电力系统功率因数改善方法分析

王汉生

（SM广场（天津）有限公司，天津300308）

0 引言

随着社会经济的不断发展，人们的生活水平有了显著的提高，对电力的要求也越来越高，对于供电企业及乡村电网而言，如果合理开展低压补偿工作，不仅可以缓解上级电网补偿过程中产生的压力，使用户实际的功率因数得到有效的改善，还可以有效控制电能中的损失，从而减少用户的电费支出，节约能源。在实际应用过程中，低压补偿工作具有十分显著的经济效益及社会效益，因此具有非常广阔的发展空间。在电力系统的运行过程中，功率因数越大表明电网的效率越高，无用功的功率就小，从而可减少电能的损耗。如今，大多数供电企业对改善功率因数的课题都高度重视，但仍存在诸多问题和不足，因此，行之有效的功率因数改善方法逐渐成为人们关注的焦点。

1 电力系统与功率因数之间的关系及影响

功率因数是指在交流电中电压、电流之间存在的一定相位差，通常用符号φ表示，该相位差的余弦值就是所说的功率因数，数学表达式为cosφ，从数据的角度上解释，功率因数实际上就是有功功率与视在功率（电压与电流的直接乘积）的比值，数学表达式为cosφ＝P／S。在电力系统中，功率因数是必不可少的指标性数据，也是衡量相应电气设备总体效率的重要依据。如果电力系统的功率因数较低，表明电路中的无功功率过大，电气设备的利用率达不到标准的要求，增加了供电线路的损耗。造成功率因数低的主要原因是在电力系统中，不可避免地存在一些电感性负载。对于工业企业的供电用户而言，许多用电设备都存在一定的电感性，比如电焊机、架空线路等，这些电气设备的功率因数数值都在1以内，如果设备处于轻载工况，对应的功率因数会更低。因此，对无功功率进行有效补偿，是提高电力系统功率因数的主要手段。

2 影响功率因数的原因

2.1 电感性电气设备多

在工业企业中，存在大量的电感性电气设备，这些电气设备都具有一个相同的特点，就是需要消耗大量的无功功率。根据相关统计得知，三相交流异步电动机消耗的无功功率是最多的，占总量的60%左右，尤其当电动机处在空载工况时，无功功率的消耗量占电动机无功总量的70%左右。因此，在实际中，需要避免电动机在空载条件下运行，并采取相关措施有效提高电动机的负载率，从而增加电力系统的功率因数。

2.2 变压器低负载或空载运行

通常情况下，变压器在正常条件下运行时，会消耗总量10%左右的无功功率，如果变压器空载，无功功率的消耗值会上升到总量的30%。因此，在工业企业中，与电动机相同，应避免变压器在空载条件下运行，并采取有效措施提高变压器的负载率，从而提高电力系统的功率因数。

2.3 供电电压过大

如果电力系统的供电电压过大，并超出限度，也会对功率因数造成一定的影响。若供电电压超出限度10%，无功功率受到磁路的过饱和影响而出现快速增长，根据相关统计得知，此时的无功功率会增加35%。如果能够有效减少供电电压，相应的无功功率也会得到显著降低，电力系统的功率因数会因此而增加。但这种改善方法并不切合实际，因为供电电压低于额定值会对电气设备造成一定影响。因此，使供电电压长期处于稳定的状态，是改善电力系统功率因数的主要手段。

3 改善电力系统功率因数的方法

3.1 无功功率补偿

3.1.1 低压个别型补偿法

低压个别型补偿法的实施，需要掌握个别用电设备的无功功率需求量，并结合实际所需确定低压电容器的数量，最后将低压电容器连接到用电设备中。在控制装置的支持下，可进行电机投切。这种无功功率补偿法适合容量较大且需要不间断运行的设备，比如工业企业内的大型电动机，通常情况下会将励磁无功作为补偿的主体。低压个别型补偿法具有成本低、占地面积小、便于安装维修等特点，如果用电设备停止运行，无功补偿也会立即停止，不会发生无功倒送的现象。

3.1.2 低压集中型补偿法

低压集中型补偿法的实施，需要在变压器的低压母线位置安装一定数量的低压电容器，安装需要在低压开关上进行，将无功功率补偿的投切装置当作用电设备的控制装置，根据变压器母线上实际负荷的变化起到控制电容器投切的作用。一般情况而言，电容器投切的过程无法进行调节。低压集中型补偿法具有接线便利、实时性强、便于维护等特点，另外由于这种方法具有更高的经济性，因此该方法的应用范围十分广泛。

3.1.3 高压集中型补偿法

高压集中型补偿法的实施，需要在高压母线上安装并联形式的电容器组，从而实现无功功率补偿。这种方法适合应用在与用户距离较远的变电站中，如果用户本身存在较高的负荷，就会使无功消耗得到相应的减少，从而起到无功补偿的作用。无功补偿装置结合用户端实际负荷的大小进行自行投切，完成提高功率因数的最终目的，为用户节省用电费用。高压集中型补偿法具有便于维护、效率明显等特点。

3.2 提升自然功率因数的方法

提升自然功率因数不仅可以大幅降低电力系统中无功功率的消耗，还可节省补偿设备的成本投资。为了使企业达到更高的功率因数，需要加大企业内部的管理力度、完善管理措施。对于一般的工业企业而言，提升自然功率因数的方法可归纳为4个方面：（1）按照规范的要求合理使用各类电动机。（2）完善各类电动机的保养和检修制度。（3）开辟更多同步电动机的使用条件和环境，同步电动机在运行过程中会根据负载的大小确定有功功率的消耗量，无功功率的消耗量则根据转子的实际励磁电流而确定，如果电动机处于欠励状态，便需消耗一定量的无功功率；相反电动机处于过励状态时，便会向电力系统提供一定量的无功功率，因此将同步电动机作为不间断运行设备的动力来源可显著提高功率因数。（4）根据实际所需，选择并使用容量合理的变压器设备，并对其运行方式进行针对性的改进，对于负载率较低的变压器而言，通常运用更换、并接、停止等改进方式来提高变压器的实际负载率，最终改善自然功率因数。

4 结语

总之，对于电力系统而言，功率因数的改变可对系统总体的有功功率及设备的利用率产生不同程度的影响。如果功率因数的改变程度较大，还会影响到供电系统的电压质量。因此，采用合理的措施改善功率因数对于电力系统而言具有很高的实际价值。在人们对电力要求不断提高的影响下，功率因数将成为衡量电力企业整体水平的关键指标。因此，在改善功率因数方面还需要电力企业注入更多的新鲜血液，优化传统的改善方法，并提出新颖的技术手段，以适应电力系统的高速发展。相信通过不断的努力，我国电力系统功能因数的总体水平会上升到新的高度。

［1］邱关源.电路［M］.第5版.北京：高等教育出版社，2006

［2］苏文成，金子康.无功补偿与电力电子技术［M］.北京：机械工业出版社，1989

［3］陈荣.无功就地补偿及其效益［J］.江苏电机工程，1992（4）