淺談提高工業(yè)企業(yè)電力系統(tǒng)功率因數(shù)的方法

顓孫兵

淺談提高工業(yè)企業(yè)電力系統(tǒng)功率因數(shù)的方法

顓孫兵

(淮北萬(wàn)里昌泰電氣有限公司,安徽淮北 235000)

功率因素是衡量企業(yè)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)。文章從提高功率因素的基本措施入手,探討了提高電力系統(tǒng)功率因素的意義和方法,并給出應(yīng)用實(shí)例。

有功功率;無(wú)功功率;功率因數(shù)

工業(yè)企業(yè)電力系統(tǒng)常用的移相電容器補(bǔ)償方式有三種:集中補(bǔ)償、分組補(bǔ)償和個(gè)別補(bǔ)償。企業(yè)電力系統(tǒng)的補(bǔ)償方式的選擇,要視企業(yè)的具體情況而確定。例如,從無(wú)功就地平衡來(lái)說(shuō),個(gè)別補(bǔ)償效果最好(個(gè)別補(bǔ)償應(yīng)用于大容量、長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行、無(wú)功功率需要量較大的用電設(shè)備,或者距電源較遠(yuǎn),不便于實(shí)現(xiàn)分組補(bǔ)償?shù)膱?chǎng)合,這種方式可以減少配線電流、導(dǎo)線截面及配電變壓器的容量)。不論采取什么樣的補(bǔ)償,補(bǔ)償電容的容量必須選擇適當(dāng),而這一切都是為了提高交流電力系統(tǒng)的功率因數(shù)。功率因數(shù)是衡量企業(yè)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)。

1 有功功率與無(wú)功功率

企業(yè)的用電設(shè)備,大部分都是用電磁感應(yīng)原理來(lái)進(jìn)行工作的:比如電力變壓器、電焊機(jī)和感應(yīng)電動(dòng)機(jī)就是用電磁感應(yīng)的原理來(lái)實(shí)現(xiàn)的。這樣的用電設(shè)備必須從電網(wǎng)上吸收兩種能量,一部分能量用于做功,轉(zhuǎn)化為機(jī)械能、熱能、化學(xué)能及光能等能量形式,這部分能量用于生產(chǎn)和生活所需,稱為有功功率;另一部分能量用來(lái)產(chǎn)生交變磁場(chǎng),它由電能轉(zhuǎn)化磁能,又由磁能轉(zhuǎn)化為電能,是依靠磁場(chǎng)來(lái)傳送和轉(zhuǎn)換能量,沒(méi)有磁場(chǎng),它們就不能工作,這種轉(zhuǎn)化只在電源和用電設(shè)備之間進(jìn)行,不對(duì)外輸出能量,不對(duì)外做功,這部分功率稱為無(wú)功功率(“無(wú)功”不是“沒(méi)用”,而正是這類設(shè)備正常工作必不可少的條件)。

有功功率與無(wú)功功率都是電能的應(yīng)用所必需的。若有用功率不足,則不能滿足用電負(fù)荷的需要,且電網(wǎng)質(zhì)量變壞,威脅發(fā)電廠的安全;若無(wú)功功率不足,電網(wǎng)質(zhì)量同樣變壞,電網(wǎng)電壓降低,用電設(shè)備電流上升,電機(jī)過(guò)流、發(fā)熱,導(dǎo)致用電設(shè)備的絕緣損壞。

2 功率因數(shù)

我們把有功功率與無(wú)功功率的合成功率稱為視在功率(視在功率也叫表觀功率),對(duì)電源來(lái)說(shuō),它僅表示電源所具備的提供能量的本領(lǐng),視在功率確定后,有功功率分量高稱為功率因數(shù)高;無(wú)功功率分量高稱為功率因數(shù)低。有功功率與無(wú)功功率都是靠發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的,然而,用電設(shè)備需要的功率都是有電感性與電容性的不同區(qū)別(變壓器與電動(dòng)機(jī)這些電感性的用電設(shè)備的無(wú)功功率的向量滯后于電壓;移相電容器等的容性元件,其無(wú)功功率的向量是超前于電壓的),前者是落后電壓90°,后者是超前電壓90°,兩個(gè)分量正好在同一直線上,但方向相反。所以在系統(tǒng)中加上移相電容器以后,可以抵消部分電感性用電設(shè)備的無(wú)功成分,有功的成分就增加了,即功率因數(shù)就提高了。

3 功率三角形

上面講述的有功功率、無(wú)功功率與視在功率的概念,它們之間的關(guān)系可以用功率三角形表示(如圖1)

圖1

圖中:P表示功率,單位用kW(千瓦)表示;Q表示無(wú)功功率,單位用kvar(千乏)表示;S表示視在功率,單位用kVA(千伏安)表示;<表示功率因數(shù)角。

由圖可以看出:cos<=P/S;從功率三角形可以看出,要使有功功率P在視在功率S中的分量增大,功率因數(shù)角<在0°～90°之間。當(dāng)Q趨近于0時(shí),<角也趨近于0,功率因數(shù)角<的余弦值就趨近于1。如果在電力系統(tǒng)中加裝了移相電容器,感性設(shè)備吸收能量時(shí),正好移相電容器釋放能量,感性負(fù)荷所需的無(wú)功功率,可用移相電容器的無(wú)功輸出補(bǔ)償,因此電網(wǎng)與變壓器等就減少了無(wú)功輸送,企業(yè)得到了很好的經(jīng)濟(jì)效益。

4 提高功率因數(shù)的意義

企業(yè)用電設(shè)備的負(fù)荷,有感性負(fù)荷、純電阻性負(fù)荷、電容性負(fù)荷(電容性負(fù)荷比較少)。如果在電力系統(tǒng)中加裝移相電容器,如圖2所示,容性電流Ic超前電壓90°,可以抵消一部分相位滯后于電壓90°的感性電流I1,從而使總電流變化為IL-Ic,使負(fù)載電流I1變?yōu)镮2,功率因數(shù)角從<1減少為<2。

圖2

根據(jù)y=cos<的余弦函數(shù)圖像,如圖3所示,在0—π/2區(qū)間內(nèi)<值越小,其函數(shù)值越大;當(dāng)<為0時(shí),y值為1。因?yàn)?1><,提高了功率因數(shù)值。功率因數(shù)在數(shù)值上有如下關(guān)

(千乏時(shí));WP為有功電能消耗量(千瓦時(shí))?？梢酝茖?dǎo)出以看出,在WP額定的情況下,cos<值越高,WQ越小(即當(dāng)cos<趨近于1時(shí),1-cos2<趨于0,WQ趨近于0),WP就提高了,所以提高功率因數(shù)是必要的。

圖3

當(dāng)供電系統(tǒng)中輸送的有功功率維持恒定的情況下,無(wú)功功率增大,即供電系統(tǒng)的功率因數(shù)降低將會(huì)引起:(1)系統(tǒng)中輸送的總電流增加,使得供電系統(tǒng)中的電氣元件,如變壓器、電器設(shè)備、導(dǎo)線等容量增大,從而使儀表等規(guī)格尺寸增大,因而增大了初投資費(fèi)用。(2)由于無(wú)功功率的增大而引起的總電流的增加,使得設(shè)備及供電線路的有功功率損耗相應(yīng)地增大。(3)由于供電系統(tǒng)中的總電流增大,使得系統(tǒng)中的電壓損失增加,調(diào)壓困難。(4)對(duì)發(fā)電設(shè)備來(lái)說(shuō),轉(zhuǎn)子繞組溫升過(guò)高,發(fā)電機(jī)達(dá)不到預(yù)定的出力。因此要提高功率因數(shù)。

5 提高功率因數(shù)的一個(gè)應(yīng)用

企業(yè)的感性負(fù)載大部分是異步電動(dòng)機(jī),運(yùn)行時(shí)要消耗一定的無(wú)功功率,使得電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)不高。如果給電動(dòng)機(jī)就地補(bǔ)償電容,不但使高壓線路及變壓器上的電流減小,低壓干線和分支線上電流也同樣減少,而且使得線路的有功損耗也有所減少。下面給出異步電動(dòng)機(jī)的電容補(bǔ)償參數(shù)計(jì)算公式,方便大家參考。

設(shè)補(bǔ)償前電機(jī)的無(wú)功功率為Q1,補(bǔ)償電容器后的無(wú)功功率為Q2,則電容補(bǔ)償?shù)臒o(wú)功功率QC=Q1-Q2=p1P1、P2為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)輸入/輸出的有功功率;η為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)效率;<1、<2為電容器補(bǔ)償前后的功率因數(shù)角。

補(bǔ)償前的功率因數(shù):cos<1=(cos

補(bǔ)償后的功率因數(shù)cos<2,一般為0.95,如果再提高,則所需電容投資大,不經(jīng)濟(jì)。

確定了所需補(bǔ)償?shù)臒o(wú)功功率QC之后,那么補(bǔ)償電容壓(V);QC為電容補(bǔ)償?shù)臒o(wú)功功率(Var)。

值得注意的是,個(gè)別補(bǔ)償?shù)碾娙萑萘繎?yīng)根據(jù)電動(dòng)機(jī)的功率、負(fù)載率及電網(wǎng)情況適當(dāng)考慮,避免過(guò)補(bǔ)償或欠補(bǔ)償狀態(tài)的出現(xiàn)。

[1] 李瑞祥:高壓輸電線路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)[M]1北京:水力電力出版社,1994.

[2] 李光輝1架空輸電線路設(shè)計(jì)[M].北京:中國(guó)三峽出版社,20001

[3] 高虹亮1架空輸電線路運(yùn)行與檢查[M]1北京:中國(guó)三峽出版社,2000.

[4] 杜玉清1架空輸電線路運(yùn)行和檢修基礎(chǔ)知識(shí)[M]1北京:水力電力出版社,1990.

責(zé)任編輯:何玉付

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顓孫兵(19762),男,安徽蕭縣人,安徽省淮北萬(wàn)里昌泰電氣有限公司助理工程師。