功率因數(shù)降低的原因分析及對(duì)策

劉喬芬

(中韓(武漢)石油化工有限公司，湖北 武漢 430000)

摘要：功率因數(shù)是衡量一個(gè)工業(yè)企業(yè)電力系統(tǒng)是否經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的重要指標(biāo)，供電部門(mén)一般要求用戶(hù)功率因數(shù)要達(dá)到0.9以上，提高系統(tǒng)功率因數(shù)不僅能減少供電線(xiàn)路的功率損耗及電能損耗，還可以提高電能質(zhì)量，一般企業(yè)通過(guò)無(wú)功補(bǔ)償?shù)氖侄蝸?lái)提高功率因數(shù)?，F(xiàn)簡(jiǎn)述一般工業(yè)企業(yè)提高電力系統(tǒng)功率因數(shù)的幾種有效措施。

關(guān)鍵詞：功率因數(shù)；電力系統(tǒng)；無(wú)功補(bǔ)償

收稿日期:2015-05-18

作者簡(jiǎn)介：劉喬芬(1985—)，女，湖北孝感人，助理工程師，研究方向：電氣專(zhuān)業(yè)。

1功率因數(shù)的基本概念

簡(jiǎn)單來(lái)講，功率因數(shù)表示總功率中有功功率所占的比例，其表達(dá)公式為：

cosφ=P/S

S2=P2+Q2

式中，S為視在功率(VA或kVA)；P為有功功率(W或kW)；Q為無(wú)功功率(var或kvar)。

當(dāng)有功功率一定的時(shí)候，無(wú)功功率越小，功率因數(shù)越大。供電部門(mén)在收取企業(yè)電費(fèi)時(shí)將功率因數(shù)作為一個(gè)考核指標(biāo)，小于0.9時(shí)會(huì)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)處罰，而超過(guò)0.92則會(huì)根據(jù)用電負(fù)荷情況有相應(yīng)的功率因數(shù)調(diào)整獎(jiǎng)勵(lì)，直接與企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益相掛鉤，所以企業(yè)單位對(duì)于控制功率因數(shù)非常重視。

通過(guò)改善功率因數(shù)，不僅可以減少線(xiàn)路中的損耗，還可以減少供電系統(tǒng)中的電壓損失，提高末端電壓，使負(fù)載電壓更加穩(wěn)定，改善供電質(zhì)量，提高用電設(shè)備的工作效率，節(jié)約電能。功率因數(shù)作為電力系統(tǒng)的一個(gè)重要指標(biāo)一直備受重視，本文研究了工業(yè)企業(yè)常用的幾種提高功率因數(shù)的措施，希望能指導(dǎo)企業(yè)確保功率因數(shù)在0.9以上，以滿(mǎn)足供電局的要求。

2功率因數(shù)變低的原因

一般工業(yè)企業(yè)消耗的無(wú)功功率中，異步電動(dòng)機(jī)占比較大，約70%，變壓器約占20%。異步電動(dòng)機(jī)之所以無(wú)功消耗大，是因?yàn)樵谄溥\(yùn)行過(guò)程中，為產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)需要吸收大量的無(wú)功，這就導(dǎo)致了系統(tǒng)的功率因數(shù)降低，所以在設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)正確選擇異步電動(dòng)機(jī)的容量以及變壓器的容量，電動(dòng)機(jī)的經(jīng)常負(fù)荷應(yīng)不低于額定容量的40%，變壓器負(fù)荷率在75%為宜，但是一般工業(yè)企業(yè)從安全角度出發(fā)，在設(shè)計(jì)時(shí)往往考慮有冗余，變電所變壓器并非在經(jīng)濟(jì)運(yùn)行狀態(tài)下，一般負(fù)荷率不到30%，導(dǎo)致系統(tǒng)無(wú)功消耗比較高。由于這些原因，系統(tǒng)無(wú)功過(guò)大，就會(huì)導(dǎo)致功率因數(shù)變低，所以需采取有效措施提高功率因數(shù)。

3提高功率因數(shù)的幾種有效措施

3.1電容器無(wú)功補(bǔ)償

無(wú)功補(bǔ)償作為一種最為普遍的方式得到了廣泛應(yīng)用。大型企業(yè)主要的用電負(fù)荷為異步電動(dòng)機(jī)，為感性負(fù)載，無(wú)功需求較大，所以在設(shè)計(jì)初期就要考慮到無(wú)功補(bǔ)償，采用人工投用電容器的方式來(lái)提高功率因數(shù)。一般企業(yè)大多采用在高壓和低壓母線(xiàn)上進(jìn)行功率因數(shù)集中補(bǔ)償。采用并聯(lián)電容器時(shí)，為了盡量減少線(xiàn)損和電壓損失，宜就地平衡補(bǔ)償，即低壓部分的無(wú)功功率由低壓電容器補(bǔ)償，高壓部分的無(wú)功功率由高壓電容器補(bǔ)償。電容器經(jīng)串、并聯(lián)之后，成組掛接在中壓母線(xiàn)上，另一端接地。這樣布置的電容器稱(chēng)之為并聯(lián)電容器，能起到補(bǔ)償電動(dòng)機(jī)、變壓器等感性電氣設(shè)備消耗的無(wú)功功率的作用。并聯(lián)電容器產(chǎn)生的無(wú)功可提高功率因數(shù)、降低線(xiàn)路損耗、提高母線(xiàn)電壓以及提高電氣設(shè)備抗電網(wǎng)擾動(dòng)能力，但是，電容器的功率公式是QC=U2·ω·C，電容器在提高母線(xiàn)電壓的同時(shí)，輸出的功率與電壓的平方成正比，可能造成自身過(guò)載。因此，選用電容器的額定電壓須高于配電母線(xiàn)的標(biāo)稱(chēng)電壓，譬如6 kV母線(xiàn)應(yīng)選配7.2 kV電容器組，35 kV母線(xiàn)應(yīng)選配40.5 kV。此外，電容器組應(yīng)選用串級(jí)數(shù)少的，最好單臺(tái)電容器就達(dá)到配電母線(xiàn)所需電壓水平。串聯(lián)電容器當(dāng)一臺(tái)絕緣擊穿時(shí)，就得持續(xù)承受高于額定值的電壓，很快就會(huì)因?yàn)檫^(guò)載而損壞。

3.2采用同步電動(dòng)機(jī)

一般用電負(fù)荷都屬于異步電動(dòng)機(jī)，所以為了平衡無(wú)功，當(dāng)工藝條件適當(dāng)，證明工藝設(shè)備采用同步電動(dòng)機(jī)也合理的時(shí)候，可采用同步機(jī)，利用同步電動(dòng)機(jī)過(guò)勵(lì)磁超前運(yùn)行，以補(bǔ)償系統(tǒng)的感性無(wú)功功率，提高整個(gè)系統(tǒng)功率因數(shù)。同步電動(dòng)機(jī)輸出的無(wú)功功率為：

QM=Srq

式中，Sr為同步電動(dòng)機(jī)的額定容量(kVA)；q為同步電動(dòng)機(jī)的補(bǔ)償能力(kvar/kVA)。

但是，同等條件下，同步電動(dòng)機(jī)較異步電動(dòng)機(jī)費(fèi)用更高，不經(jīng)濟(jì)，且運(yùn)行的穩(wěn)定性較差，所以一般工業(yè)企業(yè)應(yīng)用得較少。

3.3發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)調(diào)節(jié)

一般工業(yè)企業(yè)都有發(fā)電機(jī)組，一方面作為自備電廠(chǎng)發(fā)電設(shè)備，另一方面還可補(bǔ)償系統(tǒng)無(wú)功功率，提高功率因數(shù)，相較于電容器補(bǔ)償，發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)調(diào)節(jié)更具有操作性，可實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，方便快捷。發(fā)電機(jī)既是唯一的有功功率電源，又是基本的無(wú)功功率電源，一般中小型發(fā)電機(jī)的額定功率因數(shù)為0.8～0.85，如果發(fā)電機(jī)的有功輸出未滿(mǎn)載，在保證發(fā)電機(jī)的電壓在額定電壓范圍內(nèi)且在正常狀態(tài)下運(yùn)行的前提下，發(fā)電機(jī)的無(wú)功功率可以適當(dāng)提高，也即可適時(shí)調(diào)整補(bǔ)償系統(tǒng)的無(wú)功功率，從而提高整個(gè)電網(wǎng)系統(tǒng)的功率因數(shù)。但是，發(fā)電機(jī)無(wú)功輸出是有限的，只能在保證發(fā)電機(jī)額定功率的情況下進(jìn)行無(wú)功輸出。

4一般工業(yè)企業(yè)無(wú)功補(bǔ)償措施建議

工業(yè)企業(yè)通常不會(huì)采取一種措施來(lái)提高功率因數(shù)，而是結(jié)合幾種方式一起，優(yōu)化無(wú)功補(bǔ)償方案，這樣補(bǔ)償效果更好。一般工業(yè)企業(yè)既有電容器無(wú)功補(bǔ)償，也有發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)調(diào)節(jié)。

電容器集中補(bǔ)償：當(dāng)前大型工業(yè)企業(yè)普遍采用在部分裝置二級(jí)變電所的母線(xiàn)上安裝電容器無(wú)功補(bǔ)償來(lái)實(shí)現(xiàn)電壓、無(wú)功的集中控制。這種集中補(bǔ)償方式，解決了工業(yè)企業(yè)內(nèi)部電網(wǎng)的功率損耗問(wèn)題，滿(mǎn)足了供電部門(mén)對(duì)用戶(hù)功率因數(shù)的要求，但也存在一些問(wèn)題，無(wú)功補(bǔ)償?shù)碾娙萜魅萘渴枪潭ǖ模沂侨斯ぱa(bǔ)償，響應(yīng)速度有限，且很難控制功率因數(shù)，并且電容器幾種補(bǔ)償只能針對(duì)上一級(jí)線(xiàn)路，調(diào)整上級(jí)功率因數(shù)，對(duì)下級(jí)線(xiàn)路的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行不起作用。

就地分散式補(bǔ)償：對(duì)于大功率的用電設(shè)備宜采用就地補(bǔ)償裝置，一方面提高功率因數(shù)，另一方面還能取得節(jié)能的效果。

工業(yè)企業(yè)一般通過(guò)電容器集中補(bǔ)償，解決大部分無(wú)功損耗的問(wèn)題，然后通過(guò)就地補(bǔ)償，補(bǔ)償部分無(wú)功，然后剩下的無(wú)功損耗通過(guò)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。當(dāng)然，這些都要經(jīng)過(guò)分析判斷，需由電氣值班人員根據(jù)本單位電力系統(tǒng)的具體情況采取有效措施。調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)所增加的無(wú)功仍然不足以供應(yīng)系統(tǒng)無(wú)功，保證較高水平的功率因數(shù)，此時(shí)就需要考慮投用電容器。工業(yè)企業(yè)的生產(chǎn)裝置負(fù)荷大、變化快，需要高素質(zhì)的電氣值班人員根據(jù)生產(chǎn)負(fù)荷情況分析系統(tǒng)運(yùn)行狀況，采取合適方式實(shí)施調(diào)整，從而將功率因數(shù)保持在一個(gè)較好的范圍內(nèi)。

5結(jié)語(yǔ)

總之，工業(yè)企業(yè)不管采用何種方式提高功率因數(shù)，例如無(wú)功補(bǔ)償或其他辦法，這對(duì)于企業(yè)電網(wǎng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)效益和節(jié)約電能都具有十分重要的意義。

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