電力電網(wǎng)功率因數(shù)提高的意義及補(bǔ)償措施

黃道敏，張 雪，彭賽陽，高敬祥，張 娜

（空軍預(yù)警學(xué)院，湖北 武漢 430019）

0 引言

功率因數(shù)反映了電力傳輸系統(tǒng)中有功功率所占的比例，是衡量電能傳輸效果的一個重要指標(biāo)。對供電部門來說，功率因數(shù)的大小，關(guān)系到輸電線路上的電壓損失和電壓波動，關(guān)系到供電網(wǎng)絡(luò)的功率損耗和電能損耗，也就是直接關(guān)系到電能節(jié)約和供電質(zhì)量。采取措施提高功率因數(shù)，一直是供電部門需要面對的重要課題，在現(xiàn)實生活中有著重要的實際意義。根據(jù)功率因數(shù)的特性，本文將探討功率因數(shù)的意義、影響因素及提高功率因數(shù)的方法、措施。

1 相關(guān)的重要概念及物理意義

在電工技術(shù)中，二端口網(wǎng)絡(luò)端鈕電壓與電流有效值的乘積UI稱為視在功率S，即S=UI，額定視在功率反映了設(shè)備的容量。例如，發(fā)電機(jī)上標(biāo)明的額定電壓和額定電流，它們的乘積即為額定視在功率，表明可供出的最大電壓及電流的乘積。

有功功率是瞬時功率中不可逆的恒定部分，是用電設(shè)備實際吸收消耗的功率，是電能轉(zhuǎn)換為熱能、化學(xué)能、機(jī)械能等其他形式能量的部分。有功功率的表達(dá)式為P=UIcosφ，可以看出二端口網(wǎng)絡(luò)的有功功率要在電源視在功率上打一個折扣，這個折扣就是cosφ，即為功率因數(shù)λ，其定義式為λ=P/S=cosφ，0≤cosφ≤1。φ稱為功率因數(shù)角，也稱阻抗角，也等于端口上的電流、電壓的相位差。阻抗角能夠反映網(wǎng)絡(luò)的性質(zhì)，但功率因數(shù)λ卻不能完全做到這一點，一般在給出功率因數(shù)的同時，習(xí)慣上還加上“滯后”或“超前”字樣，以表示出網(wǎng)絡(luò)的性質(zhì)[1]。

當(dāng)cosφ小于1 時電路中就發(fā)生能量交換，一部分能量在電源和負(fù)載之間往返，即產(chǎn)生了無功功率Q=UIsinφ。無功功率是瞬時功率中可逆的恒定部分，稱為“無功”是因為它并不對外作功，是用來產(chǎn)生與維持設(shè)備中磁場的電功率。如電氣設(shè)備中帶有電磁線圈，要產(chǎn)生磁場，電場能轉(zhuǎn)化為磁場能，就會引起無功功率消耗。如常見的20 W 日光燈，除了需要20 多W 的有功功率來供正常發(fā)光和少量供鎮(zhèn)流器消耗之外，帶有線圈的鎮(zhèn)流器要產(chǎn)生交變磁場還需大約40 var 的無功功率。

由此可見，功率因數(shù)的大小反映了電源設(shè)備容量被利用的程度，它的大小取決于端口上電壓與電流之間的相位差角，功率因數(shù)越大，電源設(shè)備容量利用程度越高，反之則越低。電源向負(fù)載輸送多少有功功率是由阻抗角決定的。

2 影響功率因數(shù)的主要因素

工程實際中，不同的電氣設(shè)備往往具有不同的負(fù)載特性，交流設(shè)備有感性負(fù)載、容性負(fù)載，直流用電設(shè)備通常呈整流性負(fù)載，例如充電樁、LED 驅(qū)動器等。大量的非阻性負(fù)載造成了功率因數(shù)的降低。

電力系統(tǒng)中存在著大量的電感性負(fù)載，例如常用的日光燈、變壓器和電動機(jī)等等。這些感性負(fù)載工作過程中，既要從電源端吸收有功功率用于正常做功，感性線圈還要吸收無功功率用于產(chǎn)生磁場，額外給電源增加的負(fù)擔(dān)，降低了這些感性負(fù)載的功率因數(shù)，如日光燈的功率因數(shù)一般僅為0.3～0.5，異步電動機(jī)空載時的功率因數(shù)為0.2～0.3，滿載時為0.7～0.9[2]。

電網(wǎng)電壓不穩(wěn)定將會嚴(yán)重影響功率因數(shù)。通常電磁設(shè)備都工作在額定狀態(tài)，設(shè)計時其磁感應(yīng)強(qiáng)度處于磁化曲線接近飽和的拐點附近，磁路中磁通稍有增加，電磁設(shè)備就很容易進(jìn)入磁飽和狀態(tài)，致使所需勵磁電流陡然增加，造成設(shè)備損壞。當(dāng)電網(wǎng)供電電壓增加到用電設(shè)備額定電壓的110%時，由于設(shè)備中磁路磁飽和的影響，無功功率將快速增大，一般將增加35%左右[3]。反之，供電電壓減小，低于設(shè)備的額定工作電壓，造成無功功率降低，功率因數(shù)將隨之提高。如供電電壓過低，低于電氣設(shè)備的額定值時，會影響電氣設(shè)備的正常工作。所以，應(yīng)當(dāng)采取適當(dāng)措施，盡可能的保持電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定。另外，供電網(wǎng)絡(luò)的頻率波動也會對感性負(fù)載中的磁化無功功率產(chǎn)生影響。

3 功率因數(shù)低對供電系統(tǒng)的主要影響

3.1 發(fā)電設(shè)備的容量不能充分利用，成本增加

在工程實際中，提供電能的電源設(shè)備在設(shè)計和使用時需要滿足一定的額定電壓和額定電流要求，工作時電壓、電流如超過了額定值，電源設(shè)備就可能遭到損壞。電源設(shè)備在額定電壓與額定電流下運行時送出的有功功率P與所接負(fù)載的功率因數(shù)cosφ密切相關(guān)，即P=UIcosφ。只有當(dāng)所接負(fù)載是純電阻時即cosφ=1，電源設(shè)備輸出的有功功率恰好等于其容量，理論上電源設(shè)備得到完全的利用；但是當(dāng)負(fù)載為感性或容性時，cosφ＜1，電源設(shè)備的輸出功率能力就得不到充分利用，有一部分被無功能量交換所占有。

3.2 線路上的功率損耗和電能損耗增大，效率低

對于電力系統(tǒng)中的輸電部分，當(dāng)負(fù)載網(wǎng)絡(luò)的有功功率P和端電壓有效值U一定時，功率因數(shù)越低，則線路上電流就越大（I=P/Ucosφ），由于輸電線電阻Rs的存在，輸電線上的有功損耗P=I2Rs，輸電線上的功率損耗和電能損耗就越大，輸電效率低。

3.3 諧波污染，降低電壓質(zhì)量

諧波問題關(guān)系到供電系統(tǒng)的供電安全和質(zhì)量。功率因數(shù)越低，線路壓降損耗越大，引起電壓波動，造成諧波污染，電壓質(zhì)量降低。尤其是用電處于高峰時段，用電客戶功率因數(shù)過低，會造成電網(wǎng)中大面積區(qū)域電壓降低，嚴(yán)重影響異步電動機(jī)及其它用電設(shè)備的正常運行，將給工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，造成很大的損失。

4 提高功率因數(shù)的實際意義

實際電網(wǎng)非常龐大，輸送距離遙遠(yuǎn)，比如三峽至上海輸電線路，延伸數(shù)千公里，線路上如果存在無功能量的往返，勢必增加電能的消耗及增大發(fā)電設(shè)備的容量。提高功率因數(shù)具有節(jié)能降耗、改善供電質(zhì)量的作用，是最接近實際的話題，有著重大現(xiàn)實意義。

（1）挖掘電源設(shè)備潛力，充分利用電源設(shè)備的輸出容量，節(jié)約成本。由公式P=UIcosφ可知，如設(shè)備容量不變，功率因數(shù)提高后，輸送的無功功率降低，而有功功率將增加。為使電源設(shè)備的容量得到最大程度的利用，充分挖掘用電設(shè)備的潛力，就應(yīng)采取措施提高交流負(fù)載的功率因數(shù)。

（2）提高電網(wǎng)輸電效率，減少線路上的有功損耗。提高功率因數(shù)、減小線路上的電流，也就減少了線路上的功率損失P=I2Rs，提高了電源設(shè)備的效率，也因此帶來很大的經(jīng)濟(jì)效益。

（3）減少諧波污染，提升電壓質(zhì)量，使設(shè)備處于相對正常的運行條件下，有利于維護(hù)用電企業(yè)的安全生產(chǎn)。

（4）減少電能損耗，為企業(yè)降低生產(chǎn)成本，相當(dāng)于減少了應(yīng)繳電費開支。安裝無功補(bǔ)償主要是為了降損節(jié)能，例如：當(dāng)cosφ=0.5 時的損耗是cosφ=1 時的4 倍。

目前供電部門征收電費將用戶的功率因數(shù)高低作為一項重要的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，《全國供用電規(guī)則》規(guī)定：高壓供電的工業(yè)用戶和高壓供電裝有帶負(fù)荷調(diào)整電壓裝置的電力用戶，以及100 kVA（kW）及以上的電力用，戶功率因數(shù)為0.90 以上，其他功率因數(shù)不低于0.85。供電部門在收取用戶電費時，將會根據(jù)用戶實際的功率因數(shù)，采取獎、罰、不獎不懲等處理方式。供電部門對沒有達(dá)到上述規(guī)定要求的老用戶，應(yīng)責(zé)令其限期整改，在一定期限內(nèi)添置無功補(bǔ)償設(shè)施，以滿足上述規(guī)定要求；對長期無理由不整改、不添置無功補(bǔ)償設(shè)備的用戶，供電部門可以限制供電或拉閘停電；供電部門可以拒絕為功率因數(shù)達(dá)不到上述規(guī)定要求的新用戶接電。總之，供電部門有責(zé)任要求、督促和幫助用電客戶采取無功補(bǔ)償措施來提高功率因數(shù)。

5 提高負(fù)載功率因數(shù)的原則和補(bǔ)償措施

要維持負(fù)載的正常工作，提高功率因數(shù)的原則是必須保證原負(fù)載的工作狀態(tài)不變，即：加至負(fù)載上的電壓和負(fù)載的有功功率不變。

提高功率因數(shù)實質(zhì)就是減少用電設(shè)備的無功功率的需求量，以便達(dá)到提高電源設(shè)備容量的利用率，降低輸電線路上的電壓和有功損失，改善線路電壓狀況的目的。提高功率因數(shù)，主要有以下兩種常用的補(bǔ)償措施：

5.1 提高系統(tǒng)自然功率因數(shù)

自然功率因數(shù)是指未安裝任何補(bǔ)償裝置的實際功率因數(shù)。對感性負(fù)載增添科學(xué)補(bǔ)償措施，降低用電設(shè)備無功功率需求量，達(dá)到提高企業(yè)用電設(shè)備的自然功率因數(shù)。使自然功率因數(shù)提高，不需要額外投資，應(yīng)優(yōu)先考慮。

（1）合理選擇電動機(jī)的規(guī)格、型號，減少電動機(jī)無功消耗，防止“大馬拉小車”。避免電機(jī)或設(shè)備空載運行，使其盡量接近滿載運行，一般要達(dá)到額定容量的70%以上，運行才是經(jīng)濟(jì)的。

（2）對長期輕載運行的電機(jī)或者設(shè)備，如平均負(fù)荷還達(dá)不到其額定容量40%左右的，可更換為容量較小的電動機(jī)或設(shè)備，也可改變電動機(jī)的接法，改為三角形接法或自動轉(zhuǎn)換。

（3）合理配置變壓器，恰當(dāng)?shù)剡x擇其容量。當(dāng)變壓器保持60%～70%的負(fù)荷率時，變壓器呈現(xiàn)出的運行狀態(tài)最佳，且具有較高的經(jīng)濟(jì)性和較大的功率因數(shù)[4]。改善配變的運行方式，避免變壓器的輕載運行。

（4）調(diào)整生產(chǎn)班次，均衡用電負(fù)荷，提高用電負(fù)荷率。

5.2 人工補(bǔ)償功率因數(shù)

人工補(bǔ)償功率因數(shù)的措施有并聯(lián)電容器、同步電動機(jī)補(bǔ)償、調(diào)相機(jī)(僅發(fā)無功功率的同步發(fā)電機(jī))補(bǔ)償和動態(tài)無功補(bǔ)償?shù)取?/p>

工程實際中，常利用電感、電容無功功率的互補(bǔ)特性，通過安裝補(bǔ)償設(shè)備提高功率因數(shù)，最簡捷、便利的是在感性負(fù)載兩端并聯(lián)補(bǔ)償電容器，使補(bǔ)償電容中的電場能量和負(fù)載設(shè)備中的磁場能量發(fā)生交換，從而減少與電源間的能量互換[5]。如圖1（a）所示，并聯(lián)補(bǔ)償電容C 后，原負(fù)載兩端的電壓不變，原負(fù)載不變，所以負(fù)載取用的電流不變，負(fù)載吸收的有功功率、無功功率都不變，即原負(fù)載的工作狀態(tài)不變！因為電容的電流超90°，使得總電流減少。如圖1（b）所示相量圖，可以看到、的夾角減少,即整個阻抗角減小，從而提高了電源端的功率因數(shù)。

圖1 電容器補(bǔ)償原理圖

并聯(lián)補(bǔ)償電容器容量的確定：

實際使用公式QN=P（tgφ1-tgφ2），由QN值查表選電容器。

并聯(lián)補(bǔ)償電容器，提高的是整個電路中的功率因數(shù)，減少的也是整個電路的總電流，線路上總電流減少，電源端就可以帶更多的負(fù)載，充分利用了電源設(shè)備的能力。由于電容器不消耗電能，所以電源供給的功率也未變化。

從功率角度來分析：在負(fù)載兩端并聯(lián)電容C后，負(fù)載的有功功率UI1cosφ1=UIcosφ2不變，電源向負(fù)載輸送的無功功率UIsinφ2=UILsinφ1減少，電容“產(chǎn)生”的無功功率就補(bǔ)償了電源減少的這部分無功功率，因此提高了功率因數(shù)。

在許多工廠的配電房，都要有電容柜，就是為改善功率因數(shù)而配備的。并聯(lián)電容器補(bǔ)償法提高功率因數(shù)，簡單有效。實際中常用的操作方法：將所有電容器切除，打到手動檔，在手動投入電容器時，觀看總進(jìn)線柜的電流表，開始時電流是下降的，到不下降反而升高時，此時去除最后一路的總補(bǔ)償容量就是你需要補(bǔ)的容量。

6 功率因數(shù)提高相關(guān)問題的探討

6.1 功率因數(shù)的適當(dāng)值

功率因數(shù)cosφ小于1 時，為欠補(bǔ)償，cosφ等于1 時，為全補(bǔ)償，cosφ大于1 時，為過補(bǔ)償。雖然功率因數(shù)越大效率越高，但實際中也并不要求功率因數(shù)提高到1，不要求全補(bǔ)償，因為要使功率因數(shù)接近1，不僅需要并聯(lián)的電容較大，設(shè)備投資也增加很大，經(jīng)濟(jì)效果不明顯，還可能引起諧振。過補(bǔ)償時，使功率因數(shù)又由高變低，而且電路性質(zhì)也不同了。綜合考慮，功率因數(shù)提高到適當(dāng)值（0.9 左右）為宜。

6.2 串聯(lián)電容提高功率因數(shù)cosφ

如果僅從提高功率因數(shù)cosφ來說，串聯(lián)電容器也可以提高感性負(fù)載的功率因數(shù)。此時原負(fù)載端電壓發(fā)生了改變，也就是改變了原負(fù)載的工作狀態(tài)。在電網(wǎng)與電網(wǎng)連接上有用這種方法的，一般用戶采用并聯(lián)電容補(bǔ)償措施。

6.3 “功率因數(shù)超前”

這里所說的“功率因數(shù)超前”，并不是指負(fù)載上電流和電壓二者相位之間的超前關(guān)系。可以這樣來舉例解釋：在電機(jī)兩端并入補(bǔ)償電容，電容發(fā)出無功功率QC，用來補(bǔ)償電感吸收的無功功率QL。QL=QC時，功率因數(shù)cosφ=P/S=1，此時電機(jī)不從供電系統(tǒng)吸收無功功率，即Q=0。而當(dāng)QC＞QL時，出現(xiàn)電力電容器過補(bǔ)償，呈現(xiàn)容性負(fù)載，這就是“功率因數(shù)超前”。“功率因數(shù)超前”，會產(chǎn)生無功外送，線路上的電流和損耗增加，產(chǎn)生的助磁作用又有可能使變壓器輸出端的電壓升高，導(dǎo)致電壓將“高上加高”，給電力電網(wǎng)造成損害，所以要避免出現(xiàn)“功率因數(shù)超前”。

7 結(jié)語

本文介紹了功率因數(shù)的概念、意義、影響功率因數(shù)的主要因素以及功率因數(shù)低對供電系統(tǒng)的主要影響，探討了提高功率因數(shù)的實際意義、提高功率因數(shù)的原則及補(bǔ)償措施，最后討論了幾個與功率因數(shù)提高相關(guān)的容易造成困惑的問題。由此可見，電力網(wǎng)中用戶功率因數(shù)的大小是十分重要的問題，對于整個電力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和安全性都起著極其重要的作用，供電部門和用戶都有責(zé)任和義務(wù)去設(shè)法提高電力網(wǎng)中各有關(guān)部分的功率因數(shù)，有效降低電網(wǎng)損耗，增強(qiáng)電力系統(tǒng)運行的經(jīng)濟(jì)性和安全性。