變壓器消耗的無(wú)功功率詳解

許多用電設備均是根據電磁感應原理工作的，如配電變壓器、電動(dòng)機等，它們都是依靠建立交變磁場(chǎng)才能進(jìn)行能量的轉換和傳遞。為建立交變磁場(chǎng)和感應磁通而需要的電功率稱(chēng)為無(wú)功功率，因此，所謂的無(wú)功并不是無(wú)用的電功率，只不過(guò)它的功率并不轉化為機械能、熱能而已;因此在供用電系統中除了需要有功電源外，還需要無(wú)功電源，兩者缺一不可。

在功率三角形中，有功功率P與視在功率S的比值，稱(chēng)為功率因數cosφ，其計算公式為：

cosφ=P/S=P/(P2+Q2)1/2

在電力網(wǎng)的運行中，功率因數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越大越好。這樣電路中的無(wú)功功率可以降到最小，視在功率將大部分用來(lái)供給有功功率，從而提高電能輸送的功率。

1、影響功率因數的主要因素

(1)大量的電感性設備，如異步電動(dòng)機、感應電爐、交流電焊機等設備是無(wú)功功率的主要消耗者。據有關(guān)的統計，在工礦企業(yè)所消耗的全部無(wú)功功率中，異步電動(dòng)機的無(wú)功消耗占了60%～70%;而在異步電動(dòng)機空載時(shí)所消耗的無(wú)功又占到電動(dòng)機總無(wú)功消耗的60%～70%。所以要改善異步電動(dòng)機的功率因數就要防止電動(dòng)機的空載運行并盡可能提高負載率。

(2)變壓器消耗的無(wú)功功率一般約為其額定容量的10%～15%，它的空載無(wú)功功率約為滿(mǎn)載時(shí)的1/3。因而，為了改善電力系統和企業(yè)的功率因數，變壓器不應空載運行或長(cháng)期處于低負載運行狀態(tài)。

(3)供電電壓超出規定范圍也會(huì )對功率因數造成很大的影響。

當供電電壓高于額定值的10%時(shí)，由于磁路飽和的影響，無(wú)功功率將增長(cháng)得很快，據有關(guān)資料統計，當供電電壓為額定值的110%時(shí)，一般無(wú)功將增加35%左右。當供電電壓低于額定值時(shí)，無(wú)功功率也相應減少而使它們的功率因數有所提高。但供電電壓降低會(huì )影響電氣設備的正常工作。所以，應當采取措施使電力系統的供電電壓盡可能保持穩定。

2、無(wú)功補償的一般方法

無(wú)功補償通常采用的方法主要有3種：低壓個(gè)別補償、低壓集中補償、高壓集中補償。下面簡(jiǎn)單介紹這3種補償方式的適用范圍及使用該種補償方式的優(yōu)缺點(diǎn)。

(1)低壓個(gè)別補償

低壓個(gè)別補償就是根據個(gè)別用電設備對無(wú)功的需要量將單臺或多臺低壓電容器組分散地與用電設備并接，它與用電設備共用一套斷路器。通過(guò)控制、保護裝置與電機同時(shí)投切。隨機補償適用于補償個(gè)別大容量且連續運行(如大中型異步電動(dòng)機)的無(wú)功消耗，以補勵磁無(wú)功為主。低壓個(gè)別補償的優(yōu)點(diǎn)是：用電設備運行時(shí)，無(wú)功補償投入，用電設備停運時(shí)，補償設備也退出，因此不會(huì )造成無(wú)功倒送。具有投資少、占位小、安裝容易、配置方便靈活、維護簡(jiǎn)單、事故率低等優(yōu)點(diǎn)。

(2)低壓集中補償

低 壓集中補償是指將低壓電容器通過(guò)低壓開(kāi)關(guān)接在配電變壓器低壓母線(xiàn)側，以無(wú)功補償投切裝置作為控制保護裝置，根據低壓母線(xiàn)上的無(wú)功負荷而直接控制電容器的投切。電容器的投切是整組進(jìn)行，做不到平滑的調節。低壓補償的優(yōu)點(diǎn)：接線(xiàn)簡(jiǎn)單、運行維護工作量小，使無(wú)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)濟性，是目前無(wú)功補償中常用的手段之一。

(3)高壓集中補償

高壓集中補償是指將并聯(lián)電容器組直接裝在變電所的6～10kV高 壓母線(xiàn)上的補償方式。適用于用戶(hù)遠離變電所或在供電線(xiàn)路的末端，用戶(hù)本身又有一定的高壓負荷時(shí)，可以減少對電力系統無(wú)功的消耗并可以起到一定的補償作用;補償裝置根據負荷的大小自動(dòng)投切，從而合理地提高了用戶(hù)的功率因數，避免功率因數降低導致電費的增加。同時(shí)便于運行維護，補償效益高。

3、采取適當措施，設法提高系統自然功率因數

提高自然功率因數是不需要任何補償設備投資，僅采取各種管理上或技術(shù)上的手段來(lái)減少各種用電設備所消耗的無(wú)功功率，這是一種最經(jīng)濟的提高功率因數的方法。

(1)合理使用電動(dòng)機;

(2)提高異步電動(dòng)機的檢修質(zhì)量;

(3)采用同步電動(dòng)機：同步電動(dòng)機消耗的有功功率取決于電動(dòng)機上所帶機械負荷的大小，而無(wú)功功率取決于轉子中的勵磁電流大小，在欠勵狀態(tài)時(shí)，定子繞組向電網(wǎng)吸取無(wú)功，在過(guò)勵狀態(tài)時(shí)，定子繞組向電網(wǎng)送出無(wú)功。因此，對于恒速長(cháng)期運行的大型機構設備可以采用同步電動(dòng)機作為動(dòng)力。

異步電動(dòng)機同步運行就是將異步電動(dòng)機三相轉子繞組適當連接并通入直流勵磁電流，使其呈同步電動(dòng)機運行，這就是異步電動(dòng)機同步化。

(4)合理選擇配變容量，改善配變的運行方式：對負載率比較低的配變，一般采取撤、換、并、停等方法，使其負載率提高到最佳值，從而改善電網(wǎng)的自然功率因數。

4、無(wú)功電源

電力系統的無(wú)功電源除了同步電機外，還有靜電電容器、靜止無(wú)功補償器以及靜止無(wú)功發(fā)生器，這4種裝置又稱(chēng)為無(wú)功補償裝置。除電容器外，其余幾種既能吸收容性無(wú)功又能吸收感性無(wú)功。

(1)同步電機： 同步電機中有發(fā)電機、電動(dòng)機及調相機3種。

①同步發(fā)電機： 同步發(fā)電機是唯一的有功電源，同時(shí)又是最基本的無(wú)功電源，當其在額定狀態(tài)下運行時(shí)，可以發(fā)出無(wú)功功率：

Q=S×sinφ=P×tgφ

其中:Q、S、P、φ是相對應的無(wú)功功率、視在功率、有功功率和功率因數角。

發(fā)電機正常運行時(shí),以滯后功率因數運行為主,向系統提供無(wú)功，但必要時(shí),也可以減小勵磁電流,使功率因數超前,即所謂的進(jìn)相運行，以吸收系統多余的無(wú)功。

②同步調相機:

同步調相機是空載運行的同步電機，它能在欠勵或過(guò)勵的情況下向系統吸收或供出無(wú)功，裝有自勵裝置的同步電機能根據電壓平滑地調節輸入或輸出的無(wú)功功率，這是其優(yōu)點(diǎn)。但它的有功損耗大、運行維護復雜、響應速度慢，近來(lái)已逐漸退出電網(wǎng)運行。

③并聯(lián)電容器：

并聯(lián)電容器補償是目前使用最廣泛的一種無(wú)功電源，由于通過(guò)電容器的交變電流在相位上正好超前于電容器極板上的電壓，相反于電感中的滯后，由此可視為向電網(wǎng)發(fā)?quot;無(wú)功功率：

Q=U2/Xc

其中：Q、U、Xc分別為無(wú)功功率、電壓、電容器容抗。

并聯(lián)電容器本身功耗很小，裝設靈活，節省投資;由它向系統提供無(wú)功可以改善功率因數，減少由發(fā)電機提供的無(wú)功功率。

④靜止無(wú)功補償器：

靜 止無(wú)功補償器是由晶閘管所控制投切電抗器和電容器組成，由于晶閘管對于控制信號反應極為迅速，而且通斷次數也可以不受限制。當電壓變化時(shí)靜止補償器能快速、平滑地調節，以滿(mǎn)足動(dòng)態(tài)無(wú)功補償的需要，同時(shí)還能做到分相補償;對于三相不平衡負荷及沖擊負荷有較強的適應性;但由于晶閘管控制對電抗器的投切過(guò)程中 會(huì )產(chǎn)生高次諧波，為此需加裝專(zhuān)門(mén)的濾波器。

⑤靜止無(wú)功發(fā)生器：

它的主體是一個(gè)電壓源型逆變器，由可關(guān)斷晶閘管適當的通斷，將電容上的直流電壓轉換成為與電力系統電壓同步的三相交流電壓，再通過(guò)電抗器和變壓器并聯(lián)接入電網(wǎng)。適當控制逆變器的輸出電壓，就可以靈活地改變其運行工況，使其處于容性、感性或零負荷狀態(tài)。

與靜止無(wú)功補償器相比，靜止無(wú)功發(fā)生器響應速度更快，諧波電流更少，而且在系統電壓較低時(shí)仍能向系統注入較大的無(wú)功。