探討功率因數(shù)對(duì)工廠供配電系統(tǒng)電能質(zhì)量的影響

羅裕標(biāo)

（深圳供電規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 深圳 518054）

1 相關(guān)概念

1.1 功率因數(shù)

功率分為有功功率和無功功率。當(dāng)負(fù)載為電阻負(fù)載時(shí)，消耗的功率為有功功率。當(dāng)負(fù)載為容性或感性負(fù)載時(shí)，則消耗無功功率。有功功率、電壓和電流同相（有用功和無功功率）。當(dāng)電壓引出電流時(shí)，為感性無功；當(dāng)電流引出電壓時(shí)，為容性無功。眾所周知，功率因數(shù)是交流電路中電能產(chǎn)生的重要條件之一。同時(shí)功率因數(shù)的高低能夠?qū)φ麄€(gè)供電系統(tǒng)的設(shè)備產(chǎn)生重要的影響，針對(duì)電能消耗問題的探討過程中，功率因素在其供電負(fù)荷正常的情況下，有著重要的控制能力。因此這對(duì)于電力系統(tǒng)和電力設(shè)備運(yùn)行過程中的利用率進(jìn)行提高的最好辦法就是通過對(duì)設(shè)備的功率因素進(jìn)行對(duì)應(yīng)的提高。從理論上看，功率因數(shù)在交流電路中是電壓與電流之間的相位差余弦值。通過對(duì)應(yīng)的公式數(shù)值計(jì)算可以看出，功率因數(shù)是整個(gè)供電系統(tǒng)做功過程的重要素質(zhì)之一。

1.2 功率負(fù)載

整個(gè)配電系統(tǒng)的交流電路過程中，針對(duì)電流電壓之間功率比較可以看出，功率因數(shù)的大小和整體電路的負(fù)荷有著直接必然的關(guān)系。交流電路過程中的電阻以極其負(fù)載能力都能夠直接影響到整個(gè)電路的效率。從對(duì)應(yīng)的功率負(fù)載實(shí)際情況來看，電路的總體從電網(wǎng)中吸收的部分有用功，其余有部分電源之間的部分能量交換，這一部分整體上對(duì)整個(gè)配電系統(tǒng)的并不做功，因此稱為無功功率。從設(shè)備的運(yùn)行情況來講，負(fù)載的因素越低，整個(gè)電路做有用功的功率也越小。因此，從電路功率負(fù)載的面對(duì)整體的功率因素進(jìn)行分析可以看出，提高整體的配電設(shè)備利用率，降低損耗能夠通過提高功率負(fù)載從而對(duì)功率因素進(jìn)行提高，以此達(dá)到提高整個(gè)配電系統(tǒng)電能質(zhì)量的提高。

2 提高功率因數(shù)的方法

2.1 提高自然功率因數(shù)

針對(duì)提高自然功率因數(shù)的方法進(jìn)行分析不難發(fā)現(xiàn)，對(duì)于配電系統(tǒng)和交流電路和程中的各設(shè)備之間的合理安排就能達(dá)到改善設(shè)備的運(yùn)行情況。通過配電系統(tǒng)中的各個(gè)設(shè)備之間的配合，是的，在同等條件下大大提高了配電系統(tǒng)的整體電機(jī)負(fù)載能力。通過提高自然功率因數(shù)，改進(jìn)和加大了配電系統(tǒng)中交流電路的電流和電壓之間的對(duì)比，為其電路的損耗和利用率達(dá)到利益和利用率最大化，由此對(duì)功率進(jìn)行提高能夠直接影響到配電系統(tǒng)的電能質(zhì)量，因此，工廠對(duì)于配電系統(tǒng)的功率因數(shù)影響十分重視。對(duì)于配電系統(tǒng)的因素進(jìn)行提高，通常有提高自然功率采用無功補(bǔ)償兩種方法。對(duì)于自然功率因數(shù)的提高可以你用整個(gè)配電系統(tǒng)中的電氣設(shè)備滿負(fù)荷的性質(zhì)進(jìn)行調(diào)整，利用陽性復(fù)合的功率配合感性復(fù)合的功率將總體的功率因數(shù)進(jìn)行對(duì)應(yīng)的增加和減少。因此，要想提高自然功率因素，應(yīng)當(dāng)對(duì)交流電路中的功率負(fù)載設(shè)備進(jìn)行對(duì)應(yīng)的改造，利用電抗繞組改變供電設(shè)備對(duì)應(yīng)的變壓器輸出電壓。其次，利用電抗繞組的有效電抗來進(jìn)行無功補(bǔ)償，從根本數(shù)據(jù)上提升功率因數(shù)。通過大量的實(shí)踐證明，在對(duì)交流電路的負(fù)載進(jìn)行改裝的過程中，其額定負(fù)載功率因素超過0.8使得功率因數(shù)在0.2～0.3。由于功率因素和功率負(fù)載之間的關(guān)系，根據(jù)對(duì)應(yīng)的設(shè)備負(fù)載容量的相互匹配條件下，對(duì)整體的配電系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行適當(dāng)?shù)臏p壓，從而達(dá)到提高自然功率因數(shù)的效果。

2.2 采用無功補(bǔ)償裝置

采用無功補(bǔ)償?shù)姆绞綄?duì)功率因素進(jìn)行提高，需要在配電系統(tǒng)中安裝補(bǔ)償設(shè)備，通過補(bǔ)償設(shè)備的無功功率達(dá)到提升功率因數(shù)的目的。從電路原理來看，通過對(duì)配電系統(tǒng)中增加無功補(bǔ)償裝置會(huì)造成交流電路中的功率損耗，但是，針對(duì)自然功率因數(shù)的提升有一定的局限性。因此，針對(duì)系統(tǒng)的功率因素為了最大化的滿足對(duì)應(yīng)的需求，需要進(jìn)行增加無功補(bǔ)償裝置來進(jìn)行補(bǔ)償，補(bǔ)償裝置的等效電路圖兩關(guān)系主要如圖1所示。

從圖1的等效電路圖中可以看出，整個(gè)電路的電流和電壓以及負(fù)載電流的流向以及電阻之間的關(guān)系通過對(duì)應(yīng)的公式計(jì)算出其對(duì)應(yīng)的功率。通過計(jì)算可以發(fā)現(xiàn)無功功率超前數(shù)值在90度，并且通過對(duì)應(yīng)的配電系統(tǒng)以及電容器產(chǎn)生無功電力，為對(duì)應(yīng)的供電設(shè)備做出對(duì)應(yīng)的無用功。通過對(duì)應(yīng)的功率因數(shù)計(jì)算可以看出，降低整個(gè)配電系統(tǒng)過程中的功率損耗率就能夠到提升電路中的功率因素。通過提高整體交流電路中的功率因素，整個(gè)配電系統(tǒng)的線路及變壓器中的對(duì)應(yīng)質(zhì)量能量消耗，以此能夠達(dá)到提高配電系統(tǒng)電能質(zhì)量的提升。針對(duì)無功功率裝置補(bǔ)償對(duì)整個(gè)交流電路進(jìn)行功率補(bǔ)償，針對(duì)設(shè)備的增加以及補(bǔ)償前后整個(gè)電路功率相量關(guān)系如圖2所示。

從圖2可以看出感性負(fù)載電壓電流的向量分布以及角度，感性無功功率與電流之間呈90°，說明其功率的電流滯后于電壓。對(duì)應(yīng)的負(fù)載設(shè)備，如電動(dòng)機(jī)變壓器等在整個(gè)交流電路中，對(duì)電容器有一個(gè)正弦電壓的作用。只可以根據(jù)對(duì)應(yīng)的公式計(jì)算出整個(gè)線路的變壓器功率損耗，從圖中可以看出，將功率因素有角1提高到角2大程度的減少無功功率，從而提高了整體配電系統(tǒng)的電能利用率。

2.3 電容補(bǔ)償

將裝置與電容負(fù)載的感應(yīng)部分連接，當(dāng)感性負(fù)載釋放能量時(shí)，電容負(fù)載可以吸收能量。當(dāng)容性負(fù)載釋放能量時(shí)，當(dāng)感性負(fù)載能夠吸收能量時(shí)，能量是感性負(fù)載與電容負(fù)載兩部分之間互相交換的。感性負(fù)載吸收的無功功率通過其補(bǔ)償原理補(bǔ)償電容性負(fù)載的輸出，即低壓電容器側(cè)運(yùn)行。一般情況下，它接受功率控制的自動(dòng)操作。由于屬類型的不同，決定了負(fù)載電容組的容量和數(shù)量。當(dāng)電氣系統(tǒng)正常供電時(shí)，控制器功率因數(shù)引起的功率因素進(jìn)行調(diào)整。為了改善低功率輸出指標(biāo)，以及對(duì)配電系統(tǒng)的供電生產(chǎn)率造成的能源浪費(fèi)進(jìn)行分析，應(yīng)有效提高功率輸出率。利用低壓無功補(bǔ)償應(yīng)完善電力總體輸出設(shè)備、高壓無功補(bǔ)償裝置廣泛應(yīng)用大功率的高壓配電系統(tǒng)設(shè)備中。

圖1 等效電路圖

圖2 向量關(guān)系圖

3 提高配電系統(tǒng)功率因數(shù)

3.1 降低了本身電能的損耗

首先，根據(jù)對(duì)功率因素對(duì)長(zhǎng)高配電系統(tǒng)的影響進(jìn)行分析可以看出，通過改進(jìn)功率因素能夠?qū)ε潆娤到y(tǒng)的整個(gè)交流電路的供電各個(gè)元器件之間的電能損耗進(jìn)行降低，從而達(dá)到了提高配電系統(tǒng)電能質(zhì)量。其次，針對(duì)改善功率因素能夠保護(hù)電路中變壓器，電器導(dǎo)線等等設(shè)備使用損耗情況。最后，通過提高功率因數(shù)能夠使整個(gè)配電系統(tǒng)在各方面設(shè)備容量不變的情況下，增加各方面電容器的負(fù)載容量，從而提高了整個(gè)配電系統(tǒng)在運(yùn)行過程中的使用效率。

3.2 提高設(shè)備的利用率

對(duì)功率因數(shù)的提高能夠從根本上對(duì)配電系統(tǒng)、交流電路中的各個(gè)設(shè)備得到充分的利用。從對(duì)應(yīng)的公式計(jì)算可以看出，在交流電路中負(fù)載的功率因數(shù)等于一時(shí)能夠使配電系統(tǒng)的電源設(shè)備利用達(dá)到最大化，當(dāng)交流電路中的功率因數(shù)小于一時(shí)，則電路中的一部分功率則做無用功，因此降低了總體的利用率。從以上各個(gè)方面可以看出，對(duì)于功率因數(shù)的提高能夠大大地加大配電系統(tǒng)以及交流電路中的設(shè)備利用率，從而對(duì)其的功率以及電能質(zhì)量利用率達(dá)到最大。

3.3 加大變頻器的功率輸出

對(duì)于配電系統(tǒng)中電力變壓器的損耗能量能夠直接影響功率因數(shù)的作用，因此，功率因素和變壓器之間存在著密不可分的關(guān)系。變壓器是對(duì)功率消耗最大的設(shè)備之一，根據(jù)我對(duì)工廠中的配電系統(tǒng)變壓器進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，可以發(fā)現(xiàn)大部分工廠企業(yè)的配電系統(tǒng)電路中消耗功率最大的就是異步電動(dòng)機(jī)和變壓器，其消耗功率達(dá)到60%～70%左右。因此，對(duì)于功率因數(shù)的提高能夠大大的影響電力變壓器消耗的功率，通過改變變壓器消耗功率使得其在空載過程中達(dá)到一定的無功功率滿載百分比的1/3左右。從對(duì)應(yīng)的功率因素提高改進(jìn)工廠配電系統(tǒng)的變壓器空載運(yùn)行和長(zhǎng)期處于一個(gè)低負(fù)壓的狀態(tài)，由此提高整體的配電系統(tǒng)電能質(zhì)量以及整體的利用率。

4 結(jié)語

通過上文的分析可以看出，工廠的配電系統(tǒng)由于其生產(chǎn)的需求量需要的電量會(huì)比一般情況下要求更加高，同時(shí)，工廠大面積的用電需求從利益最大化的角度來看，加大功率因素能夠?yàn)槠錅p少能源提到了重要的作用。功率因素對(duì)于配電系統(tǒng)的消耗和利用率都有著直接的關(guān)系，同時(shí)功率因數(shù)的提高不僅能夠?qū)ε潆娤到y(tǒng)的電能質(zhì)量進(jìn)行提高，還能夠?qū)涣麟娐分懈鱾€(gè)電氣設(shè)備功率利用率達(dá)到最大化。因此，本文對(duì)提高功率因數(shù)方法以及企業(yè)作用做出了對(duì)應(yīng)的研究與分析，為工廠日后的生產(chǎn)和發(fā)展過程中，對(duì)配電系統(tǒng)電能質(zhì)量的提高提出一定的參考價(jià)值。