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电力负荷的理解和计算

石元明

河南石油勘探局勘察设计研究院  河南南阳   473132

摘要：文章简要介绍了电力负荷的概念、计算负荷的意义和负荷的理解。指出了现有计算负荷利用系数法的缺陷并以例子给予说明。给予利用系数法的理解，从而提出了利用系数法的改进计算方法。最后以一个住宅为例详细介绍了改进的利用系数法的使用方法。

关键词：电力负荷  利用系数法  利用负荷  波动负荷

一、电力负荷的概念

对于一个单位的供配电，选用变配电有关的设备和导体、电线电缆等，应考虑的一个最重要因素就是电力负荷。

在电力系统中，用电设备所需的电功率称为电力负荷，简称负荷，也叫电力。我们知道单位使用的各种用电设备，在产品铭牌上都标有额定功率(额定容量)、额定电压等。那么我们在设计选择供配电设备和材料时，能否把所有用电设备的额定容量简单相加，就当作电力系统的电力负荷呢?显然不能，因为任何单位的用电负荷，都不能像设计那样始终满负荷运行。就是说用电设备的实际负荷不是每一时刻都等于设备的额定值，而是在不超过额定容量的范围内时大时小的变化，有时达到尖峰值，有时降为最小值。所以我们直接用用电设备的额定容量来确定和选择供配电系统的供配电设备和材料，必将造成设备材料浪费，投资增加。所以在实际生产时，确定电力负荷从而进行供配电系统的设计是十分重要的。

二、计算负荷的意义

    1、计算负荷：是按发热条件来选择导体和电气设备时所使用的一种假想负荷，它含有需要计算的负荷功率或负荷电流，其计算负荷持续运行所产生的热效应和实际变动负荷长期运行产生的热效应是相等的。

    使用计算负荷，正如前面所述，一个单位所有用电气设备，不可能全部同时运行，每台设备也不可能全部满负荷，即达到额定功率。所以设计时，必须有一个假想负荷，从而按发热条件来选择电气设备和导体。

    确定计算负荷时，通常不考虑短时间出现的尖峰电流，计算负荷以中小（16-35mm²）截面导线为基准，其发热时间常数为10分钟，负荷的热效应达到稳态的持续时间按指数曲线约为3倍，即半小时，因而选取持续半小时以上的平均最大负荷为该用户的计算负荷。

    2、尖峰电流：是指一台或多台用电设备持续1秒左右的最大负荷电流。一般取起动电流的周期分量作为计算电压损失、电压波动和电压下降以及选择电器和保护元件等的依据。在校验瞬动元件时，还应考虑起动电流的非周期分量。尖峰电流在本文中不予讨论。

    3、平均负荷：某段时间内用电设备所消耗的电能与该段时间之比。常选用最大负荷班（即具有代表性的一昼夜内电能消耗最多的一个班）的平均负荷，有时也计算年、季、月、天的平均负荷。平均负荷用来计算最大负荷和电能消耗量。

    4、负荷的理解：在一定的时间段内，可以将负荷理解为两部分，一部分为平均负荷，另一部分为在时间上随时随机变化的波动负荷，这里的时间段可以是最大负荷班，也可以是年、季、月、天等。

三、负荷计算的方法

常用的有需要系数法、利用系数法、二项式法、单位面积功率法、单位指标法、单位产品耗电量法。

    1、需要系数法：用用电设备功率乘以需要系数和同时系数，直接求出计算负荷。此法比较简便，应用广泛。此法计算在设备台数少而功率相差悬殊时，计算结果往往偏小，在设备台数很多时，计算结果往往偏大。适用于配、变电所的负荷计算，不适用于低压配电线路的计算。

    2、二项式法：计算负荷包括用电设备组的平均功率，同时考虑数台大功率设备工作对负荷影响的附加功率。这种方法也比较简便，但计算结果往往偏大，一般适用于低压配电支干线和配电箱的负荷计算。

    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得出计算负荷。此法的理论根据是概率论和数理统计，因此计算结果比较接近实际。此法适用于各种范围的负荷计算，但计算过程比较繁琐，采用计算器就容易一些。

    4、单位面积功率法、单位指标法和单位产品耗电量法：前两者多用于民用建筑，后者适用于某些工业企业。

四、利用系数法的理解、改进计算方法

    各种负荷计算方法都有其各自的优缺点，也有各自的适用场所和范围，除利用系数法外，其余各种负荷计算方法都是总结经验数据和经验方法而来，没有多少理论基础，也只能适用比较特定的场所和范围，计算结果误差也较大。只有利用系数法理论根据是建立在概率论和数理统计理论基础之上的，因此计算结果比较接近实际，适用于各种范围的负荷计算。下面只对利用系数法进行讨论。

1、现有利用系数法的缺陷：

    按照现有一些书籍和设计手册，如《工业与民用配电设计手册》（电力出版社出版）的介绍，采用利用系数法确定计算负荷时，不论计算范围大小，都必须求出该计算范围内用电设备有效台数及查出最大系数，而后算出结果。其方法与步骤为：(1)计算用电设备组在最大负荷班内的平均负荷，为用电设备组的设备功率乘以该用电设备组在最大负荷班内的利用系数，即=·。(2)计算平均利用系数，为各用电设备的平均负荷之和除以各用电设备的设备功率之和,即=()÷()。(3)计算用电设备的有效台数，即将不同设备功率和工作制的用电设备台数换算为相同设备功率和工作制的等效值，为各用电设备的设备功率之和的平方除以各用电设备的设备功率平方之和,即=()²÷()。(4)选取最大系数，为根据用电设备的有效台数和平均利用系数，从给出的数据表中查得。(5)计算负荷：为各用电设备组的平均负荷之和乘以最大系数,即=·()。

    现有方法由于使用了最大系数，而此数据表中的数据又没有经过严密的推算和论证，使得计

算结果有时会不符合逻辑。现举例说明如下：一个工厂车间已有18台用电设备，其各用电设备的设备功率之和为=150kW，平均利用系数=0.4，=60kW，有效台数n_YX=()²÷(∑P_S²)=150²÷2250=10，查《工业与民用配电设计手册》中最大系数表得=1.43，可以计算得到计算负荷=·()=1.43×60=85.8kW。现在该车间新增加一台用电设备，其=1.5kW，平均利用系数 =0.4，=0.6kW；计算得有效台数=()²÷()=（150＋1.5）²÷（2250＋1.5²）=10.191，平均利用系数仍然为=0.4，查《工业与民用配电设计手册》中最大系数表，并按插值法得=1.423315，可以得到计算负荷=·()=1.423315×60.6=86.25kW。新的计算负荷只比原来增加0.45kW，而小于=0.6kW，是不符合逻辑的，因为即使认为新增加的负荷只以平稳的负荷运行，新的计算负荷也应为86.4kW。

    2、利用系数法的理解：

    为区别于前文所定义的平均负荷概念，在这里将利用系数法中所确定的最大负荷班内的平均负荷称为“利用负荷”。为便于理解，这里再定义一个概念——波动负荷，所谓波动负荷，就是实际负荷与平均负荷之差。以下所称波动负荷是指最具代表性最大负荷班时间段的典型波动负荷。波动负荷实际就是数理统计中的样本标准差再乘以一个适当的系数，亦即概率论中的标准差再乘以一个适当的系数。

    计算负荷可以理解为是在“最大负荷班”内的利用负荷再加上一个附加的波动负荷，即=＋。而且此理解对任何单位（系统、单元、组合、装置、作业线、单台设备）都有效，只是对单台设备而言，计算负荷就等于其额定输入功率负荷，如电灯泡、加热器等的计算负荷就是其额定功率，电动机类的计算负荷就是其额定功率除以其额定效率。

    理解计算负荷的关键有三点：一是时间段的选取是要选取最具代表性的“最大负荷班”；二是该时间段内的“平均负荷（利用负荷）”，对于已存在的供用电单位，可以用测量的方法获得，即以该时间段内的总供用电量除以时间小时数，对于拟建（要设计）的用电单位，需要根据工艺流程参数和工艺条件布置的各个用电设备的统计分析计算来获得；三是典型的“波动负荷”，需要根据各个用电设备的统计分析计算来获得。

3、利用系数法的改进计算方法：

根据概率论和数理统计理论，计算负荷等于利用负荷加上波动负荷，即=＋；总利用负

荷等于各单位利用负荷之和，即=；总波动负荷的平方等于各单位波动负荷平方之和，即=；单台设备的利用负荷等于设备的额定负荷乘以其利用系数，即=；单台设备的波动负荷等于设备的额定（输入）负荷减去其利用负荷，即=-=（1-）·。所以，

·

＋      （1）  或近似为

·(∑)＋(1-)·     （1）其中=(∑·)÷(∑)为平均利用系数

上式中为总计算负荷，、分别为各单台设备的利用系数和额定（输入）功率；也可将、换为、，分别为各单位（系统、单元、组合、装置、作业线）的利用系数和计算负荷功率。

    对于有组完全相同类型的负荷，如户同型号的住宅，其一户的利用负荷、利用系数和计算负

荷分别为、、，则户的计算负荷简化为:

=[

·

(1-)]·=·

＋·(－)      (2)

五、例子—住宅负荷计算   

住宅用电有其自身的一些特点,它既不同于工厂用电,也不同于一般公共民用建筑用电。住宅同一类用电负荷在时间上比较集中，如电炊具用电就集中在一日三餐之前的一小时左右；平均用电负荷低，仅为最高用电负荷的10%－20%,负荷变动范围大，最小负荷不到最高负荷的5%。

    城镇居民用电负荷的大小是受多种因素影响的。地理位置有影响，如南方和北方的居民用电负荷就有差异；季节对用电负荷的影响更是特别明显，如夏冬季节就要比春秋季节用电负荷大；家庭人口数量有影响，人数越多，用电负荷越大；人们生活水平的高低更是对用电负荷的大小起着决定性的影响，随着人们生活水平的提高，居民住宅用电负荷也是逐年增加的。在我国城镇，五、六十年代，居民用电基本上仅有照明，每户用电负荷约100W左右，七十年代，电风扇普及、电视机、收录机、洗衣机开始进入家庭，每户用电负荷约200W左右，翻了一番；到了八十年代，电视机、洗衣机、电冰箱进入家庭并普及，每户用电负荷约400W，又翻了一番；现在空调已经进入家庭并开始普及，每户用电又要升到1000W以上。以后电炊具、电热水器也会大量进入家庭，到时，住宅用电负荷还会大幅度增加。以前我们对住宅用电研究得不够，致使修建的住宅经过五、六年就满足不了用电的需要。如上世纪八十年代中、后期和九十年代初修建的住宅，现在就急需要进行供配电系统改造。

我国改革开放以来，经济有了很大的发展，人们生活水平也得到了很大提高，各种各样的家用电器纷纷进入家庭。现在各种各样、种类繁多的新型家用电器已有数十种至近百种之多。所有的家用电器，都是要用电的。怎样确定用电的大小？我们知道，不同用途的家用电器，其运行、使用时间是不一样的，有一直使用的如电冰箱、电视机、照明灯等，而电冰箱又是间隙运行的；有经常使用的如抽油烟机，每天都要使用；还有不常使用的如吸尘器、电熨斗、洗衣机等，要几天才使用一次。同时，即使是同一用途的家用电器，由于型号、规格不同，用电大小也不一样。每个家庭中家用电器设备的功率之和可能达到数千瓦至十多千瓦，显然不能将设备功率总和作为住宅用电计算负荷。我们该怎样确定住宅用电的负荷呢？

按照前面所述的对计算负荷的理解和改进的计算方法，首先要正确确定“最大负荷班”，对于黄河以南地区来看，居民住宅用电高峰时间是夏季的19:00至22:00约三个小时，今后电炊具普及后，用电的最高峰将是夏季19:00前后的一个小时左右，因此我们将这段时间作为“最大负荷班”。其次要正确确定利用负荷，如前所述，居民用电负荷大小是受多种因素影响的，我们所讲的利用负荷，应该是多户居民（从数十户至数千户）用电负荷的综合平均数。为了确定负荷，我们首先要对家用电器进行一下分类，因为同一类家用电器，同一时间内同一家庭只可能使用其中的少数一、两种或几种，如休闲娱乐类的家用电器，可以有电视机、收录机、录放像机、卡拉ＯＫ机、电子琴、家用电脑等，但一个家庭同时使用的，可能只有电视机和电脑两种。其次需要确定每一类设备的典型功率及一户最大可能同时使用这一类设备的台数。第三还需要确定每一类设备的利用功率，这可以根据在最大负荷班内设备的使用或运行率来确定。第四还要考虑家用电器的普及程度（即普及率）。同一种家电，从开始进入家庭到普及，只需要很短的几年时间，因此我们可以将普及率确定为接近100%（以下计算，我们就考虑为100%）。现将家用电器分类及功率列举如下：

1、照明类：白炽灯(15-60W)、日光灯(8-40W)、台灯(15-60W)和彩灯等等；

2、休闲娱乐类：电视机(60-150W)、录放像机（30-60W）；收录音机(20-200W)、家用电脑(100-250W)、卡拉OK机和电子琴等等；

3、清洁器具类：洗衣机(150-400W)、吸尘器(100-300W)、电熨斗(300-1200W)和电热器(800-2000W)等等；

4、冷冻器具类：电冰箱（100-200W）、冷藏柜(80-200W)等等；

5、空调器具类：电风扇(40-80W)、空调机(600-2500W)、冷暖风机、空气去湿机、电热器(1000-4000W)、浴霸等等；

6、厨具类：抽油烟机(30-150W)、排风扇(30-60W)、电饭煲(500-1000W)、电烤箱(700-1500W)、电炒锅(800-2000W)、微波电炉(800-1500W)、电灶(2000-4000W)、食品加工机(300-600W)、电水壶等等。

7、其他类：电吹风(300-500W)、按摩器、电热毯等等。

附表所示确定的是三室两厅住宅（建筑面积100m²左右），每户家用电器计算用典型功率、台数、使用(运行)率、功率因数、用电量等(这里利用负荷是按五口之家计)。这里按三种水平考虑，第一种是已达到水平，电视机、洗衣机、电冰箱已普及，但不计空调和电炊具；第二种是普及了空调的水平，但不计电炊具；第三种是普及了空调和电炊具的水平。当然，今后还将普及家用电脑、电话、电传等，但这些设备对用电负荷影响不大，不需要单独讨论。这里所确定的利用功率是按如下原则考虑的；照明为平均每户三盏灯，一户最多同时开六盏灯；休闲娱乐为每户开一台电视机，并有50%的家庭再开一台录放像机或电脑等；电冰箱压缩机起动运行时间为40%；空调为平均每户为1.6台，但也考虑到有些家庭有四台的可能；电风扇为平均每户为二台，但也考虑到有些家庭有四台的可能；厨具和清洁类的平均功率定得较低，这是考虑到其总的运行时间较少的缘故。用电量是按现有水平确定的，随着生活水平的提高，用电量也还会增加。

现在根据附表，就可心采用利用系数法计算一户或多户配电负荷了。三种水平一户的计算有功负荷、无功负荷、视在负荷、电流分别为：已有水平为：967W、656VAR、1169VA、5.31A，普及空调后的水平为：3292W、1783VAR、3743VA、17.02A，普及空调和电炊具后的水平为：4807W、1783VAR、5127VA、23.31A。

   实际上对于一户的计算负荷，应按满足多人口家庭考虑再增加，宜分别取2.0kW、4.0kW、6.0kW。对于多户的利用负荷，应考虑家电普及率和家庭平均人口数（一般为3.5人/户）的影响适当减少，宜分别取0.5kW、1.8kW、2.4kW。对于不同户型，可以按每增减一个房间（室或厅），只计增减空调的计算负荷和利用负荷，宜分别取0.8kW和0.4kW。如一个住宅组团有480户，按有空调和电炊具的水平考虑供配电，其计算负荷为=·＋·(－)=480×2.4＋×(6-2.4)=1058kW，需要建2×630kVA变压器。

    由上述分析和计算结果，根据我国经济发展水平及人民生活水平提高的速度，我们对住宅小区的设计中，至少应按第二种水平，即有空调的水平考虑供配电，宜按第三种水平，即有空调和电炊具的水平考虑供配电。我们现有的住宅小区，一般都有2000户左右，根据计算可知，配电负荷达3000-5000kW,需要4-8台变压器。当然，因为初期用电负荷还不是很大，各变电站的主变压器可以安装得小一些，但其配电设备和配电线路应按最终负荷设计。

附表:一户用电利用负荷计算表

注：5是按电风扇计；6是按空调计；7是按排气扇计；8是按电炊具计；

10是按已有水平计；11是按普及空调后的水平计；12是按普及空调和电炊具后的水平计。   

六、小结

    1、概念：在电力系统中，用电设备所需的电功率称为电力负荷，简称负荷，也叫电力。计算负荷：是按发热条件来选择导体和电气设备时所使用的一种假想负荷，它含有需要计算的负荷功率或负荷电流，其计算负荷持续运行所产生的热效应和实际变动负荷长期运行产生的热效应是相等的。平均负荷：某段时间内用电设备所消耗的电能与该段时间之比。平均负荷用来计算最大负荷和电能消耗量。负荷的理解：在一定的时间段内，可以将负荷理解为两部分，一部分为平均负荷，另一部分为在时间上随时随机变化的波动负荷

2、利用系数法的理解：为区别于前文所定义的平均负荷概念，在这里将利用系数法中所确定的最大负荷班内的平均负荷称为“利用负荷”。波动负荷，就是实际负荷与平均负荷之差。以下所称波动负荷是指最具代表性最大负荷班时间段的典型波动负荷。计算负荷可以理解为是在“最大负荷班”内的利用负荷再加上一个附加的波动负荷，即=＋。

理解计算负荷的要点有三：一是时间段的选取是要选取最具代表性的“最大负荷班”；二是该时间段内的“平均负荷（利用负荷）”；三是典型的“波动负荷”，需要根据各个用电设备的统计分析计算来获得。

    3、利用系数法的改进计算方法：计算负荷等于利用负荷加上波动负荷，即=＋；总利用负荷等于各单位利用负荷之和，即=；总波动负荷的平方等于各单位波动负荷平方之和，即=；单台设备的利用负荷等于设备的额定负荷乘以其利用系数，即=；单台设备的波动负荷等于设备的额定（输入）负荷减去其利用负荷，即=-=（1-）·。所以,

=∑·＋                （1）

上式中为总计算负荷，、分别为各单台设备的利用系数和额定（输入）功率；也可将、换为、，分别为各单位（系统、单元、组合、装置、作业线）的利用系数和计算负荷功率。

    对于有组完全相同类型的负荷，如户同型号的住宅，其一户的利用负荷、利用系数和计算负荷分别为、、，则户的计算负荷简化为:

=[·＋(1-)]·=·＋·(－)      (2)