论工厂的电力负荷计算及意义

一．概述

电力负荷计算的目的是：

（1）、计算变配电所内变压器的负荷电流及视在功率，作为选择变压器容量的依据。

（2）、计算流过各主要电气设备（断路器、隔离开关、母线、熔断器等）的负荷电流，作为选择这些设备的依据。

（3）、计算流过各条线路（电源进线、高低压配电线路等）的负荷电流，作为选择这些线路电缆或导线截面的依据。

（4）、计算尖峰负荷，用于保护电气的整定计算和校验电动机的启动条件。

（5）、为电气设计提供技术依据。

二．工厂电力负荷的分级及设备容量的确定1.电力负荷的概念

电力负荷又称为电力负载。它有两重含义：一是指耗用电能的用电设备或用电单位（用户），如说重要负荷、不重要负荷、动力负荷、照明负荷等。另一是指用电设备或用电单位所耗用的电功率或电流大小，如说轻负荷（轻载）、重负荷（重载）、空负荷（空载）、满负荷（满载）等。电力负荷的具体含义视具体情况而定。

2.负荷分级的相关规范：

电力负荷应根据对供电可靠性的要求及中断供电在政治、经济上所造

成损失或影响的程度进行分级，并应符合下列规定。

符合下列情况之一时，应为一级负荷：

（1）.中断供电将造成人身伤亡时。

（2）.中断供电将在政治、经济上造成重大损失时。例如：重大设备损坏、重大产品报废、用重要原料生产的产品大量报废，国民经济中重点企业的连续生产过程被打乱需要长时间才能恢复等。。

符合下列情况之一时，应为二级负荷：

（1）中断供电将在政治、经济上造成较大损失时。例如：主要设备损坏、大量产品报废、连续生产过程被打乱需较长时间才能恢复、重点企业大量减产等。

（2）中断供电将影响重要用电单位的正常工作。例如：交通枢纽、通信枢纽等用电单位中的重要电力负荷，以及中断供电将造成大型影剧院、大型商场等较多人员集中的重要的公共场所秩序混乱。（3）另外，不属于一级和二级负荷者应为三级负荷。

3. 设备容量的确定

（1）长期工作制和短时工作制的用电设备

长期工作制和短时工作制的设备容量就是该设备的铭牌额定功率。（2）反复短时工作制的用电设备

反复短时工作制的设备容量是指某负荷持续率的额定功率换算到统一的负荷持续率下的功率。常用设备的换算要求如下：

电焊机和电焊机组要求统一换算到ε=100%时的功率，即：

式中，PN 为电焊机额定有功功率，SN 为额定视在功率，εN为额定负荷持续率，ε100%为其值为100%的负荷持续率，cosφN为额定功率因数。

（3）起重机（吊车电动机）要求统一换算到ε=25%时的额定功率，即：

式中，PN 为额定有功功率，εN 为额定负荷持续率，ε25%为其值为25%的负荷持续率。

（4）电炉变压器组

设备容量是指在额定视在功率下的有功功率，即：Pe=SNcosφN 式中，SN是电炉变压器的额定容量，cosφN 是电炉变压器的额定功率因数。

（5）照明设备

①不用镇流器的照明设备（如白炽灯、碘钨灯）的设备容量就是其额定功率。

②用镇流器的照明设备（如荧光灯、高压水银灯）的设备容量要包括镇流器中的功率损失：荧光灯：Pe=1.2PN；高压水银灯、金属卤化物灯：Pe=1.1PN。

③照明设备的设备容量还可按建筑物的单位面积容量法估算：Pe=ωS/1000，式中ω是建筑物单位面积的照明容量，S为建筑物的面积。

三．三相用电设备组计算负荷的确定

1.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。根据计算负荷选择的电气设备和导线电缆，如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为（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（即半小时）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最大负荷P30（亦年最大负荷P max）是基本相当的。

2.负荷计算中存在的问题

总结多个设计单位的负荷计算书，列出如下几个问题。

（1）数据库不完善

一个完备的、滚动更新的数据库（系数、功率因数等）对负荷计算是至关重要的。数据陈旧是目前负荷计算的突出问题。几十年来，生产工艺、用电设备等的都在朝着节能高效的方向发展，但设计手册的系数值，自第一版起就没变化过，设计人员也套用了几十年，通常设计的变压器投运后负荷率偏低。当然负荷率偏低也可能有其他因素（如实际投运设备比设计少、产能未达预期、设计人员偏保守等），不能全归咎于计算系数。但数据“年久失修”早已成为共识,需要系数、利用系数法的计算系数大多源于苏联及我国早先的文献，可追溯至1930 年。文献是我国翻译苏联1961 年的设计导则，其中提到“技术

的革新会使需要系数、利用系数发生变化。因此各部门主导设计院和研究所应该系统地在该工业部门有代表性的企业中进行电气负荷调查。”建议设计单位应起到牵头作用，联合使用部门、设备制造厂，坚持不懈的做好经验总结和数据库建设的工作。各行业设计单位之间应相互交流、共享数据库。

（2）设计输入文件深度不够

设备资料是负荷计算的重要依据。负荷计算需要详细的设备信息，如起重机的每个电动机功率、暂载率、效率等。当前工程初步设计、施工图设计阶段，设备通常还没有订货，其他专业人员能提供给电气设计人员的一般仅为设备总的供电功率，如一台热处理设备200kW，有时也能提出其中最大一台电机功率或各类设备所占比例，但难再提出更详尽的资料，这便增加了负荷计算的误差。

（3）忽视了利用系数法的“非线性陷阱”

利用系数法有效台数的分母中含有非线性算式，如果忽略会导致计算错误.

3.电气负荷计算方法有：需要系数法、利用系数法、二项式系数法等。（1）需要系数法：用设备功率乘以需要系数和同时系数，直接求出计算负荷。

（2）二项式系数法：将负荷分为基本负荷和附加负荷，后者考虑一定数量大容量设备影响。

（3）利用系数法：采用利用系数求出最大负荷班的平均负荷，再考虑设备台数和功率差异的影响，乘以与有效台数有关的最大系数求得

计算负荷。

4.按需要系数法确定计算负荷

基本公式

用电设备组的计算负荷，是指用电设备组从供电系统中取用的半小时最大负荷P 30。用电设备组的设备容量P e ，是指用电设备组所有设备（不含备用设备）的额定容量P N 之和，即P e =∑P N 。而设备的额定容量，是设备在额定条件下的最大输出功率。但是用电设备组的设备实际上不一定都同时运行，运行的设备也不太可能都满负荷运行，同时设备本身有功率损耗，配电线路也有功率损耗，因此用电设备组的有功计算负荷应为 e WL e L

P K K P ηη∑=30

式中，K ∑设备组的同时系数，即设备组在最大负荷时运行的设备容量与全部设备容量之比，K L 为设备组的负荷系数，即设备组在最大负荷时的输出功率与运行的设备容量之比；ηe 为设备组的平均效率，即设备组在最大负荷时的输出功率与取用功率之比；ηWL 为配电线路的平均效率，即配电线路在最大负荷时的末端功率（亦即设备组的取用功率）与首端功率（亦即计算负荷）之比。

令上式中的K ∑K L /（ηe 、ηWL ）=K d ，这里的K d 称为需要系数

e

d P P K 30= 即用电设备组的需要系数，是用电设备组在最大负荷时需要的有功功率与其设备容量的比值。由此可得按需要系数法确定三相用电设备组有功计算负荷的基本公式为

e d P K P =30

在求出有功计算负荷P 30后，可按下列各式分别求出其余的计算负荷，无功计算负荷为

?tan 3030P Q = 式中，tan ?为对应于用电设备组cos ?的正切值。

视在计算负荷为

?

cos 3030P S = 式中，cos ?为用电设备组的平均功率因数。

计算电流为 30I =)3(30N U S 式中，U N 为用电设备组的额定电压。

5.二项式系数法

这是前苏联一位电气工程师1973年首先提出来的，其确定用电设备组有功计算负荷的公式为二项式。它考虑了设备组中容量最大的几台对整个设备组计算负荷的影响，弥补了需要系数法的不足。此法计算也十分简便，至今仍为我国不少设计单位和设计人员所采用。

有功计算负荷：

x N cP bP P +=∑30

∑N bP ：表示用电设备组的平均负荷

x cP ：表示用电设备组中的x 台容量组大的设备投入运行时增

加的附加负荷，其中x P 为x 台容量最大的设备之和

b 、

c ：二项式系数，其数值随用电设备组的类别和台数而定 无功计算负荷：

θtan .3030P Q = 视在计算负荷：

θ

cos 3023023030P Q P S =+= 计算电流：

N U S I 33030=

6.利用系数法

这是前苏联在20世纪中叶提出来的，它先根据利用系数求出各用电设备组在最大负荷时的平均负荷，然后求总的平均利用系数和用电设备的有效台数，并由此查出对应的最大系数，最后由各平均负荷之和乘以最大系数，从而求得总的有功计算负荷。利用系数法对于用电设备组无论台数多少和容量差别大小，计算结果都比较准确。但此法计算繁复，因此应用不普遍。

7.计算方法的选择

对工厂初步设计和施工图的负荷计算，我认为：

（1）对变压器的负荷计算优先考虑需要系数法，对于不含大量机床、起重机的工程可采用利用系数法的改进算法进行验证。

（2）对配电干线负荷计算，当设备较多时，优先考虑需要系数法，可汲取二项式、利用系数法的思想，适当提高大型设备的需要系数；当设备较少时，可用利用系数、二项式等方法。

8. 单组用电设备组的计算负荷

用二项式法进行负荷计算时，既考虑用电设备组的平均负荷，又

考虑几台最大用电设备引起的附加负荷，计算公式为：

式中，b 、c 为二项式系数； 是该组用电设备组的设备总容量， Px 为x 台最大设备的总容量，当用电设备组的设备总台数n<2x 时， 则最大容量设备台数取x=n/2，且按“四舍五入”法取整，当只有一台设备时，可认为Pc=Pe 。

9.多组用电设备计算负荷的确定

确定拥有多组用电设备的干线上和车间变电所低压母线上的计算负荷时，应考虑各组用电设备的最大负荷不同时出现的因素。因此在确定多组用电设备的计算负荷时，应结合具体情况对其有功负荷和无功负荷分别计入一个同时系数（又称为参差系数或综合系数）K ∑p 和K ∑q ：

对车间干线取 =∑p K 0.85～0.95

=∑q K 0.90～0.97

对低压母线

（1）由用电设备组计算负荷直接相加来计算时取

=∑p K 0.80～0.90

=∑q K 0.85～0.95

（2）由车间干线计算负荷直接相加来计算时取

=∑p K 0.90～0.95

=∑q K 0.93～0.97

总的有功计算负荷为

i p P K P ,3030∑=∑

总的无功计算负荷为

i q Q K Q ,3030∑=∑

以上两式中的∑P 30,i 和∑Q 30,i 分别为各组设备的有功和无功计算负荷之和。总的视在计算负荷为23023030Q P S += 总的计算电流为()N

U S I 33030= 四.工厂的计算负荷和年电能消耗量

工厂计算负荷的确定

1.按逐级计算法确定工厂计算负荷如图1所示，工厂的计算负荷

（这里举有功负荷为例）P 30。1，

应该是高压母线上所有高压配

电线计算负荷之和，在乘上一

个同时系数。高压配电线的计

算负荷P 30。2，应该是该线所供

车间变电所低压侧的计算负荷

P 30。3，加上变压器的功率损耗

?P T 和高压配电线的功率损耗

?P WL1……如此逐级计算。但对

一般工厂供电系统来说，由于

线路一般不是很长，因此在计

算负荷时往往省略不计。工厂

及变电所低压侧总的计算负荷P 30、Q 30、S 30和I 30的计算公式，分别

如前面公式所示，其

=∑p K 0.8～0.95，

=∑q K 0.85～0.97。

2.按需要系数法确定工厂计算负荷

将全厂用电设备的总容量P e （不含备用设备容量）乘上一个需要系数K d ，即得到全厂的有功计算负荷，即

e d P K P =30

全厂的无功计算负荷、视在计算负荷和计算电流按前面公式计算。

3.按年产量估算工厂计算负荷

将工厂年产量A 乘上单位产品耗电量a ，就得到工厂全年的需电量 Aa W a = 各类工厂的单位产品耗电量a 可由有关设计单位根据实测统计资料确定，亦可查有关设计手册。在求出年需电量W a 后，除以工厂的年最大负荷利用小时T max ，就可求出工厂的有功计算负荷

max 30W P a =

其他计算负荷Q 30、S 30、I 30的计算，与上述需要系数法相同。

4.工厂的功率因数、无功补偿及补偿后的工厂计算负荷

（1）瞬时功率因数 瞬时功率因数可由功率因数表（相位表）直接测量，亦可以由功率表、电流表和电压表的读数按下式求出（间接测量） ()IU P 3cos =? 式中，P 为功率表测出的三相功率读数（kW ）；I 为电流表测出的线电

流读数（A ）；U 为电压表测出的线电压读数（kV ）.

瞬时功率因数只用来了解和分析工厂或设备在生产过程中无功功率的变化情况，以便采取适当的补偿措施。

（2）平均功率因数 平均功率因数亦称加权平均功率因数，按下式计算

222

11cos ???? ??+=+=p q q p p

W W W W W ?

式中，W p 为某一时间内消耗的有功电能，由有功电度表读出；W Q 为某一时间内消耗的无功电能，由无功电度表读出。

（3）最大负荷时的功率因数 最大负荷时的功率因数指在年最大负荷（即计算负荷）时的功率因数，按下式计算 3030cos S P =?

（4）无功功率补偿

工厂中由于有大量的感应电动机、电焊机、电弧炉及气体放电灯等感应负荷，从而使功率因数降低。如在充分发挥设备潜力、改善设备运行性能、提高其自然功率因数的情况下，尚达不到规定的工厂功率因数要求时，则需考虑人工补偿。要使功率因数由?cos 提高到?'cos ，必须装设的无功功率补偿装置容量为

()??'-='-=tan tan 3030

30P Q Q Q C 或 30P q Q C C ?=

式中，??'-=?tan tan C q ，称为无功补偿率，或比补偿容量。这无功补偿率，是表示要使1kW 的有功功率由?cos 提高到?'cos 所需要的

无功补偿容量kvar 值。

在确定了总的补偿容量后，即可根据所选并联电容器的单个容量q C 来确定电容器的个数，即 C C q Q n =

由上式计算所得的电容器个数n,对于单相电容器来说，因取3的倍数，以便三相均衡分配。

（5）无功补偿后的工厂计算负荷

工厂装设了无功补偿装置后，则在确定补偿装置装设地点以前的的总计算负荷时，应扣除无功补偿的容量，即总的无功计算负荷

C Q Q Q -='3030

补偿后总的视在计算负荷

23023030)(C Q Q P S -+='

由上式可以看出，在变电所低压侧装设了无功补偿装置以后，由于低压侧总的视在计算负荷减小，从而可使变电所主变压器的容量选得小一些，不仅降低了变电所的初投资，而且可减少工厂的电费开支。

（6）工厂年电能消耗量的计算

工厂年电能消耗量的较精确的计算，可用工厂的有功和无功计算负荷P 30和Q 30，即年有功电能消耗量

W p·a =αP 30T max

年无功电能消耗量

W q·a =βQ 30T max

式中，α为年平均有功负荷系数，一般取0.7～0.75；β为年平均无

功负荷系数，一般取0.76～0.82；T a 为年实际工作小时数。

五．尖峰电流及其计算

1.尖峰电流是指持续时间1~2s 的短时最大负荷电流。

2.尖峰电流主要用来选择熔断器和低压断路器、整定继电保护装置及检验电动机自启动条件等。

3.尖峰电流计算方法：

（1）单台设备尖峰电流的计算

单台设备的尖峰电流就是其启动电流，因此尖峰电流为

式中 IN 为设备额定电流， Ist 为设备启动电流，Kst 为设备的启动电流倍数，鼠笼型电动机为 5-7，绕线型电动机为2-3，直流电动机约为1.7，电焊变压器为3或稍大。

（2）多台设备尖峰电流的计算

式中Istmax 和 (Ist-IN )max 分别为用电设备中启动电流与额定电流之差为最大的那台设备的启动电流及其启动电流与额定电流之差， 为除启动电流与额定电流之差为最大的那台设备之外的其他n-1台设备的额定电流之和，K Σ为上述n-1台的同时系数，按台数多少选取，一般为0.7-1，I30 为全部设备投入运行时线路的计算电流，此∑==?1

1n i i

N I

处取9.0=∑K ,30max .st 22I I I N ==，30I 为计算电流。

380*3380*32302303030Q P S I +==

六. 电力负荷计算的意义

计算负荷是确定供电线路导线截面、变压器容量、开关电器以及 互感器等的额定参数的重要依据。若要使供配电系统在正常条件下 可靠地运行，必须正确选择电力变压器、开关设备及导线、电缆等，这就需要对电力负荷进行计算。

七.总结

负荷不是恒定值，是随时间而变化的变动值。因为用电设备并不 同时运行，即使用时，也并不是都能达到额定容量。在设计时，如果简单地把各用电设备的容量加起来作为选择导线、电缆截面和电气设备容量的依据，那么，过大会使设备欠载，造成投资和有色金属的浪费；过小则又会出现过载运行。其结果不是不经济，就是出现过热绝缘损坏、线损增加，影响导线、电缆或电气设备的安全运行，严重时，会造成火灾事故。因此负荷计算也只能力求接近实际。即根据已知的工厂的用电设备安装容量确定的、预期不变的最大假想负荷，其热效应与同时间内实际变动负荷产生的热效应相等。

参考文献：

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