石头河水电站功率因数的影响因素和解决对策探析

(陕西省石头河水库灌溉管理局，陕西 眉县 722300)

1 功率因数的相关概念

在电力网的运行中，电费核算是以有功电度为准的，而所谓的"无功"并不是"无用"的电功率，是为了建立交变磁场进行能量转换和传递的那部分功率，因此在电力系统中既要多发有功，又要满足系统的无功需求，两者缺一不可。而电网运行中，功率因数反映了电源输出的视在功率被有效利用的程度，我们希望的是发电机在确保非进相运行的情况下，功率因数越大越好，这样电网系统中对无功功率要求就较低，既而在电力传输中就可以减少线路损耗，提高电网传输能力；同时可降低线路电压损耗，提高电能质量。对于发电机组，提高功率因数，可调低在机组转子线圈的励磁电流，延缓设备绝缘老化程度、提高机组使用寿命。目前，电力系统对发电厂及用电企业功率因数分别都有十分严格的规定(水电站功率因数以0.8为宜，用电企业功率因数≥0.9)，达不到规定数值将以有功电度折抵无功电度，因此我们在力争多发有功电度的同时，不得不发一定的无功电度。

2 功率因数的影响因素分析

(1)并网功率因数规定的影响。由于历史原因以前小水电电网功率因数低且补偿技术落后，所以小型发电机的额定功率因数按0.8设计 ，并网功率因数按1978年国家水利电力文件规定的0.8考核。但随着技术的进步，无功补偿技术的发展，无功一般能达到就地平衡。现在我国大中型电站并网功率因数一般按0.9～0.95考核，而小水电并网功率因数一直按1978年国家水利电力文件规定的0.8考核，这既不利于节能降耗，也不符合国家对小水电的扶持政策。

(2)水电站生产特点的影响。水电站生产受季节影响比较严重，有水就能多发电，在丰水期机组开的多，电网负荷出现供大于求现象，无功负荷也相对过剩，提高了电网电压，使发电机出口电压升高，出口电压过高使发电机的铁损增加，铁芯发热，发电机效率下降，加速绝缘老化，增加了无功上网难度。因此小水电站机组在汛期功率因数适当提高，对电网内的无功负荷不会有多大的影响。但我们上网功率因数0.8的要求并没有被改变。为了保证机组的安全运行以及达到规定上网功率因数，必须减少机组的出力。这一点在石头河水电站表现非常明显。

(3)发电机本身的影响。石头河水电站丰水期一般都是高水头机组2#、3#在运行(配套水轮机设计水头80 m)，按照铭牌它们额定功率均为5 000 kw，额定功率因数为0.80，即在两台机组满发时每供给1万 kw的有功功率，同时还能供给0.75万 kvar的无功功率(根据功率因数关系式cosΦ=p/s， 当功率因数为0.8时，可推导出关系式Q=0.75 P。P为有功功率，Q为无功功率，S为视在功率)。但由于制造、设备老化以及汛期系统电压高等多方面原因，实际不能达到这一效果。如2015年10月4日10时当两台机组满发带1万 kw的有功功率时，发的无功7 000 kvar平均功率因数为0.835；功率因数比铭牌高了0.035，无功比名牌少发了500 kvar。而当天发有功25.3万 kw无功16.08万 kvar，若功率因数按额定的0.80算，当天少发无功近2.9万 kvar。

(4)用户及网络的影响。2015年10月4日石头河水电站一二级站合计发无功18.58万 kvar 但上大网的只有12.97万 kvar，少上网5.61万 kvar也就是说有30%的无功消耗在我们临近的用户及配电网络中。在配电网络中，用户消耗的无功功率约占50%～60%，对于用户来说消耗的全部无功功率中，异步电动机的无功消耗占了60%～70%；而在异步电动机空载时所消耗的无功又占到电动机总无功消耗的60%～70%。对于配电网来说消耗的无功功率主要是变压器消耗。变压器消耗无功功率一般约为其额定容量的10%～15%，它的空载无功功率约为满载时的1/3。石头河枢纽变电站所辖网络中有变压器24台总容量15 620 KVA而且多为老式高耗能变压器，用电负荷变化大。

(5)供电电压超出规定范围也会对功率因数造成很大的影响。当电压高于额定值的10%时，由于磁路饱和的影响，无功功率将增长得很快，据有关资料统计，当供电电压为额定值的110%时，一般无功将增加35%左右。当供电电压低于额定值时，无功功率也相应减少而使它们的功率因数有所提高。

(6)电网频率的波动也会对异步电机和变压器的磁化无功功率造成一定的影响。

(7)输电线路的充电功率影响沿线路各点的电压、输电功率和功率因数。

3 解决对策分析

3.1 加强与小水电主管部门联系提高并网功率因数

提高并网功率因数对我们来说是非常有意义的。首先可以减轻发电高峰期上网无功欠缺的压力；其次可以节能降耗，如果功率因数从0.70提高到0.85，无功消耗减少42%左右，线损将降低20%左右。现在国家提倡发展循环经济，建立节约型社会，鼓励小水电发展。作为一个在陕西关中地区比较有影响的小水电企业，我们应抓住机遇加强与小水电主管部门加强联系，建议尽快修订小水电并网功率因数考核办法，取消对小水电的不合理规定。

3.2 对枢纽地区用电企业无功进行考核

电网中对工矿企业功率因数有严格要求的，一般要求不得低于0.9。所以对用户消耗的无功进行考核奖惩电费(具体见下表)有利于各用户积极主动采取各种措施，提高功率因数降低无功功率消耗，减轻系统无功需要量(表1)。

表1 功率因数奖惩对照表

3.3 为有功电量寻找市场

在无功欠缺时，多发无功及进行无功补偿是非常必要的，同时我们能不能另辟幽径为发出的电量寻找市场。这样做可以减轻上网有功相对多无功欠缺的压力，增加我局经济收入，还能起到未雨绸缪。据国家发改委公布的数字，截至2015年底，全国发电装机容量达到15.3亿 Kw，其中水电3.2亿 Kw，占21.1%;“十三五”期间，全国常规水电新增投产约4 000万 Kw，开工6 000万 Kw以上，其中小水电规模500万 Kw左右。到2020年，常规水电装机达到3.4亿 Kw。根据《电力发展“十三五”规划》，预计2020年全社会用电量6.8～7.2万亿 Kw时，年均增长3.6%到4.8%，全国发电装机容量20亿 Kw，年均增长5.5%，人均装机突破1.4 Kw，人均用电量5 000 Kw时左右，接近中等发达国家水平。目前我们应在电力主管部门许可的情况下，积极鼓励现有用户在发电高峰期加大生产力度，减轻上网压力降低母线电压，加强枢纽供电地区用电管理，壮大用户增加我局经济收入。

3.4 提高系统自然功率因数

提高系统自然功率因数就是不需要任何补偿设备投资，仅采取各种管理上或技术上的手段来减少各种用电设备所消耗的无功功率，提高系统自然功率因数，是一种最经济的提高功率因数的方法。

(1)石头河水电站设备运行年限长，设备老化有潜在的事故及缺陷，这就要求必须加大检修、维护技改力度，力争满发多供。

(2)指导用户合理选用电动机的型号、规格和容量，使其接近满载运行。提高异步电动机的检修质量，防止电动机的空载运行并尽可能提高负载率。大型电机必要时采用同步电动机或异步电动机同步运行。

(3)合理选择配变容量，不应是变压器空载运行或长期处于低负载运行状态；改善配变的运行方式：对负载率比较低的配变，一般采取“撤、换、并、停”等方法，使其负载率提高到最佳值，从而改善电网的自然功率因数。

(4)电压超出规定范围会对功率因数造成的影响很大。发电高峰期，系统电压及发电机出口电压高，调整变压器分接开关位置是非常必要的。近几年，我们通过调低石头河水电站一二级站主变分接开关档位可以降低发电机出口端电压有利于多发无功，调低枢纽变电站1#、2#主变分接开关档位可以降低10 KV系统电压减少系统消耗的无功。

3.5 对无功进行补偿

电网中自然平均功率因数一般在0.70～0.85之间。所以在电网中对无功补偿是非常必要也是非常常见非常重要的措施，分为石头河水电站集中补偿和各用户分散补偿，常见的有电容、电抗及调相机补偿。集中补偿，是在变电所集中装设较大容量的补偿电容器或调相机。如近几年，在局、站有关领导指导下我们成功的对2#和4#机进行了调相试运行，解决了石头河水电站以往在汛期无功上网不足，机组出力严重受限的缺陷。分散补偿一般是客户端，如水泥厂和秦星橡塑厂变电所的电容器补偿，锰厂的电抗补偿。无功补偿设备的配置，应按照“分级补偿，就地平衡”的原则，合理布局。这也就是我们对用户无功考核的目的所在。

4 结语

本文通过对石头河水电站的运行特性进行分析研究，总结提出7项影响该站功率因数的主要因素，并对影响因素进行了有针对性的深入分析，从政策协调、用电管理、拓宽市场、设备维护革新、无功补偿等多个方面提出了行之有效的解决对策：首先应要求用电企业无功平衡，提高系统自然平均功率因数；其次在经济安全前提下进行无功补偿；最后需加强与有关部门沟通联系，解决石头河水电站在汛期无功上网不足，机组出力严重受限的缺陷。若能逐步得到实施，将对该水电站设备利用效率和经济效益的提高起到积极的促进作用。