2.1 计算负荷的意义及计算目的

2.1.1 电力负荷的概念及分类

1.电力负荷的概念

在供配电系统设计中，所谓电力负荷（Electric Power Load）是指电气设备（发电机、变压器、电动机等）和线路中流过的功率或电流（因电压一定时，电流与功率成正比），而不是指它们的阻抗。例如，发电机、变压器的负荷是指它们输出的电功率（或电流），线路的负荷是指通过线路的电功率（或电流）。

2.电力负荷的分类

工厂的电力负荷，按GB50052—2009《供配电系统设计规范》规定，根据其对供电可靠性的要求不同分为三个等级。

（1）一级负荷

一级负荷若供电突然中断将造成人身伤亡，或造成重大设备损坏且难以修复，或打乱复杂的生产过程并使大量产品报废，给国民经济带来重大损失。

一级负荷对供电可靠性的要求最高，绝对不允许停电，因此必须由两回独立的电源供电。

（2）二级负荷

二级负荷若突然停电，将造成生产设备局部损坏，或生产流程紊乱且恢复较困难，企业内部运输停顿，或出现大量减产，给国民经济造成较大的损失。

二级负荷一般允许短时停电几分钟，在工业企业中占的比例最大。因此也应由两回线路供电，而且两回线路应尽可能取自不同的变压器或母线段。

（3）三级负荷

不属于一、二级负荷的用电设备称为三级负荷。

三级负荷为不重要的一般负荷，对供电无特殊要求，允许较长时间停电，因此可用单回线路供电。

2.1.2 负荷曲线

1.负荷曲线的概念及作用

负荷曲线（Load Curve）是表征电力负荷随时间变化的曲线，它反映了用户用电的特点和规律。负荷曲线绘制在直角坐标系中，纵坐标表示负荷值，横坐标表示对应的时间。

负荷曲线按负荷对象分，有工厂的、车间的或某类设备的负荷曲线，按负荷性质分为有功和无功负荷曲线，按所表示的负荷变动时间分，有年的、月的、日的或工作班的负荷曲线。

负荷曲线对供电系统的运行是非常重要的，它是安排供电计划、设备检修和确定系统运行方式的重要依据。由于负荷曲线是用电设备负荷的真实记录，一是可以利用负荷曲线来计算设备或电网的总消费电量；二是可以根据负荷的峰谷情况及供电部门的要求合理安排设备的工作时间，获得最佳用电效率。

2.负荷曲线的种类与绘制方法

（1）日负荷曲线

日负荷曲线表示一日24h内负荷变化的情形，如图2-1所示。绘制方法如下：

1）以某个监测点为参考点，在24h中各个时刻记录有功功率表的读数，逐点绘制而成折线形状，称为折线形负荷曲线，如图2-1a所示。

2）通过接在供电线路上的电度表，每隔一定的时间间隔（一般为半小时）将其读数记录下来，求出半小时的平均功率，再依次将这些点画在坐标上，把这些点连成阶梯状，称为阶梯形负荷曲线，如图2-1b所示。

为了便于计算，负荷曲线多绘制成阶梯形，横坐标一般按半小时分格，以便确定半小时最大负荷。当然，其时间间隔取得越短，曲线越能反映负荷的实际变化情况。

（2）年负荷曲线

年负荷曲线反映一年（8760h）内负荷变化的情况。

年负荷曲线又分为年运行负荷曲线和年负荷持续时间曲线。年运行负荷曲线可根据全年日负荷曲线间接制成；年负荷持续时间曲线的绘制，要借助一年中有代表性的冬季日负荷曲线和夏季日负荷曲线。通常用年负荷持续时间曲线来表示年负荷曲线。绘制方法如图2-2所示。

其夏日和冬日在全年中所占的天数，应视地理位置和气温情况核定。一般在北方，近似认为冬季200天，夏季165天；在南方，近似认为冬季165天，夏季200天。假设绘制南方某厂的年负荷曲线（见图2-2c），其中P₁在年负荷曲线上所占的时间T₁=200t₁+165t₂。

年负荷曲线的另一种形式，是按全年每日的最大负荷（通常取每日最大负荷的半小时平均值）绘制，称为年每日最大负荷曲线，如图2-3所示。横坐标依次以全年12个月的日期来分格，这种年最大负荷曲线，可以用来确定拥有多台电力变压器的变电所在一年内的不同时期宜投入几台运行，即所谓的经济运行方式，以降低电能损耗，提高供电系统的经济效益。

注意：日负荷曲线是按时间的先后绘制的，而年负荷曲线是按负荷的大小和累积时间绘制的。

3.与负荷曲线和负荷计算有关的物理量

（1）年最大负荷和年最大负荷利用小时

1）年最大负荷（Annual Maximum Load）（P_max）：年最大负荷是全年中负荷最大工作班内（该工作班的最大负荷不是偶然出现的，而是在负荷最大的月份内至少出现过2~3次）消耗电能最大的半小时的平均功率，又叫半小时最大负荷P₃₀。

2）年最大负荷利用小时（Utilization Hours of Annual Maximum Load)（T_max)：年最大负荷利用小时是一个假想时间，在此时间内，电力负荷按年最大负荷P_max或P₃₀持续运行所消耗的电能，恰好等于该电力负荷全年实际消耗的电能，如图2-4所示。

年最大负荷利用小时为

式中，W_a为全年实际消耗的电能量（kW·h）。

年最大负荷利用小时是反映电力负荷特征的一个重要参数，与工厂的生产班制有明显的关系。例如，一班制：T_max=1800~3600h，两班制：T_max=3500~4800h，三班制：T_max=5000~7000h。

（2）平均负荷和负荷系数

1）平均负荷（Average Load）P_av：平均负荷是电力负荷在一定时间t内平均消耗的功率，也就是电力负荷在该时间t内消耗的电能W_a除以时间t的值，即

年平均负荷P_av的说明如图2-5所示。年平均负荷的横线与两坐标轴所包围的矩形截面积等于负荷曲线与两坐标轴所包围的面积W_a，即年平均负荷P_av为

2）负荷系数（Load Coefficient）：又称为负荷率，它是用电负荷的平均负荷与其最大负荷的比值，分有功负荷系数和无功负荷系数两种，即

对负荷曲线来说，负荷系数也称为负荷曲线填充系数，它表征负荷曲线不平坦的程度，即表征负荷起伏变化的程度。从充分发挥供电系统的能力、提高供电效率来说，希望此系数越高即越接近于1越好。从发挥整个电力系统的效能来说，应尽量使不平坦的负荷曲线“削峰填谷”，提高负荷系数。

对于单个用电设备或用电设备组，负荷系数就是设备的输出功率P与设备额定容量P_N的比值，即

负荷系数通常以百分数表示。有时，有功负荷率用α、无功负荷率用β表示。

对于不同性质的用户，负荷曲线是不同的。一般来说，负荷曲线的变化规律取决于负荷的性质、企业生产发展情况及作息制度、用电地区的地理位置、当地气候条件和人民生活习惯等。三班制连续生产的重工业，如钢铁工业的日负荷曲线如图2-6a所示，该曲线比较平坦，最小负荷系数达到0.85。一班制生产的轻工业，如食品工业的日负荷曲线如图2-6b所示，其负荷变化比较大，最小负荷系数只有0.13。非排灌季节的农业日负荷曲线如图2-6c所示，农村加工用电每天仅12h。市政生活负荷曲线中存在明显的照明用电高峰，如图2-6d所示。

2.1.3 负荷计算的意义及目的

进行供电系统设计时，首先遇到的是全单位要多大的供电量，即负荷大小问题。由于各种用电设备运行特性不同，其用电方式各有特点，一般各用电设备的最大负荷不会同时出现，甚至不同时工作。因此，精确地计算企业的用电负荷是非常困难的。若负荷统计过大，则所选导线截面及电气设备的额定容量就大，将造成投资和设备的浪费；若负荷统计过小，则所选导线截面及电气设备的额定容量就小，将造成导线及电气设备过热，使线路及各种电气设备的绝缘老化，寿命缩短，甚至无法正常工作。因此，负荷统计是重要的。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（Calculation Load）。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要（3~4）τ，τ为发热时间常数。截面积在16mm²及以上的导体，其τ≥10min，因此载流导体大约经30min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最大负荷P₃₀（亦称年最大负荷P_max）是基本相当的，所以计算负荷也可以认为就是半小时最大负荷。

求计算负荷的这项工作称为负荷计算。负荷计算的意义在于能为合理地选择供电系统中的导线、开关电器、变压器等设备，使电气设备和材料既能得到充分利用又能满足电网的安全运行提供理论根据。另外，也是选择仪表量程、整定继电保护的重要依据，并作为按发热条件选择导线、电缆和电气设备的依据。

求计算负荷时必须考虑用电设备的工作特征，其中工作制与负荷计算的关系较大，因为不同工作制下，导体的发热条件是不同的。

用电设备的工作制可以分为：

1）连续运行工作制。指工作时间较长（长到足以达到热平衡状态）、连续运行的用电设备，绝大多数属于此工作制。如通风机、空气压缩机、各种泵类、各种电炉、电解电镀设备、电动发电机组和照明设备等。

2）短时运行工作制。指工作时间很短（短于达到热平衡所需的时间）、停歇时间相当长（长到足以使设备温度冷却到周围介质的温度）的用电设备。如金属切削机床用的辅助机械（横梁升降、刀架快速移动装置等）、控制闸门用的电动机等，这类设备数量很少。求计算负荷一般不考虑短时运行工作制的设备。

3）断续周期工作制。指有周期性地时而工作、时而停歇、反复运行的用电设备，而每个工作周期不超过10min，无论工作或停歇，都不足以使设备达到热平衡。如吊车用电动机、电焊变压器等。

断续周期工作制的设备，可用“负荷持续率”（Duty Cycle,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来表示，即

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。

吊车电动机的标准暂载率有15%、25%、40%和60%共4种；电焊设备的标准暂载率有50%、65%、75%和100%共4种。

断续周期工作制设备的额定容量（铭牌功率）P_N，是对应于某一标称负荷持续率ε_N的。如果实际运行的负荷持续率ε≠ε_N，则实际容量P_e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，，即设备容量与负荷持续率的平方根值成反比。由此可知，如果设备在ε_N下的容量为P_N，则换算到实际ε下的容量P_e为