楊麗萍（云南工商學(xué)院交通機電學(xué)院 昆明 651701）

0 引言

工礦企業(yè)生產(chǎn)線由機電傳動與控制系統(tǒng)構(gòu)成，其中傳動系統(tǒng)作為動力驅(qū)動，其能源絕大部分來自于電能，電能的供應(yīng)與控制是機電傳動與控制系統(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）、控制保護設(shè)備（高低壓開關(guān)設(shè)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(diào)無功補償計算。負荷計算的結(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)線機電傳動系統(tǒng)穩(wěn)定運行的必要條件。所以電氣工程人員，尤其是電氣工程設(shè)計人員必須掌握這一技術(shù)。

1 負荷計算的目的和意義

在工礦企業(yè)生產(chǎn)過程中，常常會有一些非關(guān)鍵設(shè)備在生產(chǎn)中由于故障等原因停止運行而對正常生產(chǎn)沒有太大影響；另外為了保障產(chǎn)量達標(biāo)，大部分生產(chǎn)機械的選型均會有余量，而運行時驅(qū)動設(shè)備（電動機）會存在非滿負荷運行的可能性。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，它會存在冗余，而正常生產(chǎn)用電的控制保護不能將這部分冗余計算在內(nèi)，否則將造成控制保護設(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)的運行失去安全、可靠、靈敏和經(jīng)濟性。這也是要進行負荷計算的目的和意義。

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，在對工礦企業(yè)電氣設(shè)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(dǎo)線截面的選擇均要以計算負荷為依據(jù)。負荷計算在工礦企業(yè)建設(shè)之初的電氣設(shè)計工作中占據(jù)著非常重要的位置，負荷計算的準(zhǔn)確性決定著整個工礦企業(yè)生產(chǎn)用電的合理性，能為生產(chǎn)運營節(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)計階段，選用適宜的計算方法應(yīng)用于負荷計算，并能熟練掌握計算的過程及要領(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)時期，電氣設(shè)計人員需求減少，企業(yè)電氣高級技術(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)人員不會計算負荷。

3 工礦企業(yè)的負荷計算方法及其應(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)負荷計算的方法及其應(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

在進行負荷計算之前要先確定（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(chǎn)線上的另外兩臺10kV高壓電機供電。而1#、2#車間變電所負責(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)負荷計算的方法

負荷計算的方法有需要系數(shù)法和二項式計算法，工礦企業(yè)負荷計算的方法通常采用需要系數(shù)法。需要系數(shù)法計算負荷的關(guān)鍵在于取系數(shù)。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(jù)配電方案確定的供電級數(shù)，逐級往上計算，最后計算出全廠的有功功率、無功功率；根據(jù)功率因數(shù)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(guān)教材和設(shè)計手冊中都有介紹，但在實際運用中沒有經(jīng)過有經(jīng)驗的工程師指導(dǎo)的技術(shù)人員，往往對其概念及計算過程中系數(shù)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(tǒng)負荷進行計算，來描述需要系數(shù)法在工礦企業(yè)負荷計算中的具體應(yīng)用操作。

3.3 需要系數(shù)法負荷計算及其應(yīng)用

圖1供配電系統(tǒng)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(cè)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(cè)供電負荷；

由以上定義及圖1可知，負荷計算是一個動態(tài)的過程，一個企業(yè)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(tǒng)方案。所以在進行負荷計算之前須先確定供配電系統(tǒng)方案。

3.3 .1負荷計算的結(jié)果及意義

負荷計算的結(jié)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(chǔ)數(shù)據(jù)來源于用電設(shè)備的銘牌參數(shù)，Sjs、Ijs是計算的最終結(jié)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(shè)備的選擇及保護的整定計算與設(shè)置。

3.3 .2需要系數(shù)法負荷計算的方法步驟

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(shè)備組的計算負荷。將變壓器低壓母線上的低壓用電設(shè)備按性質(zhì)進行分組，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(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算負荷。將（1）步驟中經(jīng)過分組計算出的各個Pjs、Qjs進行求和，并?。ǔ耍┮粋€同時系數(shù)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(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)備同時投入運行的幾率，該系數(shù)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(shè)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(shè)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(guān)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?shù)挠嬎?。在?jīng)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(jù)變壓器65%~85%的經(jīng)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(shù)有關(guān)。我國電網(wǎng)公司要求功率因數(shù)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(jīng)以上計算的結(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)機制構(gòu)建的文獻資料中，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，變壓器負荷率為符合變壓器經(jīng)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(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)制造廠家會根據(jù)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?shù)挠嬎阒皇且粋€大概的數(shù)值，不必太糾結(jié)。

第二步，計算高壓配電所C點的負荷，根據(jù)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(guān)元件的依據(jù)，同時為繼電保護的整定提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

為了配電的相對集中，廠區(qū)一般設(shè)置多個高壓配電所，這些配電所負責(zé)給所屬供電范圍內(nèi)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(shù)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(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(shù)可達0.95。計算結(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(jù)全廠負荷計算的結(jié)果決定?？偨地摵捎嬎愕慕Y(jié)果是供電計劃的依據(jù)。將各變配電所計算負荷進行合計后，取同時系數(shù)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(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(jié)果詳見表2所示。

表2 全廠負荷計算情況

3.2.3 同時系數(shù)的取值說明

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

同時系數(shù)K∑p、K∑q，在不同階段的計算中有不同的取值，在《工業(yè)與民用配電設(shè)計手冊》第二版P3~5（2）（3）的條款中說的很清楚，對應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(guī)定的期間內(nèi)取任意值都是正確的，只是在實際運用中注意用電設(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

負荷計算是供配電技術(shù)的一個組成，它不是獨立的一個知識，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整定校驗等都要以計算負荷為基礎(chǔ)，可以說它貫穿于整個供配電技術(shù)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(tǒng)知識體系之后，在大量的實踐中不斷總結(jié)、積累相關(guān)知識，真正領(lǐng)會了供配電技術(shù)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(shù)、同時系數(shù)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(jīng)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(shù)來計算，例如：某高壓繞線電機，原本功率因數(shù)只有0.863，采用進相器補償后功率因數(shù)是0.95，則負荷計算時，該電機的功率因數(shù)按0.95來計算其正切值。這些案例都說明工礦企業(yè)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(yīng)用的參考，要更好地掌握它，需要在實踐中全面學(xué)習(xí)掌握供配電系統(tǒng)知識框架的基礎(chǔ)上來研究它。