负荷计算与变压器选择

任钱保

【摘要】满足用电系统负荷的需要是变压器选择时要考虑的最为基本的内容之一，准确、合理的负荷计算是变压器容量选择的重要依据，也是变压器能够经济、安全运行的保障。以水处理系统为例介绍了负荷计算的基本原则与步骤，阐述了变压器容量选择的基本依据。

【关键词】负荷计算；变压器；容量

变压器在电力系统中起着重要的作用，其主要是通过电压的变换使电能得以输送、分配和使用。变压器容量的选择是一项重要的技术经济活动，既要考虑变压器的经济运行，更要考虑安全可靠、满足生产使用环境对配电变压器性能指标的要求。在实际的选用过程中，由于负荷计算不准确使得变压器容量过大导致变压器欠载运行、损耗增大或者变压器容量小于用电容量使得变压器处于过载运行导致变压器发热、使用寿命减少甚至损坏的情况还较多的存在，这种选择影响了供配电系统的经济性和安全性，不利于整个系统的持久发展。

1 变压器选择

变电所内变压器容量和台数的选择与电网运行方式、供电安全可靠性和经济性都有著重要关系，跟用电负荷的性质和供电可靠性的要求、上一级供电中心所能提供的最大容量、配电装置的技术经济指标以及整个项目的技术经济比较等都有很大的关系，根据相关的规范要求，一般从以下方面进行选择：

（1）变压器的额定容量应能满足全部用电设备总计算负荷的需要，避免变压器长期处于过载状态运行，同时考虑适当的备用，以免负荷计算不准确或用电设备突然增加导致变压器容量不够，防止不必要的增容。同时还应考虑电动机起动瞬间有可能对变压器造成的冲击的相关情况。

（2）对于向重要用户供电的变电所，应考虑当一台变压器出现故障时不中断供电。GB 50053-2013 《20KV及以下变电所设计规范》规定，对于装有两台及以上变压器的变电所，当其中任一台变压器断开时，其余变压器的容量应能满足全部一级负荷及二级负荷的用电。

（3）变压器单位容量造价会随着变压器容量的增大而不断降低，这对于向拥有集中负荷的大用户供电是相当有利的，但变压器容量的增大也会对下级配电装置有着更高的要求，且供电方式不够灵活，一般情况下，采取适当多一点、较小容量的变压器供电方式最为灵活可靠。GB 50053-2013 《20KV及以下变电所设计规范》规定，变电所中低压为0.4kV的单台变压器容量不宜大于1250kVA。当用电设备容量较大、负荷集中且运行合理时，可选用较大容量的变压器。

2 负荷计算

准确、合理的负荷计算是变压器容量选择的基本依据。在工业领域，各用电设备有连续、间断等工作制之分，且很多设备可能并不同时运行，即便使用时每个用电设备也未必都以额定容量运行，因此就需要以一种合理的方法来计算整个系统在持续的时间内的用电量。

2.1 单台用电设备设备功率的确定

（1）经常连续运行的负荷，如各种电动机，此类设备的设备功率就是设备铭牌上标示的额定功率。

（2）短时或周期运行的负荷，如工厂里吊车用电动机，此类设备的设备功率需将额定功率换算为统一负载持续率下的有功功率。根据负荷计算方法的不同选择不同的负载持续率。

（3）电焊机设备功率需将额定容量换算为100%负载持续率下的有功功率。

（4）整流变压器的设备功率是指额定直流功率。

（5）照明设备中的白炽灯和卤钨灯的设备功率为灯泡的额定功率，气体放电灯的设备功率为灯管额定功率加镇流器的功率消耗。

2.2 单相用电设备的设备功率的确定

单相用电设备与三相用电设备同时运行，负荷计算时应将单相负荷换算为等效的三相负荷后再与三相负荷相加进行负荷计算。

2.3 计算方法

负荷计算的方法主要有需要系数法、利用系数法、单位指标法以及二项式法，各计算方法可根据设计的不同阶段以及不同的供电系统选用，在本文中采用需要系数法。

3 实例分析

在工业领域，水处理系统不仅按照工艺系统的各种要求承担提供符合水质要求的水量，传递能量，冷却等职能，同时在很多时候还承担着事故用水等有关安全的重大职能，系统中存在有大量的一级负荷及二级负荷，因此水处理系统对供电安全有着较高的要求。

下表1是某车间水处理系统的马达表，

序号 名称 设备型号 性能参数 单位 安装 工作 备用

1 空压供水泵组 Y315M-4 U=380V，N=132kW 台 3 2 1

2 浊环供水泵组 Y315M-4 U=380V，N=132kW 台 3 2 1

3 软水供水泵组 Y315M-4 U=380V，N=132kW 台 2 1 1

4 冷却供水泵组 Y315L-4 U=380V，N=160kW 台 2 1 1

5 事故水塔供水泵组 Y200L2-2 U=380V，N=37kW 台 4 3 1

6 各种电动蝶阀 U=380V，N=0.55kW 台 14 9 5

7 加药装置 U=380V，N=4kW 台 2 2 0

8 管道过滤器 U=380V，N=1kW 台 5 5 0

9 5吨电动葫芦 U=380V，N=37kW 台 2 2 0

10 检修设备 U=380V，N=10kW 台 2 2 0

系统要求两回路电源供电，互为备用。

3.1 各用电设备功率确定

根据先前叙述，各供水泵、蝶阀、加油装置、管道过滤器按照连续运行的负荷计算，设备功率即为额定功率。

电动葫芦短周期运行的负荷，本计算采用需要系数法，需将额定功率统一折算到负载持续率ε为25%情况下计算设备功率：

检修设备一般不计入负荷计算。

3.2 负荷计算

對于已经确定了设备功率的单台运行负荷，其有功功率、无功功率安装下面的公式进行计算：

公式中的Kx指单台设备的需要系数，Pe指单台设备的设备功率，tgφ为单台设备功率因数角的正切值，其中Kx，tgφ需查询相关的设备手册。

详细的负荷计算请参见表2

序号 名称 工作 单台容量 总容量 需要系数 有功 无功 功率因数

1 空压供水泵组 2 132 264 0.8 211.2 158.4 0.8

2 浊环供水泵组 2 132 264 0.8 211.2 158.4 0.8

3 软水供水泵组 1 132 132 0.8 105.6 79.2 0.8

4 冷却供水泵组 1 160 160 0.8 128 96 0.8

5 事故水塔供水泵组 3 37 111 0.8 88.8 66.6 0.8

6 各种电动蝶阀 9 0.55 4.95 0.8 3.96 2.97 0.8

7 加药装置 2 4 8 0.75 6 10.39 0.5

8 管道过滤器 5 1 5 0.15 0.75 1.30 0.5

9 5吨电动葫芦 2 46.8 93.6 0.25 23.4 40.53 0.5

10 照明 50 50 1 50 0 0

11 暖通设备 80 80 0.8 64 48 0.8

12 合计 892.91 661.79

根据负荷计算表2的计算结果，该水处理系统中心的视在功率为：

，功率因数为0.80

由于整个系统的功率因数较低，从整个电网系统运行及选择变压器的技术经济条件，进行动态无功补偿，补偿量为300KVar，补偿过后系统的视在功率为963.42KVA，功率因数为0.93。（本计算未考虑整个系统所有设备的同时运行系数）

3.3 变压器选择

根据整个系统对供电安全的要求及负荷计算的结果，本系统可选择SC10-1250/10，变比 ： 10±2x2.5%/0.23～0.4kV，短路阻抗 ： U =4.5%，高压分接范围： 2x2.5%。

4 结束语

变压器的选择直接关系着整个系统的安全稳定运行，其既要满足工艺系统的技术条件同时还要做到变压器运行的经济性，在进行负荷计算时充分考虑了系统中各个负荷的大小、运行特性以及整个系统运行效率、是否进行无功补偿等各个因素，以负荷计算的结果为依据选择变压器，充分考虑了现在和将来可能出现的负荷变化，因此具有一定的合理性，可以考虑在一定的工业领域进行使用。