淺談提高工業企業電力系統功率因數的方法

顓孫兵

淺談提高工業企業電力系統功率因數的方法

顓孫兵

(淮北萬里昌泰電氣有限公司,安徽淮北 235000)

功率因素是衡量企業供電系統電能利用程度及電氣設備使用狀況的一個具有代表性的重要指標。文章從提高功率因素的基本措施入手,探討了提高電力系統功率因素的意義和方法,并給出應用實例。

有功功率;無功功率;功率因數

工業企業電力系統常用的移相電容器補償方式有三種:集中補償、分組補償和個別補償。企業電力系統的補償方式的選擇,要視企業的具體情況而確定。例如,從無功就地平衡來說,個別補償效果最好(個別補償應用于大容量、長期穩定運行、無功功率需要量較大的用電設備,或者距電源較遠,不便于實現分組補償的場合,這種方式可以減少配線電流、導線截面及配電變壓器的容量)。不論采取什么樣的補償,補償電容的容量必須選擇適當,而這一切都是為了提高交流電力系統的功率因數。功率因數是衡量企業供電系統電能利用程度及電氣設備使用狀況的一個具有代表性的重要指標。

1 有功功率與無功功率

企業的用電設備,大部分都是用電磁感應原理來進行工作的:比如電力變壓器、電焊機和感應電動機就是用電磁感應的原理來實現的。這樣的用電設備必須從電網上吸收兩種能量,一部分能量用于做功,轉化為機械能、熱能、化學能及光能等能量形式,這部分能量用于生產和生活所需,稱為有功功率;另一部分能量用來產生交變磁場,它由電能轉化磁能,又由磁能轉化為電能,是依靠磁場來傳送和轉換能量,沒有磁場,它們就不能工作,這種轉化只在電源和用電設備之間進行,不對外輸出能量,不對外做功,這部分功率稱為無功功率(“無功”不是“沒用”,而正是這類設備正常工作必不可少的條件)。

有功功率與無功功率都是電能的應用所必需的。若有用功率不足,則不能滿足用電負荷的需要,且電網質量變壞,威脅發電廠的安全;若無功功率不足,電網質量同樣變壞,電網電壓降低,用電設備電流上升,電機過流、發熱,導致用電設備的絕緣損壞。

2 功率因數

我們把有功功率與無功功率的合成功率稱為視在功率(視在功率也叫表觀功率),對電源來說,它僅表示電源所具備的提供能量的本領,視在功率確定后,有功功率分量高稱為功率因數高;無功功率分量高稱為功率因數低。有功功率與無功功率都是靠發電機產生的,然而,用電設備需要的功率都是有電感性與電容性的不同區別(變壓器與電動機這些電感性的用電設備的無功功率的向量滯后于電壓;移相電容器等的容性元件,其無功功率的向量是超前于電壓的),前者是落后電壓90°,后者是超前電壓90°,兩個分量正好在同一直線上,但方向相反。所以在系統中加上移相電容器以后,可以抵消部分電感性用電設備的無功成分,有功的成分就增加了,即功率因數就提高了。

3 功率三角形

上面講述的有功功率、無功功率與視在功率的概念,它們之間的關系可以用功率三角形表示(如圖1)

圖1

圖中:P表示功率,單位用kW(千瓦)表示;Q表示無功功率,單位用kvar(千乏)表示;S表示視在功率,單位用kVA(千伏安)表示;<表示功率因數角。

由圖可以看出:cos<=P/S;從功率三角形可以看出,要使有功功率P在視在功率S中的分量增大,功率因數角<在0°～90°之間。當Q趨近于0時,<角也趨近于0,功率因數角<的余弦值就趨近于1。如果在電力系統中加裝了移相電容器,感性設備吸收能量時,正好移相電容器釋放能量,感性負荷所需的無功功率,可用移相電容器的無功輸出補償,因此電網與變壓器等就減少了無功輸送,企業得到了很好的經濟效益。

4 提高功率因數的意義

企業用電設備的負荷,有感性負荷、純電阻性負荷、電容性負荷(電容性負荷比較少)。如果在電力系統中加裝移相電容器,如圖2所示,容性電流Ic超前電壓90°,可以抵消一部分相位滯后于電壓90°的感性電流I1,從而使總電流變化為IL-Ic,使負載電流I1變為I2,功率因數角從<1減少為<2。

圖2

根據y=cos<的余弦函數圖像,如圖3所示,在0—π/2區間內<值越小,其函數值越大;當<為0時,y值為1。因為<1><,提高了功率因數值。功率因數在數值上有如下關

(千乏時);WP為有功電能消耗量(千瓦時)。可以推導出以看出,在WP額定的情況下,cos<值越高,WQ越小(即當cos<趨近于1時,1-cos2<趨于0,WQ趨近于0),WP就提高了,所以提高功率因數是必要的。

圖3

當供電系統中輸送的有功功率維持恒定的情況下,無功功率增大,即供電系統的功率因數降低將會引起:(1)系統中輸送的總電流增加,使得供電系統中的電氣元件,如變壓器、電器設備、導線等容量增大,從而使儀表等規格尺寸增大,因而增大了初投資費用。(2)由于無功功率的增大而引起的總電流的增加,使得設備及供電線路的有功功率損耗相應地增大。(3)由于供電系統中的總電流增大,使得系統中的電壓損失增加,調壓困難。(4)對發電設備來說,轉子繞組溫升過高,發電機達不到預定的出力。因此要提高功率因數。

5 提高功率因數的一個應用

企業的感性負載大部分是異步電動機,運行時要消耗一定的無功功率,使得電動機的功率因數不高。如果給電動機就地補償電容,不但使高壓線路及變壓器上的電流減小,低壓干線和分支線上電流也同樣減少,而且使得線路的有功損耗也有所減少。下面給出異步電動機的電容補償參數計算公式,方便大家參考。

設補償前電機的無功功率為Q1,補償電容器后的無功功率為Q2,則電容補償的無功功率QC=Q1-Q2=p1P1、P2為電動機運行時輸入/輸出的有功功率;η為電動機運行時效率;<1、<2為電容器補償前后的功率因數角。

補償前的功率因數:cos<1=(cos

補償后的功率因數cos<2,一般為0.95,如果再提高,則所需電容投資大,不經濟。

確定了所需補償的無功功率QC之后,那么補償電容壓(V);QC為電容補償的無功功率(Var)。

值得注意的是,個別補償的電容容量應根據電動機的功率、負載率及電網情況適當考慮,避免過補償或欠補償狀態的出現。

[1] 李瑞祥:高壓輸電線路設計基礎[M]1北京:水力電力出版社,1994.

[2] 李光輝1架空輸電線路設計[M].北京:中國三峽出版社,20001

[3] 高虹亮1架空輸電線路運行與檢查[M]1北京:中國三峽出版社,2000.

[4] 杜玉清1架空輸電線路運行和檢修基礎知識[M]1北京:水力電力出版社,1990.

責任編輯:何玉付

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顓孫兵(19762),男,安徽蕭縣人,安徽省淮北萬里昌泰電氣有限公司助理工程師。