工矿企业负荷及无功补偿计算的方法及应用

杨丽萍（云南工商学院交通机电学院 昆明 651701）

0 引言

工矿企业生产线由机电传动与控制系统构成，其中传动系统作为动力驱动，其能源绝大部分来自于电能，电能的供应与控制是机电传动与控制系统的重要组成部分，而电能的供应与控制由供配电及其控制系统构成，包括供配电线路、变配电设备（变压器）、控制保护设备（高低压开关设备）。负荷计算的过程也包含了无功补偿计算，以下的描述中不再单独强调无功补偿计算。负荷计算的结果，是合理选择供配电系统线路截面及其控制保护设备的依据；是向供电局申请供电容量的凭证；是工矿企业生产线机电传动系统稳定运行的必要条件。所以电气工程人员，尤其是电气工程设计人员必须掌握这一技术。

1 负荷计算的目的和意义

在工矿企业生产过程中，常常会有一些非关键设备在生产中由于故障等原因停止运行而对正常生产没有太大影响；另外为了保障产量达标，大部分生产机械的选型均会有余量，而运行时驱动设备（电动机）会存在非满负荷运行的可能性。所以生产企业电能的供应并不是按照所选用电设备的安装功率来供应的，它会存在冗余，而正常生产用电的控制保护不能将这部分冗余计算在内，否则将造成控制保护设备选型偏大而失去其应有的功能，从而使供配电系统的运行失去安全、可靠、灵敏和经济性。这也是要进行负荷计算的目的和意义。

2 该技术目前情况分析

工矿企业生产工艺复杂，用电设备多，用电量大，在对工矿企业电气设计的过程中，电力变压器、电气元器件的选型、保护装置动作整定、供配电电缆及导线截面的选择均要以计算负荷为依据。负荷计算在工矿企业建设之初的电气设计工作中占据着非常重要的位置，负荷计算的准确性决定着整个工矿企业生产用电的合理性，能为生产运营节约成本，降低故障产生的概率，提高生产效益。所以在工程建设初期设计阶段，选用适宜的计算方法应用于负荷计算，并能熟练掌握计算的过程及要领，是电气工程技术人员应该掌握的技能。然而，现阶段工矿企业生产建设处于缩减、受限或转移国外建设时期，电气设计人员需求减少，企业电气高级技术人员出现空缺甚至断代的情况，传统师傅带徒弟的培养渠道被迫中断；而向工矿企业输送人才的高校职业教育、应用型人才培养模式，只注重操作培训、不注重理论学习，成为进入工矿企业从事技术工作的人员的技能缺陷，大部分技术人员不会计算负荷。

3 工矿企业的负荷计算方法及其应用

本文将以图1所示的供配电系统为例来分析工矿企业负荷计算的方法及其应用技术。

图1 供配电系统示意图

3.1 供配电系统方案的确定与分析

在进行负荷计算之前要先确定（或分析）供配电系统方案。

由图1可知，该企业供电电压等级35kV，全厂设一座35/10kV总降压变电站，分别向10kV配电所（回路1）、生产线上的2台10kV高压电机（回路2、3）以及1#车间变电所（回路4）供电。而10kV配电所则向2#车间变电所及生产线上的另外两台10kV高压电机供电。而1#、2#车间变电所负责全厂0.4kV低压用电设备供电。（详见图1）

3.2 工矿企业负荷计算的方法

负荷计算的方法有需要系数法和二项式计算法，工矿企业负荷计算的方法通常采用需要系数法。需要系数法计算负荷的关键在于取系数。计算从供电末端返算回来，逐级取值、逐级计算；先小计再合计；先分车间计算再合并计算；根据配电方案确定的供电级数，逐级往上计算，最后计算出全厂的有功功率、无功功率；根据功率因数要求，计算出补偿功率，然后计算视在功率，从而确定主变压器容量。负荷计算及无功补偿容量计算尽管在很多供配电相关教材和设计手册中都有介绍，但在实际运用中没有经过有经验的工程师指导的技术人员，往往对其概念及计算过程中系数的取值难以把握，还是不知道如何计算。下面就通过对图1供配电系统负荷进行计算，来描述需要系数法在工矿企业负荷计算中的具体应用操作。

3.3 需要系数法负荷计算及其应用

图1供配电系统需要进行负荷计算的点分别为A点，B1、B2点，C点，D点。这些点的计算负荷分别代表：

A点—低压配电干线供电负荷；

B1、B2点—车间变电所低压侧供电负荷；C点—高压配电干线供电负荷；

D点—总降压变电站10KV侧供电负荷；

由以上定义及图1可知，负荷计算是一个动态的过程，一个企业的计算负荷往往需要多级计算，具体需要进行哪些计算取决于供配电系统方案。所以在进行负荷计算之前须先确定供配电系统方案。

3.3 .1负荷计算的结果及意义

负荷计算的结果称为计算负荷，其值有：

Pjs—有功功率;

Qjs—无功功率;

Sjs—视在功率;

Ijs—计算电流;

Pjs、Qjs的基础数据来源于用电设备的铭牌参数，Sjs、Ijs是计算的最终结果。负荷计算的意义在于：计算出Sjs—视在功率，用于变压器容量的选择；计算出Ijs—计算电流，用于保护控制电气设备的选择及保护的整定计算与设置。

3.3 .2需要系数法负荷计算的方法步骤

在图1的供配电系统示意图中，需要系数法负荷计算要按以下步骤及方法进行：

第一步，计算1#、2#车间变电所的负荷，同时进行无功补偿，并确定变压器的容量。步骤分为：

（1）用电设备组的计算负荷。将变压器低压母线上的低压用电设备按性质进行分组，即将需要系数Kx和功率因数cosφ（或功率因数正切tgφ)相同的用电设备归为一组，按照以下公式进行负荷计算：

有功功率：Pjs=KxPe（kw）

无功功率：Qjs=Pjstgφ（kvar）

式中Kx为该组设备的需要系数，可通过查需要系数表得到；Pe为该组设备的安装功率之和，等于各用电设备铭牌上的容量（功率）之和；tgφ为该组设备的功率因数的正切值，可通过查功率因数表得到。

配电干线或车间变电所的计算负荷。将（1）步骤中经过分组计算出的各个Pjs、Qjs进行求和，并取（乘）一个同时系数K∑p、K∑q，其计算式为：

有功功率：Pjs=K∑p∑(KxPe) （kw）

无功功率：Qjs=K∑q∑(KxPetgφ) （kvar）

式中的同时系数K∑p、K∑q的含义是由同一配电干线或车间变压器低压母线上供电的所有用电设备同时投入运行的几率，该系数不大于1。

这里，配电干线负荷与车间变电所负荷计算的方法步骤相同，只是配电的范围不同。配电干线是由变电所引出的馈电回路，仍然属于变压器的供电范畴，只不过是由于某些特殊功能需要单独供电的设备组、或是离变配电所较远不宜直接由变压器低压母线供电的设备组，则采用一干线回路进行供电。如图1中A点所在的回路，它的负荷最终要归算到车间变电所的负荷计算上，对它单独进行负荷计算的目的是通过Ijs来选择这条供电干线的供电电缆截面大小及控制开关等器件。而另一方面，车间变电所负荷计算通常还包含了电容器无功功率补偿的计算。在经过了上面的有功、无功计算后，要进行无功补偿，补偿后再进一步计算车间变压器所需供电的容量 (视在功率），最后再根据变压器65%~85%的经济负荷率要求来确定变压器的容量。

无功补偿容量的计算有多种方法，但都与所要求的功率因数有关。我国电网公司要求功率因数在0.9以上，补偿计算时要按0.92以上最好0.95以上来补偿。比如：某车间变电所经以上计算的结果是

Pjs=944(kW)

Qjs=732(kvar)

企业之间的协调联动行为是多种集成要素相互作用关系的协调与整合。在众多有关组织协调及协调机制构建的文献资料中，不难发现合作协调相关影响因子的描述研究，可归结为相互信任、信息沟通、文化交融、利益分享四方面研究较为普遍的因素。

Sjs=972kVA，cosφ=0.97。而变压器容量可选择1 250kVA，变压器负荷率为符合变压器经济运行负载率要求。

这里要搞清楚的是，无功补偿并不是一个确定精确的值，而是在满足功率因数要求的前提下可多可少，最好能根据电容器组容量来组合，当然，生产制造厂家会根据自己的电容器组容量来确定最终的补偿容量，所以无功补偿的计算只是一个大概的数值，不必太纠结。

第二步，计算高压配电所C点的负荷，根据实际情况决定是否需要加电容器补偿，计算出计算电流，作为选择开关元件的依据，同时为继电保护的整定提供基础数据。

为了配电的相对集中，厂区一般设置多个高压配电所，这些配电所负责给所属供电范围内的高压电机及车间变压器供电；配电所的计算负荷为各高压电机的计算负荷与各车间变电所计算负荷之和再乘以同时系数K∑p和K∑q。如图1中C点所在的回路，它的负荷最终要归算到全厂总降压变电所的负荷计算上，对它进行负荷计算的目的与低压配电干线负荷计算是一样的道理，即通过Ijs来选择这条供电干线的供电电缆截面大小及控制开关等器件。

表1为图1中10KV变电所及所属供电范围内的车间变电所的负荷计算情况，可作为负荷计算示例。

表1 车间变电所的负荷计算情况

以上10kV配电所供电的回路中，5回路高压电机为笼型电机，可在母线上电容补偿；7回路高压电机为绕线型电机，配置静止式进相器补偿，其功率因数可达0.95。计算结果功率因数0.94，已能满足功率因数要求，该母线上可以不设电容补偿。

第三步，总降压变电站的负荷计算。

总降是全厂的负荷中心，各变配电所接受总降馈电，总降的用电负荷来自于全厂，主变压器容量的选择根据全厂负荷计算的结果决定。总降负荷计算的结果是供电计划的依据。将各变配电所计算负荷进行合计后，取同时系数K∑p和K∑q计算，最终得到全厂的计算负荷。下面以图1配电系统方案示意图中总降压变电站为例，来阐述总降压变电站负荷的计算。

总降压站10kV母线馈电回路如图共4回，分别是1回路，10kV配电所；2回路，高压绕线电机；3回路，高压绕线电机；4回路，1#车间变。其负荷及计算结果详见表2所示。

表2 全厂负荷计算情况

3.2.3 同时系数的取值说明

在上一节负荷计算过程中，最后都要乘同时系数。那么同时系数取值的依据是什么，实际运用中如何取值?这是一个让初入行的技术人员拿捏不定的事情，这里提供一个解决方案。

同时系数K∑p、K∑q，在不同阶段的计算中有不同的取值，在《工业与民用配电设计手册》第二版P3~5（2）（3）的条款中说的很清楚，对应第一步配电干线或车间变电所的负荷计算时，K∑p、K∑q分别取0.8~0.92和0.93~0.97；对应第二步配电所负荷计算时，K∑p、K∑q分别取0.85~1和0.95~1；而对应第三步总降压变电站负荷计算时，K∑p、K∑q分别取0.8~0.9和0.93~0.97。在所规定的期间内取任意值都是正确的，只是在实际运用中注意用电设备少、母线上的馈电回路少可取大值；反之则取小值。

4 结论

负荷计算是供配电技术的一个组成，它不是独立的一个知识，它是供配电技术的理论基础，电气设备选型、导线电缆截面选择以及继电保护整定校验等都要以计算负荷为基础，可以说它贯穿于整个供配电技术知识体系，对它的把握不是单纯的运用公式进行计算，而是要在完整掌握供配电系统知识体系之后，在大量的实践中不断总结、积累相关知识，真正领会了供配电技术的精髓，才能很好地拿捏它。例如：需要对哪些点进行计算，必须要先确定供配电方案；需要系数、同时系数的取值，所有参考资料给的都是一个范围，究竟取多大？这需要一些经验累积；再比如，计算过程中同时涉及到无功补偿，无功补偿并不只有电容集中在母线上补偿一种方式，如绕线电机，宜采用进相器就地补偿，那么在计算该电机的无功功率时，就要按补偿后的功率因数来计算，例如：某高压绕线电机，原本功率因数只有0.863，采用进相器补偿后功率因数是0.95，则负荷计算时，该电机的功率因数按0.95来计算其正切值。这些案例都说明工矿企业负荷计算不是一个简单的知识点，本文仅对它的基本面进行了阐述，仅仅作为一个基本应用的参考，要更好地掌握它，需要在实践中全面学习掌握供配电系统知识框架的基础上来研究它。