业日历之后，再进行负荷计算

用电设备的铭牌上都标有额定功率，要统计车间总负荷或工厂总负荷并不是把各用电设备的额定功率直接相加，这是由于各用电设备并不一定同时运行，所以要按需要系数法确定总负荷。

相关知识

一、负荷曲线

负荷曲线是用于表达电力负荷随时间变化情况的函数曲线。在直角坐标系中，纵坐标表示负荷（有功功率或无功功率）值，横坐标表示对应的时间（一般以小时为单位）。

1.负荷曲线的分类

按负荷的功率性质分：可分为有功负荷曲线和无功负荷曲线；按所表示的负荷变动的时间分：可分为日负荷曲线、月负荷曲线和年负荷曲线。

图4－1是某一班制工厂的日有功负荷曲线，其中图4－1（a）是依点连接而成的折线负荷曲线，图4－1（b）是绘成的梯形负荷曲线。为便于计算，负荷曲线多绘成梯形，即假定在每个时间间隔中，负荷是保持其平均值不变的，横坐标一般按半小时分格，确定“半小时最大负荷”。

图4－1　日有功负荷曲线

（a）折线负荷曲线；（b）梯形负荷曲线

年负荷曲线是根据一年中具有代表性的冬日负荷曲线和夏日负荷曲线绘制而成。夏日和冬日在全年中的天数，视当地的地理位置和气温情况而定。例如在我国北方，可近似认为夏日165 天，冬日200 天；而在我国南方，可近似认为夏日200 天，冬日165 天。如绘制南方某厂的年负荷曲线，绘制时从冬夏日负荷曲线上的最大负荷开始，依次按阶梯减小到最小负荷，并按阶梯作水平虚线，水平虚线通过冬日负荷曲线所对应的时间乘以165，水平虚线通过夏日负荷曲线所对应的时间乘以200。将两个时间相加，即为年负荷曲线上横坐标所对应的时间。如在年负荷曲线上P1 所占的时间T1＝200（t1＋t1′），P2 在年负荷曲线上所占的时间T2＝200t2＋165t2′，这种年负荷曲线反映了工厂全年变动与负荷持续时间的关系，所以也称为年负荷持续时间曲线，如图4－2所示。

图4－2　年负荷持续时间曲线绘制

（a）夏日负荷曲线；（b）冬日负荷曲线；（c）年负荷持续时间曲线

2.年最大负荷和年最大负荷利用小时数

（1）年最大负荷Pmax。年最大负荷Pmax就是全年中负荷最大的工作班内消耗电能最大的半小时的平均功率，因此年最大负荷也称为半小时最大负荷P30。

（2）年最大负荷利用小时数Tmax。年最大负荷利用小时数又称为年最大负荷使用时间Tmax，它是一个假想时间，在此时间内，电力负荷按年最大负荷Pmax（或P30）持续运行所消耗的电能，恰好等于该电力负荷全年实际消耗的电能。如图4－3所示为某厂年有功负荷曲线，此曲线上最大负荷Pmax就是年最大负荷，Tmax为年最大负荷利用小时数。

年最大负荷利用小时数是反映电力负荷特征的一个重要参数。它与工厂类型及生产班制有明显的关系。一般情况下，一班制工厂Tmax ≈1 800～3 000 h；两班制工厂Tmax ≈3 500～4 500 h；三班制工厂Tmax≈5 000～7 000 h。

3.平均负荷Pav

平均负荷Pav，就是电力负荷在一定时间t 内平均消耗的功率，也就是电力负荷在该时间内消耗的电能W 除以时间t 的值，即：

图4－3　年最大负荷和年最大负荷利用小时数

如图4－4所示为年平均负荷Pav的横线与两坐标轴所包围的矩形面积，恰好等于年负荷曲线与两坐标轴包围的面积，即全年实际消耗的电能Wa：

图4－4　年平均负荷

4.计算负荷及其意义

通常将以半小时平均负荷为依据所绘制的负荷曲线上的“最大负荷”称为计算负荷，并把它作为按发热条件选择电气设备的依据，用Pca（Qca、Sca、Ica）或P30（Q30、S30、I30）表示。规定取“半小时平均负荷”的原因：一般中小截面导体的发热时间常数τ 为10 min 以上，根据经验表明，中小截面导线达到稳定温升所需时间约为3τ＝3×10＝30（min），如果导线负载为短暂尖峰负荷，显然不可能使导线温度达到最高值，只有持续时间在30 min 以上的负荷时，才有可能构成导线的最高温升。若根据计算负荷选择导体及电器，则在实际运行中导体及电器的最高温升不会超过允许值。计算负荷是设计时作为选择工厂供配电系统供配电线路的导线截面、变压器容量、开关电器及互感器等的额定参数的依据。

二、用电设备额定容量的确定

1.用电设备的工作方式

用电设备按其工作方式可分为三种：连续运行工作制（长期工作制）；短时运行工作制（短暂工作制）；断续运行工作制（重复短暂工作制）。

（1）连续运行工作制（长期工作制）。在规定的环境温度下连续运行，设备任何部分温升均不超过最高允许值，负荷比较稳定。如通风机水泵、空气压缩机、皮带输送机、破碎机、球磨机、搅拌机、电机车等机械的拖动电动机，以及电炉、电解设备、照明灯具等，均属连续运行工作制的用电设备。它的功率就等于其铭牌上的额定功率。

（2）短时运行工作制（短暂工作制）。用电设备的运行时间短而停歇时间长，在工作时间内，用电设备的温升尚未达到该负荷下的稳定值即停歇冷却，在停歇时间内其温度又降低为周围介质的温度，这是短暂工作的特点。如机床上的某些辅助电动机（如横梁升降、刀架快速移动装置的拖动电动机）及水闸用电动机等设备。这类设备的数量不多。一般按铭牌上额定功率确定。但是，如果该设备在正常情况下不适用，只是在事故或检修时使用，那么，支线负荷按额定功率确定，干线上负荷可以不考虑。若该设备功率较大，影响干线上配电设备选择，则应给予适当考虑。

（3）断续运行工作制（重复短暂工作制）。用电设备以断续方式反复进行工作，其工作时间（t）与停歇时间（t0）相互交替。工作时间内设备温度升高，停歇时间温度又下降，若干周期后，达到一个稳定的波动状态。如电焊机和吊车电动机等。断续周期工作制的设备，通常用暂载率ε 表征其工作特征，取一个工作周期内的工作时间与工作周期的百分比值，即为ε：

式中 t、t0——分别为工作时间与停歇时间，两者之和为工作周期T。

2.用电设备额定容量的计算

在每台用电设备的铭牌上都有“额定功率”PN，但由于各用电设备的额定工作方式不同，不能简单地将铭牌上规定的额定功率直接相加，必须先将其换算为同一工作制下的额定功率，然后才能相加。经过换算至统一规定的工作制下的“额定功率”称为“设备额定容量”，用Pe 表示。

（1）长期工作制和短暂工作制的设备额定容量。

（2）重复短暂工作制的设备额定容量。

①吊车机组用电动机（包括电葫芦、起重机、行车等）的设备额定容量统一换算到ε＝25%时的额定功率（kW），若其εN 不等于25%时应进行换算，公式为：

式中 Pe——换算到ε＝25%时电动机的设备额定容量，kW；

εN——铭牌暂载率；

PN——换算前电动机的额定功率；

ε——换算的暂载率，即ε＝25%。

②电焊机及电焊变压器的设备额定容量统一换算到ε＝100%时的额定功率（kW）。若其铭牌暂载率εN 不等于100%时应进行换算，公式为：

式中 PN——换算前电焊机的额定功率，kW；

SN——换算前电焊机额定视在功率，kV·A；

εN——与PN、SN 相对应的铭牌暂载率；

cos φN——在SN 时的功率因数。

（3）电炉变压器的设备额定容量。

电炉变压器的设备额定容量是指在额定功率因数下的额定功率（kW），即：

式中 SN——电炉变压器的额定视在功率，kV·A；

cos φN——电炉变压器的额定功率因数。

（4）照明设备的设备额定容量。

①白炽灯、碘钨灯设备额定容量等于灯泡上标注的额定功率（kW）；

②荧光灯还要考虑镇流器中的功率损失（约为灯管功率的20%），其设备额定容量应为灯管额定功率的1.2 倍（kW）；

③高压水银荧光灯亦要考虑镇流器中的功率损失（约为灯泡功率的10%），其设备额定容量应为灯泡额定功率的1.1 倍（kW）；

④金属卤化物灯采用镇流器时亦要考虑镇流器中的功率损失（约为灯泡功率的10%），故其设备额定容量应为灯泡额定功率的1.1 倍（kW）。

（5）不对称单相负荷的设备额定容量。

当有多台单相用电设备时，应将它们均匀地分接到三相上，力求减少三相负载不对称情况。设计规程规定，在计算范围内，单相用电设备的总容量如不超过三相用电设备总容量的15%时，可按三相对称分配考虑。如单相用电设备的总容量大于三相用电设备总容量的15%时，则设备额定容量Pe 应按三倍最大相负荷的原则进行换算。

当单相设备接于相电压，设备容量Pe 的计算如下：

式中 Pe——等效三相设备额定容量；

Pemφ——最大负荷所接的单相设备容量。

当单相设备接于线电压时：

式中 Pe·l——接于同一线电压的单相设备容量。

［例4－1］ 一台电焊机其额定功率为30 kW，铭牌暂载率为60%；一起重机其额定功率为39.6 kW，铭牌暂载率为40%。试分别确定其设备额定容量。

［解］

（1）电焊机类设备统一换算到ε＝100%，所以设备功率为：

（2）起重机类设备统一换算到ε＝25%，所以设备功率为：

三、需要系数法计算

负荷计算的常用计算方法有：需要系数法、二项式法。需要系数法用于变、配电所的计算；二项式法用于低压配电线路的计算。

1.用电设备的需要系数

用电设备往往不是满负荷运行，实际负荷容量常小于其额定容量。一组用电设备中，所有用电设备也不可能同时运行。同时工作的设备，最大负荷出现的时间也不相同。因此，用电设备组的实际负荷总容量总是小于其额定容量之和。我们将用电设备组实际负荷总容量与其额定容量之和的比值称为需要系数。根据用电设备的额定容量和需要系数，计算实际负荷容量的方法称为需要系数法。

一组用电设备的需要系数可由下式确定：

式中 K∑——设备组同时系数，即设备组在最大负荷时运行的设备容量与全部用电设备总额定容量之比；

KL——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；

ηwl——线路供配电效率；

η——用电设备组在实际运行功率时的平均效率。

实际上，上述系数对于成组用电设备是很难确定的，而且对一个生产企业或车间来说，生产性质、工艺特点、加工条件，技术管理和劳动组织以及工人操作水平等因素，都对Kd 有影响，所以Kd 只能靠测量统计确定。可查表4－1～表4－6。上述各种因素可供设计人员在变动的系数范围内选用时参考。

表4－1　用电设备的需要系数及功率因数

续表

表4－2　3～6～10kV 高压用电设备需要系数及功率因数

表4－3　各种车间的低压负荷需要系数及功率因数

表4－4　各种工厂的全厂需要系数及功率因数

表4－5　照明用电设备需要系数

表4－6　照明光源的功率因数

2.用电设备的计算负荷

如图4－5所示，总降压变电所计算负荷的方法由负荷端逐级向电源端进行计算。

图4－5　总降压变电所供配电系统

1）单台用电设备的计算负荷

（1）有功计算负荷。

式中 Pe——换算到统一暂载率下的电动机的额定容量；

η——用电设备在额定负载下的平均效率；

ηwl——线路供配电效率，一般取0.9～0.95；

KL——负荷系数，，P 为用电设备的实际负荷。

（2）无功计算负荷。

式中 φ——用电设备功率因数角。

计算目的：用于选择分支线导线及其上的开关设备。

2）用电设备组的计算负荷(www.xing528.com)

（1）有功计算负荷。

式中 Kd——用电设备组的需要系数，可查表4－1～表4－6；

∑Pe——用电设备组的设备额定容量之和，但不包括备用设备容量。

（2）无功计算负荷。

tan φ 值可查表4－1～表4－6。

（3）视在计算负荷。

计算目的：用于选择各组配电干线及其上的开关设备。

当Kd 值有一定变动范围时，取值要作具体分析。如台数多时，一般取用较小值，台数少时取用较大值；设备使用率高时，取用较大值，使用率低时取用较小值。当一条线路内的用电设备的台数较小（n＜3 台）时，一般是将用电设备额定容量的总和作为计算负荷，或者采用较大的Kd 值（0.85～1）。

3）确定车间配电干线或车间变电所低压母线上的计算负荷

（1）总的有功计算负荷。

（2）总的无功计算负荷。

（3）总的视在计算负荷。

式中 Pca3、Qca3、Sca3——分别为车间变电所低压母线上总的有功、无功及视在计算负荷；

∑Pca2、∑Qca2——分别为各用电设备组的有功、无功计算负荷的总和；

K∑——最大负荷时的同时系数。考虑各用电设备组的最大计算负荷不会同时出现而引入的系数，K∑可取0.9。

注意：当变电所的低压母线上装有无功补偿用的静电电容器组，其容量为Qc3，则当计算Qca3时，要减去无功补偿容量，即Qca3＝K∑·∑（Qca2－Qc3）。

计算目的：用于选择车间配电干线及其上的开关设备，或者用于低压母线的选择及车间变电所电力变压器容量的选择。

4）确定车间变电所中变压器高压侧的计算负荷

式中 Pca4、Qca4——分别为车间变电所中变压器高压侧的有功、无功计算负荷，kW、kvar；

ΔPT、ΔQT——分别为变压器的有功损耗与无功损耗，kW、kvar。

计算目的：用于选择车间变电所高压配电线及其上的开关设备。

在计算负荷时，车间变压器尚未选出，无法根据变压器的有功损耗与无功损耗的理论公式进行计算，因此一般按下列经验公式估算：

对SJL1 等型电力变压器：

对SL7、S7、S9、S10 等低损耗型电力变压器：

式中 Sca3——变压器低压母线上的计算负荷，kV·A。

5）确定全车间变电所中高压母线上的计算负荷

式中 P4m、Q4m——分别为车间高压用电设备的有功及无功计算负荷。

计算目的：用于车间变电所高压母线的选择。

6）确定总降压变电所出线上的计算负荷

式中 ΔPL、ΔQL——高压线路功率损耗，由于一般工厂范围不大，线路功率损耗小，故可忽略不计。

计算目的：用于选择总降压变电所出线及其上的开关设备。

7）确定总降压变电所低压侧母线的计算负荷

注意：如果在总降压变电所6～10 kV 二次母线侧采用高压电容器进行无功功率补偿，则在计算总无功功率Qca7时，应减去补偿设备的容量Qc7，即Qca7＝K∑∑（Qca6－Qc7）。

计算目的：用于选择总降压变电所低压母线以及选择总降压变电所主变压器容量。

8）确定全厂总计算负荷

计算目的：全厂总计算负荷的数值可作为向供配电部门申请全厂用电的依据，并作为原始资料进行高压供配电线路的电气计算，选择高压进线导线及进线开关设备。

［例4－2］ 一机修车间的380 V 线路上，接有金属切削机床电动机20 台共50 kW；另接通风机3 台共5 kW；电葫芦一个共3 kW（εN＝40%）。试计算负荷。

［解］

冷加工电动机组：查表4－1可得Kd＝0.16～0.2（取0.2），cos φ＝0.5，tan φ＝1.73，

因此：

Pca1＝Kd∑Pe＝0.2×50＝10（kW）

Qca1＝Pca1 tan φ＝10×1.73＝17.3（kvar）

Sca1＝Pca1／cos φ＝10／0.5＝20（kV·A）

通风机组：查表4－1可得Kd＝0.7～0.8（取0.8），cos φ＝0.8，tan φ＝0.75，

因此：

Pca2＝Kd∑Pe＝0.8×5＝4（kW）

Qca2＝Pca2tan φ＝4×0.75＝3（kvar）

Sca2＝Pca2／cos φ＝4／0.8＝5（kV·A）

电葫芦：由于是单台设备，可取Kd＝1，查表4－1可得cos φ＝0.5，tan φ＝1.73，

因此：

取同时系数K∑为0.9，因此总计算负荷为

四、二项式法计算

二项式法是考虑一定数量大容量用电设备对计算负荷的影响而提出的计算方法。数台大功率设备工作时对负荷的附加功率，会使计算结果偏大，一般用于低压配电干线和配电箱的负荷计算。

1.二项式法的基本公式

计算负荷Pca由bPe＋cPx 两项组成。

式中，b 和c 为二项式系数可查表4－7；bPe 表示用电设备的平均功率，其中Pe 是用电设备组的设备总容量，其计算方法如前需要系数法中所述；cPx 表示用电设备组中x 台容量大的设备投入运行时增加的附加负荷，其中Px 是x 台最大容量的设备总容量。其余的计算负荷Qca、Sca的求法与前述需要系数法的计算相同。

注意：按二项式法确定计算负荷时，如果设备总台数n 少于表4－7中规定的最大容量设备台数的2 倍（即n＜2x）时，其最大容量设备台数宜适当取小，建议取为x＝n／2，且按“四舍五入”修约规则取整数。例如某机床电动机组只有7 台时，则其x＝7／2≈4。如果用电设备组只有1～2 台设备时，就可认为Pea＝Pe。对于单台电动机，则Pea＝PN／η，式中PN 为电动机额定容量，η 为其额定效率。在设备台数较少时，cos φ 也应适当取大。

由于二项式法不仅考虑了用电设备组最大负荷时的平均功率，而且考虑了少数容量最大的设备投入运行时对总计算负荷的额外影响，所以二项式法比较适于确定设备台数较少而容量差别大的低压干线和分支线的计算负荷。但是二项式计算系数b、c 和x 的值，缺乏充分的理论根据，而且这些系数，也只适用于机械加工工业，其他行业的这方面数据缺乏，从而使其应用受到一定局限。表4－7为用电设备组二项式系数。

表4－7　用电设备组二项式系数

2.多组用电设备计算负荷的确定

采用二项式法确定多组用电设备总的计算负荷时，也应考虑各组用电设备的最大负荷不同时出现的因素。但不是计入一个同时系数，而是在各组用电设备中取其中一组最大的附加负荷cPx 再加上各组的平均负荷bPe，由此求得其总的有功计算负荷，即：

总的有功计算负荷为：Pca＝∑（bPe）＋（cPx）max；

总的无功计算负荷为：Qca＝∑（bPetan φ）＋（cPx）max tan φmax；

总的视在计算负荷为：；计算电流：

式中（cPx）max——各组用电设备中的一组最大的计算值（这是考虑到多个用电设备组中，各组大容量用电设备不可能同时出现的缘故）；

∑（bPe）——各组的平均负荷bPe 的总和；

tan φ——各用电设备组的功率因数角的正切值；

UN——额定电压（kV）；

tan φmax——最大附加负荷（cPx）max的设备组的平均功率因数角的正切值。为了简化和统一，按二项式法计算多组设备总的计算负荷时，也不论各组设备台数多少，各组计算系数b、c，x 和cos φ 等均按表4－7所列数值。

［例4－3］ 一机修车间的380 V 线路上，接有金属切削机床电动机20 台共50 kW（其中较大容量电动机有7.5 kW 1 台，4 kW 3 台，2.2 kW 7 台）；另接通风机2 台共3 kW；电阻炉1 台2 kW，用二项式法求计算负荷。

［解］

1）金属切削机床组

查表4－7，取b＝0.14，c＝0.4，cos φ＝0.5，tan φ＝1.73

bPe（n）＝0.14×50＝7（kW）

cPx（n）＝0.4（7.5×1＋4×3＋2.2×1）＝8.68（kW）

2）通风机组

查表4－7，取b＝0.65，c＝0.25，cos φ＝0.8，tan φ＝0.75故 bPe（n）＝0.65×3＝1.95（kW）

cPx（n）＝0.25×3＝0.75（kW）

3）电阻炉

查表4－7，取b＝0.7，c＝0，cos φ＝1，tan φ＝0

故bPe（n）＝0.7×2＝1.4（kW）

cPx（n）＝0

以上各组设备中，附加负荷以cPx（n）为最大。因此，总计算负荷为

任务实施

机械厂负荷统计

工厂负荷情况：本厂多数车间为两班制，年最大负荷利用小时为4 800 h，日最大负荷持续时间8 h。该厂除铸造车间、电镀车间和锅炉房属二级负荷外，其余均属三级负荷。低压动力设备均为三相，额定电压为380 V。照明及家用电器均为单相，额定电压为220 V。本厂的负荷统计资料如表4－8所示。

表4－8　机械厂负荷统计资料

根据负荷计算公式，分别计算各车间的P ca，Q ca，S ca，I ca，填写表格（表4－9）。

表4－9　各车间的计算负荷

续表

评价总结

根据计算结果分析，填写成绩评议表（表4－10）。

表4－10　成绩评议表