电力电网功率因数提高的意义及补偿措施

黄道敏，张 雪，彭赛阳，高敬祥，张 娜

（空军预警学院，湖北 武汉 430019）

0 引言

功率因数反映了电力传输系统中有功功率所占的比例，是衡量电能传输效果的一个重要指标。对供电部门来说，功率因数的大小，关系到输电线路上的电压损失和电压波动，关系到供电网络的功率损耗和电能损耗，也就是直接关系到电能节约和供电质量。采取措施提高功率因数，一直是供电部门需要面对的重要课题，在现实生活中有着重要的实际意义。根据功率因数的特性，本文将探讨功率因数的意义、影响因素及提高功率因数的方法、措施。

1 相关的重要概念及物理意义

在电工技术中，二端口网络端钮电压与电流有效值的乘积UI称为视在功率S，即S=UI，额定视在功率反映了设备的容量。例如，发电机上标明的额定电压和额定电流，它们的乘积即为额定视在功率，表明可供出的最大电压及电流的乘积。

有功功率是瞬时功率中不可逆的恒定部分，是用电设备实际吸收消耗的功率，是电能转换为热能、化学能、机械能等其他形式能量的部分。有功功率的表达式为P=UIcosφ，可以看出二端口网络的有功功率要在电源视在功率上打一个折扣，这个折扣就是cosφ，即为功率因数λ，其定义式为λ=P/S=cosφ，0≤cosφ≤1。φ称为功率因数角，也称阻抗角，也等于端口上的电流、电压的相位差。阻抗角能够反映网络的性质，但功率因数λ却不能完全做到这一点，一般在给出功率因数的同时，习惯上还加上“滞后”或“超前”字样，以表示出网络的性质[1]。

当cosφ小于1 时电路中就发生能量交换，一部分能量在电源和负载之间往返，即产生了无功功率Q=UIsinφ。无功功率是瞬时功率中可逆的恒定部分，称为“无功”是因为它并不对外作功，是用来产生与维持设备中磁场的电功率。如电气设备中带有电磁线圈，要产生磁场，电场能转化为磁场能，就会引起无功功率消耗。如常见的20 W 日光灯，除了需要20 多W 的有功功率来供正常发光和少量供镇流器消耗之外，带有线圈的镇流器要产生交变磁场还需大约40 var 的无功功率。

由此可见，功率因数的大小反映了电源设备容量被利用的程度，它的大小取决于端口上电压与电流之间的相位差角，功率因数越大，电源设备容量利用程度越高，反之则越低。电源向负载输送多少有功功率是由阻抗角决定的。

2 影响功率因数的主要因素

工程实际中，不同的电气设备往往具有不同的负载特性，交流设备有感性负载、容性负载，直流用电设备通常呈整流性负载，例如充电桩、LED 驱动器等。大量的非阻性负载造成了功率因数的降低。

电力系统中存在着大量的电感性负载，例如常用的日光灯、变压器和电动机等等。这些感性负载工作过程中，既要从电源端吸收有功功率用于正常做功，感性线圈还要吸收无功功率用于产生磁场，额外给电源增加的负担，降低了这些感性负载的功率因数，如日光灯的功率因数一般仅为0.3～0.5，异步电动机空载时的功率因数为0.2～0.3，满载时为0.7～0.9[2]。

电网电压不稳定将会严重影响功率因数。通常电磁设备都工作在额定状态，设计时其磁感应强度处于磁化曲线接近饱和的拐点附近，磁路中磁通稍有增加，电磁设备就很容易进入磁饱和状态，致使所需励磁电流陡然增加，造成设备损坏。当电网供电电压增加到用电设备额定电压的110%时，由于设备中磁路磁饱和的影响，无功功率将快速增大，一般将增加35%左右[3]。反之，供电电压减小，低于设备的额定工作电压，造成无功功率降低，功率因数将随之提高。如供电电压过低，低于电气设备的额定值时，会影响电气设备的正常工作。所以，应当采取适当措施，尽可能的保持电网电压的稳定。另外，供电网络的频率波动也会对感性负载中的磁化无功功率产生影响。

3 功率因数低对供电系统的主要影响

3.1 发电设备的容量不能充分利用，成本增加

在工程实际中，提供电能的电源设备在设计和使用时需要满足一定的额定电压和额定电流要求，工作时电压、电流如超过了额定值，电源设备就可能遭到损坏。电源设备在额定电压与额定电流下运行时送出的有功功率P与所接负载的功率因数cosφ密切相关，即P=UIcosφ。只有当所接负载是纯电阻时即cosφ=1，电源设备输出的有功功率恰好等于其容量，理论上电源设备得到完全的利用；但是当负载为感性或容性时，cosφ＜1，电源设备的输出功率能力就得不到充分利用，有一部分被无功能量交换所占有。

3.2 线路上的功率损耗和电能损耗增大，效率低

对于电力系统中的输电部分，当负载网络的有功功率P和端电压有效值U一定时，功率因数越低，则线路上电流就越大（I=P/Ucosφ），由于输电线电阻Rs的存在，输电线上的有功损耗P=I2Rs，输电线上的功率损耗和电能损耗就越大，输电效率低。

3.3 谐波污染，降低电压质量

谐波问题关系到供电系统的供电安全和质量。功率因数越低，线路压降损耗越大，引起电压波动，造成谐波污染，电压质量降低。尤其是用电处于高峰时段，用电客户功率因数过低，会造成电网中大面积区域电压降低，严重影响异步电动机及其它用电设备的正常运行，将给工农业生产，造成很大的损失。

4 提高功率因数的实际意义

实际电网非常庞大，输送距离遥远，比如三峡至上海输电线路，延伸数千公里，线路上如果存在无功能量的往返，势必增加电能的消耗及增大发电设备的容量。提高功率因数具有节能降耗、改善供电质量的作用，是最接近实际的话题，有着重大现实意义。

（1）挖掘电源设备潜力，充分利用电源设备的输出容量，节约成本。由公式P=UIcosφ可知，如设备容量不变，功率因数提高后，输送的无功功率降低，而有功功率将增加。为使电源设备的容量得到最大程度的利用，充分挖掘用电设备的潜力，就应采取措施提高交流负载的功率因数。

（2）提高电网输电效率，减少线路上的有功损耗。提高功率因数、减小线路上的电流，也就减少了线路上的功率损失P=I2Rs，提高了电源设备的效率，也因此带来很大的经济效益。

（3）减少谐波污染，提升电压质量，使设备处于相对正常的运行条件下，有利于维护用电企业的安全生产。

（4）减少电能损耗，为企业降低生产成本，相当于减少了应缴电费开支。安装无功补偿主要是为了降损节能，例如：当cosφ=0.5 时的损耗是cosφ=1 时的4 倍。

目前供电部门征收电费将用户的功率因数高低作为一项重要的经济指标，《全国供用电规则》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，以及100 kVA（kW）及以上的电力用，户功率因数为0.90 以上，其他功率因数不低于0.85。供电部门在收取用户电费时，将会根据用户实际的功率因数，采取奖、罚、不奖不惩等处理方式。供电部门对没有达到上述规定要求的老用户，应责令其限期整改，在一定期限内添置无功补偿设施，以满足上述规定要求；对长期无理由不整改、不添置无功补偿设备的用户，供电部门可以限制供电或拉闸停电；供电部门可以拒绝为功率因数达不到上述规定要求的新用户接电。总之，供电部门有责任要求、督促和帮助用电客户采取无功补偿措施来提高功率因数。

5 提高负载功率因数的原则和补偿措施

要维持负载的正常工作，提高功率因数的原则是必须保证原负载的工作状态不变，即：加至负载上的电压和负载的有功功率不变。

提高功率因数实质就是减少用电设备的无功功率的需求量，以便达到提高电源设备容量的利用率，降低输电线路上的电压和有功损失，改善线路电压状况的目的。提高功率因数，主要有以下两种常用的补偿措施：

5.1 提高系统自然功率因数

自然功率因数是指未安装任何补偿装置的实际功率因数。对感性负载增添科学补偿措施，降低用电设备无功功率需求量，达到提高企业用电设备的自然功率因数。使自然功率因数提高，不需要额外投资，应优先考虑。

（1）合理选择电动机的规格、型号，减少电动机无功消耗，防止“大马拉小车”。避免电机或设备空载运行，使其尽量接近满载运行，一般要达到额定容量的70%以上，运行才是经济的。

（2）对长期轻载运行的电机或者设备，如平均负荷还达不到其额定容量40%左右的，可更换为容量较小的电动机或设备，也可改变电动机的接法，改为三角形接法或自动转换。

（3）合理配置变压器，恰当地选择其容量。当变压器保持60%～70%的负荷率时，变压器呈现出的运行状态最佳，且具有较高的经济性和较大的功率因数[4]。改善配变的运行方式，避免变压器的轻载运行。

（4）调整生产班次，均衡用电负荷，提高用电负荷率。

5.2 人工补偿功率因数

人工补偿功率因数的措施有并联电容器、同步电动机补偿、调相机(仅发无功功率的同步发电机)补偿和动态无功补偿等。

工程实际中，常利用电感、电容无功功率的互补特性，通过安装补偿设备提高功率因数，最简捷、便利的是在感性负载两端并联补偿电容器，使补偿电容中的电场能量和负载设备中的磁场能量发生交换，从而减少与电源间的能量互换[5]。如图1（a）所示，并联补偿电容C 后，原负载两端的电压不变，原负载不变，所以负载取用的电流不变，负载吸收的有功功率、无功功率都不变，即原负载的工作状态不变！因为电容的电流超90°，使得总电流减少。如图1（b）所示相量图，可以看到、的夹角减少,即整个阻抗角减小，从而提高了电源端的功率因数。

图1 电容器补偿原理图

并联补偿电容器容量的确定：

实际使用公式QN=P（tgφ1-tgφ2），由QN值查表选电容器。

并联补偿电容器，提高的是整个电路中的功率因数，减少的也是整个电路的总电流，线路上总电流减少，电源端就可以带更多的负载，充分利用了电源设备的能力。由于电容器不消耗电能，所以电源供给的功率也未变化。

从功率角度来分析：在负载两端并联电容C后，负载的有功功率UI1cosφ1=UIcosφ2不变，电源向负载输送的无功功率UIsinφ2=UILsinφ1减少，电容“产生”的无功功率就补偿了电源减少的这部分无功功率，因此提高了功率因数。

在许多工厂的配电房，都要有电容柜，就是为改善功率因数而配备的。并联电容器补偿法提高功率因数，简单有效。实际中常用的操作方法：将所有电容器切除，打到手动档，在手动投入电容器时，观看总进线柜的电流表，开始时电流是下降的，到不下降反而升高时，此时去除最后一路的总补偿容量就是你需要补的容量。

6 功率因数提高相关问题的探讨

6.1 功率因数的适当值

功率因数cosφ小于1 时，为欠补偿，cosφ等于1 时，为全补偿，cosφ大于1 时，为过补偿。虽然功率因数越大效率越高，但实际中也并不要求功率因数提高到1，不要求全补偿，因为要使功率因数接近1，不仅需要并联的电容较大，设备投资也增加很大，经济效果不明显，还可能引起谐振。过补偿时，使功率因数又由高变低，而且电路性质也不同了。综合考虑，功率因数提高到适当值（0.9 左右）为宜。

6.2 串联电容提高功率因数cosφ

如果仅从提高功率因数cosφ来说，串联电容器也可以提高感性负载的功率因数。此时原负载端电压发生了改变，也就是改变了原负载的工作状态。在电网与电网连接上有用这种方法的，一般用户采用并联电容补偿措施。

6.3 “功率因数超前”

这里所说的“功率因数超前”，并不是指负载上电流和电压二者相位之间的超前关系。可以这样来举例解释：在电机两端并入补偿电容，电容发出无功功率QC，用来补偿电感吸收的无功功率QL。QL=QC时，功率因数cosφ=P/S=1，此时电机不从供电系统吸收无功功率，即Q=0。而当QC＞QL时，出现电力电容器过补偿，呈现容性负载，这就是“功率因数超前”。“功率因数超前”，会产生无功外送，线路上的电流和损耗增加，产生的助磁作用又有可能使变压器输出端的电压升高，导致电压将“高上加高”，给电力电网造成损害，所以要避免出现“功率因数超前”。

7 结语

本文介绍了功率因数的概念、意义、影响功率因数的主要因素以及功率因数低对供电系统的主要影响，探讨了提高功率因数的实际意义、提高功率因数的原则及补偿措施，最后讨论了几个与功率因数提高相关的容易造成困惑的问题。由此可见，电力网中用户功率因数的大小是十分重要的问题，对于整个电力系统的经济性和安全性都起着极其重要的作用，供电部门和用户都有责任和义务去设法提高电力网中各有关部分的功率因数，有效降低电网损耗，增强电力系统运行的经济性和安全性。