關于改善供電功率因數分析

鄺鏡垣

摘 要：電力系統作為居民生產生活的主要動力來源，對國家經濟正常發展起著重要作用。電網供電功率因數的大小對于整個電力系統的經濟運行和安全運行具有重要的意義，對于提高功率因數的探討日益受到人們的關注。本文對提高供電功率因數的意義進行了說明，分析了影響功率因數變化的幾個主要因素同時介紹了改善功率因數的方法和措施。

關鍵詞：功率因數；功率補償；電能質量

中圖分類號：TM71 文獻標識碼：A

概述

近年來我國經濟取得了飛速發展，于此同時對電力系統的供電能力的要求也隨之提高。功率因數作為電網供電能力的重要指標之一，在社會的安全生產中的作用變的越來越大。供電功率因數的提高能夠有效的降低輸電線路上的電能損耗和有功功率的損耗。它直接影響到相關電力用戶正常的生產活動甚至影響到人們的生命健康，所以本文分析了影響影響供電功率因數變化的幾個主要因素并提出了提高功率因數的相關措施。

1 功率因數提高的意義

現階段我國絕大多數的大型設備使用的是交流電，這些設備的有功功率根據公式（1）計算

P=UIcosφ （1）

上式中P代表有功功率，U代表線路的線電壓，I代表線路電流，cosφ代表的就是功率因數。現在電網上 的絕大多數的設備是感性負載，從而造成功率因數小于1，另外功率因數的大小和電源的類型無關，它的大小只取決于設備本身的相關參數。

如果負荷的功率因數過低，將導致電源的容量得不到有效的利用并且將增大輸電線路上的有功功率線損和電壓損耗，使得電力用戶和電網的運行成本都會增加，不利于降低生產成本。電源的容量一般使用視在功率S=UI進行表示，但是電源輸出的有功功率使用P=UIcosφ進行表示，當功率因數cosφ過低時，輸出的有功功率相應的也就降低，大大的降低了電源容量的 有效使用率。另外，線路的電壓損耗一般使用公式（2）進行表示

ΔU= （2）

由公式（2）可知，當負荷的有功功率是固定的前提下，如果功率因數過低將使得無功功率Q增加從而導致輸電線路電壓損耗增加。如果線路損耗過大使得導線過熱將導致線路出現故障。

2 影響功率因數幾個主要的因素

功率因數問題主要是電力設備在正常的工作過程中會產生一定數量的無功功率，無功功率的產生一般和以下幾個因素有關：

2.1 電網輸電線路上存在大量的感性負荷

隨著生產技術的進步電力變壓器和異步電動機的使用越來越多，但是兩者的物理模型都是感性模型。電力變壓器在進行調壓變壓的過程中，變壓器內兩個線圈能量的是通過變化的磁場進行傳遞的，磁場的建立和維持是無功功率存在的結果，一般而言電力變壓器的無功功率一般占總功率的10%左右。對于異步電動機而言，電機中旋轉磁場的建立和維持同樣要依賴于無功功率，無功功率的大小取決于電機轉子和定子直接的間隙。通過統計數據發現異步電動機無功功率的損耗占到工廠總無功功率的65%左右，占的比例非常的大。

2.2 變頻器工作對功率因數的影響

現在很多的工廠為了節約電能和成本，普遍都安裝了變頻器對電機等設備根據實際的需求進行調速。但是變頻器在工作時會產生大量的諧波，諧波的產生對負荷的絕緣造成一定的威脅，同時變頻器在工作過程中會消耗掉大量的無功功率，從而導致功率因數的降低，甚至導致相關設備無法正常的工作。

2.3 供電電壓和線路損耗對功率因數的影響

電網的供電電壓一般在一個范圍內變化，當設備的輸入電壓高于其額定電壓時，就會造成磁路飽和，最終導致無功功率快速增加。然而當設備的輸入電壓低于其額定電壓時會時設備無法正常的工作。另外，輸電線路中流過電流時會產生一定的電抗，從而使得線路上出現一定數量的無功功率損耗。

3 改善供電功率因數的措施

改善供電功率因數問題的實質就是減少用電負荷的無功功率總量，使有功功率增加。具體而言一般從無功功率補償和提高自然功率因數兩方面采取措施。

3.1 采用無功功率補償裝置

由于平時電網中的負荷是感性的負荷，因此無功功率補償的原理就是使用容性的負荷，利用感性無功和容性無功相反的特性對電網的無功功率進行補償。現階段一般采用同步調相機、同步電動機和并聯電容器等設備對無功功率進行補償。需要補償無功功率的計算使用公式（3）進行表示

在上式（3）中代表補償前的功率因數，代表的是補償后要達到的目標功率因數，目標補償因數一般是在0.9-0.95之間，需要并聯的電容容量通過計算得到。

無功功率補償按電壓劃分可以分為高壓補償和低壓補償兩種。高壓補償通常是在變電站的高壓側進行補償無功功率，并且只能對補償點前面的無功功率進行補償，而無法對補償點后面的無功功率進行補償。低壓補償是指對電網輸電線路和負載設備進行的直接補償，現階段低壓補償的效果比高壓補償的效果好，因此使用的比較廣泛。低壓補償分為集中補償、就地補償和分散補償三種。

集中補償是指將補償裝置裝在配電室的輸出母線上對無功功率進行集中補償。這種補償方式適用于用電負荷比較大而且集中，無功功率補償量比較大的場合。這種補償方式對電容器的利用率比較高，可以減小輸電線路的無功負荷，同時補償的效益高便于補償設備的保養和維修。

就地補償是指將相關的補償裝置直接安放在負荷旁邊對設備進行直接的無功補償。補償電容器設備和負荷的供電回路并聯，從而達到提高供電功率因數的目的。這種補償方式的補償效果好但是它的利用率比較低一般適合于長期工作且對無功功率消耗比較大的設備。

分散補償是指將無功功率補償設備按照無功功率在輸電線路上的分布安裝在相應的低壓母線上，從而形成對無功功率的分散補償。這種補償方式比較適合于負荷分布比較零散的地區，它能夠有效的對無功功率進行補償而且補償效果比較好，但是由于補償設備比較分散不利于相關設備的保養和維修。

要實現有效的無功功率補償最好是能夠實時的對補償量進行控制即能夠實現無功補償的實時可調。現階段比較常用的補償設備主要有并聯電容器、同步調相機、靜止無功補償器和靜止無功發生器。

3.2 提高自然功率因數

提高自然功率因數一般要從以下幾個方面進行改進：

3.2.1 由上文的分析可知，異步電動機的大量使用是降低功率因數的主要原因之一。因此在采購異步電動機的時候要合理的選擇電動機的容量以及型號，使異步電機盡量工作在滿載運行狀態，防止出現“大馬拉小車”的現象。另外，如果條件允許的情況下要使用一定量的同步電動機去代替異步電動機。

3.2.2 工廠應當合理的安排自己的工藝流程和生產線，提高相關設備的有效使用率，限制像數控車床、機床電機和電焊機等大功率設備的空載運行。

3.2.3 盡量使電力變壓器工作在接近滿載的狀態，一般而言變壓器的工作負荷占設計容量的95%運行時，設備的工作效率最高對設備的壽命影響最小。要防止變壓器長期工作在低負載甚至是空載運行狀態。

結語

本文重點分析了影響功率因數變化的幾個主要因素并且介紹了提高供電功率因數的方法和措施改善提高供電功率因數是一個非常值得研究的課題，提高供電功率因數不僅能夠降低無功功率的損耗節約電能，更能降低企業的生產成本，在中國企業依然處于經濟寒冬的現在，對于生產成本的控制直接影響到企業的生存。。

參考文獻

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