第3章电气计算负荷
内容提要：
本章首先介绍电力负荷的概念和负荷曲线，其次是负荷的估算方法，然后着重讲述用电设备组计算负荷和工厂计算负荷的确定方法，重点在需要系数法。本章内容是用户供电系统运行分析和设计计算的基础。
3.1电力负荷与负荷曲线
供电系统要能安全可靠地正常运行，其中各个元件（包括电力变压器、开关设备及导线电缆等）都必须选择得当，除了应满足工作电压和频率的要求外，*重要的就是要满足负荷电流的要求。因此有必要对供电系统中各个环节的电力负荷进行统计计算。
3.1.1电力负荷概念
电力负荷是指单台用电设备或一组用电设备从电源取用的电功率，包括有功功率、无功功率和视在功率。
通过负荷的统计计算求出的、用来按发热条件选择供电系统中各元件的负荷值，称为计算负荷（calculatedload）。根据计算负荷选择的电气设备和导线电缆，如果以计算负荷连续运行，其发热温度不会超过允许值。
由于导体通过电流达到稳定温升的时间大约需(3~4)τ，τ为发热时间常数。截面在16mm2及以上的导体，其τ≥10min，因此载流导体大约经30min（半小时）后可达到稳定温升值。由此可见，计算负荷实际上与从负荷曲线上查得的半小时*大负荷P30（亦即年*大负荷Pmax）是基本相当的。所以，计算负荷也可以认为就是半小时*大负荷。本来有功计算负荷可表示为Pc，无功计算负荷可表示为Qc，计算电流可表示为Ic，但考虑到“计算”的符号c容易与“电容”的符号C 相混淆，因此大多数供电书籍都借用半小时*大负荷P30 来表示有功计算负荷，无功计算负荷、视在计算负荷和计算电流则分别表示为Q30、S30和I30。这样表示，也使计算负荷的概念更加明确。
这里，Pc和P30均表示计算负荷。
3.1.2负荷分级
各级用电负荷的供电电源和供电方式，应根据负荷对供电可靠性的要求和地区供电条件，按照负荷等级确定。按GB 50052—1995《供配电系统设计规范》规定，根据其对供电可靠性的要求及中断供电造成的损失或影响的程度分为三级：
1. 一级负荷（关键负荷）
突然停电将关乎人身生命安全，或在经济上造成重大损失，或在政治上造成重大不良影响。
一级负荷应由两路电源供电，当其中一路电源发生故障时，另一路电源应不致同时受到损坏。有特殊要求的一级负荷，两个独立电源应来自两个不同的地点。两个供电电源应在设备的控制箱内实现自动切换，切换时间应满足设备允许中断供电的要求。一级负荷中特别重要的是负荷，除上述两路电源外，还必须增设应急电源。
为保证对特别重要负荷的供电，严禁将其他负荷接入应急供电系统。常用的应急电源有：
① 独立于正常电源的发电机组。
② 供电网络中独立于正常电源的专门供电线路。
③ 蓄电池。
④ 干电池。
在一级负荷中，当中断供电将发生中毒、爆炸和火灾等情况的负荷，以及特别重要场所不允许中断供电的负荷，应视为特别重要的负荷。
2. 二级负荷（重要负荷）突然停电将在经济上造成较大损失，或在政治上造成不
良影响。二级负荷应由两回线路供电，并可在配电装置内实现切换，当一回线路故障时，应不影响另一回线路供电。当负荷较小或取得两回线路有困难时，可由一回专用线路供电。小容量负荷可以采用一路电源加不间断电源，或一路电源加设备自带的蓄电池组在末端实现切换。
3. 三级负荷（一般负荷）不属于一级和二级负荷者。三级负荷对供电方式无特殊
要求，但在不增加投资或经济允许的情况下，也应尽量提高供电可靠性。
3.1.3用电设备工作制
设备安装容量PN（亦称设备功率）是指连续工作的用电设备铭牌上的标称功率PE。但是，用电设备往往因工作性质不同而具有不同的运行工作制，这时，从供电安全和经济性两方面来考虑，应按设备铭牌功率予以折算。
工厂的用电设备，按其工作制分以下三类：
1. 连续运行工作制能长期连续运行，每次连续工作时间超过8h，运行时负荷比较稳定。在计算其设备容量时，直接查取其铭牌上的额定容量。这类工作制设备在恒定负荷下运行，且运行时间长到足以使之达到热平衡状态，如通风机、水泵、空气压缩机、电动发电机组、电炉和照明灯等。机床电动机的负荷，一般变动较大，但其主电动机一般也是连续运行的。
2. 短时运行工作制这类设备的工作时间较短，停歇时间较长。在计算其设备容量时，直接查取其铭牌上的额定容量。这类工作制设备在恒定负荷下运行的时间短（短于达到热平衡所需的时间），而停歇时间长（长到足以使设备温度冷却到周围介质的温度），如机床上的某些辅助电动机（例如进给电动机）、控制闸门的电动机等。
3. 断续周期工作制这类工作制设备周期性地时而工作，时而停歇，如此反复运行，而工作周期一般不超过10min，无论工作或停歇，均不足以使设备达到热平衡，如电焊机和吊车电动机等。这类设备的工作呈周期性，时而工作时而停歇，如此反复，且工作时间与停歇时间有一定比例。
断续周期工作制设备，可用“负荷持续率”（又称暂载率）来表示其工作特征。负荷持续率为一个工作周期内工作时间与工作周期的百分比值，用ε表示，即
ε=tT×100%=tt+t0×100%（3.1）
式中： T为工作周期； t为工作周期内的工作时间； t0为工作周期内的停歇时间。
断续周期工作制设备的额定容量（铭牌容量）PN，是对应于某一标称负荷持续率εN的。如果实际运行的负荷持续率ε≠εN，则实际容量Pe应按同一周期内等效发热条件进行换算。由于电流I通过电阻为R的设备在时间t内产生的热量为I2Rt，因此在设备产生相同热量的条件下，I∝1/t； 而在同一电压下，设备容量P∝I； 又由式（3.1）知，同一周期T的负荷持续率ε∝t。因此P∝1/ε，即设备容量与负荷持续率的平方根值成反比。由此可见，如果设备在εN下的容量为PN，则换算到实际ε下的容量Pe为
Pe=PNεNε（3.2）
3.1.4设备容量计算
电力负荷计算中的设备容量Pe，此容量的计算与用电设备组的工作制有关，不含备用设备的容量。
一般连续工作制和短时工作制的用电设备组容量计算，其设备容量是所有设备的铭牌额定容量之和。
断续周期工作制的设备容量计算，其设备容量是将所有设备在不同负荷持续率下的铭牌额定容量换算到一个规定的负荷持续率下的容量之和。容量换算的公式如式(3.2)所示。断续周期工作制的用电设备常用的有电焊机和吊车电动机，各自的换算要求如下：
① 电焊机组电焊机的铭牌负荷持续率有20%、40%、50%、60%、75%、100%等多种，要求容量统一换算到ε=100%，因此由式（3.2）可得换算后的设备容量为
Pe=PNεNε100=SNcosφεNε100
即
Pe=PNεN=SNcosφεN（3.3）
式中： PN、SN为电焊机的铭牌容量（前者为有功功率，后者为视在功率）； εN为与铭牌容量相对应的负荷持续率（计算中用小数）； ε100为其值等于100%的负荷持续率（计算中用1）； cosφ为铭牌规定的功率因数。
② 吊车电动机组，吊车（起重机）的铭牌负荷持续率有15%、25%、40%、60%等，要求容量统一换算到ε=25%，因此由式（3.2）可得换算后的设备容量为
Pe=PNεNε25=2PNεN（3.4）
式中： PN为吊车电动机的铭牌容量； εN为与PN对应的负荷持续率（计算中用小数）； ε25为其值等于25%的负荷持续率（计算中用0.25）。
3.1.5负荷曲线及有关物理量
1. 负荷曲线
在生产过程中，由于生产过程的变化或用电设备使用上的随机性，实际负荷都是随着时间而变化的。电力负荷随时间变化的曲线称为负荷曲线，它能反映用户用电的特点和规律。
按负荷种类分，有有功功率负荷曲线和无功功率负荷曲线； 按时间长短分，有日负载曲线和年负载曲线； 按计量地点分，有用户的负荷曲线、电力线路的负荷曲线、变电站的负荷曲线、发电厂的负荷曲线以及整个系统的负荷曲线。
图3.1为某企业有功日负荷曲线，图3.2为有功年负荷曲线。
图3.1日负荷曲线
图3.2年负荷曲线
2. 负荷的表示方式
① 平均负荷Pav： 平均负荷是指电力负荷在一段时间内的平均值。电力用户的年平均负荷Pav可由年电能消耗量与年工作时间之比来计算：
Pav=WaTgz（3.5）
② *大负荷Pmax： *大负荷是指一年中典型日负荷曲线（全年至少出现3次的*大负荷工作班内的负荷曲线）中的*大负荷，即30min内消耗电能*大时的平均负荷，记作Pmax或P30。
③ 有效负荷Pe： 有效负荷是指由典型工作班负荷曲线（工作班时间为T）按下式计算所得的有效值：
Pe=1T∫T0P2dt（3.6）
④ 计算负荷Pc： 电力用户的实际负荷并不等于用户中所有用电设备额定功率之和。这是因为，实际运行中，并非所有设备都同时投入工作，并非所有设备都能工作于额定状态，并非所有设备的功率因数都相同，还应考虑用电设备的效率与配电设备的功率损耗。
因此，在用户供电系统设计中，必须首先找出这些用电设备的等效负荷。所谓等效是指用电设备在实际运行中对配电设备所产生的*大热效应与等效负荷产生的热效应相等，或实际负荷产生的*大温升与等效负荷产生的温升相等。从等效的含义上讲，前述“半小时*大平均负荷”就是等效负荷。等效负荷可以作为供电系统设计和电气设备选择的依据。在供电系统设计中，将等效负荷称为计算负荷Pc。
3. 负荷相关的系数
① 负荷系数： 负荷系数是指平均负荷与*大负荷之比，它反映了负荷的平稳程度。
KL=PavPmax（3.7）
② 利用系数： 利用系数是针对用电设备组而言的。利用系数Kx定义为用电设备组在*大负荷工作班内消耗的平均负荷Pav与该设备组的总安装容量∑PN之比，即
Kx=Pav∑PN（3.8）
③ 形状系数： 形状系数也是针对用电设备组或用户整体而言的。形状系数Kz定义为有效负荷Pe与平均负荷Pav之比，即
Kz=PePav（3.9）
3.2负 荷 估 算
在工程方案和初步设计阶段，通常要做电力负荷的估算，根据建筑面积、行业特点及经济发展情况等进行负荷容量的估算。
3.2.1年*大负荷和年*大负荷利用小时数
1. 年*大负荷
年*大负荷Pmax 就是全年中负荷*大的工作班内（这一工作班的*大负荷不是偶然出现的，而是全年至少出现2~3次）消耗电能*大的半小时平均功率。因此年*大负荷也称为半小时*大负荷P30。
2. 年*大负荷利用小时
图3.3年*大负荷和年*大负荷利用小时
年*大负荷利用小时数Tmax是这样一个假想时间： 电力负荷按照*大负荷Pmax持续运行Tmax时间所消耗的电能恰好等于该电力负荷全年实际消耗的电能Wa。如图3.3所示,年*大负荷Pmax延伸到Tmax的横线与两坐标轴所包围的矩形面积，恰好等于年负荷曲线与两坐标轴所包围的面积，即全年实际消耗的电能Wa，因此年*大负荷利用小时数为
Tmax=WaPmax（3.10）
式中： Wa为年实际消耗的电能量。
根据实际运行经验，各类负荷的Tmax大致有一个范围，见表3.1。某些企业的年*大负荷利用小时数见表3.2。
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