浅谈工厂供电系统中的功率因数及无功补偿

■ 唐山职业技术学院机电工程系 冯培燕 李艳华

1 提高功率因数的必要性

我国70%电能的消耗在工业部门, 而工业生产中的电气设备和电力线路的电能损耗占工业总消耗的20%-30%。因此，节能降耗对工业企业是至关重要的，提高功率因数是一种非常有效的实现节能的途径。功率因数（cosφ）是个反映了电源功率利用率的物理量，以用电设备产生的有功功率与视在功率的比值来表示。在供电系统中，输送的有功功率保持恒定，无功功率增大的情况下，即功率因数降低会引起：

（1） 输电线路中的传输电流变大，增加了输电线路上的有功功率损耗和电能损耗的。

（2） 系统中输送的总电流的增加，使供电系统中的电气元件，如电器设备、导线等容量增大，导致工厂内部的起动控制设备、测量仪表规格尺寸增大，最终致使投资费用的增大。

（3） 线路的电压损耗增大, 致使负荷端的电压下降, 当低于允许偏移值, 严重影响异步电动机及其他用电设备的正常运行。

（4） 使系统内的电气设备容量不能得以充分利用。

所以，必须设法提高电网中各相关部分的功率因数，以充分利用变、用电设备的容量, 增加其输电能力, 减少功率损耗和电能损耗, 以达到节约电能和提高供电质量的目的。

2 影响功率因数的主要因素

功率因数的产生主要是因为交流用电设备在其工作过程中,除产生有功功率损耗外,还产生无功功率损耗，提高功率因数问题的实质就是减少用电设备的无功功率损耗。

（1）大量的感性设备对功率因数的影响

异步电动机和电力变压器是产生无功功率损耗的主要感性设备。异步电动机定子和转子之间的气隙是决定电动机需要较多无功功率的主要因素，据统计, 在工厂所消耗的全部无功功率中, 异步电动机的消耗占到了60%一70%。变压器的变压过程是由电磁感应来完成的,是由无功功率建立和维持磁场进行能量转换的，变压器消耗的无功功率一般约为其额定容量的10%-15%。

(2) 供电电压超出规定范围也会对功率因数造成很大影响

当供电电压高于额定值的时, 由于磁路饱和, 无功功率增长很快；当低于额定值时,会影响电气设备的正常工作。

(3)变频器对功率因数的影响

变频器工作时会产生大量的高次谐波，不仅对用电设备的耐压构成威胁，同时还消耗大量的无功功率，造成功率因数的降低，严重的造成周围的设备无法正常工作。

（4）供电线路产生的无功功率损耗,它是电流通过线路电抗所产生的。

3.改善功率因数的方法和措施

提高功率因数的方法有提高自然功率因数和采用无功补偿提高功率因数两大类。

3.1提高自然功率因数

(1) 合理选用异步感应电动机的型号和容量，使其接近满载运行；合理更换轻负荷感应电动机或者轻负荷电动机的接线，防止“大马拉小车”；条件允许时,用同等容量的同步电动机代替异步电动机。

（2）避免变压器空载运行或长期处于低负载运行状态。

（3）合理安排和调整工艺流程，改善电气设备的运行情况，限制电焊机、机床电动机等设备的空载运转。

(4) 使用无压运行的电磁开关。

3.2采用无功补偿提高功率因数

提高用电设备自然功率因数后, 仍达不到要求的, 可采用无功补偿方法来实现。

（1）用同步补偿器作无功补偿

同步补偿器是无功功率发电机,它的最大优点是可以均匀地调节电网电压水平,但其投资和运行费用较静电电容器昂贵得多。因此,除大的电网中枢外,一般工业企业应用极少。

（2）用静电电容器（移相电容器或电力电容器）作无功补偿

静电电容器其产生超前电压容性电流特性与电动机、变压器产生滞后电压感性电流相抵消补偿作用。在用户线路上分别适当并联静电电容器可使前端电网上的无功电流大大降低, 无功消耗即得到补偿。由于静电电容器本身具有功率损耗极小,使用寿命较长,且容易安装的特点,因此,在一般工业企业中广泛采用的补偿装置是静电电容器。

在感性电路中并联电容器进行无功补偿是提高功率因数的有效方法，其补偿方式有个别补偿、分组分散补偿和集中补偿三种。

4、并联电容器补偿容量和数量的确定

功率因数由cosφ1提高到cosφ2,电容器的补偿容量应为

式中：Pav— —最大有功计算负荷

α — —平均有功负荷系数

tgφ1、tgφ2— —补偿前、后功率因数角的正切值

在确定了总补偿容量Qc后，可根据所选择的并联电容器单只容量Qc1来确定并联电容器的个数

注：用电容器补偿时，要考虑实际运行电压可能与额定电压不同，则电容器能补偿的实际容量将低于额定容量，此时应对此额定容量进行修正，修正计算见公式（3）。当然，实际运行电压只能低于或等于额定电压，除不得已情况下，应避免降压使用电容器。

其中：

QN为电容器铭牌上的额定容量（kvar）；

Qe为电容器在实际运行电压下的容量（kvar）；

UN为电容器的额定电压（kv）;

U为电容器的实际运行电压（kv）。

（2）式所得的数值，对三相电容器应取相近偏大的整数，若为单相电容器则应取3的整数倍以便三相均衡分配。三相电容器, 通常在其内部接成三角形。单相电容器的电压若与网络额定电压相等时则应将电容器接成三角形接线, 只有当电容器的电压低于额定电压时才接成星形接线。相同的电容器接成三角形接线, 所补偿的无功容量是星形接线的三倍。若补偿量相同, 采用三角形接线比星形接线可节约电容值三分之二, 因此电容器组多接成三角形接线。

5、无功补偿的优点

（1）改善电能质量

合理安装无功补偿设备可以减少电压损失,降低电压波动,有效改善电网质量。

负荷 ( P + JQ )；

电压损失△U，ΔU = (PR +QX ) /U。

其中，U为线路额定电压，kV；

P为输送的有功功率，kW；

Q为输送的无功功率，kvar；

R为线路电阻，Ω；

X为线路电抗，Ω。

安装无功补偿设备容量Qc 后，线路电压降为ΔU1，Δ U1= [PR +（Q-Qc）] X /U，很明显，ΔU1<ΔU，即安装补偿电容后电压损失减小了。由此得出接入无功补偿容量Q c后电压升高：ΔU1-ΔU = Qc X /U,由于越靠近线路末端，线路的电抗X 越大，因此，越靠近线路末端装设无功补偿装置效果越好。

（2）降低线路电能损耗、变压器损耗

采用无功补偿主要是为了降损节能, 如输送的有功功率为定值, 加装无功补偿设备后功率因数由cosφ1提高到cos φ2, 因为P=VIcosφ, 负荷电流I与cosφ成反比, 又由于P=I2R,线路的有功损失与电流的平方成正比。当cosφ升高,负荷电流降低, 线路有功损耗必然降低（见表1 ）；另外由于合成电流减小,可以用较小的导线截面输送相同的有功功率节约有色金属。

另外，变压器随着功率因数的增高其铜损大幅下降，不同功率因数下铜损百分比见表2。

（3） 提高设备利用率

提高功率因数,会提高设备利用率, 充分发挥设备潜能，减少投资。无功补偿提高了功率因数后, 电动机的负载率会得到提高，电动机需要电网提高的供用电能力也将减小；还会使变压器的供电能力得到加强，见表3。举例，对于额定容量SN为1000kVA的变压器， 当功率因数cosφ为0.7时,变压器的供电能力只有,当采取无功补偿措施使cosφ为0.9时, 其供电能力可提高到900kVA。换言之, 当用电功率一定时,功率因数提高可使选用变压器的额定容量减小，因为变压器的单价随其额定容量增大而增大，故补偿后可减少投资。

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（4）节约电费

供电部门对工业用户功率因数规定0.9为不奖不惩的界限，高于或低于0.9 时相应减收或增收电费直至停止供电，当用户进行无功补偿将功率因数提高到0.9 以后，每提高一个0.1%，供电部门按月电量0.15%奖励用户，低于0.9时，可根据电价手册查出应增收的功率因数调节电费。所以，工厂企业无功补偿提高功率因数的节能分为两部分：能耗节约和功率奖励。

功率奖励：用户的功率因数在0.9 的基础上，将功率因数再提高后可得到的功率奖励为

Y=A(cosφ2-0.9)×0.15%×K （4）

式中，Y 为功率奖励(元)；

A 为用户月电量（kWh）；

为无功补偿后的功率因数；

K 为单位电量的价格（元/ kWh）

案例，某厂年用电量约为2亿kWh，补偿前整个电力系统的功率因数只有0. 87, 通过对全厂供配电系统安装并联移相电容器组补偿后，功率因数达到0. 95，补偿效果非常明显。以线损为例, 功率因数补偿后,每年可减低线损约为200万kWh,每度电按0. 5元计算,可节约电费开支100万元,加上电力系统功率因数奖60万元,每年共计节约电费开支140万元。

结束语

功率因数是衡量供用电系统的一项重要经济指标，文中介绍了影响功率因数的主要因素和提高功率因数的方法,讨论了如何确定无功功率的补偿容量,并结合实际说明,采取有效的无功补偿措施后, 使发供电设备得到充分利用，降低了供电系统损耗,提高了电压质量,并节约电能,减少了企业的电费开支, 降低工业产品的成本，提高了企业的经济效益，同时能相应的节省煤炭的消耗，减少大气污染，利于环保。

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