外加電壓的辦法提高功率因數(shù)。第四十頁，共五十一頁，2022年，8月28日3/28/202340河北科技大學電氣信息學院定子繞組的匝數(shù)不能減少。所以限制感應電動機的空載運行。提高感應電動機的檢修質量。氣隙δ不能增加。當變壓器的負荷系數(shù)KL＜30%時，應考慮換小容量的變壓器。合理使用變壓器。感應電動機同步化運行。同步電動機過勵磁下可向電網送入無功功率，從而改善功率因數(shù)。第四十一頁，共五十一頁，2022年，8月28日3/28/202341河北科技大學電氣信息學院2．提高功率因數(shù)的補償法穩(wěn)態(tài)無功功率補償設備采用并聯(lián)電容器——無功自動補償裝置采用同步補償機優(yōu)點：與同步補償機相比，因無旋轉部分，具有安裝簡單、運行維護方便、有功功率損耗小及組裝靈活、擴充方便等優(yōu)點，因此是目前工業(yè)企業(yè)中應用最廣泛的無功補償設備。實質上是空載運行的同步電動機，通過調節(jié)其勵磁電流可以起到補償系統(tǒng)無功功率的作用。由于它為旋轉機械，安裝和運行維修都相當復雜，所以在企業(yè)供配電系統(tǒng)中很少應用。按晝夜時間劃分進行控制根據(jù)全天24小時無功負荷的變化曲線，按時間程序投入或切除補償電容器。其特點是控制設備簡單、操作方便，并可以防止無功功率倒送向電網，適用于負荷比較穩(wěn)定，無功負荷變化有規(guī)律的場合。第四十二頁，共五十一頁，2022年，8月28日3/28/202342河北科技大學電氣信息學院按母線電壓的高低進行控制按無功功率的大小進行控制起動元件采用低電壓和過電壓兩個繼電器，當母線電壓低于低電壓繼電器的整定值時，電容器自動投入；當母線電壓高于過電壓繼電器的整定值時，電容器自動切除。起動元件是一個無功功率檢測器，當無功檢測器測出的無功功率值大于上限給定值時，電容器自動投入；反之，當無功檢測器測出的無功功率值小于下限給定值時，電容器自動切除。按功率因數(shù)的大小進行控制起動元件是一個相位檢測器，通過檢測一個線電壓和一個線電流的相位來得出系統(tǒng)當前的功率因數(shù)值，若此功率因數(shù)值小于下限給定值，電容器自動投入；反之，若此功率因數(shù)值大于上限給定值，則電容器自動切除。第四十三頁，共五十一頁，2022年，8月28日3/28/202343河北科技大學電氣信息學院動態(tài)無功功率補償設備——靜補裝置（SVC）動態(tài)無功功率補償設備又稱為“靜止型無功功率自動補償裝置”，簡稱“靜補裝置”（SVC），具有響應速度快、平滑調節(jié)性能好、補償效率高、維修方便及諧波、噪聲、損耗均小等優(yōu)點，因此應用越來越廣泛。靜止型無功功率自動補償裝置由可控的可調電抗器與電容器并聯(lián)組成，電容器可發(fā)出無功功率，可控電抗器可吸收無功功率。它可以迅速地按照負荷的變動情況改變無功功率的大小和方向，調節(jié)或穩(wěn)定系統(tǒng)的運行電壓，尤其適用于沖擊性負荷的無功補償。第四十四頁，共五十一頁，2022年，8月28日3/28/202344河北科技大學電氣信息學院四、電容器并聯(lián)補償?shù)墓ぷ髟碓诠I(yè)企業(yè)中，絕大部分電氣設備的等值電路可視為電阻R和電感L的串聯(lián)電路，其功率因數(shù)可表示為：當在R、L電路中并聯(lián)接入電容器C后，如圖2-9a）所示，回路電流為：圖2-9電容器無功補償原理圖第四十五頁，共五十一頁，2022年，8月28日3/28/202345河北科技大學電氣信息學院可見，并聯(lián)電容器后與之間的夾角變小了，因此，供電回路的功率因數(shù)提高了。欠補償：補償后電流落后電壓，如圖2-9b）所示。過補償：補償后電流超前電壓，如圖2-9c）所示。五、電容器的接線方式與裝設位置一般都不采用過補償，因為這將引起變壓器二次側電壓的升高，會增大電容器本身的損耗，使溫升增大，電容器壽命降低，同時還會使線路上的電能損耗增加。1．電容器的接線方式低壓電容器一般接成三角形。高壓電容器組宜接成星形，但容量較?。?50kvar及以下）時可接成三角形。由于，而，因此電容器接成三角形時的容量為采用星形接線時的3倍。若電容器采用三角形接線，一電容器斷線時，三相線路仍能得到無功補償；而采用星形接線時，一相電容器斷線，該相將失去無功補償，造成三相負荷不平衡。但是，電容器采用三角形接線時，任一電容器擊穿將造成兩相短路，有可能發(fā)生電容器爆炸；而采用星形接線時，若一相電容器擊穿，短路電流數(shù)值相對較小。因此星形接線較之三角形接線安全多了。第四十六頁，共五十一頁，2022年，8月28日3/28/202346河北科技大學電氣信息學院2．電容器的裝設位置（補償方式）高壓集中補償：將高壓電容