電網(wǎng)中無(wú)功功率平衡淺談

唐智勇

（國(guó)網(wǎng)福建檢修公司 福建 福州 350001）

從發(fā)電廠(chǎng)到用戶(hù)端設(shè)備，中間要經(jīng)過(guò)許多輸配電設(shè)備和用電設(shè)備，電力系統(tǒng)中的無(wú)功損耗包括變壓器的損耗和電力線(xiàn)路的無(wú)功損耗，還有用戶(hù)側(cè)設(shè)備很多是根據(jù)電磁感應(yīng)原理工作的，如配電變壓器、電動(dòng)機(jī)等，它們都是依靠建立交變磁場(chǎng)才能進(jìn)行能量的轉(zhuǎn)換和傳遞。為建立交變磁場(chǎng)和感應(yīng)磁通而需要的電功率稱(chēng)為無(wú)功功率，因此，用電系統(tǒng)中除了需要有功電源外，還需要無(wú)功電源，兩者缺一不可。

在功率三角形中，有功功率P與視在功率S的比值，稱(chēng)為功率因數(shù)cosφ，其計(jì)算公式為：

cosφ=P/S=P/（P2+Q2）1/2

在電力網(wǎng)的運(yùn)行中，功率因數(shù)反映了電源輸出的視在功率被有效利用的程度，我們希望功率因數(shù)越大越好。這樣電路中的無(wú)功功率可以降到最小，視在功率將大部分用來(lái)供給有功功率，從而提高電能輸送的功率。

一、影響功率因數(shù)的主要因素

首先是電力系統(tǒng)中無(wú)功損耗，包括變壓器的無(wú)功損耗。變壓器的無(wú)功損耗包括兩部分，一部分為勵(lì)磁損耗，這種無(wú)功損耗占額定容量的百分?jǐn)?shù)，基本上等于空載電流1%-2%；另一部分為繞組中的無(wú)功損耗，在變壓器滿(mǎn)載時(shí)，基本上等于短路電壓Uk的百分值，約為10%。另一部分是電力線(xiàn)路的無(wú)功損耗。電力線(xiàn)路上的無(wú)功功率損耗也分為兩部分，即并聯(lián)電納和串聯(lián)電抗中的無(wú)功功率損耗。

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

第三，供電電壓超出規(guī)定范圍也會(huì)對(duì)功率因數(shù)造成很大的影響。 當(dāng)供電電壓高于額定值的10%時(shí)，由于磁路飽和的影響，無(wú)功功率將增長(zhǎng)得很快，據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，當(dāng)供電電壓為額定值的110%時(shí)，一般無(wú)功將增加35%左右。當(dāng)供電電壓低于額定值時(shí)，無(wú)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(huì)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。

二、無(wú)功補(bǔ)償?shù)囊话惴椒?/p>

無(wú)功補(bǔ)償通常采用的方法主要有3種：低壓個(gè)別補(bǔ)償、低壓集中補(bǔ)償、高壓集中補(bǔ)償。下面簡(jiǎn)單介紹這3種補(bǔ)償方式的適用范圍及使用該種補(bǔ)償方式的優(yōu)缺點(diǎn)。

低壓個(gè)別補(bǔ)償就是根據(jù)個(gè)別用電設(shè)備對(duì)無(wú)功的需要量將單臺(tái)或多臺(tái)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(guò)控制、保護(hù)裝置與電機(jī)同時(shí)投切。隨機(jī)補(bǔ)償適用于補(bǔ)償個(gè)別大容量且連續(xù)運(yùn)行的無(wú)功消耗，以補(bǔ)勵(lì)磁無(wú)功為主。低壓個(gè)別補(bǔ)償?shù)膬?yōu)點(diǎn)是用電設(shè)備運(yùn)行時(shí)，無(wú)功補(bǔ)償投入，用電設(shè)備停運(yùn)時(shí)，補(bǔ)償設(shè)備也退出，因此不會(huì)造成無(wú)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(jiǎn)單、事故率低等優(yōu)點(diǎn)。

低壓集中補(bǔ)償是指將低壓電容器通過(guò)低壓開(kāi)關(guān)接在配電變壓器低壓母線(xiàn)側(cè)，以無(wú)功補(bǔ)償投切裝置作為控制保護(hù)裝置，根據(jù)低壓母線(xiàn)上的無(wú)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)。低壓集中補(bǔ)償?shù)膬?yōu)點(diǎn)接線(xiàn)簡(jiǎn)單、運(yùn)行維護(hù)工作量小，使無(wú)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(wú)功補(bǔ)償中常用的手段之一。

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高壓母線(xiàn)上的補(bǔ)償方式。它可以減少對(duì)電力系統(tǒng)無(wú)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(dòng)投切，從而合理地提高了用戶(hù)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(shí)便于運(yùn)行維護(hù)，補(bǔ)償效益高。

三、 無(wú)功電源

電力系統(tǒng)的無(wú)功電源除了同步電機(jī)外，還有靜電電容器、靜止無(wú)功補(bǔ)償器以及靜止無(wú)功發(fā)生器，這四種裝置又稱(chēng)為無(wú)功補(bǔ)償裝置。除電容器外，其余幾種既能吸收容性無(wú)功又能吸收感性無(wú)功。

同步發(fā)電機(jī)是唯一的有功電源，同時(shí)又是最基本的無(wú)功功率電源，當(dāng)其在額定狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)，發(fā)電機(jī)容量得到最充分的利用：

Q=S×sinφ=P×tgφ

其中：Q、S、P、φ是相對(duì)應(yīng)的無(wú)功功率、視在功率、有功功率和功率因數(shù)角。

發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，以滯后功率因數(shù)運(yùn)行為主，向系統(tǒng)提供無(wú)功，但必要時(shí)，也可以減小勵(lì)磁電流，使功率因數(shù)超前，即所謂的"進(jìn)相運(yùn)行"，以吸收系統(tǒng)多余的無(wú)功。

同步調(diào)相機(jī)是實(shí)質(zhì)上就是只能發(fā)無(wú)功功率的發(fā)電機(jī)。它能在欠勵(lì)或過(guò)勵(lì)的情況下向系統(tǒng)吸收或供出無(wú)功，裝有自勵(lì)裝置的同步電機(jī)能根據(jù)電壓平滑地調(diào)節(jié)輸入或輸出的無(wú)功功率，這是其優(yōu)點(diǎn)。但它的有功損耗大、運(yùn)行維護(hù)復(fù)雜、響應(yīng)速度慢，近來(lái)已逐漸退出電網(wǎng)運(yùn)行。

并聯(lián)電容器補(bǔ)償是目前使用最廣泛的一種無(wú)功電源，由于通過(guò)電容器的交變電流在相位上正好超前于電容器極板上的電壓，相反于電感中的滯后，由此可視為向電網(wǎng)輸送無(wú)功功率：

Q=U2/Xc

其中：Q、U、Xc分別為無(wú)功功率、電壓、電容器容抗。

并聯(lián)電容器本身功耗很小，裝設(shè)靈活，節(jié)省投資；由它向系統(tǒng)提供無(wú)功可以改善功率因數(shù)，減少由發(fā)電機(jī)提供的無(wú)功功率。靜止無(wú)功補(bǔ)償器是由晶閘管所控制投切電抗器和電容器組成，由于晶閘管對(duì)于控制信號(hào)反應(yīng)極為迅速，而且通斷次數(shù)也可以不受限制。當(dāng)電壓變化時(shí)靜止補(bǔ)償器能快速、平滑地調(diào)節(jié)，以滿(mǎn)足動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償?shù)男枰?，同時(shí)還能做到分相補(bǔ)償；對(duì)于三相不平衡負(fù)荷及沖擊負(fù)荷有較強(qiáng)的適應(yīng)性；但由于晶閘管控制對(duì)電抗器的投切過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生高次諧波，為此需加裝專(zhuān)門(mén)的濾波器。

四、小結(jié)

本文集中探討了無(wú)功功率平衡，介紹了影響功率因數(shù)的主要因素和提高功率因數(shù)的幾種方法，討論了目前所通用的幾種無(wú)功電源及其特點(diǎn)，這對(duì)電力企業(yè)是十分有益的。