淺析電力系統(tǒng)中的功率因數(shù)及無功補(bǔ)償方式

駱雪峰

功率因素直接關(guān)系到電力網(wǎng)中的功率損耗和電能損耗，關(guān)系到供電線路的電壓損失和電壓波動(dòng)，而且關(guān)系到節(jié)約電能和整個(gè)供電區(qū)域的供電質(zhì)量，功率因素過低甚至造成設(shè)備損壞和導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)生電壓崩潰事故。功率因素在電力系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用。

前言

許多用電設(shè)備均是根據(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才能進(jìn)行能量的轉(zhuǎn)換和傳遞。為建立交變磁場和感應(yīng)磁通而需要的電功率稱為無功功率，因此，所謂的“無功”并不是“無用”的電功率，只不過它的功率并不轉(zhuǎn)化為機(jī)械能、熱能而已；因此在供用電系統(tǒng)中除了需要有功電源外，還需要無功電源，兩者缺一不可。

一、功率因數(shù)分析

在功率三角形中，有功功率P與視在功率S的比值，稱為功率因數(shù)cosφ，其計(jì)算公式：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，我們希望的是功率因數(shù)越大越好。這樣電路中的無功功率可以降到最小，視在功率將大部分用來供給有功功率，從而提高電能輸送的功率。但是，功率因素過高，勢必導(dǎo)致電力系統(tǒng)無功功率下降，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子和定子之間的磁性減弱。當(dāng)系統(tǒng)無功缺額時(shí)，根據(jù)系統(tǒng)無功功率負(fù)荷的靜態(tài)電壓特性曲線，在正常情況下，系統(tǒng)無功功率電源所提供的無功功率Qgcn，由無功功率平衡的條件Qgcn-Qld-Ql=0（即系統(tǒng)所提供的無功功率等于系統(tǒng)設(shè)備所需的無功功率與系統(tǒng)損耗的無功功率之和）決定的電壓為Un，設(shè)此電壓對應(yīng)于系統(tǒng)正常的電壓水平。但假如系統(tǒng)無功功率電源提供的無功功率僅為Qgc（Qgc

二、電壓與無功功率

電壓與無功功率是同頻率與有功功率一樣，是一對對立的統(tǒng)一體。當(dāng)無功負(fù)荷與無功出力相平衡時(shí)，電壓就正常，達(dá)到額定值，而當(dāng)無功負(fù)荷大于無功出力時(shí)，電壓就下降，反之，電壓就會(huì)上升。

在一個(gè)并列運(yùn)行的電力系統(tǒng)中，任何一點(diǎn)的頻率都是一樣的，而電壓與無功電力卻不是這樣的。當(dāng)無功功率平衡時(shí)，整個(gè)電力系統(tǒng)的電壓從整體上看是會(huì)正常的，是可以達(dá)到額定值的，即便是如此，也是指整體上而已，實(shí)際上有些節(jié)點(diǎn)處的電壓并不一定合格，如果無功不是處于平衡狀態(tài)時(shí)，那么情況就更復(fù)雜了，當(dāng)無功出力大于無功負(fù)荷時(shí)，電壓普遍會(huì)高一些，但也會(huì)有個(gè)別地方可能低一些，反之，也是如此。提高功率因素cosφ可以減輕發(fā)電機(jī)絕緣壓力，降低電能在輸電線上的損耗，更加合理的利用電動(dòng)機(jī)。

由以上分析可知，功率因素過低或者過高而無加控制手段，都會(huì)給電網(wǎng)運(yùn)行帶來問題和困難，甚至造成設(shè)備損壞和導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)生電壓崩潰事故。

三、影響功率因素變化的原因

電網(wǎng)中影響功率因素變化原因很多，下面簡要分析下：

1）大量的電感性設(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)所消耗的全部無功功率中，異步電動(dòng)機(jī)的無功消耗占了60%～70%；而在異步電動(dòng)機(jī)空載時(shí)所消耗的無功又占到電動(dòng)機(jī)總無功消耗的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。

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(shí)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）當(dāng)供電電壓高于額定值的10%時(shí)，由于磁路飽和的影響，無功功率將增長得很快，據(jù)統(tǒng)計(jì)，當(dāng)供電電壓為額定值的110%時(shí)，一般無功將增加35%左右。當(dāng)供電電壓低于額定值時(shí)，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(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。

四、無功補(bǔ)償方式

在電網(wǎng)中影響功率因素變化的因素如此之多，所以要想維持電網(wǎng)中功率因素的穩(wěn)定絕非易事，這就需要在電網(wǎng)中無功消耗多的用電設(shè)備加上無功補(bǔ)償裝置，無功補(bǔ)償通常采用的以下3種方法：

1）低壓個(gè)別補(bǔ)償，低壓個(gè)別補(bǔ)償就是根據(jù)個(gè)別用電設(shè)備對無功的需要量將單臺(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)行的無功消耗，以補(bǔ)勵(lì)磁無功為主。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)造成無功倒送。

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。低壓集中補(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(shí)，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(dòng)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(shí)便于運(yùn)行維護(hù)，補(bǔ)償效益高。

4）提高系統(tǒng)自然功率因數(shù)

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，合理使用電動(dòng)機(jī)，提高異步電動(dòng)機(jī)的檢修質(zhì)量，合理選擇配變?nèi)萘?，改善配變的運(yùn)行方式等都可以提高自然功率因數(shù)。

小結(jié)

電力系統(tǒng)中功率因素是衡量電能質(zhì)量的重要指標(biāo)，功率因素過低或過高都會(huì)對電力系統(tǒng)造成影響，因此對功率因素作深入的分析是一項(xiàng)非常必要的工作。

參考文獻(xiàn)

[1]李明；淺析工廠供配電系統(tǒng)的無功功率補(bǔ)償問題[J]；四川建材；2011年04期.

[2]王雨；工廠供電系統(tǒng)無功補(bǔ)償問題研究[J]；技術(shù)與市場；2011年06期.

（作者單位：廣東電網(wǎng)公司惠州博羅供電局楊僑供電所）