工礦企業負荷及無功補償計算的方法及應用

楊麗萍（云南工商學院交通機電學院 昆明 651701）

0 引言

工礦企業生產線由機電傳動與控制系統構成，其中傳動系統作為動力驅動，其能源絕大部分來自于電能，電能的供應與控制是機電傳動與控制系統的重要組成部分，而電能的供應與控制由供配電及其控制系統構成，包括供配電線路、變配電設備（變壓器）、控制保護設備（高低壓開關設備）。負荷計算的過程也包含了無功補償計算，以下的描述中不再單獨強調無功補償計算。負荷計算的結果，是合理選擇供配電系統線路截面及其控制保護設備的依據；是向供電局申請供電容量的憑證；是工礦企業生產線機電傳動系統穩定運行的必要條件。所以電氣工程人員，尤其是電氣工程設計人員必須掌握這一技術。

1 負荷計算的目的和意義

在工礦企業生產過程中，常常會有一些非關鍵設備在生產中由于故障等原因停止運行而對正常生產沒有太大影響；另外為了保障產量達標，大部分生產機械的選型均會有余量，而運行時驅動設備（電動機）會存在非滿負荷運行的可能性。所以生產企業電能的供應并不是按照所選用電設備的安裝功率來供應的，它會存在冗余，而正常生產用電的控制保護不能將這部分冗余計算在內，否則將造成控制保護設備選型偏大而失去其應有的功能，從而使供配電系統的運行失去安全、可靠、靈敏和經濟性。這也是要進行負荷計算的目的和意義。

2 該技術目前情況分析

工礦企業生產工藝復雜，用電設備多，用電量大，在對工礦企業電氣設計的過程中，電力變壓器、電氣元器件的選型、保護裝置動作整定、供配電電纜及導線截面的選擇均要以計算負荷為依據。負荷計算在工礦企業建設之初的電氣設計工作中占據著非常重要的位置，負荷計算的準確性決定著整個工礦企業生產用電的合理性，能為生產運營節約成本，降低故障產生的概率，提高生產效益。所以在工程建設初期設計階段，選用適宜的計算方法應用于負荷計算，并能熟練掌握計算的過程及要領，是電氣工程技術人員應該掌握的技能。然而，現階段工礦企業生產建設處于縮減、受限或轉移國外建設時期，電氣設計人員需求減少，企業電氣高級技術人員出現空缺甚至斷代的情況，傳統師傅帶徒弟的培養渠道被迫中斷；而向工礦企業輸送人才的高校職業教育、應用型人才培養模式，只注重操作培訓、不注重理論學習，成為進入工礦企業從事技術工作的人員的技能缺陷，大部分技術人員不會計算負荷。

3 工礦企業的負荷計算方法及其應用

本文將以圖1所示的供配電系統為例來分析工礦企業負荷計算的方法及其應用技術。

圖1 供配電系統示意圖

3.1 供配電系統方案的確定與分析

在進行負荷計算之前要先確定（或分析）供配電系統方案。

由圖1可知，該企業供電電壓等級35kV，全廠設一座35/10kV總降壓變電站，分別向10kV配電所（回路1）、生產線上的2臺10kV高壓電機（回路2、3）以及1#車間變電所（回路4）供電。而10kV配電所則向2#車間變電所及生產線上的另外兩臺10kV高壓電機供電。而1#、2#車間變電所負責全廠0.4kV低壓用電設備供電。（詳見圖1）

3.2 工礦企業負荷計算的方法

負荷計算的方法有需要系數法和二項式計算法，工礦企業負荷計算的方法通常采用需要系數法。需要系數法計算負荷的關鍵在于取系數。計算從供電末端返算回來，逐級取值、逐級計算；先小計再合計；先分車間計算再合并計算；根據配電方案確定的供電級數，逐級往上計算，最后計算出全廠的有功功率、無功功率；根據功率因數要求，計算出補償功率，然后計算視在功率，從而確定主變壓器容量。負荷計算及無功補償容量計算盡管在很多供配電相關教材和設計手冊中都有介紹，但在實際運用中沒有經過有經驗的工程師指導的技術人員，往往對其概念及計算過程中系數的取值難以把握，還是不知道如何計算。下面就通過對圖1供配電系統負荷進行計算，來描述需要系數法在工礦企業負荷計算中的具體應用操作。

3.3 需要系數法負荷計算及其應用

圖1供配電系統需要進行負荷計算的點分別為A點，B1、B2點，C點，D點。這些點的計算負荷分別代表：

A點—低壓配電干線供電負荷；

B1、B2點—車間變電所低壓側供電負荷；C點—高壓配電干線供電負荷；

D點—總降壓變電站10KV側供電負荷；

由以上定義及圖1可知，負荷計算是一個動態的過程，一個企業的計算負荷往往需要多級計算，具體需要進行哪些計算取決于供配電系統方案。所以在進行負荷計算之前須先確定供配電系統方案。

3.3 .1負荷計算的結果及意義

負荷計算的結果稱為計算負荷，其值有：

Pjs—有功功率;

Qjs—無功功率;

Sjs—視在功率;

Ijs—計算電流;

Pjs、Qjs的基礎數據來源于用電設備的銘牌參數，Sjs、Ijs是計算的最終結果。負荷計算的意義在于：計算出Sjs—視在功率，用于變壓器容量的選擇；計算出Ijs—計算電流，用于保護控制電氣設備的選擇及保護的整定計算與設置。

3.3 .2需要系數法負荷計算的方法步驟

在圖1的供配電系統示意圖中，需要系數法負荷計算要按以下步驟及方法進行：

第一步，計算1#、2#車間變電所的負荷，同時進行無功補償，并確定變壓器的容量。步驟分為：

（1）用電設備組的計算負荷。將變壓器低壓母線上的低壓用電設備按性質進行分組，即將需要系數Kx和功率因數cosφ（或功率因數正切tgφ)相同的用電設備歸為一組，按照以下公式進行負荷計算：

有功功率：Pjs=KxPe（kw）

無功功率：Qjs=Pjstgφ（kvar）

式中Kx為該組設備的需要系數，可通過查需要系數表得到；Pe為該組設備的安裝功率之和，等于各用電設備銘牌上的容量（功率）之和；tgφ為該組設備的功率因數的正切值，可通過查功率因數表得到。

配電干線或車間變電所的計算負荷。將（1）步驟中經過分組計算出的各個Pjs、Qjs進行求和，并取（乘）一個同時系數K∑p、K∑q，其計算式為：

有功功率：Pjs=K∑p∑(KxPe) （kw）

無功功率：Qjs=K∑q∑(KxPetgφ) （kvar）

式中的同時系數K∑p、K∑q的含義是由同一配電干線或車間變壓器低壓母線上供電的所有用電設備同時投入運行的幾率，該系數不大于1。

這里，配電干線負荷與車間變電所負荷計算的方法步驟相同，只是配電的范圍不同。配電干線是由變電所引出的饋電回路，仍然屬于變壓器的供電范疇，只不過是由于某些特殊功能需要單獨供電的設備組、或是離變配電所較遠不宜直接由變壓器低壓母線供電的設備組，則采用一干線回路進行供電。如圖1中A點所在的回路，它的負荷最終要歸算到車間變電所的負荷計算上，對它單獨進行負荷計算的目的是通過Ijs來選擇這條供電干線的供電電纜截面大小及控制開關等器件。而另一方面，車間變電所負荷計算通常還包含了電容器無功功率補償的計算。在經過了上面的有功、無功計算后，要進行無功補償，補償后再進一步計算車間變壓器所需供電的容量 (視在功率），最后再根據變壓器65%~85%的經濟負荷率要求來確定變壓器的容量。

無功補償容量的計算有多種方法，但都與所要求的功率因數有關。我國電網公司要求功率因數在0.9以上，補償計算時要按0.92以上最好0.95以上來補償。比如：某車間變電所經以上計算的結果是

Pjs=944(kW)

Qjs=732(kvar)

企業之間的協調聯動行為是多種集成要素相互作用關系的協調與整合。在眾多有關組織協調及協調機制構建的文獻資料中，不難發現合作協調相關影響因子的描述研究，可歸結為相互信任、信息溝通、文化交融、利益分享四方面研究較為普遍的因素。

Sjs=972kVA，cosφ=0.97。而變壓器容量可選擇1 250kVA，變壓器負荷率為符合變壓器經濟運行負載率要求。

這里要搞清楚的是，無功補償并不是一個確定精確的值，而是在滿足功率因數要求的前提下可多可少，最好能根據電容器組容量來組合，當然，生產制造廠家會根據自己的電容器組容量來確定最終的補償容量，所以無功補償的計算只是一個大概的數值，不必太糾結。

第二步，計算高壓配電所C點的負荷，根據實際情況決定是否需要加電容器補償，計算出計算電流，作為選擇開關元件的依據，同時為繼電保護的整定提供基礎數據。

為了配電的相對集中，廠區一般設置多個高壓配電所，這些配電所負責給所屬供電范圍內的高壓電機及車間變壓器供電；配電所的計算負荷為各高壓電機的計算負荷與各車間變電所計算負荷之和再乘以同時系數K∑p和K∑q。如圖1中C點所在的回路，它的負荷最終要歸算到全廠總降壓變電所的負荷計算上，對它進行負荷計算的目的與低壓配電干線負荷計算是一樣的道理，即通過Ijs來選擇這條供電干線的供電電纜截面大小及控制開關等器件。

表1為圖1中10KV變電所及所屬供電范圍內的車間變電所的負荷計算情況，可作為負荷計算示例。

表1 車間變電所的負荷計算情況

以上10kV配電所供電的回路中，5回路高壓電機為籠型電機，可在母線上電容補償；7回路高壓電機為繞線型電機，配置靜止式進相器補償，其功率因數可達0.95。計算結果功率因數0.94，已能滿足功率因數要求，該母線上可以不設電容補償。

第三步，總降壓變電站的負荷計算。

總降是全廠的負荷中心，各變配電所接受總降饋電，總降的用電負荷來自于全廠，主變壓器容量的選擇根據全廠負荷計算的結果決定。總降負荷計算的結果是供電計劃的依據。將各變配電所計算負荷進行合計后，取同時系數K∑p和K∑q計算，最終得到全廠的計算負荷。下面以圖1配電系統方案示意圖中總降壓變電站為例，來闡述總降壓變電站負荷的計算。

總降壓站10kV母線饋電回路如圖共4回，分別是1回路，10kV配電所；2回路，高壓繞線電機；3回路，高壓繞線電機；4回路，1#車間變。其負荷及計算結果詳見表2所示。

表2 全廠負荷計算情況

3.2.3 同時系數的取值說明

在上一節負荷計算過程中，最后都要乘同時系數。那么同時系數取值的依據是什么，實際運用中如何取值?這是一個讓初入行的技術人員拿捏不定的事情，這里提供一個解決方案。

同時系數K∑p、K∑q，在不同階段的計算中有不同的取值，在《工業與民用配電設計手冊》第二版P3~5（2）（3）的條款中說的很清楚，對應第一步配電干線或車間變電所的負荷計算時，K∑p、K∑q分別取0.8~0.92和0.93~0.97；對應第二步配電所負荷計算時，K∑p、K∑q分別取0.85~1和0.95~1；而對應第三步總降壓變電站負荷計算時，K∑p、K∑q分別取0.8~0.9和0.93~0.97。在所規定的期間內取任意值都是正確的，只是在實際運用中注意用電設備少、母線上的饋電回路少可取大值；反之則取小值。

4 結論

負荷計算是供配電技術的一個組成，它不是獨立的一個知識，它是供配電技術的理論基礎，電氣設備選型、導線電纜截面選擇以及繼電保護整定校驗等都要以計算負荷為基礎，可以說它貫穿于整個供配電技術知識體系，對它的把握不是單純的運用公式進行計算，而是要在完整掌握供配電系統知識體系之后，在大量的實踐中不斷總結、積累相關知識，真正領會了供配電技術的精髓，才能很好地拿捏它。例如：需要對哪些點進行計算，必須要先確定供配電方案；需要系數、同時系數的取值，所有參考資料給的都是一個范圍，究竟取多大？這需要一些經驗累積；再比如，計算過程中同時涉及到無功補償，無功補償并不只有電容集中在母線上補償一種方式，如繞線電機，宜采用進相器就地補償，那么在計算該電機的無功功率時，就要按補償后的功率因數來計算，例如：某高壓繞線電機，原本功率因數只有0.863，采用進相器補償后功率因數是0.95，則負荷計算時，該電機的功率因數按0.95來計算其正切值。這些案例都說明工礦企業負荷計算不是一個簡單的知識點，本文僅對它的基本面進行了闡述，僅僅作為一個基本應用的參考，要更好地掌握它，需要在實踐中全面學習掌握供配電系統知識框架的基礎上來研究它。