提高功率因数的必要性及其方法

摘要：根据功率因数的特性，论文描述了电力系统在低功率因数状态下的不利表现，如线路的铜损较大，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和加大投资等。提高功率因数可以降低生产成本、改善设备的利用率，减少线路的压降和提高电力网的传输能力、增加经济效益等特点。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等。用户功率因数的高低，直接关系到整个电力网电能损耗和电压的稳定性，从而制约着供电区域的供电质量，提高功率因数势在必行。

关键词：功率因数 提高 必要性 方法

功率因数定义为电力电网中负载的有功功率P占视在功率S的百分比数。随着经济的日益发展，电力需求不断提高，伴随而来的突出问题是能源无效的巨大消耗，资源利用率低下。电力系统是一个庞大的系统，其电能损耗的数值相当可观，能源的合理配置是极需解决的问题。功率因数是决定发、供电系统经济效益的一个极为重要的因素，它直接反映了系统中有功功率与无功功率的分配。在电力网的运行中，我们总是希望功率因数越大越好，从而提高能源的利用率。因此，对于整个电网来说，有效地搞好无功功率的补偿，可以改善提高用户功率因数，有效地降低电能损失，减少用户电费。

1 影响功率因数的主要因素

功率因数的产生，主要体现在下面几个功率之间的关系中。电力网络除了有负载的有功功率P，还要负担负荷的无功功率Q，有功功率P、无功功率Q和视在功率S，这些功率之间存在下述关系：

S=■（1）

而P与S之比即：

λ=cos？渍=PS（2）

λ被定义为电力网络的功率因数，其物理意义是线路的视在功率S供给有功功率的消耗所占百分数。在电力网供电工程中，电源供给负载的总功率中，由于存在着有功功率做功，无功功率不做功，在相同数值的视在功率的情况下，有功功率占的比重越大，能量利用率就越高，功率因数就越大，功率因数是决定发、供电系统经济效益的一个极为重要的因素，它直接反映了系统中有功功率与无功功率的分配。

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。然而在完成输送额定有功功率的情况下，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有很重要的意义。

1.1 异步电动机和电力变压器是耗用无功功率的主要设备

异步电动机的定子与转子间的气隙是决定异步电动机需要较多无功功率的主要因素。而异步电动机所耗用的无功功率是由其空载时的无功功率和一定负载下无功功率增加值两部分所组成的。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。变压器消耗无功功率的主要成份是它的空载无功功率，它和负载率的大小无关。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。

1.2 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，一般工厂的无功功率将增加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。

1.3 电网频率的波动也会对异步电机和变压器的磁化无功功率造成一定的影响

我们知道了影响电力系统功率因数的一些主要因素，因此我们要寻求一些行之有效的、能够使低压电力网功率因数提高的一些实用方法，使低压网能够实现无功的就地平衡，达到降损节能的效果。

2 提高功率因数的方法

提高功率因数的途径主要在于如何减少电力系统中各个部分所需的无功功率，特别是减少负荷取用的无功功率，使电力系统在输送一定的有功功率时，可降低其中通过的无功电流。提高功率因数，最常用的方法就是与电感性负载并联静电电容器（设置在用户或变电所中），其电路图和相量图如图1所示。并联电容器以后，电感性负载的电流I=U和功率因数cos？渍1=R均未变化，这是因为所加电压和负载参数没有改变。但电压u和线路电流i之间的相位差？渍变小了，即cos？渍变大了。这里我们所讲的提高功率因数，是指提高电源或电网的功率因数，而不是指提高某个电感性负载的功率因数。在电感性负载上并联了电容器以后，减少了电源与负载之间的能量互换。这时电感性负载所需的无功功率，大部分或全部都是就地供给（有电容器供给），就是说能量的互换现在主要或完全发生在电感性负载与电容器之间，因而使发动机容量得到充分利用。

其次，由相量图可见，并联电容器以后线路电流也减少了（电流相量相加），因而减小了功率损耗。利用上述原理，提高功率因数可以用以下几种方法：

①对于采用并联电容器进行无功补偿，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。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。

②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達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。目前，世界各工业发达国家所制造并已投入运行的静止无功功率装置的类型很多，在实际应用中较普遍的是采用固定电容性加可变电感性的，也就是说一组或几组容量较大的固定电容性加上一台容量相对略小的可变电感性构成一套SVC可变无功电源装置。

3 总结

功率因数太低对电网系统很不利，想方设法提高功率因数对电网系统的必要性有重要意义。同时提高功率因数必然对国家能源的利用、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。

参考文献：

[1]T.J.E.米勒.胡国根译.电力系统无功功率控制[M].北京：水利电力出版社.

[2]国家技术监督局、中华人民共和国建设部.三相异步电动机经济运行，GB 12497-1995.

[3]秦曾煌.电工学[M].第六版.北京：高等教育出版社，2003.

[4]陆定安.功率因数与无功补偿[M].上海：上海科学普及出版社，2004.

作者简介：黄伟林（1984-），男，湖南汉寿人，助教，大学本科，主要从事楼宇智能化及建筑电气控制相关教学与研究。