2.2 用电设备计算负荷的确定
2.2.1 三相用电设备组计算负荷的确定
我国目前普遍采用的确定用电设备计算负荷的方法有需要系数法和二项式法。需要系数法是国际上普遍采用的确定计算负荷的方法，最为简便。二项式法的应用局限性较大，但在确定设备台数少而容量差别很大的分支干线的计算负荷时，较之需要系数法更合理，且计算也更简便。本书只介绍这两种方法。
1.需要系数法
（1）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P30。用电设备组的设备容量Pe，是指用电设备组所有用电设备（不含备用设备）的额定容量之和，即Pe=∑PN（见图2-7）。而设备的额定容量PN，是设备在额定条件下的最大输出功率（出力）。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，同时设备本身和配电线路还有功率损耗，因此用电设备组的有功计算负荷应为
式中，K∑为设备组的同时系数，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；KL为设备组的负荷系数，即设备组在最大负荷时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（即设备组取用功率）与首端功率（即计算负荷）之比。
图2-7 用电设备组的计算负荷说明
令式（2-8）中的
，这里的Kd称为需要系数（Demand Coefficient）。可知需要系数的定义式为
即用电设备组的需要系数，为用电设备组的半小时最大负荷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
实际上，需要系数Kd不仅与用电设备组的工作性质、设备台数、设备效率和线路损耗等因素有关，而且与操作人员的技能和生产组织等多种因素有关，因此应尽可能地通过实测分析确定，使之尽量接近实际。
表2-1~表2-4列出了各种用电设备组的需要系数值，供读者参考。
表2-1 各用电设备组的需要系数Kd及功率因数cosφ
（续）
注：本表参考《工矿企业电气设计手册》（上册）编制。
表2-2 3～10kV高压用电设备需要系数及功率因数
注：本表参考《电气负荷计算系数》编制。
表2-3 各种车间的低压负荷需要系数及功率因数
（续）
注：本表参考《工矿企业电气设计手册》及《电气负荷计算系数》编制。
表2-4 某些工厂的全厂需要系数及功率因数
需要系数值与用电设备的类别和工作状态关系极大，因此在计算时，首先要正确判明用电设备的类别和工作状态，否则将造成错误。
求出有功计算负荷后，可按下式分别求出其余的计算负荷。
无功计算负荷为
式中，tanφ为对应于用电设备组cosφ的正切值。
视在计算负荷为
式中，cosφ为用电设备组的平均功率因数。
计算电流为
式中，UN为用电设备组的额定电压。
如果为一台三相电动机，则其计算电流应取为其额定电流，即
负荷计算中常用的单位：有功功率为“千瓦”（kW），无功功率为“千乏”（kvar），视在功率为“千伏安”（kV·A），电流为“安”（A），电压为“千伏”（kV）。
【例2-1】已知某机修车间的金属切削机床组，有电压为380V的三相电动机，其中7.5kW 5台，3kW 12台，1.5kW 16台。试求其计算负荷。
解：此机床组电动机的总容量为
查表2-1中“小批量生产的冷加工车间的机床”项，得Kd=0.16~0.2（取0.2计算），cosφ=0.5，tanφ=1.73。由此可求得
有功计算负荷 P30=0.2×97.5kW=19.5kW
无功计算负荷 Q30=19.5kW×1.73=33.74kvar
视在计算负荷 S30=19.5/0.5kV·A=39kV·A
计算电流为
（2）设备容量的计算
需要系数法基本公式P30=KdPe中的设备容量Pe，不含备用设备的容量，而且要注意，此容量的计算与用电设备组的工作制有关。
1）一般连续运行工作制和短时运行工作制的用电设备组。
设备容量就是所有设备的铭牌额定容量之和。
2）断续周期工作制的用电设备组。
设备容量是将所有设备在不同负荷持续率下的铭牌额定容量换算到一个规定的负荷持续率下的容量之和。
① 吊车电动机组。若负荷持续率ε≠25%，则应统一换算为ε=25%时的设备容量。即
式中，PN为吊车电动机的铭牌容量；εN为与铭牌对应的负荷持续率；ε25为ε等于25%的负荷持续率（计算中用0.25）。
② 电焊机组。若负荷持续率ε≠100%，则应统一换算为ε=100%时的设备容量。即
式中，PN为电焊机的铭牌容量；εN为与铭牌对应的负荷持续率；ε100为ε等于100%的负荷持续率（计算中用1）。
3）照明设备。
① 不用镇流器的照明设备的设备容量指灯头的额定功率，即
② 用镇流器的照明设备（如荧光灯、高压汞灯）的设备容量要包括镇流器中的功率损失，即
式中，Kb1为功率换算系数。荧光灯采用普通电感镇流器取1.25，采用节能型电感镇流器取1.15~1.17，采用电子镇流器取1.1；高压钠灯和金属卤化物灯采用普通电感镇流器取1.14~1.16，采用节能型电感镇流器取1.09~1.1。
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，即
式中，ω为建筑物的单位面积照明容量（W/m2）；S为建筑物的面积（m2）。
（3）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或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K∑p和K∑q。
对车间干线，取
对低压母线，分两种情况：
1）由用电设备组计算负荷直接相加来计算时，取
2）由车间干线计算负荷直接相加时，取
总的有功计算负荷为
式中，∑P30（i）为各组设备的有功计算负荷之和。
总的无功计算负荷为
式中，∑Q30（i）为各组设备的无功计算负荷之和。
总的视在计算负荷为
总的计算电流为
注意：由于各组用电设备的功率因数不一定相同，因此总的视在计算负荷和计算电流一般不能用各组的视在计算负荷或计算电流之和来计算，总的视在计算负荷也不能按式（2-12）来计算。
【例2-2】某机修车间的380V线路上，接有金属切削机床电动机：7.5kW 1台，4kW3台，3kW 5台，2.2kW 10台；另接通风机1.5kW 4台；电阻炉2kW 1台。试求计算负荷（设同时系数K∑p和K∑q均为0.9）。
解：（1）金属切削机床（属于冷加工机床）
此机床组电动机的总容量为
查表2-1,可得Kd1=0.2，cosφ1=0.5，tanφ1=1.73。
（2）通风机
查表2-1,可得Kd2=0.8，cosφ2=0.8，tanφ2=0.75。
（3）电阻炉
查表2-1,可得Kd3=0.7，cosφ3=1.0，tanφ3=0。
（4）总的计算负荷
2.二项式法
二项式法是考虑用电设备的数量和大容量用电设备对计算负荷影响的经验公式。一般应用在机械加工和热处理车间中用电设备数量较少和容量差别大的配电箱及车间支干线的负荷计算，来弥补需要系数法的不足之处。但是，二项式系数过分突出最大用电设备容量的影响，其计算负荷往往较实际偏大。
（1）对同一工作制的单组用电设备
基本公式
式中，Px为该用电设备组中x台容量最大用电设备的额定容量之和；Pe为该用电设备组的额定容量总和；b、c为二项系数，随用电设备组类别而定（见表2-5）；cPx为由x台容量最大用电设备所造成的使计算负荷大于平均负荷的一个附加负荷；bPe为该用电设备组的平均负荷。当用电设备的台数n等于最大容量用电设备的台数x，且n=x≤3时，一般将用电设备的额定容量总和作为计算负荷。
表2-5 用电设备组的二项系数b及c
（2）对不同工作制的多组用电设备
式中，(cPx)max为各用电设备组附加负荷cPx中的最大值；∑(bPe)i为各用电设备组平均负荷bPe的总和；tanφmax为与（cPx)max相对应的功率因数角正切值；tanφ为各用电设备组相应的功率因数角正切值。
需要系数法是各国均普遍采用的确定计算负荷的基本方法，简单方便。二项式法的应用局限性较大，但在确定设备台数较少而容量差别很大的分支干线的计算负荷时，较需要系数法更合理，且计算也更简单。采用二项式法计算时，应注意将计算范围内的所有用电设备统一分组，不应逐级计算后再代数相加，并且计算的最后结果，不再乘以最大负荷同时系数。因为由二项式法求得的计算负荷是总平均负荷和最大一组附加负荷之和，它与需要系数法的各用电设备组半小时最大负荷的概念不同。在需要系数法中就要考虑乘以最大负荷同时系数。
【例2-3】试用二项式法确定例2-2所述机修车间380V线路的计算负荷。
解：先求各组的bPe和cPx：
1）金属切削机床组查表2-6，得b=0.14，c=0.4，x=5，cosφ=0.5，tanφ=1.73，因此
2）通风机组查表2-5，得b=0.65，c=0.25，x=5，cosφ=0.8，tanφ=0.75，因此
3）电阻炉查表2-5，得b=0.7，c=0，x=0，cosφ=1，tanφ=0，因此
以上设备组中，附加负荷以cPx(1)为最大，因此总的计算负荷为
比较例2-2和例2-3的结果可知，按二项式法计算的结果较之按需要系数法计算的结果大得多，这也更为合理。
2.2.2 单相用电设备组计算负荷的确定
在供配电系统中，除了大量的三相设备外，还应用有大量的单相设备。单相设备接在三相线路中，应尽可能均衡分配。在进行负荷计算时，如果三相线路中单相设备的总容量不超过三相设备总容量的15%，则不论单相设备如何分配，单相设备可与三相设备综合按三相负荷平衡计算。如果单相设备总容量超过三相设备容量的15%，则应将单相设备容量换算为等效三相设备容量，再与三相设备容量相加。
由于确定计算负荷的目的，主要是选择线路上的设备和导线（包括电缆），使线路上的设备和导线在通过计算电流时不致过热或烧毁，因此在接有较多单相设备的三相线路中，不论单相设备接于相电压还是线电压，只要三相负荷不平衡，就应以最大负荷相有功负荷的3倍作为等效三相有功负荷。
1.单相设备接于相电压时的负荷计算
首先计算其等效三相设备容量，即
式中，Pe·φm为最大负荷相所接的单相设备容量。然后应用需要系数法算出计算负荷。
2.单相设备接于线电压时的负荷计算
首先计算其等效三相设备容量，即
式中，Pe·φ为单相设备的容量。再应用需要系数法算出计算负荷。
3.单相设备有的接于线电压，有的接于相电压时的负荷计算
首先，将接于线电压的单相设备换算为接于相电压的设备容量，可按下式进行：
式中，PAB、PBC、PCA为接于AB、BC、CA相间的有功设备容量；PeA、PeB、PeC为换算为A、B、C相的有功设备容量；QeA、QeB、QeC为换算为A、B、C相的无功设备容量；pAB-A、qAB-A、…为有功和无功换算系数，其值见表2-6。
表2-6 相间负荷换算为相负荷的功率换算系数表
然后，分相计算各相的设备容量和计算负荷。总的等效三相有功计算负荷为其最大有功负荷相的有功计算负荷的3倍，总的等效三相无功计算负荷为其最大无功负荷相的无功计算负荷的3倍，即
式中，P30·mφ为最大有功负荷相的有功计算负荷；Q30·mφ为最大有功负荷相的无功计算负荷。
【例2-4】某220V/380V三相四线制线路上，装有220V单相电热干燥箱6台、单相电加热器2台和380V单相对焊机6台。电热干燥箱20kW 2台接于A相，30kW 1台接于B相，10kW 3台接于C相；电加热器20kW 2台分别接于B相和C相；对焊机21kV·A（ε=100%）3台接于AB相，28kV·A（ε=100%）2台接于BC相，46kW（ε=60%）1台接于CA相。试求该线路的计算负荷。
解：（1）电热干燥箱及电加热器的各相计算负荷
查表2-1得Kd=0.7，cosφ=1，tanφ=0，因此只需计算有功计算负荷
（2）对焊机的各相计算负荷
查表2-1得Kd=0.35，cosφ=0.7，tanφ=1.02。
查表2-6得cosφ=0.7时
先将接于CA相的46kW（ε=60%）换算至ε=100%的设备容量，即
1）各相的设备容量为
2）各相的计算负荷为
3）各相总的计算负荷（设同时系数为0.95）
4）总的等效三相计算负荷
因为B相的有功计算负荷最大，所以
