淺談電力網中功率因數的提高

【摘 要】電力網中功率因數的提高對國民經濟的發展有著極為重要的意義。電網中因為電流落后于電壓，在發電或傳輸線路上對它要進行修正和補償，使電壓與電流的正弦波曲線變體同步，需提高發電機勵磁電流，此時會提高發電機工作電壓，導致發電機損耗加大，同時也會使發電機絕緣線圈溫度上升、壽命縮短，傳輸電壓上升。因而提高功率因數對發電機絕緣、對減少系統損耗有好處，并且能使發電設備的容量得到充分的利用，同時也能節約大量電能。

【關鍵詞】功率因數 有功功率 無功功率 功率損耗

【中圖分類號】TM714.1 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-4810（2015）28-0125-02

一 前言

直流電路的功率等于電流與電壓的乘積，但是在計算交流電路的平均功率時還要考慮電壓與電流的相位差θ，即P=UIcosθ式中的cosθ是電路中的功率因數。電路的功率因數決定于負載的參數。只有在電阻負載的情況下，電流與電壓同相位，這時的功率因數為1。對于其他負載來說功率因數都在0～1之間。現階段電力網中幾乎都采用人工補償無功功率來提高功率因數，在電路中并聯靜電電容器，安裝同步調相機、靜止補償器等，少數情況下可采用提高自然功率因數的方法。本文就人工補償無功功率的方法來提高功率因數進行簡單探討。

二 功率損耗

1.電力網中的功率損耗

在電力網中當電壓U與輸出功率P一定時，電流I

與功率因數成反比即： ，而在電力網中的功

率損耗ΔP卻與cosθ的平方成反比，即

，該式中r是電網中的電阻。

由上可知功率因數越大電力網中的功率損耗ΔP就越小。能使發電設備的容量得到充分的利用，同時也能使電能得到大量的節約。這就是說，在同樣的設備條件下更能有效利用電能。

2.輸電線路的無功損耗

輸電線路的無功損耗ΔQL由兩部分組成，即線路串聯電抗中的無功功率損耗ΔQLX與電路電容的充電功率ΔQB組成，表示為：

由上式可見，電壓較高（110KV及以上）的線路，傳輸功率較大時，線路消耗無功功率ΔQLX>ΔQB。

3.變壓器的無功損耗

變壓器的無功損耗ΔQT也由兩部分組成，即變壓器漏抗中的無功功率損耗ΔQTX與勵磁損耗ΔQO組成。

ΔQT與負荷無關，此損耗稱為固定損耗；而ΔQTX與負荷S有關，稱變動損耗。變壓器從發電廠到用戶要經過多級變壓，無功功率損耗可達到用戶負荷的50%～70%。

4.發電設備的容量不能充分地利用

P=UNINcosθ Q=UNINsinθ S=

P為有功功率，Q為無功功率，S為視在功率

圖1 有功功率、無功功率、視在功率三者關系圖

由有功功率公式P=UNINcosθ。可見，當負載的功率因數cosθ<1時，發電機的電壓又不允許超過額定值，顯然這是機組發出的有功功率就減少了。功率因數越低機組發出的有功功率就越小，顯然無功功率就越大。無功功率越大，即電路中的能量互換的規模就越大，機組的能量就不能充分的利用，其中一部分在發電機與負載之間互換。

例如，容量為10000KV·A的變壓器，如果cosθ=1就能發出1000KV的有功功率，但是在cosθ=0.8時只能發出8000KV的有功功率。當功率因數cosθ越小時發出的有功功率就越小。

三 提高功率因數

1.并聯靜電電容器

提高功率因數的常用方法之一就是與電感負載并聯靜電電容器。并聯靜電電容器只能向系統供給感性無功功率。使用時可以將電容器連成若干組，按需要成組地投入或切除，它的容量可大可小，即可以集中安裝，又可以分散使用，從而可以在靠近負荷處就地安裝，以減少線路上的功率損耗和電壓損耗。其單位容量的投資費用較小，運行時有功功率損耗也較小，約為額定容量的0.3%～0.5%。

其電路圖和相量圖，如圖2、圖3所示：

圖2 簡單電路 圖3 電流電壓相位關系

并聯電容器后，電感負載的電流 和功

率因數 均沒有發生變化，這是因為所加

電壓和負載參數沒有改變。但是電壓和線路電流的相位差θ變小了，即功率因數cosθ變大了。

在電感負載上并聯電容器以后，減少了電源與負載的能量互換。這時電感所需要的無功功率大部分由電容器供給，使機組容量能夠得到充分利用。

當節點電壓下降時，它向系統供給的無功功率也下降。當系統發生故障或其他原因導致電壓降低時，電容器向系統供給的無功功率反而減少，從而導致電壓繼續下降。這是電容器在調節性能上的缺點。

2.靜止補償器

靜止補償器是20世紀70年代開始在實際生產中采用，是發展比較快的一種無功補償裝置。它由電容器組與可調電抗器組成，既可以向系統供給感性無功功率，也可以從系統吸取感性無功功率。

電壓變化時，靜止補償器能夠快速地、平滑地調節，以滿足動態無功功率的需要。因為它由靜止元件組成，運行和維護方便，并且有功損耗較小（低于1%）。

3.無功功率平衡

電力系統的無功功率平衡表示為：

其中， ， 為系統中所有發電機發出的無功功率， 為系統中所有無功功率補償裝置發出的無功功率； 為系統中所有負荷需要的無功功率； 為網絡元件的無功損耗。與有功功率一樣，系統中應保持一定的有功功率備用，否則負荷增大時，電壓質量無法保證。這個有功功率備用一般可取最大有功功率負荷的5%～8%。

四 提高自然功率因數

電力系統的負荷中，異步電動機占相當大的比重，它既需要有功功率，也需要無功功率。它需要的無功功率與有功功率的關系為：

該式中 為電動機在空載時所需要的無功功率； ， 分別為電動機在額定負荷時所需要的有功功率和無功功率；P為電動機的機械負荷； 為受載系數。

從上式可見，異步電動機所需要的無功功率由兩部分組成，第一部分是建立磁場所需的空載無功功率，約為 的60%～70%，與受載系數無關；第二部分與繞組漏抗中消耗的無功功率的平方成正比。當受載系數降低時，電動機所需的無功功率只有一小部分按受載系數的平方減小，而大部分維持不變。而受載系數降低，使得功率因數降低，因此，為了提高負荷的功率因數，所選用的電動機容量應該盡量接近它所帶動的負載，即應使異步電動機與所拖動的機械功率配套。此外，為了減小用戶所需要的無功功率，可以在有條件的企業中用同步電動機代替異步電動機，因為同步電動機不僅不需要系統供給無功功率，還可以運行在過勵磁狀態向系統發出無功功率，從而提高負荷的功率因數。由此可見，提高自然功率因數的方法有：合理選擇異步電動機，避免電力變壓器輕載運行；在生產條件允許的情況下，采用同步電動機代替異步電動機。

五 結束語

本文對在電力網中如何提高功率因數進行了探討，重點探討了通過人工補償無功功率來提高功率因數，并對此提出了一些個人的見解，結合實際運算進行了說明，使我們對提高功率因數有了更深刻的認識。

〔責任編輯：龐遠燕〕