無(wú)功功率補(bǔ)償及功率因數(shù)改善

摘要：文章討論了無(wú)功功率的定義、產(chǎn)生，以及無(wú)功功率的作用及危害，并從原理上分析了無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)，探討了幾種低壓無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)。文章對(duì)于了解無(wú)功功率以及進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償，改善功率因數(shù)，提高供電效率具有一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：無(wú)功功率；功率因數(shù)；無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)

中圖分類(lèi)號(hào)：TM46文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1009-2374（2009）07-0110-02

一、無(wú)功功率和功率因數(shù)的定義

（一）有功功率和無(wú)功功率

在交流電路中，由電源供給負(fù)載的電功率有兩種：一種是有功功率，一種是無(wú)功功率。有功功率是保持用電設(shè)備正常運(yùn)行所需的電功率，也就是將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能、光能、熱能等的電功率。無(wú)功功率比較抽象，它是用于電路內(nèi)電場(chǎng)與磁場(chǎng)的交換，并用來(lái)在電氣設(shè)備中建立和維持磁場(chǎng)的電功率。它不對(duì)外做功，但是只要有電磁線圈的電氣設(shè)備，就要消耗無(wú)功功率。

（二）功率因數(shù)

電網(wǎng)中的電力負(fù)荷如電動(dòng)機(jī)、變壓器等，屬于既有電阻又有電感的電感性負(fù)載。電感性負(fù)載的電壓和電流的相量間存在著一個(gè)相位差，這個(gè)相位差（Φ）的余弦叫做功率因數(shù)，用符號(hào)cosΦ表示，在數(shù)值上功率因數(shù)是有功功率和視在功率的比值，即cosΦ=P/S。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。只有把電路中的無(wú)功功率降到最小，才能將視在功率大部分用來(lái)供給有功功率，改善供電效率。

二、無(wú)功功率的產(chǎn)生和作用

（一）無(wú)功功率的產(chǎn)生

在具有電感或電容的電路中，在每半個(gè)周期內(nèi)，電感（或電容）把電源能量變成磁場(chǎng)（或電場(chǎng)）能量貯存起來(lái)，然后再把貯存的磁場(chǎng)（或電場(chǎng)）能量釋放返回給電源。這種情況下只是進(jìn)行能量的交換，并沒(méi)有真正消耗能量，我們把這個(gè)交換的功率值稱(chēng)為無(wú)功功率。正因?yàn)槿绱?，無(wú)功功率比較抽象，它在電路中來(lái)回流動(dòng)。盡管無(wú)功功率說(shuō)明一個(gè)元件的平均功率為零，但它代表了在電感或電容中儲(chǔ)存及釋放磁場(chǎng)能量或電場(chǎng)能量所需要的真實(shí)功率。電力網(wǎng)中，在電源、電感元件和電容元件之間發(fā)生能量的交換。與無(wú)功功率相關(guān)的能量是儲(chǔ)存的電感性及電容性能量之和。

（二）無(wú)功功率的作用

無(wú)功功率決不是無(wú)用功率，它的用處很大。電動(dòng)機(jī)需要建立和維持旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)機(jī)械運(yùn)動(dòng)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)就是靠從電源取得無(wú)功功率建立的。變壓器也同樣需要無(wú)功功率，才能使變壓器的一次線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)，在二次線圈感應(yīng)出電壓。因此，沒(méi)有無(wú)功功率，電動(dòng)機(jī)就不會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)，變壓器也不能變壓，交流接觸器不會(huì)吸合。

三、無(wú)功功率的危害

盡管無(wú)功功率說(shuō)明一個(gè)元件的平均功率為零，但它代表了在電感或電容中儲(chǔ)存及釋放磁場(chǎng)能量或電場(chǎng)能量所需要的真實(shí)功率。電力系統(tǒng)中某些點(diǎn)之間由于無(wú)功功率不斷來(lái)回地交換引起發(fā)電、輸電及供配電設(shè)備上的電壓損耗及功率損失。由于電力系統(tǒng)的效率及電壓調(diào)整十分重要，因此無(wú)功功率在電力系統(tǒng)的傳輸是頭等重要的。

無(wú)功功率的增加，會(huì)導(dǎo)致電流增大和視在功率增加，從而使發(fā)電機(jī)、變壓器及其他電氣設(shè)備容量和導(dǎo)線容量增加，也降低了發(fā)電機(jī)的有功功率的輸出，降低了輸變電設(shè)備的供電能力。無(wú)功功率的增加，使總電流增大，因而使設(shè)備及線路的損耗增加，這是顯而易見(jiàn)的。無(wú)功功率的增加，使線路及變壓器的電壓降增大，如果是沖擊性無(wú)功功率負(fù)載，還會(huì)使電壓產(chǎn)生劇烈波動(dòng)，使供電質(zhì)量嚴(yán)重降低。

無(wú)功功率還造成了低功率因數(shù)運(yùn)行和電壓下降，使電氣設(shè)備容量得不到充分發(fā)揮。所以我們要盡量減小無(wú)功功率的影響：（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(wú)功功率的主要消耗者。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(wú)功功率一般約為其額定容量的10%～15%，它的空載無(wú)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(zhǎng)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(wú)功功率將增長(zhǎng)得很快，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。

當(dāng)然，上述這些措施只是從一定程度上減小了無(wú)功功率的危害，如果要從根本上減小無(wú)功功率的影響，改善功率因數(shù)的話，我們需要引入無(wú)功功率補(bǔ)償技術(shù)。

四、無(wú)功功率補(bǔ)償

（一）無(wú)功功率的補(bǔ)償原理

設(shè)補(bǔ)償后無(wú)功功率為Qc,使電源輸送的無(wú)功功率減少為Q=Q-Qc,功率因數(shù)由cosΦ提高到cosΦ,視在功率S減少到S,視在功率的減小可相應(yīng)減小供電線路的截面和變壓器的容量，降低供用電設(shè)備的投資。

可知，采用無(wú)功補(bǔ)償措施后，因?yàn)橥ㄟ^(guò)電力網(wǎng)無(wú)功功率的減少，降低了電力網(wǎng)中的電壓損耗，提高了用戶的電壓質(zhì)量。由于越靠近線路末端，線路的電抗X越大，因此越靠近線路末端裝設(shè)無(wú)功補(bǔ)償裝置效果越好。

（二）無(wú)功補(bǔ)償?shù)淖饔?/p>

1．提高電網(wǎng)及負(fù)載的功率因數(shù)，降低設(shè)備所需容量，減少不必要的損耗；

2．穩(wěn)定電網(wǎng)電壓，提高電網(wǎng)質(zhì)量，而在長(zhǎng)距離輸電線路中安裝合適的無(wú)功補(bǔ)償裝置可提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性及輸電能力；

3．在三相負(fù)載不平衡的場(chǎng)合，可對(duì)三相視在功率起到平衡作用。

（三）低壓網(wǎng)無(wú)功補(bǔ)償?shù)囊话惴椒?/p>

低壓無(wú)功補(bǔ)償我們通常采用的方法主要有三種：隨機(jī)補(bǔ)償、隨器補(bǔ)償、跟蹤補(bǔ)償。下面簡(jiǎn)單介紹這三種補(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．隨機(jī)補(bǔ)償。隨機(jī)補(bǔ)償就是將低壓電容器組與電動(dòng)機(jī)并接，通過(guò)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)償電動(dòng)機(jī)的無(wú)功消耗，以補(bǔ)償磁無(wú)功為主，此種方式可較好地限制農(nóng)網(wǎng)無(wú)功峰荷。

隨機(jī)補(bǔ)償?shù)膬?yōu)點(diǎn)是：用電設(shè)備運(yùn)行時(shí)，無(wú)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，而且不需頻繁調(diào)整補(bǔ)償容量。具有投資少、占位小、安裝容易、配置方便靈活、維護(hù)簡(jiǎn)單、事故率低等特點(diǎn)。

2．隨器補(bǔ)償。隨器補(bǔ)償是指將低壓電容器通過(guò)低壓保險(xiǎn)接在配電變壓器二次側(cè)，以補(bǔ)償配電變壓器空載無(wú)功的補(bǔ)償方式。配變?cè)谳p載或空載時(shí)的無(wú)功負(fù)荷主要是變壓器的空載勵(lì)磁無(wú)功，配變空載無(wú)功是農(nóng)網(wǎng)無(wú)功負(fù)荷的主要部分，對(duì)于輕負(fù)載的配變而言，這部分損耗占供電量的比例很大，從而導(dǎo)致電費(fèi)單價(jià)的增加，不利于電費(fèi)的同網(wǎng)同價(jià)。

隨器補(bǔ)償?shù)膬?yōu)點(diǎn)是：接線簡(jiǎn)單、維護(hù)管理方便、能有效地補(bǔ)償配變空載無(wú)功，限制農(nóng)網(wǎng)無(wú)功基荷，使該部分無(wú)功就地平衡，從而提高配變利用率，降低無(wú)功網(wǎng)損，具有較高的經(jīng)濟(jì)性，是目前補(bǔ)償無(wú)功最有效的手段之一。

3．跟蹤補(bǔ)償。跟蹤補(bǔ)償是指以無(wú)功補(bǔ)償投切裝置作為控制保護(hù)裝置，將低壓電容器組補(bǔ)償在大用戶0.4kv母線上的補(bǔ)償方式。適用于100kVA以上的專(zhuān)用配變用戶，可以替代隨機(jī)、隨器兩種補(bǔ)償方式，補(bǔ)償效果好。

跟蹤補(bǔ)償?shù)膬?yōu)點(diǎn)是：運(yùn)行方式靈活，運(yùn)行維護(hù)工作量小，比前兩種補(bǔ)償方式壽命相對(duì)延長(zhǎng)、運(yùn)行更可靠。但缺點(diǎn)是控制保護(hù)裝置復(fù)雜、首期投資相對(duì)較大。但當(dāng)這三種補(bǔ)償方式的經(jīng)濟(jì)性接近時(shí)，應(yīng)優(yōu)先選用跟蹤補(bǔ)償方式。

五、結(jié)論

本文簡(jiǎn)單討論了無(wú)功功率的定義、產(chǎn)生，分析了無(wú)功功率的作用及危害，并從原理上分析了無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)，探討了幾種低壓無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)。本文對(duì)于了解無(wú)功功率以及進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償具有一定的指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)

[1]陳允平，等．基于任意周期電壓電流的無(wú)功功率定義及其數(shù)學(xué)模型[J]．中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2006，26（4）．

[2]吳捷，等．交流異步電動(dòng)機(jī)無(wú)功功率補(bǔ)償?shù)募夹g(shù)探討[J]．云南電力技術(shù)，2007，35（4）．

[3]陸安定．功率因數(shù)與無(wú)功補(bǔ)償[M]．上?？茖W(xué)普及出版社，2004．

作者簡(jiǎn)介：卜偉忠（1974－），國(guó)家電網(wǎng)公司浙江桐鄉(xiāng)市供電局助理工程師，用電檢查技師，研究方向：用電檢查和電力營(yíng)銷(xiāo)服務(wù)。