功率因數(shù)的概念及用電企無功補償

無功是一種資源，無功功率決非無用功率，只是不能直接轉(zhuǎn)化為熱、光、機械能。但在電能的生產(chǎn)、變壓、輸送、分配及電磁能量轉(zhuǎn)換過程中起著重要作用。由于無功功率的作用和影響不像有功功率那樣直觀，因而用電企業(yè)普遍存在著重視有功，輕視無功的現(xiàn)象。

無功和有功一樣是交流電能重要組成部分，形影相隨缺一不可，時刻影響著用電企業(yè)對電能的有效利用率和用電成本。無功功率作為電功率的一部分，時刻陪伴和呵護著用電設(shè)備的正常運行，為電力系統(tǒng)提供電壓支撐，為有功功率的輸送保駕護航。

一、功率因數(shù)的概念

電力系統(tǒng)中發(fā)電廠向用點企業(yè)輸送電能包括兩部分:一部分是用來發(fā)光、發(fā)熱、拖動機械等的功率叫有功功率;另一部分則是用來建立磁場，并為電能輸送及保障有功功率轉(zhuǎn)換所必不可少的往返交換功率叫無功功率。電網(wǎng)供應(yīng)給用電企業(yè)的電能是有功功率和無功功率同時存在的，這種同時存在的功率稱之為視在功率，它們之間的關(guān)系式為：

上式中角

是感性負載接于交流電路中時，電壓與電流之間的相位差角。功率因數(shù)亦可稱為交流電路中電壓與電流之間相位差角的余弦。電網(wǎng)供電中，若用電企業(yè)負載的

很小，則無功功率必將占用一定份額的視在功率，導致電腦利用率下降和電能損耗的增加。當用電企業(yè)負載性質(zhì)發(fā)生變化時，也必將造成

和運行電壓的變化。為減少用電設(shè)備的電壓降和功率損耗，用電企業(yè)則需積極自覺地實施無功補償，以提高功率因數(shù)。

根據(jù)余弦函數(shù)可知：無論采用何種方法的無功補償措施，其實質(zhì)就是要減小電壓與電流之間的相位差角

，使之達到提高功率因數(shù)，改善運行電壓質(zhì)量，降低電腦損耗，從而使用電企業(yè)降低電力成本。

二、用電企業(yè)的無功功率消耗

用電企業(yè)中使用的設(shè)備大部分是感性設(shè)備，它們運行中都要消耗無功功率，其消耗無功量的多少，主要取決于像異步發(fā)動機、配電變壓器等這樣的感性設(shè)備。

如異步電動機消耗的無功功率為勵磁和漏磁兩部分，可近似估算。對一臺100kW異步電動機，其功率因數(shù)為0.8，在額定參數(shù)下運行，則要消耗75kvar的無功功率。配電變壓器消耗的無功功率也分為勵磁和漏磁兩部分，可近似估算。如一合1000kVA的變壓器，Ud=4.5%，Io=5，在額定參數(shù)下運行，消耗的無功功率約為95kvar。

用電企業(yè)所需的電能一般要經(jīng)過多級變壓和長距離輸送，不但感性用電設(shè)備要消耗無功功率，而且供電線路也要消耗一定量的無功功率，其消耗的無功量按Q=3I2X10-3kvar進行計量。用電企業(yè)總的無功功率消耗量是各項無功功率消耗量的總和，同時企業(yè)消耗的無功功率總和Q總，還與同期企業(yè)用電的總有功功率P總有關(guān)，其關(guān)系式為：

。式中tg中為企業(yè)各種感性設(shè)備功率因數(shù)的正切值。此見，當用電企 業(yè)總的功率因數(shù)小于0.8時，則消耗無功功率將大于有功功率，必須進行無功補償。

三、無功的優(yōu)化管理和補償

電網(wǎng)供電中，無功與電壓存在著較強的耦合關(guān)系，無功電流變化比有功電流對負載電壓的影響大得多，無功功率在潛移默化地影響著電壓質(zhì)量。為此，用電企業(yè)在優(yōu)化無功管理的同時，還要積極實施無功補償，實現(xiàn)無功電源的優(yōu)化配置，減少無功潮流，提高功率因數(shù)。

無功電源不像有功功率那樣，只能由發(fā)電廠提供，而無功功率既可由發(fā)電機組提供，也可以由電容器、調(diào)相機、靜止無功補償裝置和靜止無功發(fā)生器等進行無功補償。

發(fā)電機組作為無功電源可給用電企業(yè)提供無功功率，但對需經(jīng)多級變壓的長距離傳送無功功率，若由發(fā)電機組提供必將產(chǎn)生不良影響：

①降低發(fā)電機有功功率的輸出;

②降低輸變設(shè)備的供電能力;

③造成輸電線路電壓損失增大;

④降低用電設(shè)備使用效率，嚴重時還會產(chǎn)生電壓波動，給用電安全造成危害。

為此，用電企業(yè)消耗的無功功率，不能僅依賴大電機輸送，除優(yōu)化無功管理外，還要采取各種措施進行無功補償，有利于提高用電企業(yè)的功率因數(shù)。

1.提高設(shè)備的自然功率因數(shù)

自然功率因數(shù)系指經(jīng)人工補償前設(shè)備所具有的功率因數(shù)，即設(shè)備本身運行時的功率因數(shù)。提高自然功率因數(shù)，從本質(zhì)上講是改善設(shè)備運行工況，從而降低設(shè)備自身的無功消耗，這是不需增加設(shè)備的無功補償。其方法有：

①合理選用異步發(fā)動機容量，避免“大馬拉小車”，使發(fā)動機處于最佳負載率工況下運行，這可改善功率因數(shù);

②輕載運行異步發(fā)動機可將其定子接線由三角形改為星形運行，達到降低運行電壓改善功率因數(shù);

③裝設(shè)空載自停裝置，當異步電動機較長處于空載運行時，該裝置能自動切斷電源，以減少無功消耗而改善功率因數(shù)。

2.改善設(shè)備自身結(jié)構(gòu)參數(shù)提高功率因數(shù)

根據(jù)感性設(shè)備的阻抗三角形可知：其功率因數(shù)表達式為：

式中的電阻R和感抗

，可視為感性設(shè)備自身的兩個參變量，而功率因數(shù)

可

看出作參變量的函數(shù)。從式中可知：

是隨R的增加，而變大，隨XL的增加而減小。因此對某些感性設(shè)備在允許的范圍內(nèi)，通過改變設(shè)備自身的結(jié)構(gòu)參數(shù)，將其電阻適當增大，或?qū)⒏锌筙L適當減小，即可達到設(shè)備自身功率因數(shù)改變的效果。

因為，將感性設(shè)備自身參數(shù)中的感抗適當減小，或?qū)⑵潆娮柽m當增大，在保持設(shè)備阻抗基本不變的情況下，使其阻抗角即感性設(shè)備端電壓-5其通過的電流之間的相位差角減小，即可達到提高設(shè)備自身功率因數(shù)的效果。

3.并聯(lián)電容器進行無功補償

用電企業(yè)實施無功補償應(yīng)根據(jù)無功就地平衡原則，使企業(yè)生產(chǎn)過程中消耗最低無功功率應(yīng)從設(shè)置的無功補償電源提供，以維持運行電壓的合格。用電企業(yè)實施無功補償，應(yīng)根據(jù)用電負荷性質(zhì)及無功消耗的多少，確定從電網(wǎng)吸取無功量和企業(yè)補償裝置提供無功量之間最佳配合比例，實現(xiàn)無功就地平衡，從而提高企業(yè)對電腦利用率。

用電企業(yè)實施無功補償?shù)某Ｓ梅椒?，即是在感性設(shè)備并聯(lián)電容器。因感性設(shè)備流過電流總是滯后電壓90°，而電阻流過電流-5電壓同相，其合成電流與電壓的夾角為

。運用并聯(lián)電容器進行無功補償，即是將電容器與感性設(shè)備并聯(lián)，由于電容器容性電流超前電壓90°，則能抵消一部分感性電流，使總電流滯后電壓的相位差角減小，這是并聯(lián)電容器進行無功補償能提高功率因數(shù)的機理。

用電企業(yè)實施無功補償，可在高壓側(cè)，也可在低壓側(cè)，可集中進行補償，也可分散就地補償。通過電容器與感性設(shè)備并聯(lián)進行無功補償，這是實現(xiàn)無功就地平衡的好辦法，不僅減少無功潮流，而且還能降低電壓損失，以而改善運行電壓質(zhì)量。

投功裝置，有利于無功負荷的實時平衡，維持用電企業(yè)消耗無功功率的合理與經(jīng)濟分布。

四、結(jié)束語

保持無功功率供求平衡是一項復(fù)雜技術(shù)工作。用電企業(yè)實施無功補償，應(yīng)根據(jù)本單位負荷性質(zhì)和無功消耗情況，確定最佳無功補償量，才有利于提高功率因數(shù)，高效利用電能，降低功耗和電力成本。用電企業(yè)只有積極采取各項措施進行無功補償，才能改善電壓質(zhì)量，使之獲得更好經(jīng)濟效益。