浅谈提高工业企业电力系统功率因数的方法

颛孙兵

浅谈提高工业企业电力系统功率因数的方法

颛孙兵

(淮北万里昌泰电气有限公司,安徽淮北 235000)

功率因素是衡量企业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。文章从提高功率因素的基本措施入手,探讨了提高电力系统功率因素的意义和方法,并给出应用实例。

有功功率;无功功率;功率因数

工业企业电力系统常用的移相电容器补偿方式有三种:集中补偿、分组补偿和个别补偿。企业电力系统的补偿方式的选择,要视企业的具体情况而确定。例如,从无功就地平衡来说,个别补偿效果最好(个别补偿应用于大容量、长期稳定运行、无功功率需要量较大的用电设备,或者距电源较远,不便于实现分组补偿的场合,这种方式可以减少配线电流、导线截面及配电变压器的容量)。不论采取什么样的补偿,补偿电容的容量必须选择适当,而这一切都是为了提高交流电力系统的功率因数。功率因数是衡量企业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。

1 有功功率与无功功率

企业的用电设备,大部分都是用电磁感应原理来进行工作的:比如电力变压器、电焊机和感应电动机就是用电磁感应的原理来实现的。这样的用电设备必须从电网上吸收两种能量,一部分能量用于做功,转化为机械能、热能、化学能及光能等能量形式,这部分能量用于生产和生活所需,称为有功功率;另一部分能量用来产生交变磁场,它由电能转化磁能,又由磁能转化为电能,是依靠磁场来传送和转换能量,没有磁场,它们就不能工作,这种转化只在电源和用电设备之间进行,不对外输出能量,不对外做功,这部分功率称为无功功率(“无功”不是“没用”,而正是这类设备正常工作必不可少的条件)。

有功功率与无功功率都是电能的应用所必需的。若有用功率不足,则不能满足用电负荷的需要,且电网质量变坏,威胁发电厂的安全;若无功功率不足,电网质量同样变坏,电网电压降低,用电设备电流上升,电机过流、发热,导致用电设备的绝缘损坏。

2 功率因数

我们把有功功率与无功功率的合成功率称为视在功率(视在功率也叫表观功率),对电源来说,它仅表示电源所具备的提供能量的本领,视在功率确定后,有功功率分量高称为功率因数高;无功功率分量高称为功率因数低。有功功率与无功功率都是靠发电机产生的,然而,用电设备需要的功率都是有电感性与电容性的不同区别(变压器与电动机这些电感性的用电设备的无功功率的向量滞后于电压;移相电容器等的容性元件,其无功功率的向量是超前于电压的),前者是落后电压90°,后者是超前电压90°,两个分量正好在同一直线上,但方向相反。所以在系统中加上移相电容器以后,可以抵消部分电感性用电设备的无功成分,有功的成分就增加了,即功率因数就提高了。

3 功率三角形

上面讲述的有功功率、无功功率与视在功率的概念,它们之间的关系可以用功率三角形表示(如图1)

图1

图中:P表示功率,单位用kW(千瓦)表示;Q表示无功功率,单位用kvar(千乏)表示;S表示视在功率,单位用kVA(千伏安)表示;<表示功率因数角。

由图可以看出:cos<=P/S;从功率三角形可以看出,要使有功功率P在视在功率S中的分量增大,功率因数角<在0°～90°之间。当Q趋近于0时,<角也趋近于0,功率因数角<的余弦值就趋近于1。如果在电力系统中加装了移相电容器,感性设备吸收能量时,正好移相电容器释放能量,感性负荷所需的无功功率,可用移相电容器的无功输出补偿,因此电网与变压器等就减少了无功输送,企业得到了很好的经济效益。

4 提高功率因数的意义

企业用电设备的负荷,有感性负荷、纯电阻性负荷、电容性负荷(电容性负荷比较少)。如果在电力系统中加装移相电容器,如图2所示,容性电流Ic超前电压90°,可以抵消一部分相位滞后于电压90°的感性电流I1,从而使总电流变化为IL-Ic,使负载电流I1变为I2,功率因数角从<1减少为<2。

图2

根据y=cos<的余弦函数图像,如图3所示,在0—π/2区间内<值越小,其函数值越大;当<为0时,y值为1。因为<1><,提高了功率因数值。功率因数在数值上有如下关

(千乏时);WP为有功电能消耗量(千瓦时)。可以推导出以看出,在WP额定的情况下,cos<值越高,WQ越小(即当cos<趋近于1时,1-cos2<趋于0,WQ趋近于0),WP就提高了,所以提高功率因数是必要的。

图3

当供电系统中输送的有功功率维持恒定的情况下,无功功率增大,即供电系统的功率因数降低将会引起:(1)系统中输送的总电流增加,使得供电系统中的电气元件,如变压器、电器设备、导线等容量增大,从而使仪表等规格尺寸增大,因而增大了初投资费用。(2)由于无功功率的增大而引起的总电流的增加,使得设备及供电线路的有功功率损耗相应地增大。(3)由于供电系统中的总电流增大,使得系统中的电压损失增加,调压困难。(4)对发电设备来说,转子绕组温升过高,发电机达不到预定的出力。因此要提高功率因数。

5 提高功率因数的一个应用

企业的感性负载大部分是异步电动机,运行时要消耗一定的无功功率,使得电动机的功率因数不高。如果给电动机就地补偿电容,不但使高压线路及变压器上的电流减小,低压干线和分支线上电流也同样减少,而且使得线路的有功损耗也有所减少。下面给出异步电动机的电容补偿参数计算公式,方便大家参考。

设补偿前电机的无功功率为Q1,补偿电容器后的无功功率为Q2,则电容补偿的无功功率QC=Q1-Q2=p1P1、P2为电动机运行时输入/输出的有功功率;η为电动机运行时效率;<1、<2为电容器补偿前后的功率因数角。

补偿前的功率因数:cos<1=(cos

补偿后的功率因数cos<2,一般为0.95,如果再提高,则所需电容投资大,不经济。

确定了所需补偿的无功功率QC之后,那么补偿电容压(V);QC为电容补偿的无功功率(Var)。

值得注意的是,个别补偿的电容容量应根据电动机的功率、负载率及电网情况适当考虑,避免过补偿或欠补偿状态的出现。

[1] 李瑞祥:高压输电线路设计基础[M]1北京:水力电力出版社,1994.

[2] 李光辉1架空输电线路设计[M].北京:中国三峡出版社,20001

[3] 高虹亮1架空输电线路运行与检查[M]1北京:中国三峡出版社,2000.

[4] 杜玉清1架空输电线路运行和检修基础知识[M]1北京:水力电力出版社,1990.

责任编辑:何玉付

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颛孙兵(19762),男,安徽萧县人,安徽省淮北万里昌泰电气有限公司助理工程师。