功率因数对企业供配电系统的影响及补偿装置在系统中的应用

虎尚友

（陕西有色冶金矿业集团有限公司，陕西 西安 710000）

某集团公司选矿厂具有两条选钼生产线，日处理能力达32000t/d，电耗约2.3亿kwh/年，其主要动力设备中异步电动机占设备运行容量的70%以上；众所周知，异步电动机属感性负载，工作过程中在线路中电流总是滞后电压一个角度，这个角度的余弦值就是电力系统中所指的功率因数，它反映了电力系统中线路的有功功率占视在功率的百分数。因此，在电力系统中，我们希望功率因数越大越好，这样，可以使电网中的视在功率将大部分用来供给有功功率，以减少无功功率的消耗，以此来提高变压器的利用率。因此，用户功率因数的高低，对于电力系统发、供、用电设备的充分利用，有着非常显著的影响。提高用户的功率因数，不但可以充分发挥供电设备的生产能力、减少线路损失、改善电压质量，而且可以提高用户用电设备的工作效率，为企业本身节约电能。

在这篇文章中，详细的介绍了功率因数对供配电系统的影响，影响功率因数的主要因素，企业低压配电系统中提高功率因数的几种常用方法及工作原理，低压系统功率因数人工补偿容量的确定。最后通过某集团公司选矿厂安装补偿装置在供配电系统使用后所取得的效益评价说明了功率因数补偿的重要性和必要性。

1 功率因数对供配电系统的影响

上面已经提到，功率因数是指在线路中电流滞后电压一个相位角的余弦值，它产生的主要原因是由于接在电网中的多数用电设备是根据电磁感应原理工作的，绝大多数用电设备属于感性负载，在其工作过程中除消耗有功功率外，还需要无功功率。当企业供配电系统功率因数偏低时，将对供配电系统造成下列不良影响：

（1）降低了发电机的输出功率，使发电机效率降低，发电成本提高[1]。

（2）降低了变电、输电设施的供电能力。[1]这一点从图1的功率三角形中可以看出，cosφ＝P/S，在有功功率P一定时，当功率因数cosφ越小，则所需要的无功功率Q越大，其视在功率S也越大。为满足企业用电的需要，供电线路和变压器的容量也越大。

图1 功率三角形

(3) 由于电力网络中的电能损失与功率因数值的平方成正比，企业供配电系统功率因数偏低，使电力网络损耗增加。下面的数学表达式[2]可以说明问题。

式中：△P—功率损耗（kW）；P—有功功率（MW）；R—线路总电阻（Ω）；U—额定电压（kV）；

(4) 功率因数愈低，线路中的电压损失也愈大，使用电设备的运行条件恶化[1]。数学表达式：

式中：△U—线路中的电压损失（kV）；Q—无功功率（Mvar）；

由于功率因数的高低对供电网络影响很大，因此，我国《供用电规则》中规定：“用户必须提高自然功率因数，高压供电的用户必须保证功率因数在0.9以上，其他用户应保持在0.85以上，经过努力达不到以上规定者，应装设必要的补偿设备[1]。”为此，国家电力部门发布了《功率因数调整电费办法》。按照该办法，一般企业功率因数标准为0.90，当月平均功率因数高于标准值的1%，月底结算电费时，核减全月总电费的0.15%；当月平均功率因数低于标准值的1%，月底结算电费时，增加全月总电费的0.5%。由此可见，提高企业功率因数对金钼集团这样一个耗电大户是多么重要。

2 影响功率因数的主要因素

影响功率因数的主要因素有以下几个方面：

（1）异步电动机是企业耗用无功功率的主要设备之一 ：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是由其空载时的无功功率和一定负载下无功功率的增加值这两部分所组成。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用电设备负载率。

（2）电力变压器也是消耗无功的主要配电设备：电力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供配电系统的功率因数，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，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。

（4）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。

综上所述，我们知道了影响电力系统功率因数的一些主要因素，就需要寻求提高电力系统功率因数的方法，以达到节能降耗的目的。

3 低压配电系统中无功补偿的一般方法

从图1中S、P、Q、cosφ之间的关系可以看出，当有功功率P一定时，如减少无功功率Q，则功率因数便能够得到提高；因此提高功率因数问题的实质就是减少用电设备的无功功率需要量。在企业低压配电系统中，通常采用分散补偿与集中补偿等方法对低压系统进行无功补偿。

（1）分散补偿法是将低压电容器组与电动机并接在一起，通过控制、保护装置与电动机同时投切，它的优点是：随用电设备的停运而停运，具有投资少、占地面积小、安装容易、配置方便灵活，维护简单、故障率低等特点。其一次接线见图2。

图2 随机节能器一次接线图

（2） 集中补偿法是将低压电容器组通过低压电气元件与用电设备并接在变压器的二次侧，它可以按照变压器所带负载大小及负载的工作状态，采用无功补偿控制器对低压配电网络进行自动补偿；这样，不会造成低压系统过补偿或欠补偿。它的优点是：接线简单、维护管理方便、能自动投切电容器，从而提高变压器的利用率，降低无功损耗。其一次接线见图3。

图3 集中补偿装置一次接线

目前，由于企业逐步实现生产工艺自动化，各个生产工艺环节均需要实现调速控制和程序化控制，这就意味着在企业的供配电系统中变频装置等电子元器件数量不断增多，使得供配电系统的谐波上升，传统的补偿装置受系统谐波的影响，无功补偿装置故障率上升，影响了无功补偿装置的正常运行，再加上补偿装置分回路投切采用接触器控制，在投切电容器的过程中，很难保证交变电流过零投切，接触器触点损坏现象时有发生；故此目前无功补偿装置均采取了采用可控硅控制，电容器回路串联电抗器的方法，使得补偿装置的故障率大为降低。其一次接线见图4。

图4 SCR控制（串电抗器）无功补偿装置一次系统图

除上述人工补偿来提高系统功率因数外，还可以采取适当的措施以提高系统的自然功率因数，它不需要增加投资，是最经济的提高功率因数的方法。下面将对提高自然功率因数的措施作一些简要的介绍。

（3）合理选用电动机，使其接近满载运行：在选择电动机时，既要注意它们的机械性能，又要考虑它们的电气指标，如果电动机长期处于低负载下运行，既增大了功率损耗，又使功率因数和效率过低；所以从节约电能和提高功率因数的观点出发，正确合理的选择电动机容量是提高系统自然功率因数行之有效的方法。

（4）理选择变压器容量，改善变压器的运行方式：对负载率比较低的电力变压器，最好选择节能型、合理型变压器，使其负载率提高到最佳值，从而改善电网的自然功率因数。

（5）采用同步电动机或异步电动机同步运行提高功率因数：由电机原理知道，同步电动机消耗的有功功率取决于电动机上所带机械负荷的大小，而无功取决于转子中的励磁电流大小，在欠励状态时，定子绕组向电网“吸取”无功，在过励状态时，定子绕组向电网“送出”无功。因此，只要调节电机的励磁电流，使其处于过励状态，就可以使同步电机向电网“送出”无功功率，以减少电网输送给企业的无功功率，从而提高企业的功率因数。异步电动机同步运行就是将异步电动机三相转子绕组适当连接并通入直流励磁电流，使其呈同步电动机运行，这就是“异步电动机同步化”。因而只要调节电机的直流励磁电流，使其呈过励状态，便能向电网输出无功，从而达到提高低压电网功率因数的目的。

上面谈了一些提高低压电网功率因数的方法，对一般企业来说由于设备已经定型，要通过设备更新或改造设备现有状况很难做到；因此，我们将重点介绍对用电设备进行人工补偿的方式和对补偿容量的确定方法。

4 低压系统功率因数人工补偿容量的确定

4.1 分散补偿法补偿容量的确定

由于分散补偿法是将低压电容器组与电动机并接在一起，所以要依据需要进行补偿的电动机容量，电动机运行负荷大小来确定，计算方法与集中补偿法补偿容量的确定相似。

4.2 集中补偿法补偿容量的确定

集中补偿法是将静电电容器组与感性负载并联在一起，由于感性负载从供电系统中吸取的无功功率是滞后的，而电容器需要的无功功率是超前的；因此，适当选择电容器容量其代数和将会变的很小，最理想时： QC+QL=0（QC—电容器吸收的无功功率、QL—感性负载吸收的无功功率），这时低压配电系统已不需向供电系统吸取无功功率，功率因数为1；但系统的功率因数不是越高就越好，正常情况下，用户供配电系统的功率因数以0.95为宜。参见电容器补偿电路原理图(图5)[2]。

图5 电容器补偿电路原理图

4.2.1 电容器补偿容量的确定

将配电系统中功率因数由cosφ1提高到cosφ2，移相电容器的补偿容量可由下式确定：

式中：Qc—移相电容器的补偿容量（kvar），Pjs—有功功率的计算值， tgφ1、tgφ2—补偿前后平均功率因数角的正切值。

4.2.2 并联补偿移相电容器，应满足以下电压和容量的要求

Uce≥ Ucg；式中 ：Uce—电容器的额定电压（kV）；Ucg——电容器的工作电压（kV）。

nQcg≥Qc；式中：n—并联的电容器总数，Qcg—电容器的工作容量（kvar），Qc—电容器的补偿容量（kvar）。

补偿电容器串联电抗器一般按照6%～7%即可满足要求。

一般来说，需要对某个低压系统或单台变压器进行无功补偿，如果是长期稳定运行的负荷，可以对该系统所带每台动力设备的运行负荷进行测试三次以上并取其负荷平均值，然后计算其有功功率Pjs、无功功率Qjs、功率因数cosφ；或者按照每月有功、无功电能表的累计值计算功率因数cosφ；根据所得到的功率因数值，确定需要对系统进行无功补偿后功率因数所达到的值，按照上述计算公式来确定补偿容量。

5 补偿装置在供配电系统应用后所取得的效益评价

某集团公司选矿厂尾矿输送工序设有六个35kV变配电系统，分别配有6/10kV配电站，选矿工序设有三个独立的6kV配电站。在提高功率因数方面，由于尾矿输送设备主要为大功率渣浆泵，选用高压无功补偿装置；选矿工序除采用高压同步机补偿外，其余均采用低压并联电容器无功补偿方式。

（1）35kV系统下属的 6/10kV配电站均采用高压并联电容器，每个配电站的补偿容量根据负荷大小确定为900/1200kvar，每年在不增加功率因数电费的基础上，可减少电费支出约20万元以上。

（2）选矿工序三个独立的6kV配电站下属有10个低压配电系统，目前仅对变压器容量在1250kVA以上的系统分别安装400~600kvar，加上同步电动机调节励磁电流提高功率因数，每年在不增加功率因数电费的基础上，可减少电费支出约25万元以上。

（3）对个别电动机（如210kW）安装随机补偿装置。通过无功补偿装置在系统中的安装应用，加之同步机在运行中的补偿，该公司选矿厂每月的平均功率因数达到0.93以上，每年在不增加力率电费的基础上，可减少电费支出在45万元之多。

6 结束语

提高企业用电的功率因数，在提高用电设备自然功率因数的同时，需要增加无功补偿装置，这样不但可以提高设备出力，降低功率损耗和电能损失，改善电压质量，还可以提高功率因数，为企业带来经济效益和社会效益。