無(wú)功補(bǔ)償與提高功率因數(shù)及節(jié)能降損的關(guān)系

王保善

摘 要：近年來(lái)，隨著電網(wǎng)的進(jìn)一步完善，生產(chǎn)用電和家庭用電的不斷增長(zhǎng)，用電結(jié)構(gòu)的變化，供需矛盾日益突出。 功率因數(shù)在電力系統(tǒng)中至關(guān)重要，過(guò)低會(huì)導(dǎo)致供電電壓不穩(wěn)，降低輸配電線路和設(shè)備的使用效率，功率因數(shù)可以用來(lái)計(jì)算功率損耗。本文首先概述了無(wú)功功率補(bǔ)償，然后介紹了功率因數(shù)的提高對(duì)節(jié)能降損的意義，最后提出了無(wú)功功率補(bǔ)償?shù)拇胧?/p>

關(guān)鍵詞：無(wú)功補(bǔ)償;功率因數(shù);節(jié)能降損

1引言

在供電電網(wǎng)中存在大量的存在電感原件的電氣設(shè)備，電力系統(tǒng)既為用電設(shè)備提供有功功率，還為它們提供大量的無(wú)功功率。無(wú)功功率在電網(wǎng)中經(jīng)歷數(shù)次傳輸與轉(zhuǎn)換，主要通過(guò)多級(jí)輸電線路和變壓器實(shí)現(xiàn)，這會(huì)造成無(wú)功損耗和功率因數(shù)降低，導(dǎo)致發(fā)電設(shè)備和供電設(shè)備的電力利用率低，損耗電能，還會(huì)使電網(wǎng)電壓波動(dòng)。因此，提高功率因數(shù)，降低無(wú)功消耗雖然使供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)更加復(fù)雜，但可以減少供電系統(tǒng)運(yùn)行成本，長(zhǎng)期來(lái)看具有重要經(jīng)濟(jì)意義。

2無(wú)功補(bǔ)償概述

電容或電感會(huì)發(fā)生電能向電場(chǎng)和磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)化，在擁有此類原件的交流電路中，一段時(shí)間電能向電場(chǎng)或磁場(chǎng)轉(zhuǎn)化，另一部分時(shí)間電場(chǎng)或磁場(chǎng)又向電能轉(zhuǎn)化，從整個(gè)周期來(lái)看，平均功率為零，但電路中不可缺少這種電源和電抗元件（電容器和電感器）之間的轉(zhuǎn)換，這種轉(zhuǎn)換率的最大值就是無(wú)功功率，單位是var、kvar。它的首要作用是通過(guò)電場(chǎng)和磁場(chǎng)間能量的轉(zhuǎn)換，生成電氣設(shè)備中的磁場(chǎng)，并使其穩(wěn)定存在。它無(wú)需進(jìn)行外部工作，而是將其轉(zhuǎn)換為其他形式的能量。電磁線圈是電學(xué)中的重要結(jié)構(gòu)，在絕大多數(shù)電氣設(shè)備中存在，電磁線圈的磁場(chǎng)由無(wú)功功率來(lái)建立。例如，一個(gè)40W的熒光燈包括鎮(zhèn)流器在內(nèi)需要40W以上的有功功率才能發(fā)光，而鎮(zhèn)流器線圈在建立交變磁場(chǎng)時(shí)需要約80乏的無(wú)功功率。通常，負(fù)載的無(wú)功功率僅靠發(fā)電機(jī)和高壓輸電線路無(wú)法完全提供，因此常需要在電網(wǎng)中建設(shè)一些補(bǔ)償裝置來(lái)補(bǔ)充無(wú)功功率，以確保用戶對(duì)無(wú)功功率的需求，補(bǔ)充無(wú)功功率才能使電氣設(shè)備可以在額定電壓下工作。

供電系統(tǒng)中的功率因數(shù)的高低直接影響電力變壓器和輸電線路的損耗，損耗過(guò)大會(huì)造成電力效率低，造成能源浪費(fèi)，無(wú)功補(bǔ)償就是通過(guò)提高功率因數(shù)來(lái)節(jié)能降損。因而在發(fā)電和電力運(yùn)輸過(guò)程中，無(wú)功補(bǔ)償裝置至關(guān)重要。選擇最符合應(yīng)用場(chǎng)景的補(bǔ)償設(shè)備對(duì)削減電網(wǎng)損耗效果明顯，還可提高電網(wǎng)質(zhì)量。相反，錯(cuò)誤的選擇或使用可能導(dǎo)致許多不良后果，例如供電系統(tǒng)電壓波動(dòng)和諧波增加。

3無(wú)功補(bǔ)償?shù)囊饬x

3.1減少供電損耗，節(jié)約電費(fèi)

假設(shè)用戶安裝了并聯(lián)電容器，負(fù)載功率因數(shù)從cosφ1增至cosφ2，在輸出有功功率和電壓恒定的情況下，減少了供電線率和變壓器的損耗，其下降的百分?jǐn)?shù)ΔP可通過(guò)以下公式計(jì)算：

3.2提高設(shè)備利用率

利用無(wú)功補(bǔ)償能使電壓穩(wěn)定，提高減電壓傳輸利用率，有效改善供電質(zhì)量。各種供電設(shè)備，在相同有功功率下，功率因數(shù)的增加可導(dǎo)致負(fù)載電流減小，因此，為了使電力系統(tǒng)支持較高負(fù)荷，配電設(shè)備（如變壓器、開(kāi)關(guān)和電線等）增加了電力儲(chǔ)備。當(dāng)原電網(wǎng)即將過(guò)載時(shí)，電力儲(chǔ)備可防止系統(tǒng)因功率因數(shù)提高，輸電無(wú)功電流降低而造成過(guò)載的情況，從而使原設(shè)備始終以接近額定工況工作。在某些情況下，增加的功率因數(shù)可能會(huì)降低所選變壓器的容量，因此，無(wú)功補(bǔ)償?shù)膽?yīng)用不僅降低了初期投資成本，而且降低了運(yùn)行后的基本用電成本。

3.3減少基本電費(fèi)支出

根據(jù)國(guó)家電力供應(yīng)和消耗法規(guī)，將對(duì)變壓器容量為315kVA或更高的大型工業(yè)用電用戶實(shí)行兩部分制的電價(jià)。用戶除了向供電部門(mén)支付電費(fèi)外，還應(yīng)根據(jù)變壓器容量支付基本電費(fèi)，標(biāo)準(zhǔn)為22元/ 千伏安·月?；倦妰r(jià)取決于變壓器容量而不是用電量，無(wú)功補(bǔ)償可以針對(duì)變壓器容量進(jìn)行優(yōu)化而不改變有功功率，因此無(wú)功補(bǔ)償措施合理可以降低基本電價(jià)，節(jié)約用電支出。特別地，由于生產(chǎn)的發(fā)展和電力負(fù)荷的增加，計(jì)劃購(gòu)買(mǎi)具有更大容量的新變壓器來(lái)代替原始變壓器，經(jīng)過(guò)合理的有功功率補(bǔ)償，原來(lái)的變壓器可以滿足新的用電負(fù)荷，不僅節(jié)省了可觀的每月基本電費(fèi)，而且還節(jié)省了購(gòu)買(mǎi)新變壓器的成本。

4無(wú)功補(bǔ)償?shù)拇胧?/p>

4.1提高自然功率因數(shù)

自然功率因數(shù)很影響變壓器和電動(dòng)機(jī)的負(fù)載率、負(fù)載結(jié)構(gòu)。通常異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子和定子之間存在氣隙，這會(huì)帶來(lái)?yè)p耗，使其需要更多無(wú)功功率。異步電動(dòng)機(jī)建立定子電場(chǎng)需要消耗無(wú)功功率，不僅空載時(shí)消耗無(wú)功功率，有負(fù)載時(shí)也需要無(wú)功功率。電機(jī)容量和負(fù)載不匹配會(huì)增加功耗，這是由于負(fù)載功率因數(shù)降低，因此應(yīng)根據(jù)負(fù)載類型選擇最合適的電機(jī)。達(dá)到額定容量的70%以上是運(yùn)行中的電動(dòng)機(jī)最佳工況，可以在經(jīng)濟(jì)環(huán)保的同時(shí)充分發(fā)揮作用。因此，在選擇異步電動(dòng)機(jī)時(shí)，應(yīng)將其機(jī)械性能和電氣指標(biāo)作為首要考慮因素，兩者結(jié)合選型，最終得到最匹配運(yùn)行工況的異步電動(dòng)機(jī)的型號(hào)、規(guī)格和容量，以期使用最低的成本獲得最優(yōu)的運(yùn)行狀態(tài)。電機(jī)的負(fù)載率過(guò)低會(huì)增加功率損耗并顯著降低功率因數(shù)和效率。因此，正確合理地選擇電動(dòng)機(jī)的容量對(duì)節(jié)能降損，綠色環(huán)保，提高功率因數(shù)具有重要意義。其次，因?yàn)楫惒诫妱?dòng)機(jī)的定子繞組匝數(shù)的變化會(huì)改變電動(dòng)機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子之間的氣隙，氣隙對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的無(wú)功功率有很大的影響，所以必須嚴(yán)格檢查異步電動(dòng)機(jī)的氣隙。

4.2選擇最匹配的變壓器

變壓器是頻繁發(fā)生電場(chǎng)和磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)換的設(shè)備，因此顯著消耗無(wú)功功率，失去無(wú)功功率，變壓器難以產(chǎn)生磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)換和傳輸電能功能也就失效。變壓器的空載無(wú)功功率占其無(wú)功消耗的大部分?？蛰d運(yùn)行或低負(fù)荷運(yùn)行過(guò)久會(huì)降低變壓器的無(wú)功損耗，從而使其功率因數(shù)下降。如果電源電壓超過(guò)規(guī)定范圍，也會(huì)對(duì)功率因數(shù)產(chǎn)生很大影響。當(dāng)電源電壓超出額定值的十分之一時(shí)，會(huì)發(fā)生磁路飽和，這時(shí)無(wú)功功率會(huì)迅速增加，一般電廠的無(wú)功功率將增加35%左右。當(dāng)電氣設(shè)備在低于正常的供電電壓下工作不僅會(huì)產(chǎn)生異常還會(huì)導(dǎo)致無(wú)功功率降低，功率因數(shù)提高，使設(shè)備中的電抗元件失去工作能力。

4.3采用同步電動(dòng)機(jī)，繞線式異步電動(dòng)機(jī)同步化運(yùn)行

對(duì)于沒(méi)有速度控制功能的大型設(shè)備，應(yīng)盡可能使用同步電動(dòng)機(jī)。同步電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)可以達(dá)到1。在過(guò)勵(lì)磁的情況下，可以將無(wú)功功率傳輸?shù)诫娋W(wǎng)，以減輕無(wú)功功率的負(fù)擔(dān)并提高功率因數(shù)。對(duì)于繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)的同步運(yùn)行，功率因數(shù)也可以提高到1，但由于經(jīng)濟(jì)性和維護(hù)性問(wèn)題，其應(yīng)用受到限制。

5結(jié)束語(yǔ)

綜上所述可以發(fā)現(xiàn)，提高功率因數(shù)對(duì)節(jié)約電能，減少損耗，提高變配電設(shè)備的供電能力具有重要意義。為了合理地提高傳輸線的功率因數(shù)，電力生產(chǎn)部門(mén)，技術(shù)部門(mén)，設(shè)計(jì)部門(mén)和施工部門(mén)需要共同努力，加強(qiáng)技術(shù)研發(fā)和施工難題攻關(guān)，優(yōu)化電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，提高供電水平。除了根據(jù)要求進(jìn)行勘測(cè)、設(shè)計(jì)、施工外，還應(yīng)根據(jù)電力負(fù)荷的特點(diǎn)合理配置無(wú)功補(bǔ)償裝置，并與電網(wǎng)改造工程同時(shí)進(jìn)行設(shè)計(jì)和施工，以達(dá)到無(wú)損補(bǔ)償?shù)哪康?，充分發(fā)揮無(wú)功補(bǔ)償?shù)淖饔谩?/p>

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