簡(jiǎn)易節(jié)電器節(jié)電效能及安全隱患的電路原理研究

楊格

摘要：電工技術(shù)中輸配電線路功率因素低下，電路電能損耗增大，電源設(shè)備容量利用率低下等諸多弊端。并聯(lián)電容器可提高電路功率因素，節(jié)省電能，簡(jiǎn)易節(jié)電器正是基于此原理而產(chǎn)生。文章利用電路原理分析了簡(jiǎn)易節(jié)電器的工作原理、節(jié)電效果和安全隱患。

關(guān)鍵詞：電工技術(shù) ?功率因素 ?節(jié)電器

輸配電電力線路中，如功率因素太低會(huì)對(duì)線路造成如下影響。首先，會(huì)有輸配電線路上產(chǎn)生線路電壓降和功率的損耗。其次，降低電源設(shè)備的容量利用率。其三，增加發(fā)電企業(yè)的能耗，增加供電、用電企業(yè)的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。出現(xiàn)電路功率因素低下的根本原因在于負(fù)載感性無(wú)功功率的存在。一方面，負(fù)載與電源設(shè)備間以電流形式通過(guò)輸配電線中進(jìn)行無(wú)功電能的相互交換，而線路電阻的存在造成有電壓與功率損耗，所以線路越長(zhǎng)損耗越大。另一方面，負(fù)載無(wú)功功率是實(shí)現(xiàn)負(fù)載電氣設(shè)備功能的必要條件，所以電源設(shè)備除提供負(fù)載為實(shí)現(xiàn)電氣功能應(yīng)消耗的有功電能外，還要提供必要的無(wú)功電能，故而電源設(shè)備容量的利用率愈加降低。

提高功率因素不但有利于保障線路與負(fù)載的安全運(yùn)行狀態(tài)，降低供電、用電企業(yè)的經(jīng)濟(jì)成本，更能降低能耗，改善環(huán)境，起到節(jié)能環(huán)保的作用。

一段時(shí)間市面上開(kāi)始流行銷售一種以電容為主要元件的所謂電能節(jié)電器。要闡明這種節(jié)能器工作原理、節(jié)能效果及安全隱患等，還應(yīng)從提高電路功率因素說(shuō)起。

改善電路功率因素的在于降低電路輸電線路總電壓與總電流的相位差。補(bǔ)償負(fù)載電氣設(shè)備的感性負(fù)載，可在電源端和負(fù)載側(cè)進(jìn)行。有提高自然功率因數(shù)和采用人工補(bǔ)嘗功率因素兩種方法。人工補(bǔ)償法可使用電路電容器或調(diào)相機(jī)，一般多采用電力電容器補(bǔ)嘗無(wú)功，即：在不改變負(fù)載設(shè)備工作狀態(tài)時(shí)，在感性負(fù)載上并聯(lián)合適容量的電力電容器，從而減少甚至消除感性負(fù)載于電源之間原有的能量交換。從電路原理的角度分析，有如下要點(diǎn)。

加裝的電氣元件為電容器。電容的無(wú)功功率的性質(zhì)與電感無(wú)功性質(zhì)相反，電路加上電容后，能減少整個(gè)電路的無(wú)功功率，從而提高功率因素;

電容器與負(fù)載的連接方式為并聯(lián)。采用電容器并聯(lián)方式，是因電容器與負(fù)載并聯(lián)時(shí)，負(fù)載設(shè)備的工作電壓、工作電流與之前相比并未發(fā)生改變，從而保證負(fù)載電氣設(shè)備的工作狀態(tài)不受影響。若電容器與負(fù)載串聯(lián)，雖同樣可提高電路功率因素，勢(shì)必將改變負(fù)載設(shè)備的工作電壓與電流，不但負(fù)載設(shè)備不能正常工作，且可能發(fā)生負(fù)載設(shè)備損壞;

電路功率功率因素提高，負(fù)載有功率，無(wú)功功率并未發(fā)生改變。降低的是電路的視在功率，即降低電源設(shè)備給電路提供的無(wú)功功率，降低電源供電電流強(qiáng)度，進(jìn)而提高電源設(shè)備容量的利用率。

并聯(lián)電容器提高功率因素，是不是并聯(lián)電容容量越大效果真好呢？并不是。若補(bǔ)償電容器容量過(guò)大，不但可能出現(xiàn)電路諧振且可能將電路由感性負(fù)載補(bǔ)償成容性的情況。若電路發(fā)生電路諧振，則負(fù)載電路可能出現(xiàn)極大的強(qiáng)電流，進(jìn)而損壞負(fù)載電器;若電路被補(bǔ)償成容性，則不但會(huì)出現(xiàn)較低的容性功率因素，且在電路上電時(shí)出現(xiàn)較大的浪涌電流，影響電路正常運(yùn)行，甚至燒毀負(fù)載電器。

那么，合適的電容器容量為多大合適呢？通過(guò)電路分析計(jì)算可按如下公式計(jì)算所并聯(lián)電容器容量大小。

其中，C為并聯(lián)電容容量，P為負(fù)載有功功率，ω為市電角頻率，U為市電電壓， 為并聯(lián)電容前的負(fù)載阻抗角（功率因素角）， 為并聯(lián)電容前的負(fù)載阻抗角（功率因素角）。

提高功率因素可在電源側(cè)和負(fù)載端進(jìn)行，若只在電源側(cè)進(jìn)行，雖可提高電源設(shè)備容量利用效率，但卻不能減少輸配電線路上的電壓與功率損耗;若在負(fù)載端采取措施，則既能提高電源設(shè)備容量利用效率，又能減少輸配電線路上的電壓與功率損耗。因而，負(fù)載端采取措施更具良好效果。但負(fù)載設(shè)備分布較廣，不便采取統(tǒng)一措施。所以，供配電系統(tǒng)一般采用電源側(cè)集中補(bǔ)償和負(fù)載端分散補(bǔ)償相結(jié)合的方法提高功率因素。并規(guī)定負(fù)載端按功率因素大小分級(jí)收費(fèi)，提高負(fù)載端用戶采取措施提高功率因素的積極性。

電路負(fù)載時(shí)常變化，如家中日光燈打開(kāi)的盞數(shù)變化，工廠工作機(jī)器臺(tái)數(shù)的變化等，均可造成電路功率因素的時(shí)時(shí)變化。如何確定某大型企業(yè)功率因素收費(fèi)等級(jí)呢？通常大型企業(yè)的電能計(jì)量，通常采用有功功率表和無(wú)功功率表雙表計(jì)量方法。通過(guò)正式計(jì)算出一個(gè)計(jì)費(fèi)周期內(nèi)（如一季度）的平均功率因素，以此作為該用電單位一個(gè)計(jì)費(fèi)周期內(nèi)的計(jì)費(fèi)功率因素的值。

式中， 為計(jì)費(fèi)周期內(nèi)平均功率因素， 為計(jì)費(fèi)周期內(nèi)有功電能總量， 為計(jì)費(fèi)周期內(nèi)有功電能總量。

市售簡(jiǎn)易電能節(jié)電器其結(jié)構(gòu)相當(dāng)簡(jiǎn)單，由一個(gè)定值電力電容器和一個(gè)單相插頭構(gòu)成。號(hào)稱只要插在家中電源插座上就能節(jié)約電能，節(jié)省電費(fèi)。那么這種簡(jiǎn)易節(jié)電器是否節(jié)能，節(jié)能原理是什么？又是否存在哪些不足與安全隱患呢？

顯而易見(jiàn)，這種簡(jiǎn)易節(jié)電器節(jié)能原理正是電容器具有貯能的功能，插于插座上與負(fù)載并聯(lián)又有提高電路功率因素，降低線路電壓損失和功率損耗從而節(jié)省電能，降低費(fèi)用。

那么這種節(jié)電器真能節(jié)能，節(jié)能效果明顯嗎？從上述提高功率因素的原理可知，裝上節(jié)電器電容后，可降低線路干路中的電能損耗。但用戶電能表安裝于產(chǎn)能分界處，計(jì)量的是室內(nèi)有功電能。室內(nèi)線路至電能表間（干）路線路長(zhǎng)度有限，電能損耗不多，且負(fù)載有功功率不變，所以，該節(jié)電器其實(shí)節(jié)能效果十分有限。當(dāng)然，對(duì)于節(jié)省電能表之外供配電線路上的損耗有一定作用。

利用電容器提高功率因素，節(jié)省電能的前提是電路感性負(fù)載眾多，本身功率因素低下。若負(fù)載是純電阻性或低感性電路，盲目進(jìn)行大容量電容補(bǔ)償反而會(huì)降低功率因素增加電能損耗。而且，節(jié)電器長(zhǎng)期插于插座之上，而家中電器隨每時(shí)間變化，白天用電少，夜晚用電多，若白天所有電器關(guān)閉，而節(jié)電器仍插于插座上，雖然電容器不消耗電能，但與電源之間仍有電能交換，供配電線路上仍有電流，增加線路損耗。

通過(guò)上述分析說(shuō)明，這種簡(jiǎn)易節(jié)電器并不節(jié)能或者說(shuō)節(jié)能效果不明顯。不僅如此，其還存在一定的安全隱患。首先，電容器裝于插座之上，充電電壓遠(yuǎn)高于市電有效值220V，高達(dá)310V以上。裸露于外存在嚴(yán)重的用電安全隱患;其次，如因使用節(jié)電器而合電路正好出現(xiàn)電路諧振現(xiàn)象，則負(fù)載電器中更易出現(xiàn)較大電流，進(jìn)而影響負(fù)載電器壽命，甚至立即燒毀電器的情況;其三，節(jié)電器電容器失電后，初次或再上電時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較大的浪涌電流，會(huì)使電路保險(xiǎn)與過(guò)載保護(hù)設(shè)備動(dòng)作，影響電路和負(fù)載電器的正常工作。

其實(shí)，家用電器的功率因素在電氣產(chǎn)品生產(chǎn)時(shí)，已經(jīng)作了規(guī)定。家庭用電負(fù)載綜合功率因素較大，如無(wú)必要沒(méi)有必要進(jìn)行補(bǔ)償。如一定要進(jìn)行補(bǔ)償則要對(duì)投入運(yùn)行的電器功率因素先進(jìn)行監(jiān)測(cè)。選擇合適容量的電容器，并隨家用電器設(shè)備運(yùn)行同時(shí)投入使用。

如上所述，通過(guò)電路原理分析，說(shuō)明了簡(jiǎn)易節(jié)電器工作原理、節(jié)能效果差及存在的諸多安全隱患。

參考資料：

[1]苗曉培，電工技術(shù)與技能[M]，西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2016.