功率因數對供配電系統的影響及提高方法

何首賢，李 明

（大連海洋大學 職業技術學院，遼寧 大連 116300）

功率因數對供配電系統的影響及提高方法

何首賢，李 明

（大連海洋大學 職業技術學院，遼寧 大連 116300）

電力用戶中絕大多數用電設備，如感應電動機、變壓器及交流接觸器等，它們都要從電網中吸收大量的無功電流來產生交變磁場，其功率因數都小于 1.而功率因數是衡量供配電系統是否經濟運行的一個重要指標.功率因數不滿足要求時，首先要提高自然功率因數，然后再進行人工補償.

功率因數；自然功率因數；人工補償

我國工廠企業中絕大多數用電設備，如感應電動機、電力變壓器、電焊機以及交流接觸器等，他們都要從電網吸收大量無功電流來產生交變磁場.功率因數 c o s φ 是反映在有功功率一定的條件下，取用無功功率的多少.取用的無功功率越多，則功率因數越低.除白熾燈、電阻電熱器等設備負荷的功率因數接近于 1外，其他如電動機、變壓器、電抗器等功率因數均小于 1.而功率因數是衡量供配電系統是否經濟運行的一個重要指標.

1 功率因數對供配電系統的影響

所有具有電感特性的用電設備都需要從供配電系統中吸收無功功率，從而降低功率因數.功率因數太低將會給供配電系統帶來以下不良影響：

1.1 系統總電流增加

根據電工理論公式：

在傳送同樣有功功率P的情況下，功率因數c o s φ 降低會使總電流 I增加，使供配電系統中的變壓器、斷路器、導線等容量的增大.系統內部的起動控制設備、測量儀器、儀表等規格要求增大，從而投資費用增加.

1.2 電能損耗增加

根據電工理論公式△P=3 I2R可知，線路電流 I的增加會使有功損耗△P增加，從而電能損耗增加.

1.3 電壓損失增大

由于線路有阻抗，所以在負荷電流通過線路時有一定的電壓損失.電壓損失愈大，則用電設備端子上的電壓偏移就愈大，當電壓偏移超過允許值時將嚴重影響電氣設備的正常運行，影響供電質量.所以按規范要求，線路的電壓損失不宜超過規定值，如高壓配電線路的電壓損失，一般不超過線路額定電壓的5%；從變壓器低壓側母線到用電設備受電端的低壓配電線路的電壓損失，一般也不超過用電設備額定電壓的 5%（以滿足用電設備要求為準）；對視覺要求較高的照明電路，則為 2%~3%.

1.4 供電設備利用率降低

無功電流增加后，供電設備的溫升會超過規定范圍.為控制設備溫升，所以工作電流也受到控制，根據電工理論公式：

在功率因數 c o s φ 降低后，不得不降低輸送的有功功率 P來控制電流 I的值，這樣就降低了供電設備的供電能力.

我國水利電力部在《全國供用電規則》中規定：“用戶在當地供電局規定的電網高峰負荷時的功率因數應達到下列規定：高壓供電的工業用戶和高壓供電裝有帶負荷調整電壓裝置的電力用戶，功率因數為 0.9以上，其他功率因數為 0.8 5以上.”凡功率因數未達到上述要求，應增添無功補嘗裝置.

2 提高功率因數的方法

2.1 提高負荷的自然功率因數

自然功率因數是指未裝設任何補償裝置的實際功率因數.提高自然功率因數，就是不添置任何補償設備，采用科學措施減少用電設備的無功功率的需要量，使供配電系統總功率因數提高.因為他不需增加設備，是最理想最經濟改善功率因數的方法.

2.1.1 正確選擇合理使用電動機的規格、型號

鼠籠式電動機的功率因數比繞線式電動機的功率因數高，開啟式和封閉式的電動機比密閉式的功率因數高.所以在滿足工藝要求的情況下，盡量選用功率因數高的電動機.

由于異步電動機的功率因數和效率在 7 0%至滿載運行時較高，在額定負荷時功率因數為0.8 5~0.9，而在空載或輕載運行時的功率因數和效率都要降低，空載時功率因數只有 0.2~0.3，所以在選擇電動機的容量時要防止容量選擇過大，從而造成空載或輕載的情況.一般選擇電動機的額定容量為拖動負載的 1.3倍左右.

異步電動機要向電網吸收無功，而同步電動機則可向電網送出無功，所以對負荷率不大于 0.7及最大負荷不大于 9 0%的繞線式異步電動機，必要時可使其同步化，從而提高功率因數.

2.1.2 防止電動機空載運行

如果工藝要求，電動機在運行中必然要出現空載情況，則必須采取相應的措施解決.如裝設空載自停裝置，或降壓運行（如將電機的定子繞組由三角形接線改為星形接線；或由自藕變壓器、電抗器、調壓器實現降壓）等.

2.1.3 保證電動機的檢修質量

電動機的定轉子間氣隙的增大和定子線圈的減少都會使勵磁電流增加，從而增加向電網吸收的無功量而使功率因數降低，因此檢修時要嚴格保證電動機的結構參數和性能參數.

2.1.4 合理選擇變壓器的容量

變壓器輕載時功率因數會降低，但滿載時有功損耗會增加.因此選擇變壓器的容量時要從經濟運行和改善功率因數兩方面來考慮，一般選擇電力變壓器在負荷率為 0.6以上運行比較經濟.

2.1.5 交流接觸器的節電運行

工廠中存在著大量的電磁開關（交流接觸器），其線圈是感性負載，消耗無功.由于交流接觸器的數量較多、運行時間長，故他所消耗的無功不容忽視.因此可以用大功率晶閘管取代交流接觸器，這樣可大量減少電網的無功功率負擔.晶閘管開關不需要無功功率，開關速度遠比交流接觸器快，且還具有無噪聲，無火花，拖動可靠性強等優點.

2.2 人工補償法提高功率因數

工廠企業的功率因數光是靠提高自然功率因數一般是不能滿足要求的，因此，還必須進行人工補償.人工補償的方法有：

2.2.1 并聯電容器人工補償

即采用并聯電力電容器的方法來補償無功功率，從而提高功率因數.因他具有下列優點:

（1）有功損耗小，約為 0.2 5%~0.5%，而同步調相機約為 1.5%~3%.

（2）無旋轉部分，運行維護方便.

（3）可按系統需要，增加或減少安裝容量和改變安裝地點.

（4）個別電容器損壞不影響整個裝置運行.

（5）短路時，同步調相機增加短路電流，增大了用戶開關的斷流容量，電容器無此缺點.

所以，這是目前工廠、企業內廣泛采用的一種補償裝置.當然，該補償方法也存在缺點，如只能有級調節，而不能隨無功變化進行平滑的自動調節，當通風不良及運行溫度過高時易發生漏油、鼓肚、爆炸等故障.

2.2.2 同步電動機補償

在滿足生產工藝的要求下，選用同步電動機，通過改變勵磁電流來調節和改善供配電系統的功率因數.過去，由于同步電機的勵磁機是同軸的直流電機，其價格高，維修麻煩，所以同步電動機應用不廣.現在隨著半導體變流技術的發展，勵磁裝置已比較成熟，因此采用同步電動機補償是一種比較經濟實用的方法.

2.2.3 動態無功功率補償

在現代工業生產中，有一些容量很大的沖擊性負荷（如煉鋼電爐、黃磷電爐、軋鋼機等），他們使電網電壓嚴重波動，功率因數惡化.一般并聯電容器的自動切換裝置響應太慢無法滿足要求.因此必須采用大容量、高速的動態無功功率補償裝置，如晶閘管開關快速切換電容器，晶閘管勵磁的快速響應式同步補償機等.

目前已投入到工業運行的靜止動態無功補償裝置有：可控飽和電抗器式靜補裝置；自飽和電抗器式靜補裝置；晶閘管控制電抗器式靜補裝置；晶閘管開關電容器式靜補裝置；強迫換流逆變式靜補裝置；高阻抗變壓器式靜補裝置等.

3 結語

由于工業企業里消耗無功功率的設備主要是電動機（約占總無功的 6 5%~7 0%）和變壓器（約占總無功的 2 0%）.故提高功率因數的主要途徑就是如何減少感應電動機和變壓器上消耗的無功功率.

〔1〕何首賢，楊衛東.工廠供配電技術[M].北京:中國電力出版社,2010:29-31.

〔2〕楊洋.供配電技術[M].陜西:西安電子科技大學出版社,2007:34-35.

〔3〕 劉 介 才.工 廠 供 電 [M].北 京 :機 械 工 業 出 版 社, 1998:44-47.

〔4〕高宇,孫成普.工廠供配電技術[M].北京:中國電力出版社,2009:55-57.

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1673-260X（2011）05-0100-02