提高功率因數(shù)的必要性及其方法

摘要：根據(jù)功率因數(shù)的特性，論文描述了電力系統(tǒng)在低功率因數(shù)狀態(tài)下的不利表現(xiàn)，如線路的銅損較大，發(fā)電設(shè)備的容量不能充分利用，增加了線路、發(fā)電機(jī)繞組的功率損耗和加大投資等。提高功率因數(shù)可以降低生產(chǎn)成本、改善設(shè)備的利用率，減少線路的壓降和提高電力網(wǎng)的傳輸能力、增加經(jīng)濟(jì)效益等特點(diǎn)。研究和分析得出了提高自然功率因數(shù)的方法和提高功率因數(shù)的人工補(bǔ)償方法等。用戶功率因數(shù)的高低，直接關(guān)系到整個(gè)電力網(wǎng)電能損耗和電壓的穩(wěn)定性，從而制約著供電區(qū)域的供電質(zhì)量，提高功率因數(shù)勢(shì)在必行。

關(guān)鍵詞：功率因數(shù) 提高 必要性 方法

功率因數(shù)定義為電力電網(wǎng)中負(fù)載的有功功率P占視在功率S的百分比數(shù)。隨著經(jīng)濟(jì)的日益發(fā)展，電力需求不斷提高，伴隨而來的突出問題是能源無效的巨大消耗，資源利用率低下。電力系統(tǒng)是一個(gè)龐大的系統(tǒng)，其電能損耗的數(shù)值相當(dāng)可觀，能源的合理配置是極需解決的問題。功率因數(shù)是決定發(fā)、供電系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益的一個(gè)極為重要的因素，它直接反映了系統(tǒng)中有功功率與無功功率的分配。在電力網(wǎng)的運(yùn)行中，我們總是希望功率因數(shù)越大越好，從而提高能源的利用率。因此，對(duì)于整個(gè)電網(wǎng)來說，有效地搞好無功功率的補(bǔ)償，可以改善提高用戶功率因數(shù)，有效地降低電能損失，減少用戶電費(fèi)。

1 影響功率因數(shù)的主要因素

功率因數(shù)的產(chǎn)生，主要體現(xiàn)在下面幾個(gè)功率之間的關(guān)系中。電力網(wǎng)絡(luò)除了有負(fù)載的有功功率P，還要負(fù)擔(dān)負(fù)荷的無功功率Q，有功功率P、無功功率Q和視在功率S，這些功率之間存在下述關(guān)系：

S=■（1）

而P與S之比即：

λ=cos？漬=PS（2）

λ被定義為電力網(wǎng)絡(luò)的功率因數(shù)，其物理意義是線路的視在功率S供給有功功率的消耗所占百分?jǐn)?shù)。在電力網(wǎng)供電工程中，電源供給負(fù)載的總功率中，由于存在著有功功率做功，無功功率不做功，在相同數(shù)值的視在功率的情況下，有功功率占的比重越大，能量利用率就越高，功率因數(shù)就越大，功率因數(shù)是決定發(fā)、供電系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益的一個(gè)極為重要的因素，它直接反映了系統(tǒng)中有功功率與無功功率的分配。

在供電系統(tǒng)中，絕大多數(shù)用電設(shè)備都具有電感的特性（諸如：感應(yīng)電動(dòng)機(jī)、電力變壓器，電焊機(jī)等），這些設(shè)備不僅需要從電力系統(tǒng)吸收有功功率，還要“吸收”無功功率。然而在完成輸送額定有功功率的情況下，無功功率增大，就會(huì)降低供電系統(tǒng)的功率因數(shù)。因此，功率因數(shù)是衡量供電系統(tǒng)電能利用程度及電氣設(shè)備使用狀況的一個(gè)具有代表性的重要指標(biāo)，而如何改善功率因數(shù)有很重要的意義。

1.1 異步電動(dòng)機(jī)和電力變壓器是耗用無功功率的主要設(shè)備

異步電動(dòng)機(jī)的定子與轉(zhuǎn)子間的氣隙是決定異步電動(dòng)機(jī)需要較多無功功率的主要因素。而異步電動(dòng)機(jī)所耗用的無功功率是由其空載時(shí)的無功功率和一定負(fù)載下無功功率增加值兩部分所組成的。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。變壓器消耗無功功率的主要成份是它的空載無功功率，它和負(fù)載率的大小無關(guān)。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(zhǎng)期處于低負(fù)載運(yùn)行狀態(tài)。

1.2 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，無功功率增長(zhǎng)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)，一般工廠的無功功率將增加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。

1.3 電網(wǎng)頻率的波動(dòng)也會(huì)對(duì)異步電機(jī)和變壓器的磁化無功功率造成一定的影響

我們知道了影響電力系統(tǒng)功率因數(shù)的一些主要因素，因此我們要尋求一些行之有效的、能夠使低壓電力網(wǎng)功率因數(shù)提高的一些實(shí)用方法，使低壓網(wǎng)能夠?qū)崿F(xiàn)無功的就地平衡，達(dá)到降損節(jié)能的效果。

2 提高功率因數(shù)的方法

提高功率因數(shù)的途徑主要在于如何減少電力系統(tǒng)中各個(gè)部分所需的無功功率，特別是減少負(fù)荷取用的無功功率，使電力系統(tǒng)在輸送一定的有功功率時(shí)，可降低其中通過的無功電流。提高功率因數(shù)，最常用的方法就是與電感性負(fù)載并聯(lián)靜電電容器（設(shè)置在用戶或變電所中），其電路圖和相量圖如圖1所示。并聯(lián)電容器以后，電感性負(fù)載的電流I=U和功率因數(shù)cos？漬1=R均未變化，這是因?yàn)樗与妷汉拓?fù)載參數(shù)沒有改變。但電壓u和線路電流i之間的相位差？漬變小了，即cos？漬變大了。這里我們所講的提高功率因數(shù)，是指提高電源或電網(wǎng)的功率因數(shù)，而不是指提高某個(gè)電感性負(fù)載的功率因數(shù)。在電感性負(fù)載上并聯(lián)了電容器以后，減少了電源與負(fù)載之間的能量互換。這時(shí)電感性負(fù)載所需的無功功率，大部分或全部都是就地供給（有電容器供給），就是說能量的互換現(xiàn)在主要或完全發(fā)生在電感性負(fù)載與電容器之間，因而使發(fā)動(dòng)機(jī)容量得到充分利用。

其次，由相量圖可見，并聯(lián)電容器以后線路電流也減少了（電流相量相加），因而減小了功率損耗。利用上述原理，提高功率因數(shù)可以用以下幾種方法：

①對(duì)于采用并聯(lián)電容器進(jìn)行無功補(bǔ)償，在高、低壓配電所內(nèi)設(shè)置若干組電容器組，電容器接在配電母線上，補(bǔ)償該配電所供電范圍內(nèi)的無功功率，并使總功率因數(shù)達(dá)到所規(guī)定的值以上。把無功補(bǔ)償器直接接在異步電動(dòng)機(jī)旁或進(jìn)線端子上。這種補(bǔ)償方法相當(dāng)于把無功電源直接搬移到異步電動(dòng)機(jī)旁，使異步電動(dòng)機(jī)所需要的大部分無功功率由無功就地補(bǔ)償器供給，無功功率僅在異步電動(dòng)機(jī)和并聯(lián)電容器之間流動(dòng)。從而消除了無功電流在高、低壓線路上的流動(dòng)，減少線路負(fù)荷和損耗。

②靜止補(bǔ)償器：是一種利用電容器和各種類型的電抗器，進(jìn)行無功靜止補(bǔ)償?shù)难b置，它可向電網(wǎng)提供可變動(dòng)的容性和感性無功功率。靜止無功補(bǔ)償裝置（簡(jiǎn)稱SVC）是指凡是能夠以無機(jī)械傳動(dòng)部件而達(dá)到提供無功出力的裝置。它是由靜電電容器和晶閘管等部件組合而成的。目前，世界各工業(yè)發(fā)達(dá)國家所制造并已投入運(yùn)行的靜止無功功率裝置的類型很多，在實(shí)際應(yīng)用中較普遍的是采用固定電容性加可變電感性的，也就是說一組或幾組容量較大的固定電容性加上一臺(tái)容量相對(duì)略小的可變電感性構(gòu)成一套SVC可變無功電源裝置。

3 總結(jié)

功率因數(shù)太低對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)很不利，想方設(shè)法提高功率因數(shù)對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)的必要性有重要意義。同時(shí)提高功率因數(shù)必然對(duì)國家能源的利用、企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益起到促進(jìn)作用，是保證電力系統(tǒng)電能質(zhì)量、電壓質(zhì)量、降低網(wǎng)絡(luò)損耗以及安全運(yùn)行所不可缺少的條件，它不僅能夠減少電費(fèi)開支，提高企業(yè)自身的經(jīng)濟(jì)效益，而且能夠?yàn)閲夜?jié)約資源，減少有害氣體排放。

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作者簡(jiǎn)介：黃偉林（1984-），男，湖南漢壽人，助教，大學(xué)本科，主要從事樓宇智能化及建筑電氣控制相關(guān)教學(xué)與研究。