简易节电器节电效能及安全隐患的电路原理研究

杨格

摘要：电工技术中输配电线路功率因素低下，电路电能损耗增大，电源设备容量利用率低下等诸多弊端。并联电容器可提高电路功率因素，节省电能，简易节电器正是基于此原理而产生。文章利用电路原理分析了简易节电器的工作原理、节电效果和安全隐患。

关键词：电工技术  功率因素  节电器

输配电电力线路中，如功率因素太低会对线路造成如下影响。首先，会有输配电线路上产生线路电压降和功率的损耗。其次，降低电源设备的容量利用率。其三，增加发电企业的能耗，增加供电、用电企业的经济负担。出现电路功率因素低下的根本原因在于负载感性无功功率的存在。一方面，负载与电源设备间以电流形式通过输配电线中进行无功电能的相互交换，而线路电阻的存在造成有电压与功率损耗，所以线路越长损耗越大。另一方面，负载无功功率是实现负载电气设备功能的必要条件，所以电源设备除提供负载为实现电气功能应消耗的有功电能外，还要提供必要的无功电能，故而电源设备容量的利用率愈加降低。

提高功率因素不但有利于保障线路与负载的安全运行状态，降低供电、用电企业的经济成本，更能降低能耗，改善环境，起到节能环保的作用。

一段时间市面上开始流行销售一种以电容为主要元件的所谓电能节电器。要阐明这种节能器工作原理、节能效果及安全隐患等，还应从提高电路功率因素说起。

改善电路功率因素的在于降低电路输电线路总电压与总电流的相位差。补偿负载电气设备的感性负载，可在电源端和负载侧进行。有提高自然功率因数和采用人工补尝功率因素两种方法。人工补偿法可使用电路电容器或调相机，一般多采用电力电容器补尝无功，即：在不改变负载设备工作状态时，在感性负载上并联合适容量的电力电容器，从而减少甚至消除感性负载于电源之间原有的能量交换。从电路原理的角度分析，有如下要点。

加装的电气元件为电容器。电容的无功功率的性质与电感无功性质相反，电路加上电容后，能减少整个电路的无功功率，从而提高功率因素;

电容器与负载的连接方式为并联。采用电容器并联方式，是因电容器与负载并联时，负载设备的工作电压、工作电流与之前相比并未发生改变，从而保证负载电气设备的工作状态不受影响。若电容器与负载串联，虽同样可提高电路功率因素，势必将改变负载设备的工作电压与电流，不但负载设备不能正常工作，且可能发生负载设备损坏;

电路功率功率因素提高，负载有功率，无功功率并未发生改变。降低的是电路的视在功率，即降低电源设备给电路提供的无功功率，降低电源供电电流强度，进而提高电源设备容量的利用率。

并联电容器提高功率因素，是不是并联电容容量越大效果真好呢？并不是。若补偿电容器容量过大，不但可能出现电路谐振且可能将电路由感性负载补偿成容性的情况。若电路发生电路谐振，则负载电路可能出现极大的强电流，进而损坏负载电器;若电路被补偿成容性，则不但会出现较低的容性功率因素，且在电路上电时出现较大的浪涌电流，影响电路正常运行，甚至烧毁负载电器。

那么，合适的电容器容量为多大合适呢？通过电路分析计算可按如下公式计算所并联电容器容量大小。

其中，C为并联电容容量，P为负载有功功率，ω为市电角频率，U为市电电压， 为并联电容前的负载阻抗角（功率因素角）， 为并联电容前的负载阻抗角（功率因素角）。

提高功率因素可在电源侧和负载端进行，若只在电源侧进行，虽可提高电源设备容量利用效率，但却不能减少输配电线路上的电压与功率损耗;若在负载端采取措施，则既能提高电源设备容量利用效率，又能减少输配电线路上的电压与功率损耗。因而，负载端采取措施更具良好效果。但负载设备分布较广，不便采取统一措施。所以，供配电系统一般采用电源侧集中补偿和负载端分散补偿相结合的方法提高功率因素。并规定负载端按功率因素大小分级收费，提高负载端用户采取措施提高功率因素的积极性。

电路负载时常变化，如家中日光灯打开的盏数变化，工厂工作机器台数的变化等，均可造成电路功率因素的时时变化。如何确定某大型企业功率因素收费等级呢？通常大型企业的电能计量，通常采用有功功率表和无功功率表双表计量方法。通过正式计算出一个计费周期内（如一季度）的平均功率因素，以此作为该用电单位一个计费周期内的计费功率因素的值。

式中， 为计费周期内平均功率因素， 为计费周期内有功电能总量， 为计费周期内有功电能总量。

市售简易电能节电器其结构相当简单，由一个定值电力电容器和一个单相插头构成。号称只要插在家中电源插座上就能节约电能，节省电费。那么这种简易节电器是否节能，节能原理是什么？又是否存在哪些不足与安全隐患呢？

显而易见，这种简易节电器节能原理正是电容器具有贮能的功能，插于插座上与负载并联又有提高电路功率因素，降低线路电压损失和功率损耗从而节省电能，降低费用。

那么这种节电器真能节能，节能效果明显吗？从上述提高功率因素的原理可知，装上节电器电容后，可降低线路干路中的电能损耗。但用户电能表安装于产能分界处，计量的是室内有功电能。室内线路至电能表间（干）路线路长度有限，电能损耗不多，且负载有功功率不变，所以，该节电器其实节能效果十分有限。当然，对于节省电能表之外供配电线路上的损耗有一定作用。

利用电容器提高功率因素，节省电能的前提是电路感性负载众多，本身功率因素低下。若负载是纯电阻性或低感性电路，盲目进行大容量电容补偿反而会降低功率因素增加电能损耗。而且，节电器长期插于插座之上，而家中電器随每时间变化，白天用电少，夜晚用电多，若白天所有电器关闭，而节电器仍插于插座上，虽然电容器不消耗电能，但与电源之间仍有电能交换，供配电线路上仍有电流，增加线路损耗。

通过上述分析说明，这种简易节电器并不节能或者说节能效果不明显。不仅如此，其还存在一定的安全隐患。首先，电容器装于插座之上，充电电压远高于市电有效值220V，高达310V以上。裸露于外存在严重的用电安全隐患;其次，如因使用节电器而合电路正好出现电路谐振现象，则负载电器中更易出现较大电流，进而影响负载电器寿命，甚至立即烧毁电器的情况;其三，节电器电容器失电后，初次或再上电时，会产生较大的浪涌电流，会使电路保险与过载保护设备动作，影响电路和负载电器的正常工作。

其实，家用电器的功率因素在电气产品生产时，已经作了规定。家庭用电负载综合功率因素较大，如无必要没有必要进行补偿。如一定要进行补偿则要对投入运行的电器功率因素先进行监测。选择合适容量的电容器，并随家用电器设备运行同时投入使用。

如上所述，通过电路原理分析，说明了简易节电器工作原理、节能效果差及存在的诸多安全隐患。

参考资料：

[1]苗晓培，电工技术与技能[M]，西安：西北工业大学出版社，2016.