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项目二 计算负荷和短路电流
内容：电力负荷的概念，负荷曲线，负荷的设备容量，
负荷的计算 方法，功率损耗和电能损耗，尖峰
电流以及功率因数和无功功率补偿。短路计算基
础，无限大功率电源供电系统三相短路分析，无
限大功率电源供电系统三相短路电流的计算，短
路电流的效应。
难点：掌握负荷设备容量的计算，需要系数法负荷的计
算方法，掌握功率因数的计算和无功功率补偿计
算。无限大功率电源供电系统的三相短路分析和
对短路电流效应的理解，掌握标幺制法。
项目概述
任务三 电能损耗和无功功率补偿
【任务陈述】
工厂供电系统中的线路和变压器由于常年运行，其电能损耗相当大，直接关系到供电系统的经济效益问题。供配电技术人员应了解和掌握线路的电能损耗和变压器的电能损耗是如何造成的，理解降低供电系统电能损耗的相关知识和技能，重点掌握线路功率因数的提高及无功功率的补偿方法。
一、 线路的电能损耗
供配电系统的线路上全年的电能损耗用ΔW表示，其计算公式：
τ与Tmax之间的关系如下图示。
τ
τ与Tmax的关系可用公式表达为：
Tmax
当cosφ=1，且线路电压不变时，全年的电能损耗为：
变压器的电能损耗包括两个部分：铁损耗和铜损耗。
上式表明：只要外施电压和频率不变，铁损所引起的电能损耗也固定不变，且近似于空载损耗ΔP0。
由式可知，由变压器铜损引起的电能损耗，与变压器负荷率KL的平方成正比，且近似于短路损耗ΔPk。
二、 变压器的电能损耗
因此，变压器全年的电能损耗为：
变压器的铁损耗是不变损耗；铜损耗是随负荷变动的可变损耗
三、 工厂的功率因数和无功功率补偿
1. 工厂的功率因数
瞬时功率因数可由功率因数表直接测量，也可间接测量，即由功率表、电流表和电压表的读数按下式求出：
平均功率因数又称为加权平均功率因数，按下式计算：
式中：Wa是某时间内消耗的有功电能；Wr是某时间内消耗的无功电能。我国电业部门每月向工业用户收取的电费，规定要按月平均功率因数的高低来调整。
（1） 瞬时功率因数
（2） 平均功率因数
最大负荷时功率因数是指计算负荷时的功率因数。计算公式为：
（3） 最大负荷时的功率因数
例
某机械加工厂全年用电量为：有功电能500万度，感性无功电能240万度，容性无功电能80万度，试计算该厂的年平均计算负荷和平均功率因数。
解
车间年平均负荷为：
平均功率因数为：
练习
某企业35kV总降压变电站10kV侧计算负荷为：1#车间720kW+j510kvar； 2#车间580kW+j400kvar；3#车间630kW+j490kvar； 4#车间475kW+j335kvar。（KaL=0.76； KrL=0.82，忽略线损）试求：该企业的计算负荷及平均功率因数。
解
平均功率因数为：
10kV侧计算负荷：（同时系数取：KΣp=KΣq=0.9）
交流供配电线路中，大多数为感性负荷，致使功率因数偏低。当有功功率为一定值时，cos 愈小、 角愈大，其视在功率就愈大，因而供电线路中的电流就大，线路的损失随之增大，不经济。
2. 功率因数对供配电系统的影响
供电设备的供电能力是用视在功率S来衡量的。当供电设备的容量一定时，如果用户负载的功率因数过低，其无功功率就会过大，致使供电设备输出的有功功率减小，显然降低了供电设备的供电能力。
国家标准GB/T3485-1998《评价企业合理用电技术导则》中规定：在企业最大负荷时的功率因数应不低于0.9，凡功率因数未达到上述规定的，应在负荷侧合理装置集中与就地无功补偿设备。
我国供电部门规定，用户凡功率因数低于规定值时，均予以罚款；若功率因数高于规定值时，予以奖励。即采用“高奖低罚”的原则。
3. 电力电容器
电力系统中采取把电力电容器并接在负荷或供电设备上运行，负荷或供电设备要“吸收”的无功电力正好由电容器“发出”的无功电力供给，从而起到无功补偿作用。
电力线路两端并联电力电容器，线路上就可避免无功电力的输送，以达到减少线路能量损耗、减小线路电压降，提高系统有功出力的效益，因此，电力电容器是提高电力系统功率因数的一种重要的电气设备。
电力电容器在电力系统中的作用是“发出”无功电力
（1）提高自然功率因数
4. 无功功率的补偿
自然补偿法的核心思想是避免感性设备的空载减少其轻载
①合理选择电动机的容量，使其接近满载运转。
②对实际负载不超过额定容量40％的电动机，应更换为小容量的电动机。
③合理安排和调整工艺流程，改善用电设备的运转方式，限制感应电动机空载运转。
④正确选择变压器容量，提高变压器的负载率（一般为75%～
80％比较合适）。对于负载率低于30％变压器，应予以更换。
⑤对于负荷率在0.6～0.9的绕线式电动机，必要时可以使其同步化，这时电动机可以向电力系统输送出无功功率。
方法：
无功功率的人工补偿法基本原理：把具有容性功率负荷的装置与感性功率负荷并联接在同一电路，当容性负荷释放能量时，感性负荷吸收能量；而感性负荷释放能量时，容性负荷却在吸收能量，能量在两种负荷之间互相交换。这样，感性负荷所吸收的无功功率可由容性负荷输出的无功功率中得到补偿。
（2）人工补偿法
人工补偿法必须是欠补偿。因为一旦过补偿，反送无功将会引起电网电压升高，从而造成对电网的污染，严重时甚至会造成电网崩溃。
人工补偿的主要方法有：
①在变电所内利用并联电力电容器组，可以提高线路的功率因数。
②采用同步电动机提高功率因数是一种比较经济实用的方法。
③对于容量大的冲击性负荷，一般应采用大容量、高速的动态无功功率补偿装置来提高线路和设备的功率因数。
④ 并联电容器补偿
1.并联电容器的型号由文字和数字两部分组成。
参看课本P36页
补偿容量和电容器台数的确定
在变电所6~10kV高压母线上进行人工补偿时，一般采用固定补偿，即补
偿电容器不随负荷变化投入或切除。
在变电所0.38kV母线上进行补偿时，都采用自动补偿，即根据cosφ测量值按功率因数设定值，自动投入或切除电容器。
某变电站的计算负荷为2400kW，平均功率因数为0.67。如果要使其平均功率因数提高到0.9，问若在10kV侧固定补偿，需要装设多大容量的并联电容器 如果采用BWF10.5-40-1型电容器
(QN.C＝40kvar)，需装设多少个
解
例
需补偿的容量为：
需装设的电容器个数：
练习
某工具厂全年消耗的电能Wa=2500万度，Wr=2100万度，供电电压为10kV。其平均有功功率和平均功率因数是多少？欲将功率因数提高到0.9，需BFM11-50-1型并联电容器多少台？
解
平均功率因数为：
平均有功功率为：
考虑到三相平衡分配，应装设21台并联电容器，每相7台，实际补偿容量为1050kvar。
并联电容器的装设与控制
1.并联电容器的接线
并联补偿的电力电容器大多采用三角形接线。
2.并联电容器的装设地点
①高压集中补偿：将电容器组集中装设在变电站的6～10kV母线上。补偿范围最小，经济效果较差。但装设集中，运行条件较好，维护管理方便，投资较少。
②低压集中补偿：电容器集中装设在变电站0.38kV低压母线上，低压电容器补偿屏安装在低压配电室。补偿范围大，比较经济，运行维护安全方便。
③单独就地补偿：将电容器装设功率因数较低的设备旁。补偿范围最大，效果最好。 但投资较大，电容器的利用率较低。
补偿后用户的负荷计算和功率因数计算
1.补偿后的负荷计算
若补偿装置装设地点在变压器一次侧，补偿后的计算负荷为：
若补偿装置装设地点在变压器二次侧，补偿后的计算负荷为：
补偿后，总的视在计算负荷为：
2.补偿后功率因数的计算
固定补偿一般计算平均功率因数，计算公式为：
自动补偿一般计算最大功率因数，计算公式为：
由此可以看出，在变电站低压侧装设了无功补偿装置后，低压侧总的视在功率减小，变电所变压器的容量也减小，功率因数得到了提高。
［任务实施］提高工厂变电站的功率因数
已知某工厂的有功计算负荷为650kW，无功计算负荷为800kvar。为使工厂的功率因数不低于0.9，现要在工厂变电站低压侧装设并联电容器组进行无功功率补偿，则需装设多少补偿容量的并联电容器？假设补偿前工厂变电站主变压器的容量选择为1 250kV，则补偿后工厂变电站主变压器的容量有何变化？
解：
① 补偿前的变压器容量为 kvar
变电站的二次侧功率因数为：
② 按相关规定，补偿后变电站高压侧的功率因数不应低于0.9，即： ≥0.9。考虑到变压器的无功功率损耗远大于有功功率损耗，所以低压侧补偿后的功率因数应略高于0.9，这里取0.92。因此，在低压侧需要装设的并联电容器容量为：
取530kvar。
③ 变电站低压侧的视在计算负荷为：
④ 补偿后变压器的功率损耗为
变电站高压侧的计算负荷为：
补偿后的实际功率因数为：
无功功率补偿前后进行比较，得：
即补偿后主变压器的容量减少了450kV·A。由此可以看出，在变电站低压侧装设了无功功率补偿装置后，低压侧总的视在功率减小，变电站主变压器的容量也减小，功率因数得到提高。
任务总结
当电流流经工厂供配电系统时，会产生功率损耗和电能损耗。在进行负荷计算时要计及功率损耗；在提高供配电系统运行经济性时，要降低电能损耗。另外，功率因数太低对工厂供配电系统有不良影响，因此需要提高功率因数。提高功率因数的主要措施是采取人工补偿，而工厂中多采用并联电容器进行补偿。

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