黃宏升

（玉林市蘇煙水庫(kù)水電管理處，廣西 玉林 537000）

在用電量日益增長(zhǎng)和用電結(jié)構(gòu)不斷變化的時(shí)代，電力系統(tǒng)如何有效保持良好的工作狀態(tài)，降低電能損失，與電網(wǎng)功率因數(shù)有很大的影響，為了提高電能的利用率，就要通過無(wú)功補(bǔ)償，提高電網(wǎng)的功率因數(shù)。

1 功率因數(shù)

無(wú)功功率補(bǔ)償裝置在電子供電系統(tǒng)中所承擔(dān)的作用是提高電網(wǎng)的功率因數(shù)，降低供電變壓器及輸送線路的損耗，提高供電效率，改善供電環(huán)境。所以無(wú)功功率補(bǔ)償裝置在電力供電系統(tǒng)中處在一個(gè)不可缺少的非常重要的位置。合理的選擇補(bǔ)償裝置，可以做到最大限度的減少網(wǎng)絡(luò)的損耗，使電網(wǎng)質(zhì)量提高。反之，如選擇或使用不當(dāng)，可能造成供電系統(tǒng)電壓波動(dòng)、諧波增大等諸多因素。

在功率三角形中，有功功率P與視在功率S的比值，稱為功率因數(shù)cosφ，其計(jì)算公式為：

cosφ＝P/S

在電力網(wǎng)的運(yùn)行中，功率因數(shù)反映了電源輸出的視在功率被有效利用的程度，我們希望的是功率因數(shù)越大越好，這樣電路中的無(wú)功功率可以降到最小，視在功率將大部分用來(lái)供給有功功率，從而提高電能輸送的功率，但在電路工作中，一般保證cosφ＜0.95，避免電路出現(xiàn)諧振現(xiàn)象，損壞電網(wǎng)供電設(shè)備和用電器。下面介紹影響功率因數(shù)的三種主要因數(shù)：

1.1 感性負(fù)載消耗的無(wú)功功率

大量的電感性設(shè)備，如異步電動(dòng)機(jī)、感應(yīng)電爐、交流電焊機(jī)等是無(wú)功功率的主要消耗者。據(jù)有關(guān)統(tǒng)計(jì)，在工礦企業(yè)所消耗的全部無(wú)功功率中，異步電動(dòng)機(jī)的無(wú)功消耗占了60 %～70 %；而在異步電動(dòng)機(jī)空載時(shí)所消耗的無(wú)功又占到電動(dòng)機(jī)總無(wú)功消耗的60 %～70 %。所以要改善異步電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)就要防止電動(dòng)機(jī)的空載運(yùn)行并盡可能提高負(fù)荷率。

1.2 變壓器消耗的無(wú)功功率

變壓器消耗的無(wú)功功率一般約為其額定容量的10 %～15 %，而空載無(wú)功功率約為滿載時(shí)的1/3。因此，要改善電網(wǎng)和企業(yè)的功率因數(shù)，變壓器應(yīng)避免空載運(yùn)行或長(zhǎng)期處于低負(fù)載運(yùn)行。

1.3 電網(wǎng)供電電壓不穩(wěn)定

電網(wǎng)供電電壓超出規(guī)定范圍也會(huì)對(duì)功率因數(shù)造成很大的影響。當(dāng)電網(wǎng)供電電壓高于額定值的10 %時(shí)，由于磁路飽和的影響，無(wú)功功率將增長(zhǎng)得很快，據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，當(dāng)供電電壓為額定值的110 %時(shí)，一般無(wú)功將增加35 %左右。當(dāng)供電電壓低于額定值時(shí)，無(wú)功功率也相應(yīng)減少而使它們的功率因數(shù)有所提高，但供電電壓降低會(huì)影響電氣設(shè)備的正常工作。所以，應(yīng)當(dāng)采取措施使電力系統(tǒng)的供電電壓盡可能保持穩(wěn)定。

2 無(wú)功電源

電力系統(tǒng)的無(wú)功電源除了同步電機(jī)外，還有電容器、靜止無(wú)功補(bǔ)償器以及靜止無(wú)功發(fā)生器，這4種裝置又稱為無(wú)功補(bǔ)償裝置。除電容器外，其余幾種既能吸收容性無(wú)功又能吸收感性無(wú)功。

2.1 同步電機(jī)

同步電機(jī)包括補(bǔ)償機(jī)、電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)這3種。

2.1.1 同步補(bǔ)償機(jī)

同步補(bǔ)償機(jī)又稱同期調(diào)相機(jī)，其實(shí)質(zhì)上是一種不帶機(jī)械負(fù)荷、空載運(yùn)行的同步電動(dòng)機(jī)，是最早采用的一種無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備，它能在欠勵(lì)或過勵(lì)的情況下向系統(tǒng)吸收或供出無(wú)功，裝有自勵(lì)裝置的同步補(bǔ)償機(jī)能根據(jù)電壓平滑地調(diào)節(jié)輸入或輸出無(wú)功功率，這是其優(yōu)點(diǎn)。其主要缺點(diǎn)是投資大、有功損耗大、運(yùn)行維護(hù)復(fù)雜、響應(yīng)速度慢，在并聯(lián)電容器得到大量采用后，已逐漸退出電網(wǎng)運(yùn)行。

2.1.2 同步電動(dòng)機(jī)

同步電動(dòng)機(jī)實(shí)際上就是“異步電動(dòng)機(jī)同步化”。即將異步電動(dòng)機(jī)三相轉(zhuǎn)子繞組適當(dāng)連接并通入直流勵(lì)磁電流，使其呈同步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行。

同步電動(dòng)機(jī)過勵(lì)運(yùn)行時(shí)，“發(fā)出”無(wú)功功率，相當(dāng)于無(wú)功電源；欠勵(lì)運(yùn)行時(shí)“吸收”無(wú)功功率，相當(dāng)于無(wú)功負(fù)荷。通常電網(wǎng)的負(fù)荷為感性的，所以一般使同步電動(dòng)機(jī)處于正常勵(lì)磁或過勵(lì)磁的情況下運(yùn)行，以改善電網(wǎng)的功率因數(shù)。因此，對(duì)于恒速長(zhǎng)期運(yùn)行的大型機(jī)構(gòu)設(shè)備可以采用同步電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力。

2.1.3 同步發(fā)電機(jī)

同步發(fā)電機(jī)是唯一的有功電源，同時(shí)又是最基本的無(wú)功電源，當(dāng)其在額定狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)，可以發(fā)出無(wú)功功率：

Q＝S×sinφ＝P×tgφ

其中：Q：無(wú)功功率；

S：視在功率；

P：有功功率；

φ：功率因數(shù)角。

發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，以滯后功率因數(shù)運(yùn)行為主，向系統(tǒng)提供無(wú)功，但必要時(shí)，也可以減小勵(lì)磁電流，使功率因數(shù)超前，即所謂的“進(jìn)相運(yùn)行”，以吸收系統(tǒng)多余的無(wú)功。

2.2 并聯(lián)電容器

作為無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備，由它向電網(wǎng)提供無(wú)功可以改善功率因數(shù)，減少由發(fā)電機(jī)提供的無(wú)功功率。電容器有以下顯著優(yōu)點(diǎn)：安裝方便、建設(shè)周期短、造價(jià)低、運(yùn)行維護(hù)簡(jiǎn)便、自身?yè)p耗小、效率高?，F(xiàn)代電容器的損耗只有本身容量的0.02 %左右。補(bǔ)償機(jī)除了本身的損耗外，其附屬設(shè)備還需用一定的所用電，損耗2 %～30 %，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于電容器；電容器是靜止設(shè)備，運(yùn)行維護(hù)簡(jiǎn)單，沒有噪音。補(bǔ)償機(jī)為旋轉(zhuǎn)電機(jī)，運(yùn)行維護(hù)很復(fù)雜；并聯(lián)電容器是電網(wǎng)中用得最多的一種無(wú)功功率補(bǔ)償設(shè)備，目前國(guó)內(nèi)外電力系統(tǒng)中90 %的無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備是并聯(lián)電容器。蘇煙水庫(kù)的壩后電站就是通過加裝并聯(lián)電容器組來(lái)調(diào)整發(fā)電機(jī)的無(wú)功不足的，電站有2臺(tái)200 kW發(fā)電機(jī)組，1臺(tái)500 kva主變壓器，由于機(jī)組老化等多種因素的影響，功率因素常在0.85～0.95之間運(yùn)行，這樣就造成輸送無(wú)功不足、功率因素不滿足系統(tǒng)要求，經(jīng)常被供電部門罰款，在主變10 kv高壓側(cè)加裝并聯(lián)電容器組調(diào)整無(wú)功后，不但不再被罰款，還提高了發(fā)電機(jī)的有功出力，保證了機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行，減少了發(fā)電機(jī)的維修次數(shù)，從而延長(zhǎng)了機(jī)組壽命，提高了電站的經(jīng)濟(jì)效益。

2.3 靜止無(wú)功補(bǔ)償器

靜止無(wú)功補(bǔ)償器是運(yùn)用電力電子技術(shù)的可調(diào)節(jié)無(wú)功補(bǔ)償裝置，它由晶閘管所控制投切電抗器和電容器組成，由于晶閘管對(duì)于控制信號(hào)反應(yīng)極為迅速，而且通斷次數(shù)也可以不受限制。當(dāng)電壓變化時(shí)靜止補(bǔ)償器能快速、平滑地調(diào)節(jié)，以滿足動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償?shù)男枰?，同時(shí)還能做到分相補(bǔ)償；對(duì)于三相不平衡負(fù)荷及沖擊負(fù)荷有較強(qiáng)的適應(yīng)性；但由于晶閘管控制對(duì)電抗器的投切過程中會(huì)產(chǎn)生高次諧波，為此需加裝專門的濾波器，這種方法在許多電站已得到了廣泛的應(yīng)用。

2.4 靜止無(wú)功發(fā)生器

它的主體是一個(gè)電壓源型逆變器，由可關(guān)斷晶閘管適當(dāng)?shù)耐〝?，將電容上的直流電壓轉(zhuǎn)換成為與電力系統(tǒng)電壓同步的三相交流電壓，再通過電抗器和變壓器并聯(lián)接入電網(wǎng)。適當(dāng)控制逆變器的輸出電壓，就可以靈活地改變其運(yùn)行方式，使其處于容性、感性或零負(fù)荷狀態(tài)。

與靜止無(wú)功補(bǔ)償器相比，靜止無(wú)功發(fā)生器響應(yīng)速度更快，諧波電流更少，而且在系統(tǒng)電壓較低時(shí)仍能向系統(tǒng)注入較大的無(wú)功。

3 無(wú)功補(bǔ)償方式

從電網(wǎng)無(wú)功功率消耗的基本狀況可以看出，各級(jí)網(wǎng)絡(luò)和輸配電設(shè)備都要消耗一定數(shù)量的無(wú)功功率，尤其是低壓配電網(wǎng)所占比重最大。為了最大限度的減少無(wú)功功率的傳輸損耗，提高輸配電設(shè)備的效率，無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備的配置，應(yīng)按照“分級(jí)補(bǔ)償，就地平衡”的原則，全面規(guī)劃，合理布局。

無(wú)功補(bǔ)償是借助于無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備提供必要的無(wú)功功率，以提高系統(tǒng)的功率因數(shù)，降低電能的損耗，改善電網(wǎng)電壓質(zhì)量。無(wú)功補(bǔ)償通常采用的方式主要有3種：隨機(jī)就地補(bǔ)償、低壓集中補(bǔ)償、高壓集中補(bǔ)償。

3.1 隨機(jī)就地補(bǔ)償

隨機(jī)就地補(bǔ)償就是根據(jù)個(gè)別用電設(shè)備對(duì)無(wú)功的需要量將單臺(tái)或多臺(tái)低壓電容器組分散地與用電設(shè)備并接，它與用電設(shè)備共用一套斷路器。通過控制、保護(hù)裝置與電機(jī)同時(shí)投切。隨機(jī)補(bǔ)償適用于補(bǔ)償個(gè)別大容量且連續(xù)運(yùn)行的無(wú)功消耗，以補(bǔ)勵(lì)磁無(wú)功為主。隨機(jī)補(bǔ)償?shù)膬?yōu)點(diǎn)是：用電設(shè)備運(yùn)行時(shí)，無(wú)功補(bǔ)償投入，用電設(shè)備停運(yùn)時(shí)，補(bǔ)償設(shè)備也退出，因此不會(huì)造成無(wú)功倒送。具有投資少、占位小、安裝容易、配置方便靈活、維護(hù)簡(jiǎn)單、事故率低等優(yōu)點(diǎn)。蘇煙水庫(kù)2009年1月份的臨時(shí)抽水系統(tǒng)就是采用了這種無(wú)功補(bǔ)償?shù)姆椒?，電容器組與3臺(tái)110 kW電動(dòng)機(jī)并接，通過控制、保護(hù)裝置與電動(dòng)機(jī)同時(shí)投切，提高了電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)，改善了電壓質(zhì)量，提高了電動(dòng)機(jī)出力，從而減少了電能損耗，減少電費(fèi)支出，提高了經(jīng)濟(jì)效益。

3.2 低壓集中補(bǔ)償

低壓集中補(bǔ)償是指在低壓母線上裝設(shè)自動(dòng)投切的并聯(lián)電容器，成套裝置主要補(bǔ)償變壓器本身及以上輸電線路的無(wú)功功率損耗，而在配電線路上產(chǎn)生的損耗并未減少，因此，補(bǔ)償不宜過大，否則變壓器輕載或空載運(yùn)行時(shí)，將造成過補(bǔ)償，補(bǔ)償容量應(yīng)以變壓器額定容量的30 %～40 %確定，即：Qb＝（0.3～0.4）SN，其中 Qb是補(bǔ)償容量、SN是變壓器額定容量，也可以從提高功率因數(shù)的角度考慮Qb＝P（tgφ1－tgφ2），其中tgφ1、tgφ2是補(bǔ)償前后功率因數(shù)角的正切值。

3.3 高壓集中補(bǔ)償

高壓集中補(bǔ)償是指在變電站10（6）kV母線上集中裝設(shè)高壓并聯(lián)電容器組，用以補(bǔ)償主變的空載無(wú)功損耗和線路漏補(bǔ)的無(wú)功功率。這是目前在農(nóng)網(wǎng)上常用的補(bǔ)償方式。比如：某縣各變電站在未進(jìn)行人工補(bǔ)償以前 cosφ＝0.85，根據(jù)功率因數(shù)（0.85）調(diào)整電費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)，每月罰款為月總電費(fèi)的2.6 %，在各站裝設(shè)了電容器補(bǔ)償后，平均cosφ＝0.91，每月電費(fèi)減少0.6 %，一年下來(lái)，功率因數(shù)獎(jiǎng)電費(fèi)約為50萬(wàn)元，為企業(yè)增加了效益。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文討論了影響功率因數(shù)的3種主要因數(shù)，介紹了常用的幾種無(wú)功電源和3種常用的無(wú)功補(bǔ)償方式，闡明了通過無(wú)功補(bǔ)償可以改善系統(tǒng)功率因數(shù)、降低損耗、減少發(fā)供電設(shè)備的設(shè)計(jì)容量、減少投資，給供電部門及廣大用戶帶來(lái)經(jīng)濟(jì)效益。