電力系統(tǒng)功率因數(shù)改善方法分析

王漢生

（SM廣場(chǎng)（天津）有限公司，天津300308）

0 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，人們的生活水平有了顯著的提高，對(duì)電力的要求也越來(lái)越高，對(duì)于供電企業(yè)及鄉(xiāng)村電網(wǎng)而言，如果合理開(kāi)展低壓補(bǔ)償工作，不僅可以緩解上級(jí)電網(wǎng)補(bǔ)償過(guò)程中產(chǎn)生的壓力，使用戶(hù)實(shí)際的功率因數(shù)得到有效的改善，還可以有效控制電能中的損失，從而減少用戶(hù)的電費(fèi)支出，節(jié)約能源。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，低壓補(bǔ)償工作具有十分顯著的經(jīng)濟(jì)效益及社會(huì)效益，因此具有非常廣闊的發(fā)展空間。在電力系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程中，功率因數(shù)越大表明電網(wǎng)的效率越高，無(wú)用功的功率就小，從而可減少電能的損耗。如今，大多數(shù)供電企業(yè)對(duì)改善功率因數(shù)的課題都高度重視，但仍存在諸多問(wèn)題和不足，因此，行之有效的功率因數(shù)改善方法逐漸成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。

1 電力系統(tǒng)與功率因數(shù)之間的關(guān)系及影響

功率因數(shù)是指在交流電中電壓、電流之間存在的一定相位差，通常用符號(hào)φ表示，該相位差的余弦值就是所說(shuō)的功率因數(shù)，數(shù)學(xué)表達(dá)式為cosφ，從數(shù)據(jù)的角度上解釋?zhuān)β室驍?shù)實(shí)際上就是有功功率與視在功率（電壓與電流的直接乘積）的比值，數(shù)學(xué)表達(dá)式為cosφ＝P／S。在電力系統(tǒng)中，功率因數(shù)是必不可少的指標(biāo)性數(shù)據(jù)，也是衡量相應(yīng)電氣設(shè)備總體效率的重要依據(jù)。如果電力系統(tǒng)的功率因數(shù)較低，表明電路中的無(wú)功功率過(guò)大，電氣設(shè)備的利用率達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)的要求，增加了供電線(xiàn)路的損耗。造成功率因數(shù)低的主要原因是在電力系統(tǒng)中，不可避免地存在一些電感性負(fù)載。對(duì)于工業(yè)企業(yè)的供電用戶(hù)而言，許多用電設(shè)備都存在一定的電感性，比如電焊機(jī)、架空線(xiàn)路等，這些電氣設(shè)備的功率因數(shù)數(shù)值都在1以?xún)?nèi)，如果設(shè)備處于輕載工況，對(duì)應(yīng)的功率因數(shù)會(huì)更低。因此，對(duì)無(wú)功功率進(jìn)行有效補(bǔ)償，是提高電力系統(tǒng)功率因數(shù)的主要手段。

2 影響功率因數(shù)的原因

2.1 電感性電氣設(shè)備多

在工業(yè)企業(yè)中，存在大量的電感性電氣設(shè)備，這些電氣設(shè)備都具有一個(gè)相同的特點(diǎn)，就是需要消耗大量的無(wú)功功率。根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)得知，三相交流異步電動(dòng)機(jī)消耗的無(wú)功功率是最多的，占總量的60%左右，尤其當(dāng)電動(dòng)機(jī)處在空載工況時(shí)，無(wú)功功率的消耗量占電動(dòng)機(jī)無(wú)功總量的70%左右。因此，在實(shí)際中，需要避免電動(dòng)機(jī)在空載條件下運(yùn)行，并采取相關(guān)措施有效提高電動(dòng)機(jī)的負(fù)載率，從而增加電力系統(tǒng)的功率因數(shù)。

2.2 變壓器低負(fù)載或空載運(yùn)行

通常情況下，變壓器在正常條件下運(yùn)行時(shí)，會(huì)消耗總量10%左右的無(wú)功功率，如果變壓器空載，無(wú)功功率的消耗值會(huì)上升到總量的30%。因此，在工業(yè)企業(yè)中，與電動(dòng)機(jī)相同，應(yīng)避免變壓器在空載條件下運(yùn)行，并采取有效措施提高變壓器的負(fù)載率，從而提高電力系統(tǒng)的功率因數(shù)。

2.3 供電電壓過(guò)大

如果電力系統(tǒng)的供電電壓過(guò)大，并超出限度，也會(huì)對(duì)功率因數(shù)造成一定的影響。若供電電壓超出限度10%，無(wú)功功率受到磁路的過(guò)飽和影響而出現(xiàn)快速增長(zhǎng)，根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)得知，此時(shí)的無(wú)功功率會(huì)增加35%。如果能夠有效減少供電電壓，相應(yīng)的無(wú)功功率也會(huì)得到顯著降低，電力系統(tǒng)的功率因數(shù)會(huì)因此而增加。但這種改善方法并不切合實(shí)際，因?yàn)楣╇婋妷旱陀陬~定值會(huì)對(duì)電氣設(shè)備造成一定影響。因此，使供電電壓長(zhǎng)期處于穩(wěn)定的狀態(tài)，是改善電力系統(tǒng)功率因數(shù)的主要手段。

3 改善電力系統(tǒng)功率因數(shù)的方法

3.1 無(wú)功功率補(bǔ)償

3.1.1 低壓個(gè)別型補(bǔ)償法

低壓個(gè)別型補(bǔ)償法的實(shí)施，需要掌握個(gè)別用電設(shè)備的無(wú)功功率需求量，并結(jié)合實(shí)際所需確定低壓電容器的數(shù)量，最后將低壓電容器連接到用電設(shè)備中。在控制裝置的支持下，可進(jìn)行電機(jī)投切。這種無(wú)功功率補(bǔ)償法適合容量較大且需要不間斷運(yùn)行的設(shè)備，比如工業(yè)企業(yè)內(nèi)的大型電動(dòng)機(jī)，通常情況下會(huì)將勵(lì)磁無(wú)功作為補(bǔ)償?shù)闹黧w。低壓個(gè)別型補(bǔ)償法具有成本低、占地面積小、便于安裝維修等特點(diǎn)，如果用電設(shè)備停止運(yùn)行，無(wú)功補(bǔ)償也會(huì)立即停止，不會(huì)發(fā)生無(wú)功倒送的現(xiàn)象。

3.1.2 低壓集中型補(bǔ)償法

低壓集中型補(bǔ)償法的實(shí)施，需要在變壓器的低壓母線(xiàn)位置安裝一定數(shù)量的低壓電容器，安裝需要在低壓開(kāi)關(guān)上進(jìn)行，將無(wú)功功率補(bǔ)償?shù)耐肚醒b置當(dāng)作用電設(shè)備的控制裝置，根據(jù)變壓器母線(xiàn)上實(shí)際負(fù)荷的變化起到控制電容器投切的作用。一般情況而言，電容器投切的過(guò)程無(wú)法進(jìn)行調(diào)節(jié)。低壓集中型補(bǔ)償法具有接線(xiàn)便利、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、便于維護(hù)等特點(diǎn)，另外由于這種方法具有更高的經(jīng)濟(jì)性，因此該方法的應(yīng)用范圍十分廣泛。

3.1.3 高壓集中型補(bǔ)償法

高壓集中型補(bǔ)償法的實(shí)施，需要在高壓母線(xiàn)上安裝并聯(lián)形式的電容器組，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)功功率補(bǔ)償。這種方法適合應(yīng)用在與用戶(hù)距離較遠(yuǎn)的變電站中，如果用戶(hù)本身存在較高的負(fù)荷，就會(huì)使無(wú)功消耗得到相應(yīng)的減少，從而起到無(wú)功補(bǔ)償?shù)淖饔?。無(wú)功補(bǔ)償裝置結(jié)合用戶(hù)端實(shí)際負(fù)荷的大小進(jìn)行自行投切，完成提高功率因數(shù)的最終目的，為用戶(hù)節(jié)省用電費(fèi)用。高壓集中型補(bǔ)償法具有便于維護(hù)、效率明顯等特點(diǎn)。

3.2 提升自然功率因數(shù)的方法

提升自然功率因數(shù)不僅可以大幅降低電力系統(tǒng)中無(wú)功功率的消耗，還可節(jié)省補(bǔ)償設(shè)備的成本投資。為了使企業(yè)達(dá)到更高的功率因數(shù)，需要加大企業(yè)內(nèi)部的管理力度、完善管理措施。對(duì)于一般的工業(yè)企業(yè)而言，提升自然功率因數(shù)的方法可歸納為4個(gè)方面：（1）按照規(guī)范的要求合理使用各類(lèi)電動(dòng)機(jī)。（2）完善各類(lèi)電動(dòng)機(jī)的保養(yǎng)和檢修制度。（3）開(kāi)辟更多同步電動(dòng)機(jī)的使用條件和環(huán)境，同步電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)根據(jù)負(fù)載的大小確定有功功率的消耗量，無(wú)功功率的消耗量則根據(jù)轉(zhuǎn)子的實(shí)際勵(lì)磁電流而確定，如果電動(dòng)機(jī)處于欠勵(lì)狀態(tài)，便需消耗一定量的無(wú)功功率；相反電動(dòng)機(jī)處于過(guò)勵(lì)狀態(tài)時(shí)，便會(huì)向電力系統(tǒng)提供一定量的無(wú)功功率，因此將同步電動(dòng)機(jī)作為不間斷運(yùn)行設(shè)備的動(dòng)力來(lái)源可顯著提高功率因數(shù)。（4）根據(jù)實(shí)際所需，選擇并使用容量合理的變壓器設(shè)備，并對(duì)其運(yùn)行方式進(jìn)行針對(duì)性的改進(jìn)，對(duì)于負(fù)載率較低的變壓器而言，通常運(yùn)用更換、并接、停止等改進(jìn)方式來(lái)提高變壓器的實(shí)際負(fù)載率，最終改善自然功率因數(shù)。

4 結(jié)語(yǔ)

總之，對(duì)于電力系統(tǒng)而言，功率因數(shù)的改變可對(duì)系統(tǒng)總體的有功功率及設(shè)備的利用率產(chǎn)生不同程度的影響。如果功率因數(shù)的改變程度較大，還會(huì)影響到供電系統(tǒng)的電壓質(zhì)量。因此，采用合理的措施改善功率因數(shù)對(duì)于電力系統(tǒng)而言具有很高的實(shí)際價(jià)值。在人們對(duì)電力要求不斷提高的影響下，功率因數(shù)將成為衡量電力企業(yè)整體水平的關(guān)鍵指標(biāo)。因此，在改善功率因數(shù)方面還需要電力企業(yè)注入更多的新鮮血液，優(yōu)化傳統(tǒng)的改善方法，并提出新穎的技術(shù)手段，以適應(yīng)電力系統(tǒng)的高速發(fā)展。相信通過(guò)不斷的努力，我國(guó)電力系統(tǒng)功能因數(shù)的總體水平會(huì)上升到新的高度。

［1］邱關(guān)源.電路［M］.第5版.北京：高等教育出版社，2006

［2］蘇文成，金子康.無(wú)功補(bǔ)償與電力電子技術(shù)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1989

［3］陳榮.無(wú)功就地補(bǔ)償及其效益［J］.江蘇電機(jī)工程，1992（4）