功率因數對企業供配電系統的影響及補償裝置在系統中的應用

虎尚友

（陜西有色冶金礦業集團有限公司，陜西 西安 710000）

某集團公司選礦廠具有兩條選鉬生產線，日處理能力達32000t/d，電耗約2.3億kwh/年，其主要動力設備中異步電動機占設備運行容量的70%以上；眾所周知，異步電動機屬感性負載，工作過程中在線路中電流總是滯后電壓一個角度，這個角度的余弦值就是電力系統中所指的功率因數，它反映了電力系統中線路的有功功率占視在功率的百分數。因此，在電力系統中，我們希望功率因數越大越好，這樣，可以使電網中的視在功率將大部分用來供給有功功率，以減少無功功率的消耗，以此來提高變壓器的利用率。因此，用戶功率因數的高低，對于電力系統發、供、用電設備的充分利用，有著非常顯著的影響。提高用戶的功率因數，不但可以充分發揮供電設備的生產能力、減少線路損失、改善電壓質量，而且可以提高用戶用電設備的工作效率，為企業本身節約電能。

在這篇文章中，詳細的介紹了功率因數對供配電系統的影響，影響功率因數的主要因素，企業低壓配電系統中提高功率因數的幾種常用方法及工作原理，低壓系統功率因數人工補償容量的確定。最后通過某集團公司選礦廠安裝補償裝置在供配電系統使用后所取得的效益評價說明了功率因數補償的重要性和必要性。

1 功率因數對供配電系統的影響

上面已經提到，功率因數是指在線路中電流滯后電壓一個相位角的余弦值，它產生的主要原因是由于接在電網中的多數用電設備是根據電磁感應原理工作的，絕大多數用電設備屬于感性負載，在其工作過程中除消耗有功功率外，還需要無功功率。當企業供配電系統功率因數偏低時，將對供配電系統造成下列不良影響：

（1）降低了發電機的輸出功率，使發電機效率降低，發電成本提高[1]。

（2）降低了變電、輸電設施的供電能力。[1]這一點從圖1的功率三角形中可以看出，cosφ＝P/S，在有功功率P一定時，當功率因數cosφ越小，則所需要的無功功率Q越大，其視在功率S也越大。為滿足企業用電的需要，供電線路和變壓器的容量也越大。

圖1 功率三角形

(3) 由于電力網絡中的電能損失與功率因數值的平方成正比，企業供配電系統功率因數偏低，使電力網絡損耗增加。下面的數學表達式[2]可以說明問題。

式中：△P—功率損耗（kW）；P—有功功率（MW）；R—線路總電阻（Ω）；U—額定電壓（kV）；

(4) 功率因數愈低，線路中的電壓損失也愈大，使用電設備的運行條件惡化[1]。數學表達式：

式中：△U—線路中的電壓損失（kV）；Q—無功功率（Mvar）；

由于功率因數的高低對供電網絡影響很大，因此，我國《供用電規則》中規定：“用戶必須提高自然功率因數，高壓供電的用戶必須保證功率因數在0.9以上，其他用戶應保持在0.85以上，經過努力達不到以上規定者，應裝設必要的補償設備[1]。”為此，國家電力部門發布了《功率因數調整電費辦法》。按照該辦法，一般企業功率因數標準為0.90，當月平均功率因數高于標準值的1%，月底結算電費時，核減全月總電費的0.15%；當月平均功率因數低于標準值的1%，月底結算電費時，增加全月總電費的0.5%。由此可見，提高企業功率因數對金鉬集團這樣一個耗電大戶是多么重要。

2 影響功率因數的主要因素

影響功率因數的主要因素有以下幾個方面：

（1）異步電動機是企業耗用無功功率的主要設備之一 ：異步電動機的定子與轉子間的氣隙是決定異步電動機需要較多無功功率的主要因素。而異步電動機所耗用的無功是由其空載時的無功功率和一定負載下無功功率的增加值這兩部分所組成。所以要改善異步電動機的功率因數就要防止電動機的空載運行并盡可能提高用電設備負載率。

（2）電力變壓器也是消耗無功的主要配電設備：電力變壓器消耗無功功率的主要成份是它的空載無功功率，它和負載率的大小無關。因而，為了改善電力系統和企業供配電系統的功率因數，變壓器不應空載運行或長期處于低負載運行狀態。

（3）供電電壓超出規定范圍也會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，由于磁路飽和的影響，無功功率將增長得很快，據有關資料統計，當供電電壓為額定值的110%時，一般工廠的無功將增加35%左右。當供電電壓低于額定值時，無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。

（4）電網頻率的波動也會對異步電機和變壓器的磁化無功功率造成一定的影響。

綜上所述，我們知道了影響電力系統功率因數的一些主要因素，就需要尋求提高電力系統功率因數的方法，以達到節能降耗的目的。

3 低壓配電系統中無功補償的一般方法

從圖1中S、P、Q、cosφ之間的關系可以看出，當有功功率P一定時，如減少無功功率Q，則功率因數便能夠得到提高；因此提高功率因數問題的實質就是減少用電設備的無功功率需要量。在企業低壓配電系統中，通常采用分散補償與集中補償等方法對低壓系統進行無功補償。

（1）分散補償法是將低壓電容器組與電動機并接在一起，通過控制、保護裝置與電動機同時投切，它的優點是：隨用電設備的停運而停運，具有投資少、占地面積小、安裝容易、配置方便靈活，維護簡單、故障率低等特點。其一次接線見圖2。

圖2 隨機節能器一次接線圖

（2） 集中補償法是將低壓電容器組通過低壓電氣元件與用電設備并接在變壓器的二次側，它可以按照變壓器所帶負載大小及負載的工作狀態，采用無功補償控制器對低壓配電網絡進行自動補償；這樣，不會造成低壓系統過補償或欠補償。它的優點是：接線簡單、維護管理方便、能自動投切電容器，從而提高變壓器的利用率，降低無功損耗。其一次接線見圖3。

圖3 集中補償裝置一次接線

目前，由于企業逐步實現生產工藝自動化，各個生產工藝環節均需要實現調速控制和程序化控制，這就意味著在企業的供配電系統中變頻裝置等電子元器件數量不斷增多，使得供配電系統的諧波上升，傳統的補償裝置受系統諧波的影響，無功補償裝置故障率上升，影響了無功補償裝置的正常運行，再加上補償裝置分回路投切采用接觸器控制，在投切電容器的過程中，很難保證交變電流過零投切，接觸器觸點損壞現象時有發生；故此目前無功補償裝置均采取了采用可控硅控制，電容器回路串聯電抗器的方法，使得補償裝置的故障率大為降低。其一次接線見圖4。

圖4 SCR控制（串電抗器）無功補償裝置一次系統圖

除上述人工補償來提高系統功率因數外，還可以采取適當的措施以提高系統的自然功率因數，它不需要增加投資，是最經濟的提高功率因數的方法。下面將對提高自然功率因數的措施作一些簡要的介紹。

（3）合理選用電動機，使其接近滿載運行：在選擇電動機時，既要注意它們的機械性能，又要考慮它們的電氣指標，如果電動機長期處于低負載下運行，既增大了功率損耗，又使功率因數和效率過低；所以從節約電能和提高功率因數的觀點出發，正確合理的選擇電動機容量是提高系統自然功率因數行之有效的方法。

（4）理選擇變壓器容量，改善變壓器的運行方式：對負載率比較低的電力變壓器，最好選擇節能型、合理型變壓器，使其負載率提高到最佳值，從而改善電網的自然功率因數。

（5）采用同步電動機或異步電動機同步運行提高功率因數：由電機原理知道，同步電動機消耗的有功功率取決于電動機上所帶機械負荷的大小，而無功取決于轉子中的勵磁電流大小，在欠勵狀態時，定子繞組向電網“吸取”無功，在過勵狀態時，定子繞組向電網“送出”無功。因此，只要調節電機的勵磁電流，使其處于過勵狀態，就可以使同步電機向電網“送出”無功功率，以減少電網輸送給企業的無功功率，從而提高企業的功率因數。異步電動機同步運行就是將異步電動機三相轉子繞組適當連接并通入直流勵磁電流，使其呈同步電動機運行，這就是“異步電動機同步化”。因而只要調節電機的直流勵磁電流，使其呈過勵狀態，便能向電網輸出無功，從而達到提高低壓電網功率因數的目的。

上面談了一些提高低壓電網功率因數的方法，對一般企業來說由于設備已經定型，要通過設備更新或改造設備現有狀況很難做到；因此，我們將重點介紹對用電設備進行人工補償的方式和對補償容量的確定方法。

4 低壓系統功率因數人工補償容量的確定

4.1 分散補償法補償容量的確定

由于分散補償法是將低壓電容器組與電動機并接在一起，所以要依據需要進行補償的電動機容量，電動機運行負荷大小來確定，計算方法與集中補償法補償容量的確定相似。

4.2 集中補償法補償容量的確定

集中補償法是將靜電電容器組與感性負載并聯在一起，由于感性負載從供電系統中吸取的無功功率是滯后的，而電容器需要的無功功率是超前的；因此，適當選擇電容器容量其代數和將會變的很小，最理想時： QC+QL=0（QC—電容器吸收的無功功率、QL—感性負載吸收的無功功率），這時低壓配電系統已不需向供電系統吸取無功功率，功率因數為1；但系統的功率因數不是越高就越好，正常情況下，用戶供配電系統的功率因數以0.95為宜。參見電容器補償電路原理圖(圖5)[2]。

圖5 電容器補償電路原理圖

4.2.1 電容器補償容量的確定

將配電系統中功率因數由cosφ1提高到cosφ2，移相電容器的補償容量可由下式確定：

式中：Qc—移相電容器的補償容量（kvar），Pjs—有功功率的計算值， tgφ1、tgφ2—補償前后平均功率因數角的正切值。

4.2.2 并聯補償移相電容器，應滿足以下電壓和容量的要求

Uce≥ Ucg；式中 ：Uce—電容器的額定電壓（kV）；Ucg——電容器的工作電壓（kV）。

nQcg≥Qc；式中：n—并聯的電容器總數，Qcg—電容器的工作容量（kvar），Qc—電容器的補償容量（kvar）。

補償電容器串聯電抗器一般按照6%～7%即可滿足要求。

一般來說，需要對某個低壓系統或單臺變壓器進行無功補償，如果是長期穩定運行的負荷，可以對該系統所帶每臺動力設備的運行負荷進行測試三次以上并取其負荷平均值，然后計算其有功功率Pjs、無功功率Qjs、功率因數cosφ；或者按照每月有功、無功電能表的累計值計算功率因數cosφ；根據所得到的功率因數值，確定需要對系統進行無功補償后功率因數所達到的值，按照上述計算公式來確定補償容量。

5 補償裝置在供配電系統應用后所取得的效益評價

某集團公司選礦廠尾礦輸送工序設有六個35kV變配電系統，分別配有6/10kV配電站，選礦工序設有三個獨立的6kV配電站。在提高功率因數方面，由于尾礦輸送設備主要為大功率渣漿泵，選用高壓無功補償裝置；選礦工序除采用高壓同步機補償外，其余均采用低壓并聯電容器無功補償方式。

（1）35kV系統下屬的 6/10kV配電站均采用高壓并聯電容器，每個配電站的補償容量根據負荷大小確定為900/1200kvar，每年在不增加功率因數電費的基礎上，可減少電費支出約20萬元以上。

（2）選礦工序三個獨立的6kV配電站下屬有10個低壓配電系統，目前僅對變壓器容量在1250kVA以上的系統分別安裝400~600kvar，加上同步電動機調節勵磁電流提高功率因數，每年在不增加功率因數電費的基礎上，可減少電費支出約25萬元以上。

（3）對個別電動機（如210kW）安裝隨機補償裝置。通過無功補償裝置在系統中的安裝應用，加之同步機在運行中的補償，該公司選礦廠每月的平均功率因數達到0.93以上，每年在不增加力率電費的基礎上，可減少電費支出在45萬元之多。

6 結束語

提高企業用電的功率因數，在提高用電設備自然功率因數的同時，需要增加無功補償裝置，這樣不但可以提高設備出力，降低功率損耗和電能損失，改善電壓質量，還可以提高功率因數，為企業帶來經濟效益和社會效益。