淺談低壓配電網(wǎng)中的功率因數(shù)

潘峻

【摘 要】本文集中探討了功率因數(shù)對廣大供電企業(yè)的影響以及提高功率因數(shù)所帶來的經(jīng)濟效益和社會效益，介紹了影響功率因數(shù)的主要因素和提高功率因數(shù)的一般方法，討論了如何確定無功功率的補償容量和應(yīng)用人工補償無功功率的兩種具體方式。

【關(guān)鍵詞】功率因數(shù)；補償；消耗

在電力系統(tǒng)中，我們將各種設(shè)備所消耗的能量分為有功消耗和無功消耗。有功消耗是指電流通過電阻性負載所消耗的電能，它是一種能量轉(zhuǎn)變中做功消耗的電能；無功消耗是指電流通過感性或容性負載時產(chǎn)生了磁場、電場，這些磁場、電場只在電源和負載之間往返轉(zhuǎn)換，在交換中不能轉(zhuǎn)變成其它形式的能量。視在功率是指有功損耗和無功損耗的平方和的平方根值。功率因數(shù)是指電力網(wǎng)中線路的視在功率供給有功功率的消耗所占百分數(shù)。

在電力網(wǎng)的運行中，我們所希望的是功率因數(shù)越大越好，否則將產(chǎn)生以下我們所不期望的不良影響：功率因數(shù)的降低導致電流增大，則發(fā)電機和變壓能輸出的有功功率下降，設(shè)備容量不能充分利用；使電能損耗和導線截面增加，電網(wǎng)的初期投資和運行費用相應(yīng)增高；使發(fā)電機、變壓器和電力網(wǎng)中的電壓損失增大，電動機的端電壓下降，則感應(yīng)電動機的起動傳矩和過負荷能力下降。用戶功率因數(shù)的高低，對于電力系統(tǒng)發(fā)、供、用電設(shè)備的充分利用，有著顯著的影響。適當提高用戶的功率因數(shù)，不但可以充分的發(fā)揮發(fā)、供電設(shè)備的生產(chǎn)能力、減少線路損失、改善電壓質(zhì)量，而且可以提高用戶用電設(shè)備的工作效率和為用戶本身節(jié)約電能。因此，對于廣大供電企業(yè)、特別是對現(xiàn)階段全國性的一些改造后的農(nóng)村電網(wǎng)來說，若能有效的搞好低壓補償，不但可以減輕上一級電網(wǎng)補償?shù)膲毫?，改善提高用戶功率因?shù)，而且能夠有效地降低電能損失，減少用戶電費。其社會效益及經(jīng)濟效益都會是非常顯著的。

一、影響功率因數(shù)的主要因素

首先我們來了解功率因數(shù)產(chǎn)生的主要原因。功率因數(shù)的產(chǎn)生主要是因為交流用電設(shè)備在其工作過程中，除消耗有功功率外，還需要無功功率。當有功功率P一定時，如減少無功功率Q，則功率因數(shù)便能夠提高。在極端情況下，當Q=0時，則其功率因數(shù)=1。因此提高功率因數(shù)問題的實質(zhì)就是減少用電設(shè)備的無功功率需要量。

1. 異步電動機和電力變壓器是耗用無功功率的主要設(shè)備

異步電動機的定子與轉(zhuǎn)子間的氣隙是決定異步電動機需要較多無功的主要因素。而異步電動機所耗用的無功功率是由其空載時的無功功率和一定負載下無功功率增加值兩部分所組成。所以要改善異步電動機的功率因數(shù)就要防止電動機的空載運行并盡可能提高負載率。

變壓器消耗無功的主要成份是它的空載無功功率，它和負載率的大小無關(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)空載運行或長期處于低負載運行狀態(tài)。

2. 供電電壓超出規(guī)定范圍也會對功率因數(shù)造成很大的影響

當供電電壓高于額定值的10%時，由于磁路飽和的影響，無功功率將增長得很快，據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計，當供電電壓為額定值的110%時，一般工廠的無功將增加35%左右。當供電電壓低于額定值時，無功功率也相應(yīng)減少而使它們的功率因數(shù)有所提高。但供電電壓降低會影響電氣設(shè)備的正常工作。所以，應(yīng)當采取措施使電力系統(tǒng)的供電電壓盡可能保持穩(wěn)定。

3. 電網(wǎng)頻率的波動也會對異步電機和變壓器的磁化無功功率造成一定的影響

綜上所述，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)提高的一些實用方法，使低壓網(wǎng)能夠?qū)崿F(xiàn)無功的就地平衡，達到降損節(jié)能的效果。

二、低壓配電網(wǎng)無功補償?shù)囊话惴椒?/p>

就目前普遍使用的在用戶端增設(shè)電容器的無功補償方式分析，按補償電容器在供電網(wǎng)絡(luò)中裝設(shè)的位置不同可分為集中補償、分散補償、就地補償和跟蹤補償幾種形式。

集中補償是指在企業(yè)的總降壓站或配電室集中安裝一批無功補償裝置的做法。其特征是安裝地點為企業(yè)的電源進線中心，其作用是補償大地區(qū)（高壓）及本企業(yè)內(nèi)部所消耗的無功功率。此方法也可稱為隨器補償。即：將低壓電容器通過低壓保險接在配電變壓器二次側(cè)，以補償配電變壓器空載無功的補償方式。配變在輕載或空載時的無功負荷主要是變壓器的空載勵磁無功，配變空載無功是低壓電網(wǎng)無功負荷的主要部分，對于輕負載的配變而言，這部分損耗占供電量的比例很大，從而導致電費單價的增加，不利于電費的同網(wǎng)同價。

集中補償具有接線簡單、維護管理方便、能有效地補償配變空載無功，限制低壓電網(wǎng)無功負荷的優(yōu)點，可使該部分無功就地平衡，從而提高配變利用率，降低無功網(wǎng)損，具有較高的經(jīng)濟性，所以集中補償是目前補償無功最有效的手段之一。

分散補償是指將無功補償裝置分散到分變電所（大型企業(yè)）和車間配電室的做法。其特征是安裝地點為電力負荷中心，其作用是補償小區(qū)域或車間所消耗的無功功率。電壓等級通常為10（6）kV及0.66（0.4）kV。

就地補償是在負荷旁對其進行電容直接補償，其特征是無功補償裝置就在所補償?shù)碾妱訖C附近，其作用是僅補償本臺電動機所消耗的無功功率。電壓等級通常為0.66（0.4）kV。此方法也可稱為隨機補償，即：將低壓電容器組與電動機并接，通過控制、保護裝置與電機，同時投切。隨機補償適用于補償電動機的無功消耗，以補勵磁無功為主，此種方式可較好地限制低壓電網(wǎng)無功負荷。

就地補償?shù)奶攸c體現(xiàn)在用電設(shè)備運行時，無功補償投入，用電設(shè)備停運時，補償設(shè)備也退出，而且不需頻繁調(diào)整補償容量。此種補償方式具有投資少、占位小、安裝容易、配置方便靈活，維護簡單、事故率低等優(yōu)點。

跟蹤補償是指以無功補償投切裝置作為控制保護裝置，將低壓電容器組補償在大用戶0.4kV母線上的補償方式。適用于100kVA以上的專用配變用戶，可以替代隨機、隨器兩種補償方式，補償效果較好。

跟蹤補償?shù)膬?yōu)點是運行方式靈活，運行維護工作量小，比前兩種補償方式壽命相對延長、運行更可靠。但缺點是控制保護裝置復雜、首期投資相對較大。因此當這三種補償方式的經(jīng)濟性接近時，應(yīng)優(yōu)先選用跟蹤補償方式。

三、采取適當措施，設(shè)法提高系統(tǒng)自然功率因數(shù)

提高自然功率因數(shù)是在不添置任何補償設(shè)備，采用降低各用電設(shè)備所需的無功功率，減少負載取用無功來提高工礦企業(yè)功率因數(shù)的方法，它不需要增加投資，是最經(jīng)濟的提高功率因數(shù)的方法。下面將對提高自然功率因數(shù)的措施作一些簡要的介紹。

1. 合理使用電動機

合理選用電動機的型號、規(guī)格和容量，使其接近滿載運行。在選擇電動機時，既要注意它們的機械性能，又要考慮它們的電氣指標。若電動機長期處于低負載下運行，既增大功率損耗，又使功率因數(shù)和效率都顯著惡化。故從節(jié)約電能和提高功率因數(shù)的觀點出發(fā)，必須正確的合理的選擇電動機的容量。

2. 提高異步電動機的檢修質(zhì)量

實驗表明，異步電動機定子繞組匝數(shù)變動和電動機定、轉(zhuǎn)子間的氣隙變動時對異步電動機無功功率的大小有很大的影響。

3. 采用同步電動機或異步電動機同步運行提高功率因數(shù)

由電機原理知道，同步電動機消耗的有功功率取決于電動機上所帶機械負荷的大小，而無功取決于轉(zhuǎn)子中的勵磁電流大小，在欠激狀態(tài)時，定子繞組向電網(wǎng)“吸取”無功，在過激狀態(tài)時，定子繞組向電網(wǎng)“送出”無功。因此，只要調(diào)節(jié)電機的勵磁電流，使其處于過激狀態(tài)，就可以使同步電機向電網(wǎng)“送出”無功功率，減少電網(wǎng)輸送給工礦企業(yè)的無功功率，從而提高了工礦企業(yè)的功率因數(shù)。異步電動機同步運行就是將異步電動機三相轉(zhuǎn)子繞組適當連接并通入直流勵磁電流，使其呈同步電動機運行，這就是“異步電動機同步化”。因而只要調(diào)節(jié)電機的直流勵磁電流，使其呈過激狀態(tài)，即能向電網(wǎng)輸出無功，從而達到提高低壓網(wǎng)功率因數(shù)的目的。

4. 合理選擇配電變壓器容量，改善配電變壓器的運行方式

對負載率比較低的配電變壓器，一般采取“撤、換、并、?！钡确椒?，使其負載率提高到最佳值，從而改善電網(wǎng)的自然功率因數(shù)。

通過以上一些提高加權(quán)平均功率因數(shù)和自然功率因數(shù)的敘述，我們已經(jīng)對“功率因數(shù)”這個簡單的電力術(shù)語有了更深的了解和認識，知道了功率因數(shù)的提高對電力企業(yè)的重要影響，下面簡單介紹對用電設(shè)備進行人工補償?shù)姆绞胶蛯ρa償容量的確定方法。

四、 功率因數(shù)的人工補償

功率因數(shù)是工廠電器設(shè)備使用狀況和利用程度的具有代表性的重要指標，也是保證電網(wǎng)安全、經(jīng)濟運行的一項主要指標。供電企業(yè)僅僅依靠提高自然功率因數(shù)的辦法已經(jīng)不能滿足工廠對功率因數(shù)的要求，工廠自身還需裝設(shè)補償裝置，對功率因數(shù)進行人工補償。對用電設(shè)備進行人工補償?shù)姆绞接校?/p>

1. 靜電電容器補償

當企業(yè)感性負載比較多時，它們從供電系統(tǒng)吸取的無功是滯后（負值）功率，如果用一組電容器和感性負載并聯(lián)，電容需要的無功功率是引前（正值）功率，如果電容C選得合適，令QC+QL=0，這時企業(yè)已不需向供電系統(tǒng)吸取無功功率，功率因數(shù)為1，達到最佳值。

（1）電容器補償容量的確定

（ 2 ）并聯(lián)補償移相電容器，應(yīng)滿足以下電壓和容量的要求

2. 動態(tài)無功功率補償

動態(tài)無功功率補償一般應(yīng)用于用電容量大、生產(chǎn)過程中負載急劇變化且具有重復沖擊性的大型鋼鐵企業(yè)。這種波動頻繁、急劇、幅值很大的動態(tài)無功功率，采用調(diào)相機或固定電容器進行補償已遠遠滿足不了要求，目前一般采用的新型動態(tài)無功功率補償設(shè)備是靜止無功補償器。它具有穩(wěn)定系統(tǒng)電壓、改善電網(wǎng)運行性能、動態(tài)補償反應(yīng)迅速、調(diào)節(jié)性能優(yōu)越等優(yōu)點。但最明顯的缺點是投資大、設(shè)備體積大、占地面積大。

五、結(jié)束語

以上是對淺談低壓配電網(wǎng)中的功率因數(shù)的膚淺見解，不足之處敬請賜教。