浅析电力系统中的功率因数及无功补偿方式

骆雪峰

功率因素直接关系到电力网中的功率损耗和电能损耗，关系到供电线路的电压损失和电压波动，而且关系到节约电能和整个供电区域的供电质量，功率因素过低甚至造成设备损坏和导致系统发生电压崩溃事故。功率因素在电力系统中起着至关重要的作用。

前言

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。

一、功率因数分析

在功率三角形中，有功功率P与视在功率S的比值，称为功率因数cosφ，其计算公式：cosφ=P/S=P/（P2+Q2）1/2，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。但是，功率因素过高，势必导致电力系统无功功率下降，电动机转子和定子之间的磁性减弱。当系统无功缺额时，根据系统无功功率负荷的静态电压特性曲线，在正常情况下，系统无功功率电源所提供的无功功率Qgcn，由无功功率平衡的条件Qgcn-Qld-Ql=0（即系统所提供的无功功率等于系统设备所需的无功功率与系统损耗的无功功率之和）决定的电压为Un，设此电压对应于系统正常的电压水平。但假如系统无功功率电源提供的无功功率仅为Qgc（Qgc

二、电压与无功功率

电压与无功功率是同频率与有功功率一样，是一对对立的统一体。当无功负荷与无功出力相平衡时，电压就正常，达到额定值，而当无功负荷大于无功出力时，电压就下降，反之，电压就会上升。

在一个并列运行的电力系统中，任何一点的频率都是一样的，而电压与无功电力却不是这样的。当无功功率平衡时，整个电力系统的电压从整体上看是会正常的，是可以达到额定值的，即便是如此，也是指整体上而已，实际上有些节点处的电压并不一定合格，如果无功不是处于平衡状态时，那么情况就更复杂了，当无功出力大于无功负荷时，电压普遍会高一些，但也会有个别地方可能低一些，反之，也是如此。提高功率因素cosφ可以减轻发电机绝缘压力，降低电能在输电线上的损耗，更加合理的利用电动机。

由以上分析可知，功率因素过低或者过高而无加控制手段，都会给电网运行带来问题和困难，甚至造成设备损坏和导致系统发生电压崩溃事故。

三、影响功率因素变化的原因

电网中影响功率因素变化原因很多，下面简要分析下：

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。据有关的统计，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。

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）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。

四、无功补偿方式

在电网中影响功率因素变化的因素如此之多，所以要想维持电网中功率因素的稳定绝非易事，这就需要在电网中无功消耗多的用电设备加上无功补偿装置，无功补偿通常采用的以下3种方法：

1）低压个别补偿，低压个别补偿就是根据个别用电设备对无功的需要量将单台或多台低压电容器组分散地与用电设备并接，它与用电设备共用一套断路器。通过控制、保护装置与电机同时投切。随机补偿适用于补偿个别大容量且连续运行的无功消耗，以补励磁无功为主。低压个别补偿的优点是：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，因此不会造成无功倒送。

2）低压集中补偿，低压集中补偿是指将低压电容器通过低压开关接在配电变压器低压母线侧，以无功补偿投切装置作为控制保护装置，根据低压母线上的无功负荷而直接控制电容器的投切。低压集中补偿的优点：接线简单、运行维护工作量小，使无功就地平衡，从而提高配变利用率，降低网损，具有较高的经济性，是目前无功补偿中常用的手段之一。

3）高压集中补偿，高压集中补偿是指将并联电容器组直接装在变电所的6～10kV高压母线上的补偿方式。适用于用户远离变电所或在供电线路的末端，用户本身又有一定的高压负荷时，可以减少对电力系统无功的消耗并可以起到一定的补偿作用；补偿装置根据负荷的大小自动投切，从而合理地提高了用户的功率因数，避免功率因数降低导致电费的增加，同时便于运行维护，补偿效益高。

4）提高系统自然功率因数

提高自然功率因数是不需要任何补偿设备投资，仅采取各种管理上或技术上的手段来减少各种用电设备所消耗的无功功率，合理使用电动机，提高异步电动机的检修质量，合理选择配变容量，改善配变的运行方式等都可以提高自然功率因数。

小结

电力系统中功率因素是衡量电能质量的重要指标，功率因素过低或过高都会对电力系统造成影响，因此对功率因素作深入的分析是一项非常必要的工作。

参考文献

[1]李明；浅析工厂供配电系统的无功功率补偿问题[J]；四川建材；2011年04期.

[2]王雨；工厂供电系统无功补偿问题研究[J]；技术与市场；2011年06期.

（作者单位：广东电网公司惠州博罗供电局杨侨供电所）