功率因数对供配电系统的影响及提高方法
2011-11-06何首贤
何首贤，李 明
（大连海洋大学 职业技术学院，辽宁 大连 116300）
功率因数对供配电系统的影响及提高方法
何首贤，李 明
（大连海洋大学 职业技术学院，辽宁 大连 116300）
电力用户中绝大多数用电设备，如感应电动机、变压器及交流接触器等，它们都要从电网中吸收大量的无功电流来产生交变磁场，其功率因数都小于 1.而功率因数是衡量供配电系统是否经济运行的一个重要指标.功率因数不满足要求时，首先要提高自然功率因数，然后再进行人工补偿.
功率因数；自然功率因数；人工补偿
我国工厂企业中绝大多数用电设备，如感应电动机、电力变压器、电焊机以及交流接触器等，他们都要从电网吸收大量无功电流来产生交变磁场.功率因数 c o s φ 是反映在有功功率一定的条件下，取用无功功率的多少.取用的无功功率越多，则功率因数越低.除白炽灯、电阻电热器等设备负荷的功率因数接近于 1外，其他如电动机、变压器、电抗器等功率因数均小于 1.而功率因数是衡量供配电系统是否经济运行的一个重要指标.
1 功率因数对供配电系统的影响
所有具有电感特性的用电设备都需要从供配电系统中吸收无功功率，从而降低功率因数.功率因数太低将会给供配电系统带来以下不良影响：
1.1 系统总电流增加
根据电工理论公式：
在传送同样有功功率P的情况下，功率因数c o s φ 降低会使总电流 I增加，使供配电系统中的变压器、断路器、导线等容量的增大.系统内部的起动控制设备、测量仪器、仪表等规格要求增大，从而投资费用增加.
1.2 电能损耗增加
根据电工理论公式△P=3 I2R可知，线路电流 I的增加会使有功损耗△P增加，从而电能损耗增加.
1.3 电压损失增大
由于线路有阻抗，所以在负荷电流通过线路时有一定的电压损失.电压损失愈大，则用电设备端子上的电压偏移就愈大，当电压偏移超过允许值时将严重影响电气设备的正常运行，影响供电质量.所以按规范要求，线路的电压损失不宜超过规定值，如高压配电线路的电压损失，一般不超过线路额定电压的5%；从变压器低压侧母线到用电设备受电端的低压配电线路的电压损失，一般也不超过用电设备额定电压的 5%（以满足用电设备要求为准）；对视觉要求较高的照明电路，则为 2%~3%.
1.4 供电设备利用率降低
无功电流增加后，供电设备的温升会超过规定范围.为控制设备温升，所以工作电流也受到控制，根据电工理论公式：
在功率因数 c o s φ 降低后，不得不降低输送的有功功率 P来控制电流 I的值，这样就降低了供电设备的供电能力.
我国水利电力部在《全国供用电规则》中规定：“用户在当地供电局规定的电网高峰负荷时的功率因数应达到下列规定：高压供电的工业用户和高压供电装有带负荷调整电压装置的电力用户，功率因数为 0.9以上，其他功率因数为 0.8 5以上.”凡功率因数未达到上述要求，应增添无功补尝装置.
2 提高功率因数的方法
2.1 提高负荷的自然功率因数
自然功率因数是指未装设任何补偿装置的实际功率因数.提高自然功率因数，就是不添置任何补偿设备，采用科学措施减少用电设备的无功功率的需要量，使供配电系统总功率因数提高.因为他不需增加设备，是最理想最经济改善功率因数的方法.
2.1.1 正确选择合理使用电动机的规格、型号
鼠笼式电动机的功率因数比绕线式电动机的功率因数高，开启式和封闭式的电动机比密闭式的功率因数高.所以在满足工艺要求的情况下，尽量选用功率因数高的电动机.
由于异步电动机的功率因数和效率在 7 0%至满载运行时较高，在额定负荷时功率因数为0.8 5~0.9，而在空载或轻载运行时的功率因数和效率都要降低，空载时功率因数只有 0.2~0.3，所以在选择电动机的容量时要防止容量选择过大，从而造成空载或轻载的情况.一般选择电动机的额定容量为拖动负载的 1.3倍左右.
异步电动机要向电网吸收无功，而同步电动机则可向电网送出无功，所以对负荷率不大于 0.7及最大负荷不大于 9 0%的绕线式异步电动机，必要时可使其同步化，从而提高功率因数.
2.1.2 防止电动机空载运行
如果工艺要求，电动机在运行中必然要出现空载情况，则必须采取相应的措施解决.如装设空载自停装置，或降压运行（如将电机的定子绕组由三角形接线改为星形接线；或由自藕变压器、电抗器、调压器实现降压）等.
2.1.3 保证电动机的检修质量
电动机的定转子间气隙的增大和定子线圈的减少都会使励磁电流增加，从而增加向电网吸收的无功量而使功率因数降低，因此检修时要严格保证电动机的结构参数和性能参数.
2.1.4 合理选择变压器的容量
变压器轻载时功率因数会降低，但满载时有功损耗会增加.因此选择变压器的容量时要从经济运行和改善功率因数两方面来考虑，一般选择电力变压器在负荷率为 0.6以上运行比较经济.
2.1.5 交流接触器的节电运行
工厂中存在着大量的电磁开关（交流接触器），其线圈是感性负载，消耗无功.由于交流接触器的数量较多、运行时间长，故他所消耗的无功不容忽视.因此可以用大功率晶闸管取代交流接触器，这样可大量减少电网的无功功率负担.晶闸管开关不需要无功功率，开关速度远比交流接触器快，且还具有无噪声，无火花，拖动可靠性强等优点.
2.2 人工补偿法提高功率因数
工厂企业的功率因数光是靠提高自然功率因数一般是不能满足要求的，因此，还必须进行人工补偿.人工补偿的方法有：
2.2.1 并联电容器人工补偿
即采用并联电力电容器的方法来补偿无功功率，从而提高功率因数.因他具有下列优点:
（1）有功损耗小，约为 0.2 5%~0.5%，而同步调相机约为 1.5%~3%.
（2）无旋转部分，运行维护方便.
（3）可按系统需要，增加或减少安装容量和改变安装地点.
（4）个别电容器损坏不影响整个装置运行.
（5）短路时，同步调相机增加短路电流，增大了用户开关的断流容量，电容器无此缺点.
所以，这是目前工厂、企业内广泛采用的一种补偿装置.当然，该补偿方法也存在缺点，如只能有级调节，而不能随无功变化进行平滑的自动调节，当通风不良及运行温度过高时易发生漏油、鼓肚、爆炸等故障.
2.2.2 同步电动机补偿
在满足生产工艺的要求下，选用同步电动机，通过改变励磁电流来调节和改善供配电系统的功率因数.过去，由于同步电机的励磁机是同轴的直流电机，其价格高，维修麻烦，所以同步电动机应用不广.现在随着半导体变流技术的发展，励磁装置已比较成熟，因此采用同步电动机补偿是一种比较经济实用的方法.
2.2.3 动态无功功率补偿
在现代工业生产中，有一些容量很大的冲击性负荷（如炼钢电炉、黄磷电炉、轧钢机等），他们使电网电压严重波动，功率因数恶化.一般并联电容器的自动切换装置响应太慢无法满足要求.因此必须采用大容量、高速的动态无功功率补偿装置，如晶闸管开关快速切换电容器，晶闸管励磁的快速响应式同步补偿机等.
目前已投入到工业运行的静止动态无功补偿装置有：可控饱和电抗器式静补装置；自饱和电抗器式静补装置；晶闸管控制电抗器式静补装置；晶闸管开关电容器式静补装置；强迫换流逆变式静补装置；高阻抗变压器式静补装置等.
3 结语
由于工业企业里消耗无功功率的设备主要是电动机（约占总无功的 6 5%~7 0%）和变压器（约占总无功的 2 0%）.故提高功率因数的主要途径就是如何减少感应电动机和变压器上消耗的无功功率.
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1673-260X（2011）05-0100-02
