淺談工廠供電系統(tǒng)中的功率因數(shù)及無(wú)功補(bǔ)償

■ 唐山職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系 馮培燕 李艷華

1 提高功率因數(shù)的必要性

我國(guó)70%電能的消耗在工業(yè)部門(mén), 而工業(yè)生產(chǎn)中的電氣設(shè)備和電力線(xiàn)路的電能損耗占工業(yè)總消耗的20%-30%。因此，節(jié)能降耗對(duì)工業(yè)企業(yè)是至關(guān)重要的，提高功率因數(shù)是一種非常有效的實(shí)現(xiàn)節(jié)能的途徑。功率因數(shù)（cosφ）是個(gè)反映了電源功率利用率的物理量，以用電設(shè)備產(chǎn)生的有功功率與視在功率的比值來(lái)表示。在供電系統(tǒng)中，輸送的有功功率保持恒定，無(wú)功功率增大的情況下，即功率因數(shù)降低會(huì)引起：

（1） 輸電線(xiàn)路中的傳輸電流變大，增加了輸電線(xiàn)路上的有功功率損耗和電能損耗的。

（2） 系統(tǒng)中輸送的總電流的增加，使供電系統(tǒng)中的電氣元件，如電器設(shè)備、導(dǎo)線(xiàn)等容量增大，導(dǎo)致工廠內(nèi)部的起動(dòng)控制設(shè)備、測(cè)量?jī)x表規(guī)格尺寸增大，最終致使投資費(fèi)用的增大。

（3） 線(xiàn)路的電壓損耗增大, 致使負(fù)荷端的電壓下降, 當(dāng)?shù)陀谠试S偏移值, 嚴(yán)重影響異步電動(dòng)機(jī)及其他用電設(shè)備的正常運(yùn)行。

（4） 使系統(tǒng)內(nèi)的電氣設(shè)備容量不能得以充分利用。

所以，必須設(shè)法提高電網(wǎng)中各相關(guān)部分的功率因數(shù)，以充分利用變、用電設(shè)備的容量, 增加其輸電能力, 減少功率損耗和電能損耗, 以達(dá)到節(jié)約電能和提高供電質(zhì)量的目的。

2 影響功率因數(shù)的主要因素

功率因數(shù)的產(chǎn)生主要是因?yàn)榻涣饔秒娫O(shè)備在其工作過(guò)程中,除產(chǎn)生有功功率損耗外,還產(chǎn)生無(wú)功功率損耗，提高功率因數(shù)問(wèn)題的實(shí)質(zhì)就是減少用電設(shè)備的無(wú)功功率損耗。

（1）大量的感性設(shè)備對(duì)功率因數(shù)的影響

異步電動(dòng)機(jī)和電力變壓器是產(chǎn)生無(wú)功功率損耗的主要感性設(shè)備。異步電動(dòng)機(jī)定子和轉(zhuǎn)子之間的氣隙是決定電動(dòng)機(jī)需要較多無(wú)功功率的主要因素，據(jù)統(tǒng)計(jì), 在工廠所消耗的全部無(wú)功功率中, 異步電動(dòng)機(jī)的消耗占到了60%一70%。變壓器的變壓過(guò)程是由電磁感應(yīng)來(lái)完成的,是由無(wú)功功率建立和維持磁場(chǎng)進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的，變壓器消耗的無(wú)功功率一般約為其額定容量的10%-15%。

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

當(dāng)供電電壓高于額定值的時(shí), 由于磁路飽和, 無(wú)功功率增長(zhǎng)很快；當(dāng)?shù)陀陬~定值時(shí),會(huì)影響電氣設(shè)備的正常工作。

(3)變頻器對(duì)功率因數(shù)的影響

變頻器工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的高次諧波，不僅對(duì)用電設(shè)備的耐壓構(gòu)成威脅，同時(shí)還消耗大量的無(wú)功功率，造成功率因數(shù)的降低，嚴(yán)重的造成周?chē)脑O(shè)備無(wú)法正常工作。

（4）供電線(xiàn)路產(chǎn)生的無(wú)功功率損耗,它是電流通過(guò)線(xiàn)路電抗所產(chǎn)生的。

3.改善功率因數(shù)的方法和措施

提高功率因數(shù)的方法有提高自然功率因數(shù)和采用無(wú)功補(bǔ)償提高功率因數(shù)兩大類(lèi)。

3.1提高自然功率因數(shù)

(1) 合理選用異步感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的型號(hào)和容量，使其接近滿(mǎn)載運(yùn)行；合理更換輕負(fù)荷感應(yīng)電動(dòng)機(jī)或者輕負(fù)荷電動(dòng)機(jī)的接線(xiàn)，防止“大馬拉小車(chē)”；條件允許時(shí),用同等容量的同步電動(dòng)機(jī)代替異步電動(dòng)機(jī)。

（2）避免變壓器空載運(yùn)行或長(zhǎng)期處于低負(fù)載運(yùn)行狀態(tài)。

（3）合理安排和調(diào)整工藝流程，改善電氣設(shè)備的運(yùn)行情況，限制電焊機(jī)、機(jī)床電動(dòng)機(jī)等設(shè)備的空載運(yùn)轉(zhuǎn)。

(4) 使用無(wú)壓運(yùn)行的電磁開(kāi)關(guān)。

3.2采用無(wú)功補(bǔ)償提高功率因數(shù)

提高用電設(shè)備自然功率因數(shù)后, 仍達(dá)不到要求的, 可采用無(wú)功補(bǔ)償方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。

（1）用同步補(bǔ)償器作無(wú)功補(bǔ)償

同步補(bǔ)償器是無(wú)功功率發(fā)電機(jī),它的最大優(yōu)點(diǎn)是可以均勻地調(diào)節(jié)電網(wǎng)電壓水平,但其投資和運(yùn)行費(fèi)用較靜電電容器昂貴得多。因此,除大的電網(wǎng)中樞外,一般工業(yè)企業(yè)應(yīng)用極少。

（2）用靜電電容器（移相電容器或電力電容器）作無(wú)功補(bǔ)償

靜電電容器其產(chǎn)生超前電壓容性電流特性與電動(dòng)機(jī)、變壓器產(chǎn)生滯后電壓感性電流相抵消補(bǔ)償作用。在用戶(hù)線(xiàn)路上分別適當(dāng)并聯(lián)靜電電容器可使前端電網(wǎng)上的無(wú)功電流大大降低, 無(wú)功消耗即得到補(bǔ)償。由于靜電電容器本身具有功率損耗極小,使用壽命較長(zhǎng),且容易安裝的特點(diǎn),因此,在一般工業(yè)企業(yè)中廣泛采用的補(bǔ)償裝置是靜電電容器。

在感性電路中并聯(lián)電容器進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償是提高功率因數(shù)的有效方法，其補(bǔ)償方式有個(gè)別補(bǔ)償、分組分散補(bǔ)償和集中補(bǔ)償三種。

4、并聯(lián)電容器補(bǔ)償容量和數(shù)量的確定

功率因數(shù)由cosφ1提高到cosφ2,電容器的補(bǔ)償容量應(yīng)為

式中：Pav— —最大有功計(jì)算負(fù)荷

α — —平均有功負(fù)荷系數(shù)

tgφ1、tgφ2— —補(bǔ)償前、后功率因數(shù)角的正切值

在確定了總補(bǔ)償容量Qc后，可根據(jù)所選擇的并聯(lián)電容器單只容量Qc1來(lái)確定并聯(lián)電容器的個(gè)數(shù)

注：用電容器補(bǔ)償時(shí)，要考慮實(shí)際運(yùn)行電壓可能與額定電壓不同，則電容器能補(bǔ)償?shù)膶?shí)際容量將低于額定容量，此時(shí)應(yīng)對(duì)此額定容量進(jìn)行修正，修正計(jì)算見(jiàn)公式（3）。當(dāng)然，實(shí)際運(yùn)行電壓只能低于或等于額定電壓，除不得已情況下，應(yīng)避免降壓使用電容器。

其中：

QN為電容器銘牌上的額定容量（kvar）；

Qe為電容器在實(shí)際運(yùn)行電壓下的容量（kvar）；

UN為電容器的額定電壓（kv）;

U為電容器的實(shí)際運(yùn)行電壓（kv）。

（2）式所得的數(shù)值，對(duì)三相電容器應(yīng)取相近偏大的整數(shù)，若為單相電容器則應(yīng)取3的整數(shù)倍以便三相均衡分配。三相電容器, 通常在其內(nèi)部接成三角形。單相電容器的電壓若與網(wǎng)絡(luò)額定電壓相等時(shí)則應(yīng)將電容器接成三角形接線(xiàn), 只有當(dāng)電容器的電壓低于額定電壓時(shí)才接成星形接線(xiàn)。相同的電容器接成三角形接線(xiàn), 所補(bǔ)償?shù)臒o(wú)功容量是星形接線(xiàn)的三倍。若補(bǔ)償量相同, 采用三角形接線(xiàn)比星形接線(xiàn)可節(jié)約電容值三分之二, 因此電容器組多接成三角形接線(xiàn)。

5、無(wú)功補(bǔ)償?shù)膬?yōu)點(diǎn)

（1）改善電能質(zhì)量

合理安裝無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備可以減少電壓損失,降低電壓波動(dòng),有效改善電網(wǎng)質(zhì)量。

負(fù)荷 ( P + JQ )；

電壓損失△U，ΔU = (PR +QX ) /U。

其中，U為線(xiàn)路額定電壓，kV；

P為輸送的有功功率，kW；

Q為輸送的無(wú)功功率，kvar；

R為線(xiàn)路電阻，Ω；

X為線(xiàn)路電抗，Ω。

安裝無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備容量Qc 后，線(xiàn)路電壓降為ΔU1，Δ U1= [PR +（Q-Qc）] X /U，很明顯，ΔU1<ΔU，即安裝補(bǔ)償電容后電壓損失減小了。由此得出接入無(wú)功補(bǔ)償容量Q c后電壓升高：ΔU1-ΔU = Qc X /U,由于越靠近線(xiàn)路末端，線(xiàn)路的電抗X 越大，因此，越靠近線(xiàn)路末端裝設(shè)無(wú)功補(bǔ)償裝置效果越好。

（2）降低線(xiàn)路電能損耗、變壓器損耗

采用無(wú)功補(bǔ)償主要是為了降損節(jié)能, 如輸送的有功功率為定值, 加裝無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備后功率因數(shù)由cosφ1提高到cos φ2, 因?yàn)镻=VIcosφ, 負(fù)荷電流I與cosφ成反比, 又由于P=I2R,線(xiàn)路的有功損失與電流的平方成正比。當(dāng)cosφ升高,負(fù)荷電流降低, 線(xiàn)路有功損耗必然降低（見(jiàn)表1 ）；另外由于合成電流減小,可以用較小的導(dǎo)線(xiàn)截面輸送相同的有功功率節(jié)約有色金屬。

另外，變壓器隨著功率因數(shù)的增高其銅損大幅下降，不同功率因數(shù)下銅損百分比見(jiàn)表2。

（3） 提高設(shè)備利用率

提高功率因數(shù),會(huì)提高設(shè)備利用率, 充分發(fā)揮設(shè)備潛能，減少投資。無(wú)功補(bǔ)償提高了功率因數(shù)后, 電動(dòng)機(jī)的負(fù)載率會(huì)得到提高，電動(dòng)機(jī)需要電網(wǎng)提高的供用電能力也將減??；還會(huì)使變壓器的供電能力得到加強(qiáng)，見(jiàn)表3。舉例，對(duì)于額定容量SN為1000kVA的變壓器， 當(dāng)功率因數(shù)cosφ為0.7時(shí),變壓器的供電能力只有,當(dāng)采取無(wú)功補(bǔ)償措施使cosφ為0.9時(shí), 其供電能力可提高到900kVA。換言之, 當(dāng)用電功率一定時(shí),功率因數(shù)提高可使選用變壓器的額定容量減小，因?yàn)樽儔浩鞯膯蝺r(jià)隨其額定容量增大而增大，故補(bǔ)償后可減少投資。

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?

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（4）節(jié)約電費(fèi)

供電部門(mén)對(duì)工業(yè)用戶(hù)功率因數(shù)規(guī)定0.9為不獎(jiǎng)不懲的界限，高于或低于0.9 時(shí)相應(yīng)減收或增收電費(fèi)直至停止供電，當(dāng)用戶(hù)進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償將功率因數(shù)提高到0.9 以后，每提高一個(gè)0.1%，供電部門(mén)按月電量0.15%獎(jiǎng)勵(lì)用戶(hù)，低于0.9時(shí)，可根據(jù)電價(jià)手冊(cè)查出應(yīng)增收的功率因數(shù)調(diào)節(jié)電費(fèi)。所以，工廠企業(yè)無(wú)功補(bǔ)償提高功率因數(shù)的節(jié)能分為兩部分：能耗節(jié)約和功率獎(jiǎng)勵(lì)。

功率獎(jiǎng)勵(lì)：用戶(hù)的功率因數(shù)在0.9 的基礎(chǔ)上，將功率因數(shù)再提高后可得到的功率獎(jiǎng)勵(lì)為

Y=A(cosφ2-0.9)×0.15%×K （4）

式中，Y 為功率獎(jiǎng)勵(lì)(元)；

A 為用戶(hù)月電量（kWh）；

為無(wú)功補(bǔ)償后的功率因數(shù)；

K 為單位電量的價(jià)格（元/ kWh）

案例，某廠年用電量約為2億kWh，補(bǔ)償前整個(gè)電力系統(tǒng)的功率因數(shù)只有0. 87, 通過(guò)對(duì)全廠供配電系統(tǒng)安裝并聯(lián)移相電容器組補(bǔ)償后，功率因數(shù)達(dá)到0. 95，補(bǔ)償效果非常明顯。以線(xiàn)損為例, 功率因數(shù)補(bǔ)償后,每年可減低線(xiàn)損約為200萬(wàn)kWh,每度電按0. 5元計(jì)算,可節(jié)約電費(fèi)開(kāi)支100萬(wàn)元,加上電力系統(tǒng)功率因數(shù)獎(jiǎng)60萬(wàn)元,每年共計(jì)節(jié)約電費(fèi)開(kāi)支140萬(wàn)元。

結(jié)束語(yǔ)

功率因數(shù)是衡量供用電系統(tǒng)的一項(xiàng)重要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，文中介紹了影響功率因數(shù)的主要因素和提高功率因數(shù)的方法,討論了如何確定無(wú)功功率的補(bǔ)償容量,并結(jié)合實(shí)際說(shuō)明,采取有效的無(wú)功補(bǔ)償措施后, 使發(fā)供電設(shè)備得到充分利用，降低了供電系統(tǒng)損耗,提高了電壓質(zhì)量,并節(jié)約電能,減少了企業(yè)的電費(fèi)開(kāi)支, 降低工業(yè)產(chǎn)品的成本，提高了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)能相應(yīng)的節(jié)省煤炭的消耗，減少大氣污染，利于環(huán)保。

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