淺談電力網(wǎng)中功率因數(shù)的提高

【摘 要】電力網(wǎng)中功率因數(shù)的提高對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展有著極為重要的意義。電網(wǎng)中因?yàn)殡娏髀浜笥陔妷?，在發(fā)電或傳輸線(xiàn)路上對(duì)它要進(jìn)行修正和補(bǔ)償，使電壓與電流的正弦波曲線(xiàn)變體同步，需提高發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流，此時(shí)會(huì)提高發(fā)電機(jī)工作電壓，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)損耗加大，同時(shí)也會(huì)使發(fā)電機(jī)絕緣線(xiàn)圈溫度上升、壽命縮短，傳輸電壓上升。因而提高功率因數(shù)對(duì)發(fā)電機(jī)絕緣、對(duì)減少系統(tǒng)損耗有好處，并且能使發(fā)電設(shè)備的容量得到充分的利用，同時(shí)也能節(jié)約大量電能。

【關(guān)鍵詞】功率因數(shù) 有功功率 無(wú)功功率 功率損耗

【中圖分類(lèi)號(hào)】TM714.1 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-4810（2015）28-0125-02

一 前言

直流電路的功率等于電流與電壓的乘積，但是在計(jì)算交流電路的平均功率時(shí)還要考慮電壓與電流的相位差θ，即P=UIcosθ式中的cosθ是電路中的功率因數(shù)。電路的功率因數(shù)決定于負(fù)載的參數(shù)。只有在電阻負(fù)載的情況下，電流與電壓同相位，這時(shí)的功率因數(shù)為1。對(duì)于其他負(fù)載來(lái)說(shuō)功率因數(shù)都在0～1之間。現(xiàn)階段電力網(wǎng)中幾乎都采用人工補(bǔ)償無(wú)功功率來(lái)提高功率因數(shù)，在電路中并聯(lián)靜電電容器，安裝同步調(diào)相機(jī)、靜止補(bǔ)償器等，少數(shù)情況下可采用提高自然功率因數(shù)的方法。本文就人工補(bǔ)償無(wú)功功率的方法來(lái)提高功率因數(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)單探討。

二 功率損耗

1.電力網(wǎng)中的功率損耗

在電力網(wǎng)中當(dāng)電壓U與輸出功率P一定時(shí)，電流I

與功率因數(shù)成反比即： ，而在電力網(wǎng)中的功

率損耗ΔP卻與cosθ的平方成反比，即

，該式中r是電網(wǎng)中的電阻。

由上可知功率因數(shù)越大電力網(wǎng)中的功率損耗ΔP就越小。能使發(fā)電設(shè)備的容量得到充分的利用，同時(shí)也能使電能得到大量的節(jié)約。這就是說(shuō)，在同樣的設(shè)備條件下更能有效利用電能。

2.輸電線(xiàn)路的無(wú)功損耗

輸電線(xiàn)路的無(wú)功損耗ΔQL由兩部分組成，即線(xiàn)路串聯(lián)電抗中的無(wú)功功率損耗ΔQLX與電路電容的充電功率ΔQB組成，表示為：

由上式可見(jiàn)，電壓較高（110KV及以上）的線(xiàn)路，傳輸功率較大時(shí)，線(xiàn)路消耗無(wú)功功率ΔQLX>ΔQB。

3.變壓器的無(wú)功損耗

變壓器的無(wú)功損耗ΔQT也由兩部分組成，即變壓器漏抗中的無(wú)功功率損耗ΔQTX與勵(lì)磁損耗ΔQO組成。

ΔQT與負(fù)荷無(wú)關(guān)，此損耗稱(chēng)為固定損耗；而ΔQTX與負(fù)荷S有關(guān)，稱(chēng)變動(dòng)損耗。變壓器從發(fā)電廠(chǎng)到用戶(hù)要經(jīng)過(guò)多級(jí)變壓，無(wú)功功率損耗可達(dá)到用戶(hù)負(fù)荷的50%～70%。

4.發(fā)電設(shè)備的容量不能充分地利用

P=UNINcosθ Q=UNINsinθ S=

P為有功功率，Q為無(wú)功功率，S為視在功率

圖1 有功功率、無(wú)功功率、視在功率三者關(guān)系圖

由有功功率公式P=UNINcosθ?？梢?jiàn)，當(dāng)負(fù)載的功率因數(shù)cosθ<1時(shí)，發(fā)電機(jī)的電壓又不允許超過(guò)額定值，顯然這是機(jī)組發(fā)出的有功功率就減少了。功率因數(shù)越低機(jī)組發(fā)出的有功功率就越小，顯然無(wú)功功率就越大。無(wú)功功率越大，即電路中的能量互換的規(guī)模就越大，機(jī)組的能量就不能充分的利用，其中一部分在發(fā)電機(jī)與負(fù)載之間互換。

例如，容量為10000KV·A的變壓器，如果cosθ=1就能發(fā)出1000KV的有功功率，但是在cosθ=0.8時(shí)只能發(fā)出8000KV的有功功率。當(dāng)功率因數(shù)cosθ越小時(shí)發(fā)出的有功功率就越小。

三 提高功率因數(shù)

1.并聯(lián)靜電電容器

提高功率因數(shù)的常用方法之一就是與電感負(fù)載并聯(lián)靜電電容器。并聯(lián)靜電電容器只能向系統(tǒng)供給感性無(wú)功功率。使用時(shí)可以將電容器連成若干組，按需要成組地投入或切除，它的容量可大可小，即可以集中安裝，又可以分散使用，從而可以在靠近負(fù)荷處就地安裝，以減少線(xiàn)路上的功率損耗和電壓損耗。其單位容量的投資費(fèi)用較小，運(yùn)行時(shí)有功功率損耗也較小，約為額定容量的0.3%～0.5%。

其電路圖和相量圖，如圖2、圖3所示：

圖2 簡(jiǎn)單電路 圖3 電流電壓相位關(guān)系

并聯(lián)電容器后，電感負(fù)載的電流 和功

率因數(shù) 均沒(méi)有發(fā)生變化，這是因?yàn)樗?/p>

電壓和負(fù)載參數(shù)沒(méi)有改變。但是電壓和線(xiàn)路電流的相位差θ變小了，即功率因數(shù)cosθ變大了。

在電感負(fù)載上并聯(lián)電容器以后，減少了電源與負(fù)載的能量互換。這時(shí)電感所需要的無(wú)功功率大部分由電容器供給，使機(jī)組容量能夠得到充分利用。

當(dāng)節(jié)點(diǎn)電壓下降時(shí)，它向系統(tǒng)供給的無(wú)功功率也下降。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障或其他原因?qū)е码妷航档蜁r(shí)，電容器向系統(tǒng)供給的無(wú)功功率反而減少，從而導(dǎo)致電壓繼續(xù)下降。這是電容器在調(diào)節(jié)性能上的缺點(diǎn)。

2.靜止補(bǔ)償器

靜止補(bǔ)償器是20世紀(jì)70年代開(kāi)始在實(shí)際生產(chǎn)中采用，是發(fā)展比較快的一種無(wú)功補(bǔ)償裝置。它由電容器組與可調(diào)電抗器組成，既可以向系統(tǒng)供給感性無(wú)功功率，也可以從系統(tǒng)吸取感性無(wú)功功率。

電壓變化時(shí)，靜止補(bǔ)償器能夠快速地、平滑地調(diào)節(jié)，以滿(mǎn)足動(dòng)態(tài)無(wú)功功率的需要。因?yàn)樗伸o止元件組成，運(yùn)行和維護(hù)方便，并且有功損耗較?。ǖ陀?%）。

3.無(wú)功功率平衡

電力系統(tǒng)的無(wú)功功率平衡表示為：

其中， ， 為系統(tǒng)中所有發(fā)電機(jī)發(fā)出的無(wú)功功率， 為系統(tǒng)中所有無(wú)功功率補(bǔ)償裝置發(fā)出的無(wú)功功率； 為系統(tǒng)中所有負(fù)荷需要的無(wú)功功率； 為網(wǎng)絡(luò)元件的無(wú)功損耗。與有功功率一樣，系統(tǒng)中應(yīng)保持一定的有功功率備用，否則負(fù)荷增大時(shí)，電壓質(zhì)量無(wú)法保證。這個(gè)有功功率備用一般可取最大有功功率負(fù)荷的5%～8%。

四 提高自然功率因數(shù)

電力系統(tǒng)的負(fù)荷中，異步電動(dòng)機(jī)占相當(dāng)大的比重，它既需要有功功率，也需要無(wú)功功率。它需要的無(wú)功功率與有功功率的關(guān)系為：

該式中 為電動(dòng)機(jī)在空載時(shí)所需要的無(wú)功功率； ， 分別為電動(dòng)機(jī)在額定負(fù)荷時(shí)所需要的有功功率和無(wú)功功率；P為電動(dòng)機(jī)的機(jī)械負(fù)荷； 為受載系數(shù)。

從上式可見(jiàn)，異步電動(dòng)機(jī)所需要的無(wú)功功率由兩部分組成，第一部分是建立磁場(chǎng)所需的空載無(wú)功功率，約為 的60%～70%，與受載系數(shù)無(wú)關(guān)；第二部分與繞組漏抗中消耗的無(wú)功功率的平方成正比。當(dāng)受載系數(shù)降低時(shí)，電動(dòng)機(jī)所需的無(wú)功功率只有一小部分按受載系數(shù)的平方減小，而大部分維持不變。而受載系數(shù)降低，使得功率因數(shù)降低，因此，為了提高負(fù)荷的功率因數(shù)，所選用的電動(dòng)機(jī)容量應(yīng)該盡量接近它所帶動(dòng)的負(fù)載，即應(yīng)使異步電動(dòng)機(jī)與所拖動(dòng)的機(jī)械功率配套。此外，為了減小用戶(hù)所需要的無(wú)功功率，可以在有條件的企業(yè)中用同步電動(dòng)機(jī)代替異步電動(dòng)機(jī)，因?yàn)橥诫妱?dòng)機(jī)不僅不需要系統(tǒng)供給無(wú)功功率，還可以運(yùn)行在過(guò)勵(lì)磁狀態(tài)向系統(tǒng)發(fā)出無(wú)功功率，從而提高負(fù)荷的功率因數(shù)。由此可見(jiàn)，提高自然功率因數(shù)的方法有：合理選擇異步電動(dòng)機(jī)，避免電力變壓器輕載運(yùn)行；在生產(chǎn)條件允許的情況下，采用同步電動(dòng)機(jī)代替異步電動(dòng)機(jī)。

五 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)在電力網(wǎng)中如何提高功率因數(shù)進(jìn)行了探討，重點(diǎn)探討了通過(guò)人工補(bǔ)償無(wú)功功率來(lái)提高功率因數(shù)，并對(duì)此提出了一些個(gè)人的見(jiàn)解，結(jié)合實(shí)際運(yùn)算進(jìn)行了說(shuō)明，使我們對(duì)提高功率因數(shù)有了更深刻的認(rèn)識(shí)。

〔責(zé)任編輯：龐遠(yuǎn)燕〕