工礦企業(yè)負(fù)荷及無功補(bǔ)償計(jì)算的方法及應(yīng)用

楊麗萍（云南工商學(xué)院交通機(jī)電學(xué)院 昆明 651701）

0 引言

工礦企業(yè)生產(chǎn)線由機(jī)電傳動(dòng)與控制系統(tǒng)構(gòu)成，其中傳動(dòng)系統(tǒng)作為動(dòng)力驅(qū)動(dòng)，其能源絕大部分來自于電能，電能的供應(yīng)與控制是機(jī)電傳動(dòng)與控制系統(tǒng)的重要組成部分，而電能的供應(yīng)與控制由供配電及其控制系統(tǒng)構(gòu)成，包括供配電線路、變配電設(shè)備（變壓器）、控制保護(hù)設(shè)備（高低壓開關(guān)設(shè)備）。負(fù)荷計(jì)算的過程也包含了無功補(bǔ)償計(jì)算，以下的描述中不再單獨(dú)強(qiáng)調(diào)無功補(bǔ)償計(jì)算。負(fù)荷計(jì)算的結(jié)果，是合理選擇供配電系統(tǒng)線路截面及其控制保護(hù)設(shè)備的依據(jù)；是向供電局申請供電容量的憑證；是工礦企業(yè)生產(chǎn)線機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的必要條件。所以電氣工程人員，尤其是電氣工程設(shè)計(jì)人員必須掌握這一技術(shù)。

1 負(fù)荷計(jì)算的目的和意義

在工礦企業(yè)生產(chǎn)過程中，常常會(huì)有一些非關(guān)鍵設(shè)備在生產(chǎn)中由于故障等原因停止運(yùn)行而對(duì)正常生產(chǎn)沒有太大影響；另外為了保障產(chǎn)量達(dá)標(biāo)，大部分生產(chǎn)機(jī)械的選型均會(huì)有余量，而運(yùn)行時(shí)驅(qū)動(dòng)設(shè)備（電動(dòng)機(jī)）會(huì)存在非滿負(fù)荷運(yùn)行的可能性。所以生產(chǎn)企業(yè)電能的供應(yīng)并不是按照所選用電設(shè)備的安裝功率來供應(yīng)的，它會(huì)存在冗余，而正常生產(chǎn)用電的控制保護(hù)不能將這部分冗余計(jì)算在內(nèi)，否則將造成控制保護(hù)設(shè)備選型偏大而失去其應(yīng)有的功能，從而使供配電系統(tǒng)的運(yùn)行失去安全、可靠、靈敏和經(jīng)濟(jì)性。這也是要進(jìn)行負(fù)荷計(jì)算的目的和意義。

2 該技術(shù)目前情況分析

工礦企業(yè)生產(chǎn)工藝復(fù)雜，用電設(shè)備多，用電量大，在對(duì)工礦企業(yè)電氣設(shè)計(jì)的過程中，電力變壓器、電氣元器件的選型、保護(hù)裝置動(dòng)作整定、供配電電纜及導(dǎo)線截面的選擇均要以計(jì)算負(fù)荷為依據(jù)。負(fù)荷計(jì)算在工礦企業(yè)建設(shè)之初的電氣設(shè)計(jì)工作中占據(jù)著非常重要的位置，負(fù)荷計(jì)算的準(zhǔn)確性決定著整個(gè)工礦企業(yè)生產(chǎn)用電的合理性，能為生產(chǎn)運(yùn)營節(jié)約成本，降低故障產(chǎn)生的概率，提高生產(chǎn)效益。所以在工程建設(shè)初期設(shè)計(jì)階段，選用適宜的計(jì)算方法應(yīng)用于負(fù)荷計(jì)算，并能熟練掌握計(jì)算的過程及要領(lǐng)，是電氣工程技術(shù)人員應(yīng)該掌握的技能。然而，現(xiàn)階段工礦企業(yè)生產(chǎn)建設(shè)處于縮減、受限或轉(zhuǎn)移國外建設(shè)時(shí)期，電氣設(shè)計(jì)人員需求減少，企業(yè)電氣高級(jí)技術(shù)人員出現(xiàn)空缺甚至斷代的情況，傳統(tǒng)師傅帶徒弟的培養(yǎng)渠道被迫中斷；而向工礦企業(yè)輸送人才的高校職業(yè)教育、應(yīng)用型人才培養(yǎng)模式，只注重操作培訓(xùn)、不注重理論學(xué)習(xí)，成為進(jìn)入工礦企業(yè)從事技術(shù)工作的人員的技能缺陷，大部分技術(shù)人員不會(huì)計(jì)算負(fù)荷。

3 工礦企業(yè)的負(fù)荷計(jì)算方法及其應(yīng)用

本文將以圖1所示的供配電系統(tǒng)為例來分析工礦企業(yè)負(fù)荷計(jì)算的方法及其應(yīng)用技術(shù)。

圖1 供配電系統(tǒng)示意圖

3.1 供配電系統(tǒng)方案的確定與分析

在進(jìn)行負(fù)荷計(jì)算之前要先確定（或分析）供配電系統(tǒng)方案。

由圖1可知，該企業(yè)供電電壓等級(jí)35kV，全廠設(shè)一座35/10kV總降壓變電站，分別向10kV配電所（回路1）、生產(chǎn)線上的2臺(tái)10kV高壓電機(jī)（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(chǎn)線上的另外兩臺(tái)10kV高壓電機(jī)供電。而1#、2#車間變電所負(fù)責(zé)全廠0.4kV低壓用電設(shè)備供電。（詳見圖1）

3.2 工礦企業(yè)負(fù)荷計(jì)算的方法

負(fù)荷計(jì)算的方法有需要系數(shù)法和二項(xiàng)式計(jì)算法，工礦企業(yè)負(fù)荷計(jì)算的方法通常采用需要系數(shù)法。需要系數(shù)法計(jì)算負(fù)荷的關(guān)鍵在于取系數(shù)。計(jì)算從供電末端返算回來，逐級(jí)取值、逐級(jí)計(jì)算；先小計(jì)再合計(jì)；先分車間計(jì)算再合并計(jì)算；根據(jù)配電方案確定的供電級(jí)數(shù)，逐級(jí)往上計(jì)算，最后計(jì)算出全廠的有功功率、無功功率；根據(jù)功率因數(shù)要求，計(jì)算出補(bǔ)償功率，然后計(jì)算視在功率，從而確定主變壓器容量。負(fù)荷計(jì)算及無功補(bǔ)償容量計(jì)算盡管在很多供配電相關(guān)教材和設(shè)計(jì)手冊中都有介紹，但在實(shí)際運(yùn)用中沒有經(jīng)過有經(jīng)驗(yàn)的工程師指導(dǎo)的技術(shù)人員，往往對(duì)其概念及計(jì)算過程中系數(shù)的取值難以把握，還是不知道如何計(jì)算。下面就通過對(duì)圖1供配電系統(tǒng)負(fù)荷進(jìn)行計(jì)算，來描述需要系數(shù)法在工礦企業(yè)負(fù)荷計(jì)算中的具體應(yīng)用操作。

3.3 需要系數(shù)法負(fù)荷計(jì)算及其應(yīng)用

圖1供配電系統(tǒng)需要進(jìn)行負(fù)荷計(jì)算的點(diǎn)分別為A點(diǎn)，B1、B2點(diǎn)，C點(diǎn)，D點(diǎn)。這些點(diǎn)的計(jì)算負(fù)荷分別代表：

A點(diǎn)—低壓配電干線供電負(fù)荷；

B1、B2點(diǎn)—車間變電所低壓側(cè)供電負(fù)荷；C點(diǎn)—高壓配電干線供電負(fù)荷；

D點(diǎn)—總降壓變電站10KV側(cè)供電負(fù)荷；

由以上定義及圖1可知，負(fù)荷計(jì)算是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過程，一個(gè)企業(yè)的計(jì)算負(fù)荷往往需要多級(jí)計(jì)算，具體需要進(jìn)行哪些計(jì)算取決于供配電系統(tǒng)方案。所以在進(jìn)行負(fù)荷計(jì)算之前須先確定供配電系統(tǒng)方案。

3.3 .1負(fù)荷計(jì)算的結(jié)果及意義

負(fù)荷計(jì)算的結(jié)果稱為計(jì)算負(fù)荷，其值有：

Pjs—有功功率;

Qjs—無功功率;

Sjs—視在功率;

Ijs—計(jì)算電流;

Pjs、Qjs的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來源于用電設(shè)備的銘牌參數(shù)，Sjs、Ijs是計(jì)算的最終結(jié)果。負(fù)荷計(jì)算的意義在于：計(jì)算出Sjs—視在功率，用于變壓器容量的選擇；計(jì)算出Ijs—計(jì)算電流，用于保護(hù)控制電氣設(shè)備的選擇及保護(hù)的整定計(jì)算與設(shè)置。

3.3 .2需要系數(shù)法負(fù)荷計(jì)算的方法步驟

在圖1的供配電系統(tǒng)示意圖中，需要系數(shù)法負(fù)荷計(jì)算要按以下步驟及方法進(jìn)行：

第一步，計(jì)算1#、2#車間變電所的負(fù)荷，同時(shí)進(jìn)行無功補(bǔ)償，并確定變壓器的容量。步驟分為：

（1）用電設(shè)備組的計(jì)算負(fù)荷。將變壓器低壓母線上的低壓用電設(shè)備按性質(zhì)進(jìn)行分組，即將需要系數(shù)Kx和功率因數(shù)cosφ（或功率因數(shù)正切tgφ)相同的用電設(shè)備歸為一組，按照以下公式進(jìn)行負(fù)荷計(jì)算：

有功功率：Pjs=KxPe（kw）

無功功率：Qjs=Pjstgφ（kvar）

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

配電干線或車間變電所的計(jì)算負(fù)荷。將（1）步驟中經(jīng)過分組計(jì)算出的各個(gè)Pjs、Qjs進(jìn)行求和，并取（乘）一個(gè)同時(shí)系數(shù)K∑p、K∑q，其計(jì)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(shí)系數(shù)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(shè)備同時(shí)投入運(yùn)行的幾率，該系數(shù)不大于1。

這里，配電干線負(fù)荷與車間變電所負(fù)荷計(jì)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(dú)供電的設(shè)備組、或是離變配電所較遠(yuǎn)不宜直接由變壓器低壓母線供電的設(shè)備組，則采用一干線回路進(jìn)行供電。如圖1中A點(diǎn)所在的回路，它的負(fù)荷最終要?dú)w算到車間變電所的負(fù)荷計(jì)算上，對(duì)它單獨(dú)進(jìn)行負(fù)荷計(jì)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(guān)等器件。而另一方面，車間變電所負(fù)荷計(jì)算通常還包含了電容器無功功率補(bǔ)償?shù)挠?jì)算。在經(jīng)過了上面的有功、無功計(jì)算后，要進(jìn)行無功補(bǔ)償，補(bǔ)償后再進(jìn)一步計(jì)算車間變壓器所需供電的容量 (視在功率），最后再根據(jù)變壓器65%~85%的經(jīng)濟(jì)負(fù)荷率要求來確定變壓器的容量。

無功補(bǔ)償容量的計(jì)算有多種方法，但都與所要求的功率因數(shù)有關(guān)。我國電網(wǎng)公司要求功率因數(shù)在0.9以上，補(bǔ)償計(jì)算時(shí)要按0.92以上最好0.95以上來補(bǔ)償。比如：某車間變電所經(jīng)以上計(jì)算的結(jié)果是

Pjs=944(kW)

Qjs=732(kvar)

企業(yè)之間的協(xié)調(diào)聯(lián)動(dòng)行為是多種集成要素相互作用關(guān)系的協(xié)調(diào)與整合。在眾多有關(guān)組織協(xié)調(diào)及協(xié)調(diào)機(jī)制構(gòu)建的文獻(xiàn)資料中，不難發(fā)現(xiàn)合作協(xié)調(diào)相關(guān)影響因子的描述研究，可歸結(jié)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(fù)荷率為符合變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行負(fù)載率要求。

這里要搞清楚的是，無功補(bǔ)償并不是一個(gè)確定精確的值，而是在滿足功率因數(shù)要求的前提下可多可少，最好能根據(jù)電容器組容量來組合，當(dāng)然，生產(chǎn)制造廠家會(huì)根據(jù)自己的電容器組容量來確定最終的補(bǔ)償容量，所以無功補(bǔ)償?shù)挠?jì)算只是一個(gè)大概的數(shù)值，不必太糾結(jié)。

第二步，計(jì)算高壓配電所C點(diǎn)的負(fù)荷，根據(jù)實(shí)際情況決定是否需要加電容器補(bǔ)償，計(jì)算出計(jì)算電流，作為選擇開關(guān)元件的依據(jù)，同時(shí)為繼電保護(hù)的整定提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

為了配電的相對(duì)集中，廠區(qū)一般設(shè)置多個(gè)高壓配電所，這些配電所負(fù)責(zé)給所屬供電范圍內(nèi)的高壓電機(jī)及車間變壓器供電；配電所的計(jì)算負(fù)荷為各高壓電機(jī)的計(jì)算負(fù)荷與各車間變電所計(jì)算負(fù)荷之和再乘以同時(shí)系數(shù)K∑p和K∑q。如圖1中C點(diǎn)所在的回路，它的負(fù)荷最終要?dú)w算到全廠總降壓變電所的負(fù)荷計(jì)算上，對(duì)它進(jìn)行負(fù)荷計(jì)算的目的與低壓配電干線負(fù)荷計(jì)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(guān)等器件。

表1為圖1中10KV變電所及所屬供電范圍內(nèi)的車間變電所的負(fù)荷計(jì)算情況，可作為負(fù)荷計(jì)算示例。

表1 車間變電所的負(fù)荷計(jì)算情況

以上10kV配電所供電的回路中，5回路高壓電機(jī)為籠型電機(jī)，可在母線上電容補(bǔ)償；7回路高壓電機(jī)為繞線型電機(jī)，配置靜止式進(jìn)相器補(bǔ)償，其功率因數(shù)可達(dá)0.95。計(jì)算結(jié)果功率因數(shù)0.94，已能滿足功率因數(shù)要求，該母線上可以不設(shè)電容補(bǔ)償。

第三步，總降壓變電站的負(fù)荷計(jì)算。

總降是全廠的負(fù)荷中心，各變配電所接受總降饋電，總降的用電負(fù)荷來自于全廠，主變壓器容量的選擇根據(jù)全廠負(fù)荷計(jì)算的結(jié)果決定?？偨地?fù)荷計(jì)算的結(jié)果是供電計(jì)劃的依據(jù)。將各變配電所計(jì)算負(fù)荷進(jìn)行合計(jì)后，取同時(shí)系數(shù)K∑p和K∑q計(jì)算，最終得到全廠的計(jì)算負(fù)荷。下面以圖1配電系統(tǒng)方案示意圖中總降壓變電站為例，來闡述總降壓變電站負(fù)荷的計(jì)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(jī)；3回路，高壓繞線電機(jī)；4回路，1#車間變。其負(fù)荷及計(jì)算結(jié)果詳見表2所示。

表2 全廠負(fù)荷計(jì)算情況

3.2.3 同時(shí)系數(shù)的取值說明

在上一節(jié)負(fù)荷計(jì)算過程中，最后都要乘同時(shí)系數(shù)。那么同時(shí)系數(shù)取值的依據(jù)是什么，實(shí)際運(yùn)用中如何取值?這是一個(gè)讓初入行的技術(shù)人員拿捏不定的事情，這里提供一個(gè)解決方案。

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

4 結(jié)論

負(fù)荷計(jì)算是供配電技術(shù)的一個(gè)組成，它不是獨(dú)立的一個(gè)知識(shí)，它是供配電技術(shù)的理論基礎(chǔ)，電氣設(shè)備選型、導(dǎo)線電纜截面選擇以及繼電保護(hù)整定校驗(yàn)等都要以計(jì)算負(fù)荷為基礎(chǔ)，可以說它貫穿于整個(gè)供配電技術(shù)知識(shí)體系，對(duì)它的把握不是單純的運(yùn)用公式進(jìn)行計(jì)算，而是要在完整掌握供配電系統(tǒng)知識(shí)體系之后，在大量的實(shí)踐中不斷總結(jié)、積累相關(guān)知識(shí)，真正領(lǐng)會(huì)了供配電技術(shù)的精髓，才能很好地拿捏它。例如：需要對(duì)哪些點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算，必須要先確定供配電方案；需要系數(shù)、同時(shí)系數(shù)的取值，所有參考資料給的都是一個(gè)范圍，究竟取多大？這需要一些經(jīng)驗(yàn)累積；再比如，計(jì)算過程中同時(shí)涉及到無功補(bǔ)償，無功補(bǔ)償并不只有電容集中在母線上補(bǔ)償一種方式，如繞線電機(jī)，宜采用進(jìn)相器就地補(bǔ)償，那么在計(jì)算該電機(jī)的無功功率時(shí)，就要按補(bǔ)償后的功率因數(shù)來計(jì)算，例如：某高壓繞線電機(jī)，原本功率因數(shù)只有0.863，采用進(jìn)相器補(bǔ)償后功率因數(shù)是0.95，則負(fù)荷計(jì)算時(shí)，該電機(jī)的功率因數(shù)按0.95來計(jì)算其正切值。這些案例都說明工礦企業(yè)負(fù)荷計(jì)算不是一個(gè)簡單的知識(shí)點(diǎn)，本文僅對(duì)它的基本面進(jìn)行了闡述，僅僅作為一個(gè)基本應(yīng)用的參考，要更好地掌握它，需要在實(shí)踐中全面學(xué)習(xí)掌握供配電系統(tǒng)知識(shí)框架的基礎(chǔ)上來研究它。