2.1 計算負荷的意義及計算目的

2.1.1 電力負荷的概念及分類

1.電力負荷的概念

在供配電系統(tǒng)設(shè)計中，所謂電力負荷（Electric Power Load）是指電氣設(shè)備（發(fā)電機、變壓器、電動機等）和線路中流過的功率或電流（因電壓一定時，電流與功率成正比），而不是指它們的阻抗。例如，發(fā)電機、變壓器的負荷是指它們輸出的電功率（或電流），線路的負荷是指通過線路的電功率（或電流）。

2.電力負荷的分類

工廠的電力負荷，按GB50052—2009《供配電系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》規(guī)定，根據(jù)其對供電可靠性的要求不同分為三個等級。

（1）一級負荷

一級負荷若供電突然中斷將造成人身傷亡，或造成重大設(shè)備損壞且難以修復，或打亂復雜的生產(chǎn)過程并使大量產(chǎn)品報廢，給國民經(jīng)濟帶來重大損失。

一級負荷對供電可靠性的要求最高，絕對不允許停電，因此必須由兩回獨立的電源供電。

（2）二級負荷

二級負荷若突然停電，將造成生產(chǎn)設(shè)備局部損壞，或生產(chǎn)流程紊亂且恢復較困難，企業(yè)內(nèi)部運輸停頓，或出現(xiàn)大量減產(chǎn)，給國民經(jīng)濟造成較大的損失。

二級負荷一般允許短時停電幾分鐘，在工業(yè)企業(yè)中占的比例最大。因此也應(yīng)由兩回線路供電，而且兩回線路應(yīng)盡可能取自不同的變壓器或母線段。

（3）三級負荷

不屬于一、二級負荷的用電設(shè)備稱為三級負荷。

三級負荷為不重要的一般負荷，對供電無特殊要求，允許較長時間停電，因此可用單回線路供電。

2.1.2 負荷曲線

1.負荷曲線的概念及作用

負荷曲線（Load Curve）是表征電力負荷隨時間變化的曲線，它反映了用戶用電的特點和規(guī)律。負荷曲線繪制在直角坐標系中，縱坐標表示負荷值，橫坐標表示對應(yīng)的時間。

負荷曲線按負荷對象分，有工廠的、車間的或某類設(shè)備的負荷曲線，按負荷性質(zhì)分為有功和無功負荷曲線，按所表示的負荷變動時間分，有年的、月的、日的或工作班的負荷曲線。

負荷曲線對供電系統(tǒng)的運行是非常重要的，它是安排供電計劃、設(shè)備檢修和確定系統(tǒng)運行方式的重要依據(jù)。由于負荷曲線是用電設(shè)備負荷的真實記錄，一是可以利用負荷曲線來計算設(shè)備或電網(wǎng)的總消費電量；二是可以根據(jù)負荷的峰谷情況及供電部門的要求合理安排設(shè)備的工作時間，獲得最佳用電效率。

2.負荷曲線的種類與繪制方法

（1）日負荷曲線

日負荷曲線表示一日24h內(nèi)負荷變化的情形，如圖2-1所示。繪制方法如下：

1）以某個監(jiān)測點為參考點，在24h中各個時刻記錄有功功率表的讀數(shù)，逐點繪制而成折線形狀，稱為折線形負荷曲線，如圖2-1a所示。

2）通過接在供電線路上的電度表，每隔一定的時間間隔（一般為半小時）將其讀數(shù)記錄下來，求出半小時的平均功率，再依次將這些點畫在坐標上，把這些點連成階梯狀，稱為階梯形負荷曲線，如圖2-1b所示。

為了便于計算，負荷曲線多繪制成階梯形，橫坐標一般按半小時分格，以便確定半小時最大負荷。當然，其時間間隔取得越短，曲線越能反映負荷的實際變化情況。

（2）年負荷曲線

年負荷曲線反映一年（8760h）內(nèi)負荷變化的情況。

年負荷曲線又分為年運行負荷曲線和年負荷持續(xù)時間曲線。年運行負荷曲線可根據(jù)全年日負荷曲線間接制成；年負荷持續(xù)時間曲線的繪制，要借助一年中有代表性的冬季日負荷曲線和夏季日負荷曲線。通常用年負荷持續(xù)時間曲線來表示年負荷曲線。繪制方法如圖2-2所示。

其夏日和冬日在全年中所占的天數(shù)，應(yīng)視地理位置和氣溫情況核定。一般在北方，近似認為冬季200天，夏季165天；在南方，近似認為冬季165天，夏季200天。假設(shè)繪制南方某廠的年負荷曲線（見圖2-2c），其中P₁在年負荷曲線上所占的時間T₁=200t₁+165t₂。

年負荷曲線的另一種形式，是按全年每日的最大負荷（通常取每日最大負荷的半小時平均值）繪制，稱為年每日最大負荷曲線，如圖2-3所示。橫坐標依次以全年12個月的日期來分格，這種年最大負荷曲線，可以用來確定擁有多臺電力變壓器的變電所在一年內(nèi)的不同時期宜投入幾臺運行，即所謂的經(jīng)濟運行方式，以降低電能損耗，提高供電系統(tǒng)的經(jīng)濟效益。

注意：日負荷曲線是按時間的先后繪制的，而年負荷曲線是按負荷的大小和累積時間繪制的。

3.與負荷曲線和負荷計算有關(guān)的物理量

（1）年最大負荷和年最大負荷利用小時

1）年最大負荷（Annual Maximum Load）（P_max）：年最大負荷是全年中負荷最大工作班內(nèi)（該工作班的最大負荷不是偶然出現(xiàn)的，而是在負荷最大的月份內(nèi)至少出現(xiàn)過2~3次）消耗電能最大的半小時的平均功率，又叫半小時最大負荷P₃₀。

2）年最大負荷利用小時（Utilization Hours of Annual Maximum Load)（T_max)：年最大負荷利用小時是一個假想時間，在此時間內(nèi)，電力負荷按年最大負荷P_max或P₃₀持續(xù)運行所消耗的電能，恰好等于該電力負荷全年實際消耗的電能，如圖2-4所示。

年最大負荷利用小時為

式中，W_a為全年實際消耗的電能量（kW·h）。

年最大負荷利用小時是反映電力負荷特征的一個重要參數(shù)，與工廠的生產(chǎn)班制有明顯的關(guān)系。例如，一班制：T_max=1800~3600h，兩班制：T_max=3500~4800h，三班制：T_max=5000~7000h。

（2）平均負荷和負荷系數(shù)

1）平均負荷（Average Load）P_av：平均負荷是電力負荷在一定時間t內(nèi)平均消耗的功率，也就是電力負荷在該時間t內(nèi)消耗的電能W_a除以時間t的值，即

年平均負荷P_av的說明如圖2-5所示。年平均負荷的橫線與兩坐標軸所包圍的矩形截面積等于負荷曲線與兩坐標軸所包圍的面積W_a，即年平均負荷P_av為

2）負荷系數(shù)（Load Coefficient）：又稱為負荷率，它是用電負荷的平均負荷與其最大負荷的比值，分有功負荷系數(shù)和無功負荷系數(shù)兩種，即

對負荷曲線來說，負荷系數(shù)也稱為負荷曲線填充系數(shù)，它表征負荷曲線不平坦的程度，即表征負荷起伏變化的程度。從充分發(fā)揮供電系統(tǒng)的能力、提高供電效率來說，希望此系數(shù)越高即越接近于1越好。從發(fā)揮整個電力系統(tǒng)的效能來說，應(yīng)盡量使不平坦的負荷曲線“削峰填谷”，提高負荷系數(shù)。

對于單個用電設(shè)備或用電設(shè)備組，負荷系數(shù)就是設(shè)備的輸出功率P與設(shè)備額定容量P_N的比值，即

負荷系數(shù)通常以百分數(shù)表示。有時，有功負荷率用α、無功負荷率用β表示。

對于不同性質(zhì)的用戶，負荷曲線是不同的。一般來說，負荷曲線的變化規(guī)律取決于負荷的性質(zhì)、企業(yè)生產(chǎn)發(fā)展情況及作息制度、用電地區(qū)的地理位置、當?shù)貧夂驐l件和人民生活習慣等。三班制連續(xù)生產(chǎn)的重工業(yè)，如鋼鐵工業(yè)的日負荷曲線如圖2-6a所示，該曲線比較平坦，最小負荷系數(shù)達到0.85。一班制生產(chǎn)的輕工業(yè)，如食品工業(yè)的日負荷曲線如圖2-6b所示，其負荷變化比較大，最小負荷系數(shù)只有0.13。非排灌季節(jié)的農(nóng)業(yè)日負荷曲線如圖2-6c所示，農(nóng)村加工用電每天僅12h。市政生活負荷曲線中存在明顯的照明用電高峰，如圖2-6d所示。

2.1.3 負荷計算的意義及目的

進行供電系統(tǒng)設(shè)計時，首先遇到的是全單位要多大的供電量，即負荷大小問題。由于各種用電設(shè)備運行特性不同，其用電方式各有特點，一般各用電設(shè)備的最大負荷不會同時出現(xiàn)，甚至不同時工作。因此，精確地計算企業(yè)的用電負荷是非常困難的。若負荷統(tǒng)計過大，則所選導線截面及電氣設(shè)備的額定容量就大，將造成投資和設(shè)備的浪費；若負荷統(tǒng)計過小，則所選導線截面及電氣設(shè)備的額定容量就小，將造成導線及電氣設(shè)備過熱，使線路及各種電氣設(shè)備的絕緣老化，壽命縮短，甚至無法正常工作。因此，負荷統(tǒng)計是重要的。通過負荷的統(tǒng)計計算求出的、用來按發(fā)熱條件選擇供電系統(tǒng)中各元件的負荷值，稱為計算負荷（Calculation Load）。根據(jù)計算負荷選擇的電氣設(shè)備和導線電纜，如果以計算負荷連續(xù)運行，其發(fā)熱溫度不會超過允許值。

由于導體通過電流達到穩(wěn)定溫升的時間大約需要（3~4）τ，τ為發(fā)熱時間常數(shù)。截面積在16mm²及以上的導體，其τ≥10min，因此載流導體大約經(jīng)30min后可達到穩(wěn)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最大負荷P₃₀（亦稱年最大負荷P_max）是基本相當?shù)模杂嬎阖摵梢部梢哉J為就是半小時最大負荷。

求計算負荷的這項工作稱為負荷計算。負荷計算的意義在于能為合理地選擇供電系統(tǒng)中的導線、開關(guān)電器、變壓器等設(shè)備，使電氣設(shè)備和材料既能得到充分利用又能滿足電網(wǎng)的安全運行提供理論根據(jù)。另外，也是選擇儀表量程、整定繼電保護的重要依據(jù)，并作為按發(fā)熱條件選擇導線、電纜和電氣設(shè)備的依據(jù)。

求計算負荷時必須考慮用電設(shè)備的工作特征，其中工作制與負荷計算的關(guān)系較大，因為不同工作制下，導體的發(fā)熱條件是不同的。

用電設(shè)備的工作制可以分為：

1）連續(xù)運行工作制。指工作時間較長（長到足以達到熱平衡狀態(tài)）、連續(xù)運行的用電設(shè)備，絕大多數(shù)屬于此工作制。如通風機、空氣壓縮機、各種泵類、各種電爐、電解電鍍設(shè)備、電動發(fā)電機組和照明設(shè)備等。

2）短時運行工作制。指工作時間很短（短于達到熱平衡所需的時間）、停歇時間相當長（長到足以使設(shè)備溫度冷卻到周圍介質(zhì)的溫度）的用電設(shè)備。如金屬切削機床用的輔助機械（橫梁升降、刀架快速移動裝置等）、控制閘門用的電動機等，這類設(shè)備數(shù)量很少。求計算負荷一般不考慮短時運行工作制的設(shè)備。

3）斷續(xù)周期工作制。指有周期性地時而工作、時而停歇、反復運行的用電設(shè)備，而每個工作周期不超過10min，無論工作或停歇，都不足以使設(shè)備達到熱平衡。如吊車用電動機、電焊變壓器等。

斷續(xù)周期工作制的設(shè)備，可用“負荷持續(xù)率”（Duty Cycle,又稱暫載率）來表示其工作特征。負荷持續(xù)率為一個工作周期內(nèi)工作時間與工作周期的百分比值，用ε來表示，即

式中，T為工作周期；t為工作周期內(nèi)的工作時間；t₀為工作周期內(nèi)的停歇時間。

吊車電動機的標準暫載率有15%、25%、40%和60%共4種；電焊設(shè)備的標準暫載率有50%、65%、75%和100%共4種。

斷續(xù)周期工作制設(shè)備的額定容量（銘牌功率）P_N，是對應(yīng)于某一標稱負荷持續(xù)率ε_N的。如果實際運行的負荷持續(xù)率ε≠ε_N，則實際容量P_e應(yīng)按同一周期內(nèi)等效發(fā)熱條件進行換算。由于電流I通過電阻R的設(shè)備在時間t內(nèi)產(chǎn)生的熱量為I²Rt，因此在設(shè)備產(chǎn)生相同熱量的條件下，，即設(shè)備容量與負荷持續(xù)率的平方根值成反比。由此可知，如果設(shè)備在ε_N下的容量為P_N，則換算到實際ε下的容量P_e為