第3章電氣計算負荷
內容提要：
本章首先介紹電力負荷的概念和負荷曲線，其次是負荷的估算方法，然后著重講述用電設備組計算負荷和工廠計算負荷的確定方法，重點在需要系數法。本章內容是用戶供電系統運行分析和設計計算的基礎。
3.1電力負荷與負荷曲線
供電系統要能安全可靠地正常運行，其中各個元件（包括電力變壓器、開關設備及導線電纜等）都必須選擇得當，除了應滿足工作電壓和頻率的要求外，*重要的就是要滿足負荷電流的要求。因此有必要對供電系統中各個環節的電力負荷進行統計計算。
3.1.1電力負荷概念
電力負荷是指單臺用電設備或一組用電設備從電源取用的電功率，包括有功功率、無功功率和視在功率。
通過負荷的統計計算求出的、用來按發熱條件選擇供電系統中各元件的負荷值，稱為計算負荷（calculatedload）。根據計算負荷選擇的電氣設備和導線電纜，如果以計算負荷連續運行，其發熱溫度不會超過允許值。
由于導體通過電流達到穩定溫升的時間大約需(3~4)τ，τ為發熱時間常數。截面在16mm2及以上的導體，其τ≥10min，因此載流導體大約經30min（半小時）后可達到穩定溫升值。由此可見，計算負荷實際上與從負荷曲線上查得的半小時*大負荷P30（亦即年*大負荷Pmax）是基本相當的。所以，計算負荷也可以認為就是半小時*大負荷。本來有功計算負荷可表示為Pc，無功計算負荷可表示為Qc，計算電流可表示為Ic，但考慮到“計算”的符號c容易與“電容”的符號C 相混淆，因此大多數供電書籍都借用半小時*大負荷P30 來表示有功計算負荷，無功計算負荷、視在計算負荷和計算電流則分別表示為Q30、S30和I30。這樣表示，也使計算負荷的概念更加明確。
這里，Pc和P30均表示計算負荷。
3.1.2負荷分級
各級用電負荷的供電電源和供電方式，應根據負荷對供電可靠性的要求和地區供電條件，按照負荷等級確定。按GB 50052—1995《供配電系統設計規范》規定，根據其對供電可靠性的要求及中斷供電造成的損失或影響的程度分為三級：
1. 一級負荷（關鍵負荷）
突然停電將關乎人身生命安全，或在經濟上造成重大損失，或在政治上造成重大不良影響。
一級負荷應由兩路電源供電，當其中一路電源發生故障時，另一路電源應不致同時受到損壞。有特殊要求的一級負荷，兩個獨立電源應來自兩個不同的地點。兩個供電電源應在設備的控制箱內實現自動切換，切換時間應滿足設備允許中斷供電的要求。一級負荷中特別重要的是負荷，除上述兩路電源外，還必須增設應急電源。
為保證對特別重要負荷的供電，嚴禁將其他負荷接入應急供電系統。常用的應急電源有：
① 獨立于正常電源的發電機組。
② 供電網絡中獨立于正常電源的專門供電線路。
③ 蓄電池。
④ 干電池。
在一級負荷中，當中斷供電將發生中毒、爆炸和火災等情況的負荷，以及特別重要場所不允許中斷供電的負荷，應視為特別重要的負荷。
2. 二級負荷（重要負荷）突然停電將在經濟上造成較大損失，或在政治上造成不
良影響。二級負荷應由兩回線路供電，并可在配電裝置內實現切換，當一回線路故障時，應不影響另一回線路供電。當負荷較小或取得兩回線路有困難時，可由一回專用線路供電。小容量負荷可以采用一路電源加不間斷電源，或一路電源加設備自帶的蓄電池組在末端實現切換。
3. 三級負荷（一般負荷）不屬于一級和二級負荷者。三級負荷對供電方式無特殊
要求，但在不增加投資或經濟允許的情況下，也應盡量提高供電可靠性。
3.1.3用電設備工作制
設備安裝容量PN（亦稱設備功率）是指連續工作的用電設備銘牌上的標稱功率PE。但是，用電設備往往因工作性質不同而具有不同的運行工作制，這時，從供電安全和經濟性兩方面來考慮，應按設備銘牌功率予以折算。
工廠的用電設備，按其工作制分以下三類：
1. 連續運行工作制能長期連續運行，每次連續工作時間超過8h，運行時負荷比較穩定。在計算其設備容量時，直接查取其銘牌上的額定容量。這類工作制設備在恒定負荷下運行，且運行時間長到足以使之達到熱平衡狀態，如通風機、水泵、空氣壓縮機、電動發電機組、電爐和照明燈等。機床電動機的負荷，一般變動較大，但其主電動機一般也是連續運行的。
2. 短時運行工作制這類設備的工作時間較短，停歇時間較長。在計算其設備容量時，直接查取其銘牌上的額定容量。這類工作制設備在恒定負荷下運行的時間短（短于達到熱平衡所需的時間），而停歇時間長（長到足以使設備溫度冷卻到周圍介質的溫度），如機床上的某些輔助電動機（例如進給電動機）、控制閘門的電動機等。
3. 斷續周期工作制這類工作制設備周期性地時而工作，時而停歇，如此反復運行，而工作周期一般不超過10min，無論工作或停歇，均不足以使設備達到熱平衡，如電焊機和吊車電動機等。這類設備的工作呈周期性，時而工作時而停歇，如此反復，且工作時間與停歇時間有一定比例。
斷續周期工作制設備，可用“負荷持續率”（又稱暫載率）來表示其工作特征。負荷持續率為一個工作周期內工作時間與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為工作周期； t為工作周期內的工作時間； t0為工作周期內的停歇時間。
斷續周期工作制設備的額定容量（銘牌容量）PN，是對應于某一標稱負荷持續率εN的。如果實際運行的負荷持續率ε≠εN，則實際容量Pe應按同一周期內等效發熱條件進行換算。由于電流I通過電阻為R的設備在時間t內產生的熱量為I2Rt，因此在設備產生相同熱量的條件下，I∝1/t； 而在同一電壓下，設備容量P∝I； 又由式（3.1）知，同一周期T的負荷持續率ε∝t。因此P∝1/ε，即設備容量與負荷持續率的平方根值成反比。由此可見，如果設備在εN下的容量為PN，則換算到實際ε下的容量Pe為
Pe=PNεNε（3.2）
3.1.4設備容量計算
電力負荷計算中的設備容量Pe，此容量的計算與用電設備組的工作制有關，不含備用設備的容量。
一般連續工作制和短時工作制的用電設備組容量計算，其設備容量是所有設備的銘牌額定容量之和。
斷續周期工作制的設備容量計算，其設備容量是將所有設備在不同負荷持續率下的銘牌額定容量換算到一個規定的負荷持續率下的容量之和。容量換算的公式如式(3.2)所示。斷續周期工作制的用電設備常用的有電焊機和吊車電動機，各自的換算要求如下：
① 電焊機組電焊機的銘牌負荷持續率有20%、40%、50%、60%、75%、100%等多種，要求容量統一換算到ε=100%，因此由式（3.2）可得換算后的設備容量為
Pe=PNεNε100=SNcosφεNε100
即
Pe=PNεN=SNcosφεN（3.3）
式中： PN、SN為電焊機的銘牌容量（前者為有功功率，后者為視在功率）； εN為與銘牌容量相對應的負荷持續率（計算中用小數）； ε100為其值等于100%的負荷持續率（計算中用1）； cosφ為銘牌規定的功率因數。
② 吊車電動機組，吊車（起重機）的銘牌負荷持續率有15%、25%、40%、60%等，要求容量統一換算到ε=25%，因此由式（3.2）可得換算后的設備容量為
Pe=PNεNε25=2PNεN（3.4）
式中： PN為吊車電動機的銘牌容量； εN為與PN對應的負荷持續率（計算中用小數）； ε25為其值等于25%的負荷持續率（計算中用0.25）。
3.1.5負荷曲線及有關物理量
1. 負荷曲線
在生產過程中，由于生產過程的變化或用電設備使用上的隨機性，實際負荷都是隨著時間而變化的。電力負荷隨時間變化的曲線稱為負荷曲線，它能反映用戶用電的特點和規律。
按負荷種類分，有有功功率負荷曲線和無功功率負荷曲線； 按時間長短分，有日負載曲線和年負載曲線； 按計量地點分，有用戶的負荷曲線、電力線路的負荷曲線、變電站的負荷曲線、發電廠的負荷曲線以及整個系統的負荷曲線。
圖3.1為某企業有功日負荷曲線，圖3.2為有功年負荷曲線。
圖3.1日負荷曲線
圖3.2年負荷曲線
2. 負荷的表示方式
① 平均負荷Pav： 平均負荷是指電力負荷在一段時間內的平均值。電力用戶的年平均負荷Pav可由年電能消耗量與年工作時間之比來計算：
Pav=WaTgz（3.5）
② *大負荷Pmax： *大負荷是指一年中典型日負荷曲線（全年至少出現3次的*大負荷工作班內的負荷曲線）中的*大負荷，即30min內消耗電能*大時的平均負荷，記作Pmax或P30。
③ 有效負荷Pe： 有效負荷是指由典型工作班負荷曲線（工作班時間為T）按下式計算所得的有效值：
Pe=1T∫T0P2dt（3.6）
④ 計算負荷Pc： 電力用戶的實際負荷并不等于用戶中所有用電設備額定功率之和。這是因為，實際運行中，并非所有設備都同時投入工作，并非所有設備都能工作于額定狀態，并非所有設備的功率因數都相同，還應考慮用電設備的效率與配電設備的功率損耗。
因此，在用戶供電系統設計中，必須首先找出這些用電設備的等效負荷。所謂等效是指用電設備在實際運行中對配電設備所產生的*大熱效應與等效負荷產生的熱效應相等，或實際負荷產生的*大溫升與等效負荷產生的溫升相等。從等效的含義上講，前述“半小時*大平均負荷”就是等效負荷。等效負荷可以作為供電系統設計和電氣設備選擇的依據。在供電系統設計中，將等效負荷稱為計算負荷Pc。
3. 負荷相關的系數
① 負荷系數： 負荷系數是指平均負荷與*大負荷之比，它反映了負荷的平穩程度。
KL=PavPmax（3.7）
② 利用系數： 利用系數是針對用電設備組而言的。利用系數Kx定義為用電設備組在*大負荷工作班內消耗的平均負荷Pav與該設備組的總安裝容量∑PN之比，即
Kx=Pav∑PN（3.8）
③ 形狀系數： 形狀系數也是針對用電設備組或用戶整體而言的。形狀系數Kz定義為有效負荷Pe與平均負荷Pav之比，即
Kz=PePav（3.9）
3.2負 荷 估 算
在工程方案和初步設計階段，通常要做電力負荷的估算，根據建筑面積、行業特點及經濟發展情況等進行負荷容量的估算。
3.2.1年*大負荷和年*大負荷利用小時數
1. 年*大負荷
年*大負荷Pmax 就是全年中負荷*大的工作班內（這一工作班的*大負荷不是偶然出現的，而是全年至少出現2~3次）消耗電能*大的半小時平均功率。因此年*大負荷也稱為半小時*大負荷P30。
2. 年*大負荷利用小時
圖3.3年*大負荷和年*大負荷利用小時
年*大負荷利用小時數Tmax是這樣一個假想時間： 電力負荷按照*大負荷Pmax持續運行Tmax時間所消耗的電能恰好等于該電力負荷全年實際消耗的電能Wa。如圖3.3所示,年*大負荷Pmax延伸到Tmax的橫線與兩坐標軸所包圍的矩形面積，恰好等于年負荷曲線與兩坐標軸所包圍的面積，即全年實際消耗的電能Wa，因此年*大負荷利用小時數為
Tmax=WaPmax（3.10）
式中： Wa為年實際消耗的電能量。
根據實際運行經驗，各類負荷的Tmax大致有一個范圍，見表3.1。某些企業的年*大負荷利用小時數見表3.2。
……
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