變壓器消耗的無功功率詳解

許多用電設(shè)備均是根據(jù)電磁感應(yīng)原理工作的，如配電變壓器、電動(dòng)機(jī)等，它們都是依靠建立交變磁場(chǎng)才能進(jìn)行能量的轉(zhuǎn)換和傳遞。為建立交變磁場(chǎng)和感應(yīng)磁通而需要的電功率稱為無功功率，因此，所謂的無功并不是無用的電功率，只不過它的功率并不轉(zhuǎn)化為機(jī)械能、熱能而已;因此在供用電系統(tǒng)中除了需要有功電源外，還需要無功電源，兩者缺一不可。

在功率三角形中，有功功率P與視在功率S的比值，稱為功率因數(shù)cosφ，其計(jì)算公式為：

cosφ=P/S=P/(P2+Q2)1/2

在電力網(wǎng)的運(yùn)行中，功率因數(shù)反映了電源輸出的視在功率被有效利用的程度，我們希望的是功率因數(shù)越大越好。這樣電路中的無功功率可以降到最小，視在功率將大部分用來供給有功功率，從而提高電能輸送的功率。

1、影響功率因數(shù)的主要因素

(1)大量的電感性設(shè)備，如異步電動(dòng)機(jī)、感應(yīng)電爐、交流電焊機(jī)等設(shè)備是無功功率的主要消耗者。據(jù)有關(guān)的統(tǒng)計(jì)，在工礦企業(yè)所消耗的全部無功功率中，異步電動(dòng)機(jī)的無功消耗占了60%～70%;而在異步電動(dòng)機(jī)空載時(shí)所消耗的無功又占到電動(dòng)機(jī)總無功消耗的60%～70%。所以要改善異步電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)就要防止電動(dòng)機(jī)的空載運(yùn)行并盡可能提高負(fù)載率。

(2)變壓器消耗的無功功率一般約為其額定容量的10%～15%，它的空載無功功率約為滿載時(shí)的1/3。因而，為了改善電力系統(tǒng)和企業(yè)的功率因數(shù)，變壓器不應(yīng)空載運(yùn)行或長期處于低負(fù)載運(yùn)行狀態(tài)。

(3)供電電壓超出規(guī)定范圍也會(huì)對(duì)功率因數(shù)造成很大的影響。

當(dāng)供電電壓高于額定值的10%時(shí)，由于磁路飽和的影響，無功功率將增長得很快，據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，當(dāng)供電電壓為額定值的110%時(shí)，一般無功將增加35%左右。當(dāng)供電電壓低于額定值時(shí)，無功功率也相應(yīng)減少而使它們的功率因數(shù)有所提高。但供電電壓降低會(huì)影響電氣設(shè)備的正常工作。所以，應(yīng)當(dāng)采取措施使電力系統(tǒng)的供電電壓盡可能保持穩(wěn)定。

2、無功補(bǔ)償?shù)囊话惴椒?/strong>

無功補(bǔ)償通常采用的方法主要有3種：低壓個(gè)別補(bǔ)償、低壓集中補(bǔ)償、高壓集中補(bǔ)償。下面簡(jiǎn)單介紹這3種補(bǔ)償方式的適用范圍及使用該種補(bǔ)償方式的優(yōu)缺點(diǎn)。

(1)低壓個(gè)別補(bǔ)償

低壓個(gè)別補(bǔ)償就是根據(jù)個(gè)別用電設(shè)備對(duì)無功的需要量將單臺(tái)或多臺(tái)低壓電容器組分散地與用電設(shè)備并接，它與用電設(shè)備共用一套斷路器。通過控制、保護(hù)裝置與電機(jī)同時(shí)投切。隨機(jī)補(bǔ)償適用于補(bǔ)償個(gè)別大容量且連續(xù)運(yùn)行(如大中型異步電動(dòng)機(jī))的無功消耗，以補(bǔ)勵(lì)磁無功為主。低壓個(gè)別補(bǔ)償?shù)膬?yōu)點(diǎn)是：用電設(shè)備運(yùn)行時(shí)，無功補(bǔ)償投入，用電設(shè)備停運(yùn)時(shí)，補(bǔ)償設(shè)備也退出，因此不會(huì)造成無功倒送。具有投資少、占位小、安裝容易、配置方便靈活、維護(hù)簡(jiǎn)單、事故率低等優(yōu)點(diǎn)。

(2)低壓集中補(bǔ)償

低 壓集中補(bǔ)償是指將低壓電容器通過低壓開關(guān)接在配電變壓器低壓母線側(cè)，以無功補(bǔ)償投切裝置作為控制保護(hù)裝置，根據(jù)低壓母線上的無功負(fù)荷而直接控制電容器的投切。電容器的投切是整組進(jìn)行，做不到平滑的調(diào)節(jié)。低壓補(bǔ)償?shù)膬?yōu)點(diǎn)：接線簡(jiǎn)單、運(yùn)行維護(hù)工作量小，使無功就地平衡，從而提高配變利用率，降低網(wǎng)損，具有較高 的經(jīng)濟(jì)性，是目前無功補(bǔ)償中常用的手段之一。

(3)高壓集中補(bǔ)償

高壓集中補(bǔ)償是指將并聯(lián)電容器組直接裝在變電所的6～10kV高 壓母線上的補(bǔ)償方式。適用于用戶遠(yuǎn)離變電所或在供電線路的末端，用戶本身又有一定的高壓負(fù)荷時(shí)，可以減少對(duì)電力系統(tǒng)無功的消耗并可以起到一定的補(bǔ)償作用;補(bǔ)償裝置根據(jù)負(fù)荷的大小自動(dòng)投切，從而合理地提高了用戶的功率因數(shù)，避免功率因數(shù)降低導(dǎo)致電費(fèi)的增加。同時(shí)便于運(yùn)行維護(hù)，補(bǔ)償效益高。

3、采取適當(dāng)措施，設(shè)法提高系統(tǒng)自然功率因數(shù)

提高自然功率因數(shù)是不需要任何補(bǔ)償設(shè)備投資，僅采取各種管理上或技術(shù)上的手段來減少各種用電設(shè)備所消耗的無功功率，這是一種最經(jīng)濟(jì)的提高功率因數(shù)的方法。

(1)合理使用電動(dòng)機(jī);

(2)提高異步電動(dòng)機(jī)的檢修質(zhì)量;

(3)采用同步電動(dòng)機(jī)：同步電動(dòng)機(jī)消耗的有功功率取決于電動(dòng)機(jī)上所帶機(jī)械負(fù)荷的大小，而無功功率取決于轉(zhuǎn)子中的勵(lì)磁電流大小，在欠勵(lì)狀態(tài)時(shí)，定子繞組向電網(wǎng)吸取無功，在過勵(lì)狀態(tài)時(shí)，定子繞組向電網(wǎng)送出無功。因此，對(duì)于恒速長期運(yùn)行的大型機(jī)構(gòu)設(shè)備可以采用同步電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力。

異步電動(dòng)機(jī)同步運(yùn)行就是將異步電動(dòng)機(jī)三相轉(zhuǎn)子繞組適當(dāng)連接并通入直流勵(lì)磁電流，使其呈同步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，這就是異步電動(dòng)機(jī)同步化。

(4)合理選擇配變?nèi)萘?，改善配變的運(yùn)行方式：對(duì)負(fù)載率比較低的配變，一般采取撤、換、并、停等方法，使其負(fù)載率提高到最佳值，從而改善電網(wǎng)的自然功率因數(shù)。

4、無功電源

電力系統(tǒng)的無功電源除了同步電機(jī)外，還有靜電電容器、靜止無功補(bǔ)償器以及靜止無功發(fā)生器，這4種裝置又稱為無功補(bǔ)償裝置。除電容器外，其余幾種既能吸收容性無功又能吸收感性無功。

(1)同步電機(jī)： 同步電機(jī)中有發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)及調(diào)相機(jī)3種。

①同步發(fā)電機(jī)： 同步發(fā)電機(jī)是唯一的有功電源，同時(shí)又是最基本的無功電源，當(dāng)其在額定狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)，可以發(fā)出無功功率：

Q=S×sinφ=P×tgφ

其中:Q、S、P、φ是相對(duì)應(yīng)的無功功率、視在功率、有功功率和功率因數(shù)角。

發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí),以滯后功率因數(shù)運(yùn)行為主,向系統(tǒng)提供無功，但必要時(shí),也可以減小勵(lì)磁電流,使功率因數(shù)超前,即所謂的進(jìn)相運(yùn)行，以吸收系統(tǒng)多余的無功。

②同步調(diào)相機(jī):

同步調(diào)相機(jī)是空載運(yùn)行的同步電機(jī)，它能在欠勵(lì)或過勵(lì)的情況下向系統(tǒng)吸收或供出無功，裝有自勵(lì)裝置的同步電機(jī)能根據(jù)電壓平滑地調(diào)節(jié)輸入或輸出的無功功率，這是其優(yōu)點(diǎn)。但它的有功損耗大、運(yùn)行維護(hù)復(fù)雜、響應(yīng)速度慢，近來已逐漸退出電網(wǎng)運(yùn)行。

③并聯(lián)電容器：

并聯(lián)電容器補(bǔ)償是目前使用最廣泛的一種無功電源，由于通過電容器的交變電流在相位上正好超前于電容器極板上的電壓，相反于電感中的滯后，由此可視為向電網(wǎng)發(fā)?quot;無功功率：

Q=U2/Xc

其中：Q、U、Xc分別為無功功率、電壓、電容器容抗。

并聯(lián)電容器本身功耗很小，裝設(shè)靈活，節(jié)省投資;由它向系統(tǒng)提供無功可以改善功率因數(shù)，減少由發(fā)電機(jī)提供的無功功率。

④靜止無功補(bǔ)償器：

靜 止無功補(bǔ)償器是由晶閘管所控制投切電抗器和電容器組成，由于晶閘管對(duì)于控制信號(hào)反應(yīng)極為迅速，而且通斷次數(shù)也可以不受限制。當(dāng)電壓變化時(shí)靜止補(bǔ)償器能快速、平滑地調(diào)節(jié)，以滿足動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償?shù)男枰?，同時(shí)還能做到分相補(bǔ)償;對(duì)于三相不平衡負(fù)荷及沖擊負(fù)荷有較強(qiáng)的適應(yīng)性;但由于晶閘管控制對(duì)電抗器的投切過程中 會(huì)產(chǎn)生高次諧波，為此需加裝專門的濾波器。

⑤靜止無功發(fā)生器：

它的主體是一個(gè)電壓源型逆變器，由可關(guān)斷晶閘管適當(dāng)?shù)耐〝?，將電容上的直流電壓轉(zhuǎn)換成為與電力系統(tǒng)電壓同步的三相交流電壓，再通過電抗器和變壓器并聯(lián)接入電網(wǎng)。適當(dāng)控制逆變器的輸出電壓，就可以靈活地改變其運(yùn)行工況，使其處于容性、感性或零負(fù)荷狀態(tài)。

與靜止無功補(bǔ)償器相比，靜止無功發(fā)生器響應(yīng)速度更快，諧波電流更少，而且在系統(tǒng)電壓較低時(shí)仍能向系統(tǒng)注入較大的無功。