浅谈功率因数与供电效率的关系
时间：2022-10-06 07:50:33
摘要:在交流电路中,由电源供给负载的电功率有有功功率和无功功率两种。有功功率是保持用电设备正常运行所需的电功率。无功功率比较抽象,它不对外做功,但是只要有电磁线圈的电气设备,就要消耗无功功率。文章介绍了影响功率因数的主要因素和提高功率因数的几种方法,从理论上分析了提高功率因数对于节约电能、降低损耗、提高输配电设备的供电能力方面的数量关系。
关键词:功率因数;供电效率;有功功率;无功功率;功率效率
中图分类号:TM715文献标识码:A文章编号:1009-2374 (2010)12-0093-02
功率因数是供用电系统的一项重要技术经济指标,在电力系统中,随着变压器和交流电动机等电感性负载的广泛使用,电力系统的供配电设备中经常流动着大量的感性无功电流。这些无功电流占用大量的供配电设备容量,同时增加了线路输送电流,因而增加了馈电线路损耗,使电力设备得不到充分利用。用电设备在消耗有功功率的同时,还需大量的无功功率由电源送往负荷,功率因数反映的是用电设备在消耗一定的有功功率的同时所需的无功功率。作为解决问题的办法之一,就是采用无功功率补偿装置,使无功功率就地得到补偿,提高设备的利用效率。
在电力网的运行中,功率因数反映了电源输出的视在功率被有效利用的程度,我们希望的是功率因数越大越好。这样电路中的无功功率可以降到最小,视在功率将大部分用来供给有功功率,从而提高电能输送的功率。
一、影响功率因数的主要因素
电网中的电力负荷如电动机、变压器等,属于既有电阻又有电感的电感性负载。电感性负载的电压和电流的相量间存在着一个相位差,这个相位差(Φ)的余弦叫做功率因数,用符号cosΦ表示,在数值上功率因数是有功功率和视在功率的比值,即cosΦ=P/S。功率因数反映了电源输出的视在功率被有效利用的程度,我们希望的是功率因数越大越好。只有把电路中的无功功率降到最小,才能将视在功率大部分用来供给有功功率,改善供电效率。
许多用电设备均是根据电磁感应原理工作的,如配电变压器、电动机等,它们都是依靠建立交变磁场才能进行能量的转换和传递。为建立交变磁场和感应磁通而需要的电功率称为无功功率,因此,所谓的“无功”并不是“无用”的电功率,只不过它的功率并不转化为机械能、热能而已;因此在供用电系统中除了需要有功电源外,还需要无功电源,两者缺一不可。
大量的电感性设备,如异步电动机、感应电炉、交流电焊机等设备是无功功率的主要消耗者。据有关统计,在工矿企业所消耗的全部无功功率中,异步电动机的无功消耗占了60%～70%;而在异步电动机空载时所消耗的无功又占到电动机总无功消耗的60%～70%。所以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。
变压器消耗的无功功率一般约为其额定容量的10%~15%,
它的空载无功功率约为满载时的1/3。因而,为了改善电力系统和企业的功率因数,变压器不应空载运行或长期处于低负载运行状态。
供电电压超出规定范围也会对功率因数造成很大的影响。 当供电电压高于额定值的10%时,由于磁路饱和的影响,无功功率将增长得很快,据有关资料统计,当供电电压为额定值的110%时,一般无功将增加35%左右。当供电电压低于额定值时,无功功率也相应减少而使它们的功率因数有所提高。但供电电压降低会影响电气设备的正常工作。所以,应当采取措施使电力系统的供电电压尽可能保持稳定。
二、无功功率与无功补偿
(一)无功功率的产生
在具有电感或电容的电路中,在每半个周期内,电感(或电容)把电源能量变成磁场(或电场)能量贮存起来,然后再把贮存的磁场(或电场)能量释放返回给电源。这种情况下只是进行能量的交换,并没有真正消耗能量,我们把这个交换的功率值称为无功功率。正因为如此,无功功率比较抽象,它在电路中来回流动。尽管无功功率说明一个元件的平均功率为零,但它代表了在电感或电容中储存及释放磁场能量或电场能量所需要的真实功率。在电力网中,在电源、电感元件和电容元件之间发生能量的交换。与无功功率相关的能量是储存的电感性及电容性能量之和。
无功功率决不是无用功率,它的用处很大。电动机需要建立和维持旋转磁场,使转子转动,从而带动机械运动,电动机的转子磁场就是靠从电源取得无功功率建立的。变压器也同样需要无功功率,才能使变压器的一次线圈产生磁场,在二次线圈感应出电压。因此,没有无功功率,电动机就不会转动,变压器也不能变压,交流接触器不会吸合。
(二)无功功率的危害
无功功率的增加,会导致电流增大和视在功率增加,从而使发电机、变压器及其他电气设备容量和导线容量增加,也降低了发电机的有功功率的输出,降低了输变电设备的供电能力。无功功率的增加,使总电流增大,因而使设备及线路的损耗增加,这是显而易见的。无功功率的增加,使线路及变压器的电压降增大,如果是冲击性无功功率负载,还会使电压产生剧烈波动,使供电质量严重降低。
无功功率还造成了低功率因数运行和电压下降,使电气设备容量得不到充分发挥。所以我们要尽量减小无功功率的影响:(1)大量的电感性设备,如异步电动机、感应电炉、交流电焊机等设备是无功功率的主要消耗者。所以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;(2)变压器消耗的无功功率一般约为其额定容量的10%～15%,它的空载无功功率约为满载时的1/3。因而,为了改善电力系统和企业的功率因数,变压器不应空载运行或长期处于低负载运行状态;(3)供电电压超出规定范围也会对功率因数造成很大的影响。当供电电压高于额定值的10%时,由于磁路饱和的影响,无功功率将增长得很快,所以应当采取措施使电力系统的供电电压尽可能保持稳定。
(三)无功补偿
1.补偿原理。设补偿后无功功率为Qc,使电源输送的无功功率减少为Q’=Q-Qc,功率因数由cosΦ提高到cosΦ’,视在功率S减少到S’,视在功率的减小可相应减小供电线路的截面和变压器的容量,降低供用电设备的投资。
可知,采用无功补偿措施后,因为通过电力网无功功率的减少,降低了电力网中的电压损耗,提高了用户的电压质量。由于越靠近线路末端,线路的电抗X越大,因此越靠近线路末端装设无功补偿装置效果越好。
2.补偿的作用。(1)提高电网及负载的功率因数,降低设备所需容量,减少不必要的损耗;(2)稳定电网电压,提高电网质量,而在长距离输电线路中安装合适的无功补偿装置可提高系统的稳定性及输电能力;(3)在三相负载不平衡的场合,可对三相视在功率起到平衡作用。
三、功率因数与功率效率关系
(一)提高功率因数及相应地减少电费
根据国家颁布的“功率因数调整电费办法”规定三种功率因数标准值,相应减少电费:(1)高压供电的用电单位,功率因数为0.9以上;(2)低压供电的用电单位,功率因数为0.85以上;(3)低压供电的农业用户,功率因数为0.8以上。
根据“办法”,补偿后的功率因数以分别不超出0.95、0.94、0.92为宜,因为超过此值,电费并没有减少,相反造成设备投资增加,有可能造成过补偿程度,等效功率因数下降。
(二)降低系统的能耗
功率因数的提高,减少线路中输送的无功功率,也就减少了线路输送的电流中无功电流成分,降低了线路损耗及变压器的铜耗。
(三)减少了线路的压降
由于线路输送电流降低,造成线路能耗降低,电能损失与电压平方成反比,系统的线路电压损失相应减小,有利于系统电压的稳定。
(四)增加了供电功率,减少了用电容量费
对原有供电设备在同样有功功率下,cosφ提高,负荷电流减小,因此向负荷传输功率所经过的变压器、开关、导线等配电设备都增加了功率储备,发挥了设备的潜力。对于新建项目来说,降低了变压器容量,减少了投资费用,同时也减少了运行后的基本电费。
(五)电容补偿容量的选定
1.集中补偿容量确定。先进行负荷计算,确定有功功率P和无功功率Q,补偿前功率因数为cosф1,要补偿到的功率因数为cosф2,则补偿容量QC=P(tgф1-tgф2)。
2.就地补偿电容器容量确定。就地补偿电容器容量选择的主要参数是励磁电流,因为不使电容器造成自励是选用电容器容量的必要条件。负载率越低,功率因数越低;极数愈多,功率因数越低;容量愈小,功率因数越低。但由于无功功率主要消耗在励磁电流上,随负载率变化不大,因此应主要考虑电动机容量和极数这两个参数,才能得到最佳补偿效果。
四、尽可能提高系统自然功率因数
提高自然功率因数是在不添置任何补偿设备,采用降低各用电设备所需的无功功率减少负载取用无功来提高工矿企业功率因数的方法,它不需要增加投资,是最经济的提高功率因数的方法。下面将对提高自然功率因数的措施作一些简要的介绍:
(一)合理化使用电动机
若电动机长期处于低负载下运行,既增大功率损耗,又使功率因数和效率都显著恶化。故从节约电能和提高功率因数的观点出发,必须正确地合理地选择电动机的容量。
(二)定期检修
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。
(三)同步运行
调节电机的励磁电流,使其处于过激状态,就可以使同步电机向电网“送出”无功功率,减少电网输送给工矿企业的无功功率,从而提高了工矿企业的功率因数。因而只要调节电机的直流励磁电流,使其呈过激状态,即能向电网输出无功,从而达到提高低压网功率因数的目的。
(四)配变运行
对负载率比较低的配变,一般采取“撤、换、并、停”等方法,使其负载率提高到最佳值,从而改善电网的自然功率因数。
总之,了解影响功率因数的主要因素和提高功率因数的几种方法,我们可以在应用的过程中,根据具体情况进行分析,在技术经济上综合考虑补偿方式,从而达到电气设备经济运行的目的,带来技术上的经济效益和社会效益。
参考文献
[1]徐进,王晓雪.功率因素测量方法探讨[J].西北纺织工学院学报,1995,(2).
[2]林松,胡毅.采用有源功率因素校正的电路研制[J].科技资讯,2006,(8).
[3]王非,李群炬,李伟.高压电缆对电网无功平衡的影响及相应措施[J].华北电力技术,2007,(6).
[4]曾艳华,沈博,谭超.功率因数补偿装置设计[J].工业控制计算机,2008,(9).
[5]邵菊香,吴昕.浅谈功率因素校正技术[J].西南民族学院学报(自然科学版),2000,(4).
[6]潘庆臣.浅析电力系统的无功补偿[J].中州煤炭,2008,(2).
作者简介:杨思源 (1965-),男,云南师宗人,云南能源职业技术学院中学高级教师,研究方向:电功学。
