淺談輸電線路功率對用戶功率因數的影響

李榮坤

摘 要：本文簡述了供電系統功率因數的定義，功率因數低對電網和用戶的危害，影響功率因數的因素，其中著重分析了輸電線路無功功率對系統功率因數的影響情況，通過列舉作者在實際工作中的事例進一步闡述，研究切實可行幫助和指導用戶提高功率因數，降低電網損耗，提高電壓質量的方法。

關鍵詞：自然功率；輸電線路；無功功率；功率因數；無功補償

中圖分類號：TM714.3 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）11-0180-03

當電能沿供電系統中的導線輸送時，既有有功也有無功存在，在長距離輸電線路中，線路越長無功損耗越不能忽略，特別是負荷較小、線路較長時，線路呈現容性，較大的無功對功率因數的影響就凸顯出來。本文結合實際從線路長度、電量情況對功率因數的影響進行了分析，并查找原因，研究降低線路容性無功、提高用戶功率因數的措施。

1 功率因數與自然功率的研究

1.1 功率因數

功率因數是衡量供電系統電能利用程度及電氣設備使用狀況的一個重要電氣參數，是有功功率和視在功率的比值，表示用電設備（供電設備、配電設備，等等，均看作廣義用電設備）的用電效率。

功率因數的大小與電路的負荷性質有關，電阻負荷的功率因數為1，一般具有電感或電容性負載的電路功率因數都小于1。功率因數是電力系統的一個重要的技術數據，是反映電氣設備效率高低的一個系數。功率因數低，說明電路用于交變磁場轉換的無功功率大， 從而降低了設備的利用率，增加了線路供電損失。

功率因數的三種計算方法：

（1）瞬時功率因數：是針對某一時刻的功率因數；按下式計算：

（2）平均功率因數：指某一規定時間內功率因數的平均值，亦稱加權平均功率因數，由消耗的有功電能及無功電能得出的，按下式計算：

供電企業每月向用戶計收電費，平均功率因數低于規定標準時，要增收一定比例的電費；而高于規定標準時，可適當減收一定比例的電費，標準按《供電營業規則》的規定執行。比如實際運行中供電公司對神華準池鐵路的4個牽引變電站功率因數調整電費的考核標準為0.9，當平均功率因數低于0.9時，供電公司對準池公司要增收一定比例的電費，即接受不同程度的罰款，對鐵路的運行成本有非常大的影響，準池鐵路有3個變電站供電公司的計量在其出口變電站，功率因數考核也以此為準。

（3）最大負荷時的功率因數：指在年最大負荷時的功率因數，按cosφ=P/S計算。

《供電營業規則》規定“除電網有特殊要求的用戶外，用戶在當地供電企業規定的電網高峰負荷時的功率因數，應達到下列規定：100千伏安及以上高壓供電的用戶功率因數為0.90以上。其他電力用戶和大、中型電力排灌站、躉購轉售電企業，功率因數為0.85以上。農業用電，功率因數為0.80。”

1.2 自然功率

通電中的高壓輸電線路既能產生無功功率（由于分布電容）又消耗無功功率（由于串聯阻抗），當線路輸送有功功率達到某個值的時候，此時線路消耗和產生的無功正好平衡，此時輸送的功率就稱為自然功率。

當線路輸送自然功率時，由于線路對地電容產生的無功與線路電抗消耗的無功相等，因此送電端和受電端的功率因數一致；在高壓輸電時，當輸送功率低于自然功率時，由于充電功率大于線路消耗無功，即感性無功小于容性無功，必然導致線路末端電壓升高；相反，當線路輸送功率大于自然功率，由于無功不足，需要額外的無功補償，在沒有無功補償的情況下，線路電壓末端就會下降。所以，線路在輸送自然功率的時候，經濟性最好、最合理。

2 功率因數低對電網和用戶的危害

2.1 增加了供電線路的功率損失，降低輸電效率

在電力系統中，當電源U是負載端電壓的有效值時，負載吸收的有功功率為P=UIcosφ，則負載上的電流I=P/（Ucosφ），由此可以看出在傳輸同樣有功功率時，如果負載cosφ較低，則線路中的電流I會增大；而輸電線路的損耗為P1=I2R，即電流I增大引起線路損耗增大，所以降低了輸電效率。因此當U和P不變時，提高功率因數cosφ會降低輸電線上的損耗，減少系統的運行成本。

2.2 增加供電線路的電壓損失，造成電壓波動，影響供電質量

前面已經說過功率因數越低，線路上的電流I越大，正比于系統中流過電流的電壓損失增加，使線路電壓降低。若電壓損失過大，電網末端就會長期處于低電壓運行狀態，引起變壓器過負荷、電動機過熱、日光燈不能啟動、電燈昏暗等后果，從而影響電壓質量，對生產和生活造成很大的影響。

2.3 降低發、供、用電設備的有效利用率

由功率因數表達式cosΦ=P/可知，在輸出的功率一定的情況下，功率因數低，無功功率大，有功輸出也降低，有用的功減少了，發、供、用電設備的有效利用率就降低了。

2.4 增加了供電企業和用戶電力設備的投資成本

對于電力企業而言，功率因數較低時，線路中的電流增大，線路損耗增大，為盡量減小輸電線路上的功率損耗，往往增加導線截面積，同時由于總電流增加，使得供電系統中的測量儀表等規格尺寸增大，因此加大了投資。

對于用戶而言，由功率因數表達式可以看出，有功功率P一定時，功率因數低，無功功率增加，導致視在功率S增加，為滿足有功負荷用電需要，增加了所需變壓器的容量，增加了用戶投資和損耗。

比如一臺額定電壓10kV的變壓器，額定電流是46A，當變壓器在功率因數等于0.7時可帶有功負荷：

P=cosΦ

=1.732*10*46*0.7

=557.7KW

當功率因數由0.7提高到0.9時變壓器可帶的有功負荷由上面的公式計算得717KW。

可見，功率因數高，同等需用變壓器容量所帶的有功負荷就大，節約了用戶投資。

2.5 功率因數低于標準用戶增加調整電費支出

前面提到用戶的平均功率因數將依據《供電營業規則》實行功率因數調整電費，達不到規定標準時，則需要多收電費，而高于規定標準，可相應地減少電費。

3 影響功率因數的因素

（1）對于用戶來說大量的電感性設備，如異步電動機、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）變壓器運行不合理是功率因數降低的重要原因。變壓器的空載無功功率占無功功率的80%左右，變壓器消耗無功的主要成份就是它的空載無功功率，它和負載率的大小無關。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）供電電壓超出規定范圍也會對功率因數造成很大的影響。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，據有關資料統計，當供電電壓為額定值的110%時，一般工廠的無功將增加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，因此，應當采取必要措施使供電電壓盡可能保持穩定。

（4）輸電線路無功對系統功率因數也有非常大的影響。由于各類因素的存在，用戶的負荷是不固定的，特別是像牽引電氣化鐵路這樣的負荷波動更大。

110KV線路感性無功功率為：Ql=I2XlL

110KV線路容性無功功率為：Qc=U2B=U2ClωL

由上面的式子可以看出，感性無功與負荷大小有直接關系，而容性無功與負荷大小關系不大，只是由線路的長度和電壓確定，趨于一個穩定的數值。

在實際的輸電線路中感性無功與容性無功功率相比，數值很小，而線路容性無功負荷對功率因數起到了至關重要的作用。以準池鐵路2017年2月份和3月份統計的高家堡變電所各項數據為例進行分析，具體計量電度如下表1所示。

高家堡變電所110KV電源線有兩條，分別是向高線，長度27.49公里；玉高線，長度10.37公里。2017年2月份向高線帶高家堡變電所，玉高線帶電熱備用，在上游變電站計量到的無功功率為：向高線1168200Kvar，玉高線920700Kvar，合計2088900Kvar，力率調整電費罰款3萬元。

2017年3月份玉高線帶高家堡溝變電所，向高線帶電熱備用，在上游變電站計量到的無功功率為：向高線1023000Kvar，玉高線491700Kvar，合計1514700Kvar，力率調整電費獎勵0.4萬元。

變電站一主一備的兩條電源線，熱備用一般都是電送到用戶變電站入口隔離開關的電源側，因此對于變電所內集中動態無功補償來說，對熱備用線路的補償無能為力。通過上兩表可以看出，上下游統計的有功功率變化不大，而無功功率相差非常大。因上游變電站計算功率因數時，有功功率、無功功率均是兩條電源線的和，由上表可以看出向高線（長線路）帶負荷時上游變電站整體功率因數比玉高線（短線路）帶負荷時高，因下游變電站及所帶負荷的感性設備可以消耗掉一部分線路容性無功，即設備負荷大于容性無功負荷，力率調整電費罰款才會有所下降。

4 提高功率因數的方法及措施

提高功率因數的方法主要有兩種：一是提高自然功率因數，減少用電設備對無功的需要，二是采用人工無功補償，在用電設備處或線路上安裝能夠提供無功電力的設備，使無功功率就地得到補償，以減少線路中的無功輸送。

4.1 提高自然功率因數

（1）合理選則和使用電動機。應保證電動機在75%以上的負荷狀態下運行，盡量減小備用容量。

（2）合理配置、使用變壓器，恰當地選擇其容量。低損耗的變壓器最佳負載率為50%，運行中要均衡變壓器負荷，及時切除空載變壓器，減少變壓器的空載損失，使其負載率提高到最佳值。

（3）改變電動機接線降壓運行。

4.2 加裝并聯電容器進行用戶的無功功率就地補償

（1）供電系統的用戶端由于有大量的感應電動機、變壓器、電焊機等感應負載，特別是大功率電力電子拖動設備的應用，使得功率因數降低。把具有容性功率負荷的裝置與感性功率負荷并聯接在同一電路，當容性負荷釋放能量時，感性負荷吸收能量；而當感性負荷釋放能量時，容性負荷卻在吸收能量，能量在兩種負荷之間互相交換。這樣，感性負荷所吸收的無功功率可由容性負荷輸出的無功功率中得到補償。

（2）電容器補償的一般原則和補償方法。無功電力應就地平衡，按照電壓等級進行逐級補償。對于用電負荷比較集中而補償容量較大的用戶，可以采用高、低壓混合補償的方式進行補償。對于容量較大，負荷平穩且經常使用的用電設備的無功功率，單獨就地補償。補償基本無功的電容器組宜在變配電所內集中補償。目前，普遍采用可控硅動態無功補償裝置，根據用戶端的無功是過補償還是欠補償，由可控硅調節勵磁電抗器的感性負荷投入和退出的比例，從而使功率因數保持在要求的水平上。

4.3 采用同步調相機

同步調相機實際上就是一個大容量的空載運行的同步電動機，在過勵磁時，它相當一個無功發電機。由于同步調相機投資高，有功功率損耗大（比電容器大5～10倍），運行、維護管理都較復雜，工礦企業很少采用。

4.4 降低線路容性無功對功率因數的影響

（1）在線路中并聯電抗器進行無功補償。當線路空載且長距離敷設時，在架空地線分布電容的影響下，線路電抗呈現容性，采用全電纜敷設的線路尤為嚴重。從本文第3節第4條的分析可以看出，線路的無功功率對系統的整體功率因數影響巨大。因此，常采用在長距離輸電線路或電纜線路上并聯安裝電抗器進行無功補償。在實際應用中，因為電壓等級越高，成本越高，維護難度越大，因此我們經常能看到10KV線路安裝電抗器的較多，而110KV以上線路較少。

（2）降低電壓運行。因為容性無功與電壓的平方成正比。有條件的情況下，若能使電壓降在允許范圍內，則可以采用降壓運行方式。

（3）改變供電方式。從分析可以看出，輸電線路越長容性無功越大，因此在實際的運行中，對于有兩條電源線的用戶來說，盡量使用長的線路帶負荷運行，這樣用戶的感性無功可以平衡掉一部分線路產生的容性無功，從而使功率因數有所提高。

（4）合理調整利用廠內無功補償設備，無功補償裝置就地補償，補償數值綜合考慮用戶端廠內設備和供電端輸電線路損耗的影響。

（5）由于電力電纜的相間距離更小，因此電纜線路的電容比架空線路大的多，在設計時根據變電站的位置，應盡量減少輸電線路及電纜的長度，避免傳送更多的容性無功功率。

5 結語

本文通過對供電系統的功率損耗的介紹，自然功率和功率因數研究，影響功率因數因素的分析，提出提高功率因數的方法和措施。研究中以實際用戶運行數據為依據，通過對不同時期上下游變電站統計的有功功率、無功功率及功率因數進行理論數值計算和實際分析，著重闡述了輸電線路的自然功率和容性無功功率與用戶功率因數不可忽視的關系。在實際運行中要保證用電設備始終經濟運行，功率因數達到考核標準，避免不必要的經濟損失，需要在不同的生產狀態下采取相應的措施，以使功率因數達到最優。

對于供電企業與電力用戶來說節能降耗都是有利于企業經濟發展的，將電力損耗控制在合理范圍內，提高功率因數，加強無功功率的管理，是一項雙贏的工作。因此，我們在平時工作中必須加深各類無功補償原因分析和解決措施的理解，不斷深入的研究，采取更加有效的辦法和措施，研究線路無功采取用戶端就地高壓補償的方法，達到不但能補償下游變電站本身產生的感性無功，也能補償線路產生的容性無功的目的。通過對系統進行綜合分析，加強過補償和欠補償的測試，結合提高功率因數的方法確定合理的系統補償方案，從而保證用電設備經濟、安全、可靠的運行。

參考文獻

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