功率因數的概念及用電企無(wú)功補償

無(wú)功是一種資源，無(wú)功功率決非無(wú)用功率，只是不能直接轉化為熱、光、機械能。但在電能的生產(chǎn)、變壓、輸送、分配及電磁能量轉換過(guò)程中起著(zhù)重要作用。由于無(wú)功功率的作用和影響不像有功功率那樣直觀(guān)，因而用電企業(yè)普遍存在著(zhù)重視有功，輕視無(wú)功的現象。

無(wú)功和有功一樣是交流電能重要組成部分，形影相隨缺一不可，時(shí)刻影響著(zhù)用電企業(yè)對電能的有效利用率和用電成本。無(wú)功功率作為電功率的一部分，時(shí)刻陪伴和呵護著(zhù)用電設備的正常運行，為電力系統提供電壓支撐，為有功功率的輸送保駕護航。

一、功率因數的概念

電力系統中發(fā)電廠(chǎng)向用點(diǎn)企業(yè)輸送電能包括兩部分:一部分是用來(lái)發(fā)光、發(fā)熱、拖動(dòng)機械等的功率叫有功功率;另一部分則是用來(lái)建立磁場(chǎng)，并為電能輸送及保障有功功率轉換所必不可少的往返交換功率叫無(wú)功功率。電網(wǎng)供應給用電企業(yè)的電能是有功功率和無(wú)功功率同時(shí)存在的，這種同時(shí)存在的功率稱(chēng)之為視在功率，它們之間的關(guān)系式為：

上式中角

是感性負載接于交流電路中時(shí)，電壓與電流之間的相位差角。功率因數亦可稱(chēng)為交流電路中電壓與電流之間相位差角的余弦。電網(wǎng)供電中，若用電企業(yè)負載的

很小，則無(wú)功功率必將占用一定份額的視在功率，導致電腦利用率下降和電能損耗的增加。當用電企業(yè)負載性質(zhì)發(fā)生變化時(shí)，也必將造成

和運行電壓的變化。為減少用電設備的電壓降和功率損耗，用電企業(yè)則需積極自覺(jué)地實(shí)施無(wú)功補償，以提高功率因數。

根據余弦函數可知：無(wú)論采用何種方法的無(wú)功補償措施，其實(shí)質(zhì)就是要減小電壓與電流之間的相位差角

，使之達到提高功率因數，改善運行電壓質(zhì)量，降低電腦損耗，從而使用電企業(yè)降低電力成本。

二、用電企業(yè)的無(wú)功功率消耗

用電企業(yè)中使用的設備大部分是感性設備，它們運行中都要消耗無(wú)功功率，其消耗無(wú)功量的多少，主要取決于像異步發(fā)動(dòng)機、配電變壓器等這樣的感性設備。

如異步電動(dòng)機消耗的無(wú)功功率為勵磁和漏磁兩部分，可近似估算。對一臺100kW異步電動(dòng)機，其功率因數為0.8，在額定參數下運行，則要消耗75kvar的無(wú)功功率。配電變壓器消耗的無(wú)功功率也分為勵磁和漏磁兩部分，可近似估算。如一合1000kVA的變壓器，Ud=4.5%，Io=5，在額定參數下運行，消耗的無(wú)功功率約為95kvar。

用電企業(yè)所需的電能一般要經(jīng)過(guò)多級變壓和長(cháng)距離輸送，不但感性用電設備要消耗無(wú)功功率，而且供電線(xiàn)路也要消耗一定量的無(wú)功功率，其消耗的無(wú)功量按Q=3I2X10-3kvar進(jìn)行計量。用電企業(yè)總的無(wú)功功率消耗量是各項無(wú)功功率消耗量的總和，同時(shí)企業(yè)消耗的無(wú)功功率總和Q總，還與同期企業(yè)用電的總有功功率P總有關(guān)，其關(guān)系式為：

。式中tg中為企業(yè)各種感性設備功率因數的正切值。此見(jiàn)，當用電企 業(yè)總的功率因數小于0.8時(shí)，則消耗無(wú)功功率將大于有功功率，必須進(jìn)行無(wú)功補償。

三、無(wú)功的優(yōu)化管理和補償

電網(wǎng)供電中，無(wú)功與電壓存在著(zhù)較強的耦合關(guān)系，無(wú)功電流變化比有功電流對負載電壓的影響大得多，無(wú)功功率在潛移默化地影響著(zhù)電壓質(zhì)量。為此，用電企業(yè)在優(yōu)化無(wú)功管理的同時(shí)，還要積極實(shí)施無(wú)功補償，實(shí)現無(wú)功電源的優(yōu)化配置，減少無(wú)功潮流，提高功率因數。

無(wú)功電源不像有功功率那樣，只能由發(fā)電廠(chǎng)提供，而無(wú)功功率既可由發(fā)電機組提供，也可以由電容器、調相機、靜止無(wú)功補償裝置和靜止無(wú)功發(fā)生器等進(jìn)行無(wú)功補償。

發(fā)電機組作為無(wú)功電源可給用電企業(yè)提供無(wú)功功率，但對需經(jīng)多級變壓的長(cháng)距離傳送無(wú)功功率，若由發(fā)電機組提供必將產(chǎn)生不良影響：

①降低發(fā)電機有功功率的輸出;

②降低輸變設備的供電能力;

③造成輸電線(xiàn)路電壓損失增大;

④降低用電設備使用效率，嚴重時(shí)還會(huì )產(chǎn)生電壓波動(dòng)，給用電安全造成危害。

為此，用電企業(yè)消耗的無(wú)功功率，不能僅依賴(lài)大電機輸送，除優(yōu)化無(wú)功管理外，還要采取各種措施進(jìn)行無(wú)功補償，有利于提高用電企業(yè)的功率因數。

1.提高設備的自然功率因數

自然功率因數系指經(jīng)人工補償前設備所具有的功率因數，即設備本身運行時(shí)的功率因數。提高自然功率因數，從本質(zhì)上講是改善設備運行工況，從而降低設備自身的無(wú)功消耗，這是不需增加設備的無(wú)功補償。其方法有：

①合理選用異步發(fā)動(dòng)機容量，避免“大馬拉小車(chē)”，使發(fā)動(dòng)機處于最佳負載率工況下運行，這可改善功率因數;

②輕載運行異步發(fā)動(dòng)機可將其定子接線(xiàn)由三角形改為星形運行，達到降低運行電壓改善功率因數;

③裝設空載自停裝置，當異步電動(dòng)機較長(cháng)處于空載運行時(shí)，該裝置能自動(dòng)切斷電源，以減少無(wú)功消耗而改善功率因數。

2.改善設備自身結構參數提高功率因數

根據感性設備的阻抗三角形可知：其功率因數表達式為：

式中的電阻R和感抗

，可視為感性設備自身的兩個(gè)參變量，而功率因數

可

看出作參變量的函數。從式中可知：

是隨R的增加，而變大，隨XL的增加而減小。因此對某些感性設備在允許的范圍內，通過(guò)改變設備自身的結構參數，將其電阻適當增大，或將感抗XL適當減小，即可達到設備自身功率因數改變的效果。

因為，將感性設備自身參數中的感抗適當減小，或將其電阻適當增大，在保持設備阻抗基本不變的情況下，使其阻抗角即感性設備端電壓-5其通過(guò)的電流之間的相位差角減小，即可達到提高設備自身功率因數的效果。

3.并聯(lián)電容器進(jìn)行無(wú)功補償

用電企業(yè)實(shí)施無(wú)功補償應根據無(wú)功就地平衡原則，使企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中消耗最低無(wú)功功率應從設置的無(wú)功補償電源提供，以維持運行電壓的合格。用電企業(yè)實(shí)施無(wú)功補償，應根據用電負荷性質(zhì)及無(wú)功消耗的多少，確定從電網(wǎng)吸取無(wú)功量和企業(yè)補償裝置提供無(wú)功量之間最佳配合比例，實(shí)現無(wú)功就地平衡，從而提高企業(yè)對電腦利用率。

用電企業(yè)實(shí)施無(wú)功補償的常用方法，即是在感性設備并聯(lián)電容器。因感性設備流過(guò)電流總是滯后電壓90°，而電阻流過(guò)電流-5電壓同相，其合成電流與電壓的夾角為

。運用并聯(lián)電容器進(jìn)行無(wú)功補償，即是將電容器與感性設備并聯(lián)，由于電容器容性電流超前電壓90°，則能抵消一部分感性電流，使總電流滯后電壓的相位差角減小，這是并聯(lián)電容器進(jìn)行無(wú)功補償能提高功率因數的機理。

用電企業(yè)實(shí)施無(wú)功補償，可在高壓側，也可在低壓側，可集中進(jìn)行補償，也可分散就地補償。通過(guò)電容器與感性設備并聯(lián)進(jìn)行無(wú)功補償，這是實(shí)現無(wú)功就地平衡的好辦法，不僅減少無(wú)功潮流，而且還能降低電壓損失，以而改善運行電壓質(zhì)量。

投功裝置，有利于無(wú)功負荷的實(shí)時(shí)平衡，維持用電企業(yè)消耗無(wú)功功率的合理與經(jīng)濟分布。

四、結束語(yǔ)

保持無(wú)功功率供求平衡是一項復雜技術(shù)工作。用電企業(yè)實(shí)施無(wú)功補償，應根據本單位負荷性質(zhì)和無(wú)功消耗情況，確定最佳無(wú)功補償量，才有利于提高功率因數，高效利用電能，降低功耗和電力成本。用電企業(yè)只有積極采取各項措施進(jìn)行無(wú)功補償，才能改善電壓質(zhì)量，使之獲得更好經(jīng)濟效益。