功率因數(shù)對供配電系統(tǒng)的影響及提高方法

何首賢，李 明

（大連海洋大學(xué) 職業(yè)技術(shù)學(xué)院，遼寧 大連 116300）

功率因數(shù)對供配電系統(tǒng)的影響及提高方法

何首賢，李 明

（大連海洋大學(xué) 職業(yè)技術(shù)學(xué)院，遼寧 大連 116300）

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

功率因數(shù)；自然功率因數(shù)；人工補償

我國工廠企業(yè)中絕大多數(shù)用電設(shè)備，如感應(yīng)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(wǎng)吸收大量無功電流來產(chǎn)生交變磁場.功率因數(shù) 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(shù)越低.除白熾燈、電阻電熱器等設(shè)備負(fù)荷的功率因數(shù)接近于 1外，其他如電動機、變壓器、電抗器等功率因數(shù)均小于 1.而功率因數(shù)是衡量供配電系統(tǒng)是否經(jīng)濟運行的一個重要指標(biāo).

1 功率因數(shù)對供配電系統(tǒng)的影響

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

1.1 系統(tǒng)總電流增加

根據(jù)電工理論公式：

在傳送同樣有功功率P的情況下，功率因數(shù)c o s φ 降低會使總電流 I增加，使供配電系統(tǒng)中的變壓器、斷路器、導(dǎo)線等容量的增大.系統(tǒng)內(nèi)部的起動控制設(shè)備、測量儀器、儀表等規(guī)格要求增大，從而投資費用增加.

1.2 電能損耗增加

根據(jù)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(fù)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(shè)備端子上的電壓偏移就愈大，當(dāng)電壓偏移超過允許值時將嚴(yán)重影響電氣設(shè)備的正常運行，影響供電質(zhì)量.所以按規(guī)范要求，線路的電壓損失不宜超過規(guī)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(cè)母線到用電設(shè)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(shè)備額定電壓的 5%（以滿足用電設(shè)備要求為準(zhǔn)）；對視覺要求較高的照明電路，則為 2%~3%.

1.4 供電設(shè)備利用率降低

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

在功率因數(shù) 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(shè)備的供電能力.

我國水利電力部在《全國供用電規(guī)則》中規(guī)定：“用戶在當(dāng)?shù)毓╇娋忠?guī)定的電網(wǎng)高峰負(fù)荷時的功率因數(shù)應(yīng)達到下列規(guī)定：高壓供電的工業(yè)用戶和高壓供電裝有帶負(fù)荷調(diào)整電壓裝置的電力用戶，功率因數(shù)為 0.9以上，其他功率因數(shù)為 0.8 5以上.”凡功率因數(shù)未達到上述要求，應(yīng)增添無功補嘗裝置.

2 提高功率因數(shù)的方法

2.1 提高負(fù)荷的自然功率因數(shù)

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

2.1.1 正確選擇合理使用電動機的規(guī)格、型號

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

由于異步電動機的功率因數(shù)和效率在 7 0%至滿載運行時較高，在額定負(fù)荷時功率因數(shù)為0.8 5~0.9，而在空載或輕載運行時的功率因數(shù)和效率都要降低，空載時功率因數(shù)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(fù)載的 1.3倍左右.

異步電動機要向電網(wǎng)吸收無功，而同步電動機則可向電網(wǎng)送出無功，所以對負(fù)荷率不大于 0.7及最大負(fù)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(shù).

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(xiàn)空載情況，則必須采取相應(yīng)的措施解決.如裝設(shè)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(diào)壓器實現(xiàn)降壓）等.

2.1.3 保證電動機的檢修質(zhì)量

電動機的定轉(zhuǎn)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(wǎng)吸收的無功量而使功率因數(shù)降低，因此檢修時要嚴(yán)格保證電動機的結(jié)構(gòu)參數(shù)和性能參數(shù).

2.1.4 合理選擇變壓器的容量

變壓器輕載時功率因數(shù)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(jīng)濟運行和改善功率因數(shù)兩方面來考慮，一般選擇電力變壓器在負(fù)荷率為 0.6以上運行比較經(jīng)濟.

2.1.5 交流接觸器的節(jié)電運行

工廠中存在著大量的電磁開關(guān)（交流接觸器），其線圈是感性負(fù)載，消耗無功.由于交流接觸器的數(shù)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(wǎng)的無功功率負(fù)擔(dān).晶閘管開關(guān)不需要無功功率，開關(guān)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(yōu)點.

2.2 人工補償法提高功率因數(shù)

工廠企業(yè)的功率因數(shù)光是靠提高自然功率因數(shù)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?shù)姆椒ㄓ校?/p>

2.2.1 并聯(lián)電容器人工補償

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

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

（2）無旋轉(zhuǎn)部分，運行維護方便.

（3）可按系統(tǒng)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(diào)相機增加短路電流，增大了用戶開關(guān)的斷流容量，電容器無此缺點.

所以，這是目前工廠、企業(yè)內(nèi)廣泛采用的一種補償裝置.當(dāng)然，該補償方法也存在缺點，如只能有級調(diào)節(jié)，而不能隨無功變化進行平滑的自動調(diào)節(jié)，當(dāng)通風(fēng)不良及運行溫度過高時易發(fā)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(chǎn)工藝的要求下，選用同步電動機，通過改變勵磁電流來調(diào)節(jié)和改善供配電系統(tǒng)的功率因數(shù).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(yīng)用不廣.現(xiàn)在隨著半導(dǎo)體變流技術(shù)的發(fā)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(jīng)濟實用的方法.

2.2.3 動態(tài)無功功率補償

在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，有一些容量很大的沖擊性負(fù)荷（如煉鋼電爐、黃磷電爐、軋鋼機等），他們使電網(wǎng)電壓嚴(yán)重波動，功率因數(shù)惡化.一般并聯(lián)電容器的自動切換裝置響應(yīng)太慢無法滿足要求.因此必須采用大容量、高速的動態(tài)無功功率補償裝置，如晶閘管開關(guān)快速切換電容器，晶閘管勵磁的快速響應(yīng)式同步補償機等.

目前已投入到工業(yè)運行的靜止動態(tài)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(guān)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(jié)語

由于工業(yè)企業(yè)里消耗無功功率的設(shè)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(shù)的主要途徑就是如何減少感應(yīng)電動機和變壓器上消耗的無功功率.

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

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

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

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

T M 7 3

A

1673-260X（2011）05-0100-02