提高功率因数的重要性及其方法

摘要:本文根据功率因数的特性描述了供电系统在低功率因数状态下的危害,如线路的电流、铜损较大,发电设备的容量不能充分利用,增加了线路、发电机绕组的功率损耗等。同时结合我公司的实际情况,对利用并联移相电容提高电网的功率因数带来的经济效益进行了阐述。研究和分析得出了提高自然功率因数的方法和提高功率因数的人工补偿方法,人工补偿方法可分为应用移相电容器、采用同步电动机和采用同步调相机三种方法,同时人工补偿装置又可分为同步补偿和静止补偿。

关键词:功率因数 经济效益 方法

电力系统经济运行的基本原则是:在保证电力系统安全可靠运行和电能质量符合标准的前提下,尽量提高电能生产和输送的效率。对运行中的电力设备,要降低损耗,首先必须从合理安排系统运行方式人手,因为这些措施不仅不需要增加投资,而且在降低损耗的技术措施中,是最合理和最经济的。在供电系统中,绝大多数用电设备都具有电感的特性（诸如:感应电动机、电力变压器,电焊机等）。这些设备不仅需要从电力系统吸收有功功率,还要吸收无功功率以提供这些设备正常工作所需要的交变磁场。然而在输送有功功率一定的情况下,无功功率增大,就会降低供电系统的功率因数。因此,功率因数是衡量供电系统电能利用程度及电气设备使用状况的一个具有代表性的重要指标,而如何改善功率因数是要探讨的课题。

1、低功率因数的危害

1.1 线路的电流大

对于一个给定的负荷,当供电电压一定时,则功率因数越低,电流就越大,因为:

（1）

式中:为用电负荷的有功负荷;为线电压。

可见,供电电流与功率因数成反比。

1.2 线路的铜损大

线路铜损公式如下:

（2）

把(1)代入其中就得到下式:

（3）

由此可见,设备的铜损正比于电流的平方,从而反比于功率因数的平方,功率因数越低,则电气设备中的铜损就越大,效率也就越低,与此相似,当系统的功率因数很低,对于传递同样的功率,则电流加大。所以若导线尺寸相同,则电能传输系统意味着有更大的能量损失,或者说,对于同样的能量损失,要求有更粗的导体。

1.3 发电设备的容量不能充分利用

（4）

由（4）式可见,当负载的功率因数时,而发电机的电压和电流又不容许超过额定值,这时发电机所能发出的有功功率就减少了。功率因数愈低,发电机所发出的有功功率就愈小,而无功功率却愈大。无功功率愈大,即电路中能量互换的规模愈大,则发电机发出的能量就不能充分利用,其中有一部分即在发电机与负载之间进行互换。

例如容量为1000kVA的变压器,如果,即能发出1000kW的有功功率,而在时,则只能发出700kW的功率。

1.4 增加线路和发电机绕组的功率损耗

当发电机的电压和输出功率一定时,电流与功率因数成反比,而线路和发电机绕组上的功率损耗则与的平方成反比，即

（5）

式中是发电机绕组和线路的电阻。

2、提高功率因数的方法

2.1 提高自然功率因数的方法

提高自然功率因数,就是不添置任何补偿装置,采取措施来减少供电系统中无功功率的需要量。它不需增加投资,是最经济的提高功率因数的方法。在不进行任何人工补偿之前,首先从提高自然功率因数着手,能收到既节电又减少开支的效果。

2.1.1 正确选用异步电动机的型号与容量

我们公司的主要用电设备有电焊机、空压机、角磨机、探伤设备、数控机床、间歇式机械吊车等。而这些设备主要是异步电动机,属于感性设备,平均功率因数都比较低。要改善异步电动机的功率因数就要防止电动机的空载运行并尽可能提高负载率。因此,我们在选择异步电动机时,既注意它们的机械性能,又同时考虑它们的电器指标,合理选择其型号、规格和容量,使其处于经济运行状态。其次,我们也尽量提高异步电动机的检修质量,因为异步电动机定子绕组匝数变动和电动机定、转子间的气隙变动时对异步电动机无功功率的大小有很大的影响。

2.1.2 根据负荷选用相匹配的变压器

电力变压器一次侧功率因数不但与负荷的功率因数有关,而且与负荷率有关。若变压器满载运行一次侧功率因数仅比二次侧降低约3~5%;若变压器轻载运行,当负荷小于0.6时,一次侧功率因数就显著下降,下降达11%~18%,所以变压器的负荷率在60%~70%运行最为经济。根据我们公司的负荷情况,我们使用两台1000KVA的干式变压器及一台1000KVA的箱式变压器和一台800KVA的箱式变压器,总容量为3800KVA的变压器向生产厂区及办公大楼供电。负荷率基本保持在70%左右。

2.1.3 合理安排和调整工艺流程

在合理安排和调整工艺流程,改善电机设备的运行状态方面,我们也尽量限制电焊机和机床的空载运行。有的设备还采用了空载自动延时断电装置流程。

2.2 提高功率因数的补偿方法

当采用提高用电设备自然功率因数的方法。还达不到《电力设计技术规范》所要求的数值时,则需采用专门的补偿设备来提高功率因数。

应用人工补偿无功功率的方法通常有应用移相电容器(即静电电容器)、采用同步电动机和采用同步调相机三种方法。

对于采用并联电容器进行无功补偿,按其在供电系统中安装的位置来分,可分为集中补偿、分组补偿和就地补偿三种。

(1)集中补偿:即在高、低压配电所内设置若干组电容器组,电容器接在配电母线上,补偿该配电所供电范围内的无功功率,并使总功率因数达到所规定的值以上。如果电容器组容量较大,可采用电容器柜,如果企业配电容量大,需大量采用电容器进行无功补偿,则另外建造电容器室。

(2)分组补偿:有的企业小功率异步电动机较少,不可能都装无功就地补偿器。这时,用分组补偿比较合适,即在车间或对多台小功率异步电动机装设无功补偿器。

(3)就地补偿:即把无功补偿器直接接在异步电动机旁或进线端子上。这种补偿方法相当于把无功电源直接搬移到异步电动机旁,使异步电动机所需要的大部分无功功率由无功就地补偿器供给,无功功率仅在异步电动机和并联电容器之间流动。从而消除了无功电流在高、低压线路上的流动,减少线路负荷和损耗。

功率因数的人工补偿装置又可分为同步补偿和静止补偿两大类:

同步补偿机:是处于无载运行状态的同步电动机,可以将它看成专门的无功功率发电机。其作用有两个,一是提高电网的功率因数,二是调节输电线路的电压。其特点有:

(1)补偿工作在过激状态时,其激磁电流较大,因而补偿机本身的损耗也较大。

(2)不直接拖动任何机械负荷,它的起动较同步电机容易多。

(3)与其它补偿装置(如并联电容器)比较,造价高,并因有旋转部分,维修较复杂。

静止补偿器:是一种利用电容器和各种类型的电抗器,进行无功静止补偿的装置,它可向电网提供可变动的容性和感性无功功率。静止无功补偿装置（简称SVC）是指凡是能够以无机械传动部件而达到提供无功出力的装置。它是由静电电容器和晶闸管等部件组合而成的。

由于我公司实际生产工艺中没有使用同步电机,所以我们采用并联移相电容器进行就近补偿和低压成组补偿两种方式。

首先,我们将异相电容器分散地装设在车间或用电设备附近。这种补偿方式能够补偿安装部位前的所有高低压线路和变电所主变压器的无功功率,因此它的补偿范围最大,效果也较好。但是这种补偿方式总的设备投资较大,所以并未广泛的采用到每一台设备上。

然后我们将车间每一跨的低压母线上都装设了电容器组,既补偿了无功,也起到了隔离和衰减谐波的作用。

最后我们在变压器的出线低压母线上也装设了电容器组,使得补偿范围进一步扩大。

在选择补偿设备,充分考虑安全性的同时,我们跟据实际情况选择了JKG系列无功功率自动补偿控制器,这种控制器能随意设定投入门限、投入延时、切除延时、过压门限、过压延时、欠流切除等参数,能自动跟踪功率因数变化合理选择电容器组,还能在功率因数超前是快速切除已投电容.电容器我们选用了BSMJO.45-30-3型自愈式并联电容器.该电容器的额度工作电压450V,容量30Kvar,三相三角形接法,具有自放电功能,最高过电压110%额度电压,最高过电流130%额定电流.

通过这种组合的补偿方式,向电网提供可阶梯调节的容性无功,补偿多余的感性无功,使我公司实际功率因数提高到0.95左右,补偿效果明显.以线损为例,我公司年用电量约为450万千瓦时,补偿前线损率约为5%,补偿后功率因数从0.87提高到0.95,则每年可减低线损约为5万千瓦时,按每度电1元计算,可节约电费开支5万元,加上电力系统功率因数奖3万元,每年共计节约电费开支8万元.

3、结语

综上所述, 提高功率因数对国家能源的利用、企业的经济效益起到促进作用,是保证电力系统电能质量、电压质量、降低网络损耗以及安全运行所不可缺少的条件,它不仅能够减少电费开支,提高企业自身的经济效益,而且能够为国家节约资源,减少有害气体排放。提高功率因数是节约能源、利国利民的重要举措。因此,应该重视功率因数的控制,这对缓解我国的电力供应紧张状态,提高企业的经济效益以及节能环保,都具有重要意义。应根据不同情况采取相应措施来提高功率因数, 降低无功损耗, 从而提高经济效益。

参考文献

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