淺析電力系統中的功率因數及無功補償方式

駱雪峰

功率因素直接關系到電力網中的功率損耗和電能損耗，關系到供電線路的電壓損失和電壓波動，而且關系到節約電能和整個供電區域的供電質量，功率因素過低甚至造成設備損壞和導致系統發生電壓崩潰事故。功率因素在電力系統中起著至關重要的作用。

前言

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、電動機等，它們都是依靠建立交變磁場才能進行能量的轉換和傳遞。為建立交變磁場和感應磁通而需要的電功率稱為無功功率，因此，所謂的“無功”并不是“無用”的電功率，只不過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，還需要無功電源，兩者缺一不可。

一、功率因數分析

在功率三角形中，有功功率P與視在功率S的比值，稱為功率因數cosφ，其計算公式：cosφ=P/S=P/（P2+Q2）1/2，在電力網的運行中，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。這樣電路中的無功功率可以降到最小，視在功率將大部分用來供給有功功率，從而提高電能輸送的功率。但是，功率因素過高，勢必導致電力系統無功功率下降，電動機轉子和定子之間的磁性減弱。當系統無功缺額時，根據系統無功功率負荷的靜態電壓特性曲線，在正常情況下，系統無功功率電源所提供的無功功率Qgcn，由無功功率平衡的條件Qgcn-Qld-Ql=0（即系統所提供的無功功率等于系統設備所需的無功功率與系統損耗的無功功率之和）決定的電壓為Un，設此電壓對應于系統正常的電壓水平。但假如系統無功功率電源提供的無功功率僅為Qgc（Qgc

二、電壓與無功功率

電壓與無功功率是同頻率與有功功率一樣，是一對對立的統一體。當無功負荷與無功出力相平衡時，電壓就正常，達到額定值，而當無功負荷大于無功出力時，電壓就下降，反之，電壓就會上升。

在一個并列運行的電力系統中，任何一點的頻率都是一樣的，而電壓與無功電力卻不是這樣的。當無功功率平衡時，整個電力系統的電壓從整體上看是會正常的，是可以達到額定值的，即便是如此，也是指整體上而已，實際上有些節點處的電壓并不一定合格，如果無功不是處于平衡狀態時，那么情況就更復雜了，當無功出力大于無功負荷時，電壓普遍會高一些，但也會有個別地方可能低一些，反之，也是如此。提高功率因素cosφ可以減輕發電機絕緣壓力，降低電能在輸電線上的損耗，更加合理的利用電動機。

由以上分析可知，功率因素過低或者過高而無加控制手段，都會給電網運行帶來問題和困難，甚至造成設備損壞和導致系統發生電壓崩潰事故。

三、影響功率因素變化的原因

電網中影響功率因素變化原因很多，下面簡要分析下：

1）大量的電感性設備，如異步電動機、感應電爐、交流電焊機等設備是無功功率的主要消耗者。據有關的統計，在工礦企業所消耗的全部無功功率中，異步電動機的無功消耗占了60%～70%；而在異步電動機空載時所消耗的無功又占到電動機總無功消耗的60%～70%。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負載率。

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

3）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，據統計，當供電電壓為額定值的110%時，一般無功將增加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。

四、無功補償方式

在電網中影響功率因素變化的因素如此之多，所以要想維持電網中功率因素的穩定絕非易事，這就需要在電網中無功消耗多的用電設備加上無功補償裝置，無功補償通常采用的以下3種方法：

1）低壓個別補償，低壓個別補償就是根據個別用電設備對無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。通過控制、保護裝置與電機同時投切。隨機補償適用于補償個別大容量且連續運行的無功消耗，以補勵磁無功為主。低壓個別補償的優點是：用電設備運行時，無功補償投入，用電設備停運時，補償設備也退出，因此不會造成無功倒送。

2）低壓集中補償，低壓集中補償是指將低壓電容器通過低壓開關接在配電變壓器低壓母線側，以無功補償投切裝置作為控制保護裝置，根據低壓母線上的無功負荷而直接控制電容器的投切。低壓集中補償的優點：接線簡單、運行維護工作量小，使無功就地平衡，從而提高配變利用率，降低網損，具有較高的經濟性，是目前無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電容器組直接裝在變電所的6～10kV高壓母線上的補償方式。適用于用戶遠離變電所或在供電線路的末端，用戶本身又有一定的高壓負荷時，可以減少對電力系統無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投切，從而合理地提高了用戶的功率因數，避免功率因數降低導致電費的增加，同時便于運行維護，補償效益高。

4）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上的手段來減少各種用電設備所消耗的無功功率，合理使用電動機，提高異步電動機的檢修質量，合理選擇配變容量，改善配變的運行方式等都可以提高自然功率因數。

小結

電力系統中功率因素是衡量電能質量的重要指標，功率因素過低或過高都會對電力系統造成影響，因此對功率因素作深入的分析是一項非常必要的工作。

參考文獻

[1]李明；淺析工廠供配電系統的無功功率補償問題[J]；四川建材；2011年04期.

[2]王雨；工廠供電系統無功補償問題研究[J]；技術與市場；2011年06期.

（作者單位：廣東電網公司惠州博羅供電局楊僑供電所）