電力系統(tǒng)功率因數(shù)改善方法的分析與探討

(寧夏吳忠供電局，寧夏 吳忠 751100)

1 引言

在電力系統(tǒng)中，負(fù)荷功率因數(shù)的變化直接影響系統(tǒng)的有功功率、影響供用電設(shè)備的利用率。同時，功率因素的變化也使輸電線路的電壓損失改變，影響電壓質(zhì)量。此外，負(fù)荷功率因數(shù)的改變還使發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速改變，影響電力系統(tǒng)的頻率。因此適當(dāng)提高電力系統(tǒng)的功率因數(shù)，不但可以充分的發(fā)揮發(fā)電、供電設(shè)備的生產(chǎn)能力、減少線路損耗、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，對于廣大供用電企業(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(bǔ)償，不但可以減輕上一級電網(wǎng)補(bǔ)償?shù)膲毫?，改善和提高用戶功率因?shù)，而且能夠有效地降低電能損失，減少用戶電費(fèi)。其社會效益及經(jīng)濟(jì)效益都會是非常顯著的。

在電力網(wǎng)的運(yùn)行中，希望的是功率因數(shù)越大越好，做到了這一點(diǎn)，則電路中的視在功率將大部分用來供給有功功率，以減少無功功率的消耗。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。因此，本文將從功率因數(shù)對電力系統(tǒng)的影響、電力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行與功率因數(shù)的關(guān)系、影響功率因數(shù)的主要因素、改善功率因數(shù)的主要方法及提高自然功率因數(shù)的具體措施等幾個方面進(jìn)行分析和探討。

2 功率因數(shù)對電力系統(tǒng)的影響

在交流電路中，電壓與電流之間的相位差(φ)的余弦叫作功率因數(shù)，用符號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)是電力系統(tǒng)的一個重要的技術(shù)數(shù)據(jù)。功率因數(shù)是衡量電氣設(shè)備效率高低的一個系數(shù)。功率因數(shù)低，說明電路用于交變磁場轉(zhuǎn)換的無功功率大， 從而降低了設(shè)備的利用率，增加了線路供電損耗。功率因數(shù)低的根本原因是電感性負(fù)載的存在，因此功率因數(shù)的大小與電力系統(tǒng)中負(fù)荷的性質(zhì)有關(guān)。

在工業(yè)企業(yè)電力用戶中，絕大部分用電設(shè)備都具有電感性，需要從電力系統(tǒng)吸取無功功率。如三相交流異步電動機(jī)、三相變壓器、電焊機(jī)、電抗器、架空線路等，功率因數(shù)都小于1，特別是在輕載情況下，功率因數(shù)更為降低。因此，必須采取補(bǔ)償無功功率的措施，以提高功率因數(shù)。

3 電力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行與功率因數(shù)的關(guān)系

在電力系統(tǒng)中，功率因數(shù)過低，就會使發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速改變，多發(fā)無功功率，這樣一來就使設(shè)備的利用率大大降低。

例如：一臺單相變壓器的額定容量為S=100kVA。

當(dāng)功率因素cosΦ=1時，其實(shí)際容量為S1=100×1=100kW；

當(dāng)功率因素cosΦ=0.8時，其實(shí)際容量為S2=100×0.8=80kW；

當(dāng)功率因素cosΦ=0.6時，其實(shí)際容量為S3=100×0.6=60kW；

這就說明功率因素的變化會改變設(shè)備的利用率。

在一定的電壓下向負(fù)載輸送一定的有功功率時，負(fù)載的功率因素越低，通過線路的電流I=P/Ucosф就會越大，導(dǎo)致阻抗的電壓降落就越大。另外，當(dāng)線路輸送一定數(shù)量的有功功率時，如輸送的無功功率越多，線路的電壓損失越大。隨著電壓的降落輸電線路的損耗就會越大，根據(jù)計算公式就能充分說明：

ΔP=(P2+Q2)R×10-3/U2(kW)

式中：U為輸電線路電壓(kV)；P為線路輸送的有功功率(kW)；Q為線路輸送的無功功率(kVar)；ΔP為輸電線路有功損耗(kW)；R為輸電線路的電阻(Ω)。

眾所周知，衡量電力系統(tǒng)電壓質(zhì)量的三個指標(biāo)是：負(fù)荷中心的電壓、交流電的頻率和波形。功率因素改變后，將直接影響電力系統(tǒng)中電壓的質(zhì)量，改變了設(shè)備的利用率，并直接使輸電線路的損耗增加，影響系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

要解決好上述問題，電力系統(tǒng)有關(guān)部門除努力從自身查找原因外，還應(yīng)配合用戶作好下列工作：

(1)合理調(diào)整變壓器的運(yùn)行臺數(shù)，使有限的電能發(fā)揮更大的作用，避免變壓器長期輕載運(yùn)行。

(2)調(diào)整負(fù)荷，提高設(shè)備利用率。

(3)減少電壓的變壓次數(shù)，設(shè)備的電壓等級在設(shè)計及施工安裝中都應(yīng)合理選擇，因?yàn)槊拷?jīng)過一次變壓要多損耗一部分功率，使損失加大。

(4)結(jié)合規(guī)劃，調(diào)整不合理的線路部局，盡量減少迂回線路，縮短電力線路以減少電網(wǎng)中的功率損耗。

(5)安裝移相電容或調(diào)相機(jī)進(jìn)行無功功率的人工補(bǔ)償，改善電網(wǎng)運(yùn)行中的功率因數(shù)。

解決好上述的實(shí)際問題，可以大大提高電網(wǎng)負(fù)荷的功率因數(shù)，使發(fā)電設(shè)備和變電設(shè)備的容量得到充分合理的利用，并能減少輸電的電能損耗，改善電壓質(zhì)量。由于功率因數(shù)是電力系統(tǒng)中一個重要的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，所以應(yīng)努力改善電網(wǎng)負(fù)荷的功率因數(shù)，提高電力部門的經(jīng)濟(jì)效益。

4 影響功率因數(shù)的主要因素

結(jié)合電力系統(tǒng)運(yùn)行的特點(diǎn)以及電力系統(tǒng)中供用電設(shè)備的特點(diǎn)綜合分析，影響功率因數(shù)的主要因素體現(xiàn)在以下幾個方面：

(1)大量的電感性設(shè)備，如異步電動機(jī)、感應(yīng)電爐、交流電焊機(jī)等設(shè)備是無功功率的主要消耗者。據(jù)有關(guān)的統(tǒng)計，在工礦企業(yè)所消耗的全部無功功率中，異步電動機(jī)的無功消耗占了60%～70%；而在異步電動機(jī)空載時所消耗的無功又占到電動機(jī)總無功消耗的60%～70%。所以要改善異步電動機(jī)的功率因數(shù)就要防止電動機(jī)的空載運(yùn)行并盡可能提高負(fù)載率。

(2)變壓器消耗的無功功率一般約為其額定容量的10%～15%，它的空載無功功率約為滿載時的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)定范圍也會對功率因數(shù)造成很大的影響。

當(dāng)供電電壓高于額定值的10%時，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(dāng)供電電壓為額定值的110%時，一般無功將增加35%左右。當(dāng)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(dāng)采取措施使電力系統(tǒng)的供電電壓盡可能保持穩(wěn)定。

5 改善功率因數(shù)的主要方法與提高自然功率因數(shù)措施

改善功率因數(shù)的主要方法是通過無功功率補(bǔ)償來提高電力系統(tǒng)的功率因數(shù)。下面簡單介紹改善功率因數(shù)的主要方法及提高自然功率因數(shù)的具體措施。

(1)無功功率補(bǔ)償通常采用的方法。

①低壓個別補(bǔ)償

低壓個別補(bǔ)償就是根據(jù)個別用電設(shè)備對無功的需要量將單臺或多臺低壓電容器組分散地與用電設(shè)備并接，它與用電設(shè)備共用一套斷路器。通過控制、保護(hù)裝置與電機(jī)同時投切。隨機(jī)補(bǔ)償適用于補(bǔ)償個別大容量且連續(xù)運(yùn)行(如大中型異步電動機(jī))的無功消耗，以補(bǔ)勵磁無功為主。低壓個別補(bǔ)償?shù)膬?yōu)點(diǎn)是：用電設(shè)備運(yùn)行時，無功補(bǔ)償投入，用電設(shè)備停運(yùn)時，補(bǔ)償設(shè)備也退出，因此不會造成無功倒送。具有投資少、占位小、安裝容易、配置方便靈活、維護(hù)簡單、事故率低等優(yōu)點(diǎn)。

②低壓集中補(bǔ)償

低壓集中補(bǔ)償是指將低壓電容器通過低壓開關(guān)接在配電變壓器低壓母線側(cè)，以無功補(bǔ)償投切裝置作為控制保護(hù)裝置，根據(jù)低壓母線上的無功負(fù)荷而直接控制電容器的投切。電容器的投切是整組進(jìn)行，做不到平滑的調(diào)節(jié)。低壓補(bǔ)償?shù)膬?yōu)點(diǎn)：接線簡單、運(yùn)行維護(hù)工作量小，使無功就地平衡，從而提高配變利用率，降低網(wǎng)損，具有較高的經(jīng)濟(jì)性，是目前無功補(bǔ)償中常用的手段之一。

③高壓集中補(bǔ)償

高壓集中補(bǔ)償是指將并聯(lián)電容器組直接裝在變電所的6～10kV高壓母線上的補(bǔ)償方式。適用于用戶遠(yuǎn)離變電所或在供電線路的末端，用戶本身又有一定的高壓負(fù)荷時，可以減少對電力系統(tǒng)無功的消耗并可以起到一定的補(bǔ)償作用；補(bǔ)償裝置根據(jù)負(fù)荷的大小自動投切，從而合理地提高了用戶的功率因數(shù)，避免功率因數(shù)降低導(dǎo)致電費(fèi)的增加。同時便于運(yùn)行維護(hù)，補(bǔ)償效益高。

(2)提高自然功率因數(shù)的具體措施。

提高自然功率因數(shù)是不需要任何補(bǔ)償設(shè)備投資，僅采取各種管理上或技術(shù)上的手段來減少各種用電設(shè)備所消耗的無功功率，這是一種最經(jīng)濟(jì)的提高功率因數(shù)的方法。

①合理使用電動機(jī)；

②提高異步電動機(jī)的檢修質(zhì)量；

③采用同步電動機(jī)：同步電動機(jī)消耗的有功功率取決于電動機(jī)上所帶機(jī)械負(fù)荷的大小，而無功功率取決于轉(zhuǎn)子中的勵磁電流大小，在欠勵狀態(tài)時，定子繞組向電網(wǎng)“吸取”無功，在過勵狀態(tài)時，定子繞組向電網(wǎng)“送出”無功。因此，對于恒速長期運(yùn)行的大型機(jī)構(gòu)設(shè)備可以采用同步電動機(jī)作為動力。

異步電動機(jī)同步運(yùn)行就是將異步電動機(jī)三相轉(zhuǎn)子繞組適當(dāng)連接并通入直流勵磁電流，使其呈同步電動機(jī)運(yùn)行，這就是“異步電動機(jī)同步化”。

④合理選擇配電變壓器容量，改善配電變壓器的運(yùn)行方式：對負(fù)載率比較低的配電變壓器，一般采取“撤、換、并、停”等方法，使其負(fù)載率提高到最佳值，從而改善電網(wǎng)的自然功率因數(shù)。

6 結(jié)束語

通過以上幾個方面的分析與探討可以看出，改善和提高電力系統(tǒng)的功率因數(shù)對于電力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行、充分發(fā)揮發(fā)電、供電設(shè)備的生產(chǎn)能力、減少線路損耗、改善電壓質(zhì)量，提高用戶用電設(shè)備的工作效率和為用戶本身節(jié)約電能有著重要的意義。在電力系統(tǒng)的運(yùn)行中，通過無功功率補(bǔ)償提高功率因數(shù)是一項(xiàng)非常重要的技術(shù)措施。