无功功率补偿及功率因数改善

摘要：文章讨论了无功功率的定义、产生，以及无功功率的作用及危害，并从原理上分析了无功补偿技术，探讨了几种低压无功补偿技术的优缺点。文章对于了解无功功率以及进行无功补偿，改善功率因数，提高供电效率具有一定的指导意义。

关键词：无功功率；功率因数；无功补偿技术

中图分类号：TM46文献标识码：A文章编号：1009-2374（2009）07-0110-02

一、无功功率和功率因数的定义

（一）有功功率和无功功率

在交流电路中，由电源供给负载的电功率有两种：一种是有功功率，一种是无功功率。有功功率是保持用电设备正常运行所需的电功率，也就是将电能转换为机械能、光能、热能等的电功率。无功功率比较抽象，它是用于电路内电场与磁场的交换，并用来在电气设备中建立和维持磁场的电功率。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。

（二）功率因数

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。

二、无功功率的产生和作用

（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。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。

（二）无功功率的作用

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。

三、无功功率的危害

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。电力系统中某些点之间由于无功功率不断来回地交换引起发电、输电及供配电设备上的电压损耗及功率损失。由于电力系统的效率及电压调整十分重要，因此无功功率在电力系统的传输是头等重要的。

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。

当然，上述这些措施只是从一定程度上减小了无功功率的危害，如果要从根本上减小无功功率的影响，改善功率因数的话，我们需要引入无功功率补偿技术。

四、无功功率补偿

（一）无功功率的补偿原理

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。

（二）无功补偿的作用

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）低压网无功补偿的一般方法

低压无功补偿我们通常采用的方法主要有三种：随机补偿、随器补偿、跟踪补偿。下面简单介绍这三种补偿方式的适用范围及使用该种补偿方式的优缺点：

1．随机补偿。随机补偿就是将低压电容器组与电动机并接，通过控制、保护装置与电机，同时投切。随机补偿适用于补偿电动机的无功消耗，以补偿磁无功为主，此种方式可较好地限制农网无功峰荷。

随机补偿的优点是：用电设备运行时，无功补偿投入，用电设备停运时，补偿设备也退出，而且不需频繁调整补偿容量。具有投资少、占位小、安装容易、配置方便灵活、维护简单、事故率低等特点。

2．随器补偿。随器补偿是指将低压电容器通过低压保险接在配电变压器二次侧，以补偿配电变压器空载无功的补偿方式。配变在轻载或空载时的无功负荷主要是变压器的空载励磁无功，配变空载无功是农网无功负荷的主要部分，对于轻负载的配变而言，这部分损耗占供电量的比例很大，从而导致电费单价的增加，不利于电费的同网同价。

随器补偿的优点是：接线简单、维护管理方便、能有效地补偿配变空载无功，限制农网无功基荷，使该部分无功就地平衡，从而提高配变利用率，降低无功网损，具有较高的经济性，是目前补偿无功最有效的手段之一。

3．跟踪补偿。跟踪补偿是指以无功补偿投切装置作为控制保护装置，将低压电容器组补偿在大用户0.4kv母线上的补偿方式。适用于100kVA以上的专用配变用户，可以替代随机、随器两种补偿方式，补偿效果好。

跟踪补偿的优点是：运行方式灵活，运行维护工作量小，比前两种补偿方式寿命相对延长、运行更可靠。但缺点是控制保护装置复杂、首期投资相对较大。但当这三种补偿方式的经济性接近时，应优先选用跟踪补偿方式。

五、结论

本文简单讨论了无功功率的定义、产生，分析了无功功率的作用及危害，并从原理上分析了无功补偿技术，探讨了几种低压无功补偿技术的优缺点。本文对于了解无功功率以及进行无功补偿具有一定的指导意义。

参考文献

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[2]吴捷，等．交流异步电动机无功功率补偿的技术探讨[J]．云南电力技术，2007，35（4）．

[3]陆安定．功率因数与无功补偿[M]．上海科学普及出版社，2004．

作者简介：卜伟忠（1974－），国家电网公司浙江桐乡市供电局助理工程师，用电检查技师，研究方向：用电检查和电力营销服务。