簡易節電器節電效能及安全隱患的電路原理研究

楊格

摘要：電工技術中輸配電線路功率因素低下，電路電能損耗增大，電源設備容量利用率低下等諸多弊端。并聯電容器可提高電路功率因素，節省電能，簡易節電器正是基于此原理而產生。文章利用電路原理分析了簡易節電器的工作原理、節電效果和安全隱患。

關鍵詞：電工技術 ?功率因素 ?節電器

輸配電電力線路中，如功率因素太低會對線路造成如下影響。首先，會有輸配電線路上產生線路電壓降和功率的損耗。其次，降低電源設備的容量利用率。其三，增加發電企業的能耗，增加供電、用電企業的經濟負擔。出現電路功率因素低下的根本原因在于負載感性無功功率的存在。一方面，負載與電源設備間以電流形式通過輸配電線中進行無功電能的相互交換，而線路電阻的存在造成有電壓與功率損耗，所以線路越長損耗越大。另一方面，負載無功功率是實現負載電氣設備功能的必要條件，所以電源設備除提供負載為實現電氣功能應消耗的有功電能外，還要提供必要的無功電能，故而電源設備容量的利用率愈加降低。

提高功率因素不但有利于保障線路與負載的安全運行狀態，降低供電、用電企業的經濟成本，更能降低能耗，改善環境，起到節能環保的作用。

一段時間市面上開始流行銷售一種以電容為主要元件的所謂電能節電器。要闡明這種節能器工作原理、節能效果及安全隱患等，還應從提高電路功率因素說起。

改善電路功率因素的在于降低電路輸電線路總電壓與總電流的相位差。補償負載電氣設備的感性負載，可在電源端和負載側進行。有提高自然功率因數和采用人工補嘗功率因素兩種方法。人工補償法可使用電路電容器或調相機，一般多采用電力電容器補嘗無功，即：在不改變負載設備工作狀態時，在感性負載上并聯合適容量的電力電容器，從而減少甚至消除感性負載于電源之間原有的能量交換。從電路原理的角度分析，有如下要點。

加裝的電氣元件為電容器。電容的無功功率的性質與電感無功性質相反，電路加上電容后，能減少整個電路的無功功率，從而提高功率因素;

電容器與負載的連接方式為并聯。采用電容器并聯方式，是因電容器與負載并聯時，負載設備的工作電壓、工作電流與之前相比并未發生改變，從而保證負載電氣設備的工作狀態不受影響。若電容器與負載串聯，雖同樣可提高電路功率因素，勢必將改變負載設備的工作電壓與電流，不但負載設備不能正常工作，且可能發生負載設備損壞;

電路功率功率因素提高，負載有功率，無功功率并未發生改變。降低的是電路的視在功率，即降低電源設備給電路提供的無功功率，降低電源供電電流強度，進而提高電源設備容量的利用率。

并聯電容器提高功率因素，是不是并聯電容容量越大效果真好呢？并不是。若補償電容器容量過大，不但可能出現電路諧振且可能將電路由感性負載補償成容性的情況。若電路發生電路諧振，則負載電路可能出現極大的強電流，進而損壞負載電器;若電路被補償成容性，則不但會出現較低的容性功率因素，且在電路上電時出現較大的浪涌電流，影響電路正常運行，甚至燒毀負載電器。

那么，合適的電容器容量為多大合適呢？通過電路分析計算可按如下公式計算所并聯電容器容量大小。

其中，C為并聯電容容量，P為負載有功功率，ω為市電角頻率，U為市電電壓， 為并聯電容前的負載阻抗角（功率因素角）， 為并聯電容前的負載阻抗角（功率因素角）。

提高功率因素可在電源側和負載端進行，若只在電源側進行，雖可提高電源設備容量利用效率，但卻不能減少輸配電線路上的電壓與功率損耗;若在負載端采取措施，則既能提高電源設備容量利用效率，又能減少輸配電線路上的電壓與功率損耗。因而，負載端采取措施更具良好效果。但負載設備分布較廣，不便采取統一措施。所以，供配電系統一般采用電源側集中補償和負載端分散補償相結合的方法提高功率因素。并規定負載端按功率因素大小分級收費，提高負載端用戶采取措施提高功率因素的積極性。

電路負載時常變化，如家中日光燈打開的盞數變化，工廠工作機器臺數的變化等，均可造成電路功率因素的時時變化。如何確定某大型企業功率因素收費等級呢？通常大型企業的電能計量，通常采用有功功率表和無功功率表雙表計量方法。通過正式計算出一個計費周期內（如一季度）的平均功率因素，以此作為該用電單位一個計費周期內的計費功率因素的值。

式中， 為計費周期內平均功率因素， 為計費周期內有功電能總量， 為計費周期內有功電能總量。

市售簡易電能節電器其結構相當簡單，由一個定值電力電容器和一個單相插頭構成。號稱只要插在家中電源插座上就能節約電能，節省電費。那么這種簡易節電器是否節能，節能原理是什么？又是否存在哪些不足與安全隱患呢？

顯而易見，這種簡易節電器節能原理正是電容器具有貯能的功能，插于插座上與負載并聯又有提高電路功率因素，降低線路電壓損失和功率損耗從而節省電能，降低費用。

那么這種節電器真能節能，節能效果明顯嗎？從上述提高功率因素的原理可知，裝上節電器電容后，可降低線路干路中的電能損耗。但用戶電能表安裝于產能分界處，計量的是室內有功電能。室內線路至電能表間（干）路線路長度有限，電能損耗不多，且負載有功功率不變，所以，該節電器其實節能效果十分有限。當然，對于節省電能表之外供配電線路上的損耗有一定作用。

利用電容器提高功率因素，節省電能的前提是電路感性負載眾多，本身功率因素低下。若負載是純電阻性或低感性電路，盲目進行大容量電容補償反而會降低功率因素增加電能損耗。而且，節電器長期插于插座之上，而家中電器隨每時間變化，白天用電少，夜晚用電多，若白天所有電器關閉，而節電器仍插于插座上，雖然電容器不消耗電能，但與電源之間仍有電能交換，供配電線路上仍有電流，增加線路損耗。

通過上述分析說明，這種簡易節電器并不節能或者說節能效果不明顯。不僅如此，其還存在一定的安全隱患。首先，電容器裝于插座之上，充電電壓遠高于市電有效值220V，高達310V以上。裸露于外存在嚴重的用電安全隱患;其次，如因使用節電器而合電路正好出現電路諧振現象，則負載電器中更易出現較大電流，進而影響負載電器壽命，甚至立即燒毀電器的情況;其三，節電器電容器失電后，初次或再上電時，會產生較大的浪涌電流，會使電路保險與過載保護設備動作，影響電路和負載電器的正常工作。

其實，家用電器的功率因素在電氣產品生產時，已經作了規定。家庭用電負載綜合功率因素較大，如無必要沒有必要進行補償。如一定要進行補償則要對投入運行的電器功率因素先進行監測。選擇合適容量的電容器，并隨家用電器設備運行同時投入使用。

如上所述，通過電路原理分析，說明了簡易節電器工作原理、節能效果差及存在的諸多安全隱患。

參考資料：

[1]苗曉培，電工技術與技能[M]，西安：西北工業大學出版社，2016.