电气工程学习-用电负荷计算(原版)

第二章负荷计算

第一节负荷分级与供电要求

一、负荷

1．负荷

负荷又称负载，指发电机或变电所供给用户的电力。其衡量标准为电气设备（发电机、变压器和线路）中通过的功率或电流，而不是指它们的阻抗。

2．满负荷

5 满负荷又叫满载，指负荷恰好达到电气设备铭牌所规定的数值。

3．最大负荷

最大负荷有时又称尖峰负荷，指系统或设备在一段时间内用电最大负荷值。

4．最小负荷

又称低谷负荷，指系统或设备在一段时间内用电最小负荷值。

二、负荷的分类

1．按负荷特征分类

（1）连续工作制负荷。

（2）短时工作制负荷。

（3）重复短时工作制负荷。

2．按供电对象分类

（1）照明负荷。

（2）民用建筑照明。

（3）通讯及数据处理设备负荷。

三、负荷分级

电力负荷应根据供电可靠性及中断供电在政治、经济上所造成的损失或影响的程度，分为一级负荷、二级负荷、三级负荷。

1．一级负荷

属下列情况者均为一级负荷：

（1）中断供电将造成人身伤亡者。

（2）中断供电将造成重大政治影响者。

（3）中断供电将造成重大经济损失者。

（4）中断供电将造成公共场所秩序严重混乱者。

对于某些特等建筑，如重要的交通枢纽、重要的通讯枢纽、国宾馆、国家级及承担重大国事活动的大量人员集中的公共场所等的一级负荷为特别重要负荷。

中断供电将影响实时处理计算机及计算机网络正常工作或中断供电后将发生爆炸、火灾以及严重中毒的一级负荷亦为特别重要负荷。

2．二级负荷

属下列情况者均为二级负荷：

（1）中断供电将造成较大政治影响者。

（2）中断供电将造成较大经济损失者。

（3）中断供电将造成公共场所秩序混乱者。

3．三级负荷

不属于一级和二级的电力负荷。

四、供电要求

1．一级负荷的供电要求

（1）应由两个独立电源供电，当一个电源发生故障时，另一个电源应不致同时受到损坏。

一级负荷容量较大或有高压电气设备时，应采用两路高压电源。如一级负荷容量不大时，应优先采用从电力系统或临近单位取得第二低压电源，亦可采用应急发电机组，如一级负荷仅为照明或电话站负荷时，宜采用畜电池组作为备用电源。

供给一级负荷的两个电源应在最末一级配电盘（箱）处切换。

（2）一级负荷中的特别重要负荷，除上述两个电源外，还必须增设应急电源。为保证特别重要负荷的供电，严禁将其他负荷接入应急供电系统。

（3）常用的应急电源有下列几种：

1）独立于正常电源的发电机组。

2）供电网络中有效地独立于正常电源的专门馈电线路。

3）畜电池。

（4）根据允许的中断时间可分别选择下列应急电源：

1）静态交流不间断电源装置适用于允许中断供电时间为毫秒级的供电。

2）带有自动投入装置的独立于正常电源的专门馈电线路，适用于允许中断供电时间为 1.5s 以上的供电。

3）快速自起动的柴油发电机组，适用于允许中断供电时间为15s以上的供电。

2．二级负荷的供电要求

应做到当发生电力变压器故障或线路常见故障时不致中断供电（或中断后能迅速恢复）。对二级负荷应采用两个电源供电，或用两回路送到适宜的配电点。当配电系统低压侧为单母线分段且母联断路器采用自动投入方式时，也可选用线路可靠独立出线的单回路供电。在负荷较小或地区供电条件困难时，二级负荷可由一回路10（6）kV及以上专用架空线供电。

3．三级负荷的供电要求

对供电无特殊要求。当以三级负荷为主，但有少量的一级负荷供电时，其第二电源可采用自备应急发电机组或逆变器作为一级负荷的备用电源。

第二节负荷计算

一、负荷曲线

表示电力负荷在一定时间内的平均功率随时间变化情况的图形称为负荷曲线。

（1）分类

1）根据纵坐标表示的功率不同，分为有功功率负荷曲线和无功功率负荷曲线；

2）根据横坐标时间的不同分为日负荷曲线、月负荷曲线、年负荷曲线等。

（2）意义

负荷曲线的物理意义是阶梯形曲线所包围的面积代表此负荷日电能需要量（用电量）。负荷曲

线愈平稳，负荷变动愈少；负荷曲线愈起伏，负荷变动愈大。

（3）作用

图2-1 阶梯形日有功曲线

负荷曲线不仅反映了设备或用户的用电规律，同时还是设计变电所时的参考依据，设计时用户未投产运行，无法按实际情况得到负荷曲线，一般是参照有关标准负荷曲线或现有的性质相似的企业典型负荷曲线来绘制。

二、需要系数

1．定义

由于电气设备的额定工作条件不同，（就会造成各用电设备不会在同一时间一起工作；一起工作的设备不会都在满负荷情况下运行；同时设备和线路存在功率损耗；所有这些因素综合起来，使系统内最大负荷与全系统用电设备总容量之间存在差异，前者要比后者小，两者的比值为需要系数。

负荷曲线的最大负荷P max kW）

需要系数＝——————————————————×100％

该组用电设备的设备容量的总和∑P（kW）

需要系数是表示配电系统中所有用电设备同时运转（用电）的程度，或者说表示所有用电设备同时使用的程度。通常其值小于1，只有在所有用电设备全部同时连续运转且满载时，才能为1。

（2）构成

1）同时工作系数：同时工作系数k t反映在最大负荷时，正在工作运行的用电设备的设备容量与全部用电设备总设备容量的比值；

2）负荷系数：用负荷系数k f反映在最大负荷时，正在工作运行的用电设备的实际需要的功率与正在运行的用电设备总设备容量的比值；

3）平均效率：各用电设备在工作时都有一定的功率损耗，在计算负荷时要考虑一个用电设备组的平均效率ηd；

4）线路效率：给各用电设备组供电的线路，在输送电能时要产生线路的功率损耗，因此在计算负荷时要考虑一个线路效率ηl；

5）工作系数：加工条件和工人的操作水平也将影响用电设备的实际功率，因此，在负荷计算中要考虑一个工作系数k g。

综合考虑上述因素后，用需要系数k x表示

k t·k f·k g

k x＝——————

ηd．ηl

表2-1、2-2给出了各用电设备组的需要系数及功率因数。

（1）定义：是按发热条件选择电气设备的一个假定负荷，其产生的热效应与实际变动负荷产生的最大热效应应相等。根据计算负荷选择的导体或电器，在运行中的最高温升不超过导体或电器的温升允许值。

（2）物理意义：设有一电阻R的导体，在某一时间内通过一变动负荷，其最高温升达到τ值，如果这一导体在相同时间内通过一个不变的负荷，最高温升也达到τ值，那么这个不变负荷就称为变动负荷的“计算负荷”，即“计算负荷”与实际变动负荷的最高温升是等值的。

一般把半小时平均负荷所绘制的负荷曲线上的“最大负荷”称为计算负荷。作为按发热条件选择电气设备的依据用P j（Q j、S j或I j）表示。

三、用“需要系数法”进行负荷计算

需要系数法一般适用于计算用电设备组中设备容量差别不大的情况，其特点是计算简单。

1．设备容量的概念

在供电系统的用电设备的铭牌都标有额定功率，但当设备的额定工作条件不同时，设备的实际输出功率并不等于铭牌上的额定功率。

额定功率（P N）是电气设备铭牌中注明的功率，它是制造厂家根据电压等级要求选用适当的绝缘材料，在额定条件下允许输出的机械功率，即电气设备在此功率下，其温升均不会超过允许的温升。

设备容量又称设备功率，是指换算到统一工作制下的“额定功率”，用P e表示，即当电气设备上注明的暂载率不等于标准暂载率时，要对额定功率进行换算到标准暂载率下。

2．用电设备的工作制的划分

电气设备按工作制划分为三种：

（1）长期工作制（S1）：即连续运行工作制，指在规定的环境温度下，设备连续运行，设备的任何部分的温升均不超过允许值；

（2）短时工作制（S2）：即短时运行工作制，指设备的运行时间短而停歇时间长，设备在工作时间内的发热量不足以达到稳定的温升，而在停歇时间内足够冷却到环境温度；

（3）断续工作制（S3）：即重复短时工作制，指设备以断续方式反复进行工作，工作时间（t g）与停歇时间（t r）交替进行，用暂载率JC％或ε表示（本书采用ε），定义为

工作时间 t g

ε％＝—————×100％＝—──—×100％

工作周期 t g＋t r

根据国家技术标准规定，工作周期t g＋t r以10min为依据，起重专用电动机（YZ、YZR系列）的标准暂载率为15％、25％、40％、60％四种，铭牌上均按40%工作制标注的；电焊设备的标准暂载率为50％、65％、75％、100％四种。

3．电力负荷计算程序

图2-2 供电系统中具有代表性的各点的电力负荷计算图

计算时一般按图中的G、F、E、D、C、B、A的顺序逐级确定各点的计算负荷。

4．对单台设备供电的支线（图2-2中的G点）的计算

即用电设备的设备容量（P e）的确定。对不同工作制的用电设备，其设备容量应按下列方法确

式中 P e——换算到ε％＝100％时电焊设备的设备容量，kW；

ε——铭牌暂载率，以百分值代入公式；

P N——直流电焊机的铭牌额定功率，kW

S N——交流电焊机的铭牌额定视在功率，kVA；

cos?——电焊设备的铭牌额定功率因数。

（4）照明设备的设备容量

1）白炽灯、碘钨灯设备容量等于灯泡上标出的额定功率，kW。

2）带镇流器的荧光灯的设备容量为1.2倍的额定功率kW，电子型起动的荧光灯的设备容量为荧光灯灯管的额定功率。

3）高压水银灯、金属卤化物灯其设备容量为1.1倍的额定，功率，kW。

（5）不对称单相负荷的设备容量

1）多台单相设备应均匀地分配在三相上；

2）在计算范围内，若单相设备的总容量小于三相用电设备总容量的15％时，可按三相平衡分配负荷考虑；

3）如单相用电设备不对称容量大于三相用电设备总容量的15％时，则设备容量应按三倍最大相负荷计算。

（6）短时工作制设备的设备容量为零。

无功计算负荷

Q e ＝P e tg ?

式中 tg ?──铭牌给出的对应于cos ?的正切值；

P e ──有功计算负荷，kW 。

5．确定用电设备组（图2-2中的F 点）的有功计算负荷（P Fj ）、无功计算负荷（Q Fj ）和计算容量（S Fj ）

将各用电设备组计算负荷按有功功率和无功功率分别相加，计算公式如下：

P Ej ＝P Fj1＋P Fj2＋……＋P Fjn ＝∑=n

i Fji P 1

Q Ej ＝Q Fj1＋Q Fj2＋……＋Q Fjn ＝∑=n

i Fji Q 1

S Ej ＝22Ej Ej Q P + 7．低压母线（图2-2中的D 点）的计算负荷

在确定低压母线的计算负荷时，应该考虑各干线最大负荷不可能同时出现的影响，应引入一

个同时工作系数，故母线的计算负荷为

P Dj ＝k P ∑=m i Eji P 1

Q Dj ＝k Q ∑=n

i Fji Q 1

S Dj ＝22Dj Dj Q P + 同时工作系数一般在0.7～1.0之间，当母线出线干线数量较多时k P 和k Q 取较小值，反之取

较大值。表2-3给出了k P 的数值。

P 这几点的计算负荷只需要在D 点负荷的基础上考虑相应配电变压器或降压变压器、线路的功率损耗以及同时工作系数后确定。

C 和A 点的计算负荷：P Cj ＝P Dj ＋?P b ＋?P l

Q Cj ＝Q Dj ＋?Q b ＋?Q l

S Cj ＝22Cj Cj Q P +

P Aj ＝P Bj ＋?P b

Q Aj ＝Q Bj ＋?Q b

S Aj ＝22Aj Aj Q P +

B 点的计算负荷：

P Bj ＝k P ∑=m i Cj P 1

Q Bj ＝k Q ∑=m

i Cj Q 1

S Bj ＝22Bj Bj Q P + 式中 ?P l 、?Q l ──10kV 配电线路的有功和无功损耗；

?P b 、?Q b ──变压器的有功和无功损耗，一般按估算值确定：

?P b ＝0.012S j

?Q b ＝0.006S j

式中S j 分别代表上一计算点的计算容量，如计算C 点的?P b 、?Q b 应代入D 点的S Dj ；计算A 点的?P b 、?Q b 应代入B 点的S Bj 。

四、负荷密度估算法

负荷密度估算法是已知不同类型的负荷在单位面积上的需求量，乘以建筑面积或使用面积

得到的负荷量。如某餐厅面积为200m2，负荷密度为120VA/m2，则此餐厅的负荷量是24kVA。

2

容量和台数。表2-5是变压器装置指标。

五、单位指标法

单位指标法是已知不同类型的负荷在单位核算单位上的需求量，乘以单位核算单位得到的负荷量。

K·N

P j＝────

1000

式中 K──单位指标，W/床、或W/户；

N──核算单位的数量。

六、单相负荷的计算

单相负荷应尽可能均匀分配在三相上。当计算范围内单相用电设备容量之和小于总设备容量的15%时，可按三相平衡负荷计算。

1．单相负荷接在相电压

P j＝3Pφmax

式中 P j──三相等效计算负荷，kW；

Pφmax──三个相负荷中最大的相负荷，kW。

2．单相负荷接在线电压

P j＝3P lmax

式中 P j──三相等效计算负荷，kW；

P lmax──三个线负荷中最大的线负荷，kW。

七、冲击负荷的计算

1．短期负荷的计算

短期性负荷一般不应当计入正常负荷计算，因为计入正常负荷后会使变压器的负荷率降低，增加工程费用。

（1）季节性负荷

季节性负荷如冬季采暖和夏季空调，虽然不是同时使用，但一旦进入使用期，则连续运行的时间较长，这种负荷应取较大值计入正常的负荷计算。

（2）临时性负荷

对于临时性负荷，如大型实验设备、事故处理设备等，此类设备投入运行的时间相对较短（一般在0.5～2.0小时），故不应计入正常的负荷计算中。但应校验当这类设备投入运行时，变压器、开关及供电线路等不得超过其短时过负荷允许值（包括变压器的短时过载能力）。

2．冲击负荷

在配电系统中冲击负荷出现最多的是电动机的瞬时起动这一时刻。电动机起动的电流一般是其额定电流的4～7倍，一旦起动完成，电动机立即恢复到正常的额定电流。由于此负荷存在的时间较短，一般不计入正常的负荷计算中。但应校验此冲击负荷对变压器、线路、开关的保护设备是否能准确动作。

八、住宅建筑的负荷计算

1．普通住宅每户用电负荷的标准

根据《住宅设计规范》（GB50096-1999）中规定，住宅的电气负荷计算不是按照灯具、插座等电气设备的容量进行计算，而是按照住宅的每套的类型可类别进行计算的。表2-6是每套住宅的电力负荷和电度表的规格。

（1）每条配电干线采用单相220V供电的多层住宅，进行负荷计算所需的一些参数在表2-7中列出。

表2-8 采用三相380V供电的住宅

当以基本户型（二类户型）为计算负荷的依据时，需用系数的确定可参考表2-9中的数据。

（1）每户建筑面积在100～200m2时用电标准为10～15kW。

（2）配电干线负荷计算的需用系数可参考住宅需用系数确定。

第三节功率因数的提高

一、功率因数的定义

1．定义

在交流供电线路中，功率因数定义为有功功率与视在功率之比，即

P

cos?＝──

S

式中?──功率因数角，它是相电压与对应的相电流的相位差角。

2．平均功率因数

平均功率因数有月平均和年平均功率因数两种。月平均功率因数是指在一个月内功率因数的平均值，它是电力部门每月征收电费时，作为调整收费标准的依据。其值可由有功电能表（kW·h）及无功电能（kvar·h）表的月积累数字求得

cos ()θav P

P Q Q P W W W W W =+=+22211

式中 W P －－有功电能表月积累数（kW ·h ）

W Q －－无功电能表月积累数（kvar ·h ）

3．最大功率因数

最大功率因数是最大计算负荷P jmax 与最大计算容量S jmax 的比值确定的，即

P jmax

cos ?＝─——

S jmax

二、功率因数低造成的危害

一般交流供电线路中，大多数为电感性负载，致使功率因数偏低。当有功功率为一定值时，cos ?愈小（?角愈大），其视在功率就愈大，因而供电线路中的电流大，线路的损失（电压和有效功率损耗）随之增大，不经济。

1．降低了供电设备（电源）的供电能力

供电设备（电源）的供电能力（容量）是用视在功率S 来表示的。当供电设备的容量一定时，如果用户负载的功率因数过低，其无功功率就会过大，致使供电设备输出的有功功率减少，于是降低了供电设备的供电能力。

2．增加供电系统的有功损耗

供电线路有功损耗的大小，与通过供电线路电流的平方成正比，即

?P ＝3I 2R ×10－3（kW ）

式中 I ──供电线路中的电流，A ；

R ──供电线路中的线路电阻，Ω；

?P ──供电线路中的有功损耗，kW 。

当用电设备的有功功率一定时，功率因数愈低，其供电线路的电流愈大，线路的电力损耗随之增加。

3．供电线路的电压降增大

功率因数低，通过线路的电流就大，线路电压降亦随之增加，从而影响用电设备的正常运转。 民用及一般工业建筑的功率因数指标应达到下列规定：

（1）高压供电的用电单位，功率因数一般规定为0.9以上；

（2）其他电力用户，功率因数为0.85以上。

（3）对新建的工业企业用户，功率因数标准均规定按0.95设计。

（4）对农业用电单位，要求功率因数在0.8以上。

三、提高功率因数的方法

1．提高自然功率因数的方法

提高用电设备的功率因数，一般采用如下措施：

（1）合理选择电动机的容量，使其接近满载运转。

（2）对实际负载不超过额定容量40％的电动机，应更换为小容量的电动机。

（3）合理安排和调整工艺流程，改善用电设备的运转方式，限制感应电动机空载运转。

（4）正确选择变压器容量，提高变压器的负载率（一般为75％～80％比较合适）。对于负载率低于30％变压器，应予以更换。

（5）对于负荷率在0.6～0.9的绕线式电动机，必要时可以使其同步化，这时电动机可以向电力系统输送出无功功率。

2．人工补偿改善功率因数

当采用提高自然功率因数的方法，仍不能满足电力部门所要求的数值时，应采用人工补偿方法，利用专门的补偿设备来提高功率因数。通常采用的方法有：

（1）采用同步电动机补偿，使用同步电动机在过激磁（over excited）方式呈现容性时运转，其功率因数超前0.8～0.9时，向供电系统输出无功功率，用来补偿用感性电设备所需要的无功功率。因而，提高了用户的功率因数。

（2）利用同步调相机作为无功功率电源（发电机），用来补偿所需要的无功功率。同步调相机是轴上不带机械负载的同步电动机。调节同步调相机的激磁电流的大小，可以改变其输出无功功率的大小，从而提高功率因数。

以上两种补偿方式，因同步电动机构造复杂，价格较贵，控制维护较麻烦，只适用于大型工厂，一般企业不宜采用。

（3）采用静电电容器补偿

当将电容器C与感性负载（用电设备）并联后，如图2-3所示，电感性负载的功率因数cos?仍然不变，但I（＝I L＋I C）U的相位差?2cos?1。

（a）（b）

图2-3 采用静电电容器补偿的电路原理图

（a）电路图（b）相量图

改善的是包括电容器在内的整个线路的功率因数。

静电电容器其特点如下：

1）价格较便宜。

2）有功功率损耗小，一般每100kvar低于0.3～0.4kW。

3）没有旋转部分，易于安装，便于维护。

4）可随供电系统中无功功率容量的需要，可以较方便地增加或减少C的大小。

5）只能有级调节，而不能随着无功功率的变化，进行无级调节。

四、补偿方式

采用电力电容器作无功补偿装置时，可以采用就地补偿和集中补偿的补偿方式。

1．就地补偿

低压部分的无功负荷由低压电容器补偿，高压部分由高压电容器补偿。

容量较大、负荷集中且经常使用的用电设备的无功负荷宜单独就地补偿。

2．集中补偿

补偿基本无功负荷的电容器组，宜在变电所内集中补偿。

居住区的无功负荷宜在小区变电所低压侧集中补偿。

其无功补偿设备应做到随其负荷和电压变动及时投入或切除，防止无功负荷倒送。电容器组应采用循环自动投切运行方式。

五、补偿容量的计算

求静电电容器的补偿容量（Q c）

Q c＝P j（tg?1－tg?2）

＝P j q c

q c＝tg?1－tg?2

式中 P j ——有功计算负荷，kW ；

tg ?1——补偿前计算负荷的功率因数角的正切值；

tg ?2——补偿后功率因数角的正切值；

q c ——无功功率补偿率，其值可参阅表2-10。

Q j ’＝Q j －Q c

S j ’＝ 2,

2j j Q P +