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知识 什么是无功?功率因数?以及用电企业无功补偿

配电通 2018-09-10 03:30:24

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无功是一种资源,在电力系统中并不是没有作用,无功功率决非无用功率,只是不能直接转化为热、光、机械能。无功功率比较抽象,它是用于电路内电场与磁场的交换,并用来在电气设备中建立和维持磁场的电功率。它不对外作功,而是转变为其他形式的能量。凡是有电磁线圈的电气设备,要建立磁场,就要消耗无功功率,无功功率在电能的生产、变压、输送、分配及电磁能量转换过程中起着重要作用。由于无功功率的作用和影响不像有功功率那样直观,因而很多用电企业普遍存在着重视有功,轻视无功的现象。

  无功和有功一样,都是交流电能的重要组成部分,缺一不可,时刻影响着用电企业对电能的有效利用率和用电成本。无功功率作为电功率的一部分,时刻确保着着用电设备的正常运行,为电力系统提供电压支撑,为有功功率的输送保驾护航。

  一、功率因数的概念

  功率因数(Power Factor)的大小与电路的负荷性质有关, 如白炽灯泡、电阻炉等电阻负荷的功率因数为1,一般具有电感性负载的电路功率因数都小于1。功率因数是电力系统的一个重要的技术数据。功率因数是衡量电气设备效率高低的一个系数。功率因数低,说明电路用于交变磁场转换的无功功率大, 从而降低了设备的利用率,增加了线路供电损失。

在交流电路中,电压与电流之间的相位差(Φ)的余弦叫做功率因数,用符号cosΦ表示,在数值上,功率因数是有功功率和视在功率的比值,即cosΦ=P/S.

电力系统中发电厂向用点企业输送电能包括两部分:一部分是用来发光、发热、拖动机械等的功率叫有功功率;另一部分则是用来建立磁场,并为电能输送及保障有功功率转换所必不可少的往返交换功率叫无功功率。电网供应给用电企业的电能是有功功率和无功功率同时存在的,这种同时存在的功率称之为视在功率,它们之间的关系式为:

 

  上式中角φ是感性负载接于交流电路中时,电压与电流之间的相位差角。功率因数亦可称为交流电路中电压与电流之间相位差角的余弦。电网供电中,若用电企业负载的cosφ很小,则无功功率必将占用一定份额的视在功率,导致电能利用率下降和电能损耗的增加。当用电企业负载性质发生变化时,也必将造成cosφ和运行电压的变化。为减少用电设备的电压降和功率损耗,用电企业则需积极自觉地实施无功补偿,以提高功率因数。

  根据余弦函数可知:无论采用何种方法的无功补偿措施,其实质就是要减小电压与电流之间的相位差角φ,使之达到提高功率因数,改善运行电压质量,降低电能损耗,从而使用电企业降低电力成本。

  二、用电企业的无功功率消耗

  用电企业中使用的设备大部分是感性设备,它们运行中都要消耗无功功率,其消耗无功量的多少,主要取决于像异步发动机、配电变压器等这样的感性设备。另一方面,无功功率对于非感性设备本身不消耗能量,但是因为无功电流的存在,线路损耗还是存在的,也就是供电线路电阻本身消耗的能量。

  如异步电动机消耗的无功功率为励磁和漏磁两部分,可近似估算。对一台100kW异步电动机,其功率因数为0.8,在额定参数下运行,则要消耗75kvar的无功功率。配电变压器消耗的无功功率也分为励磁和漏磁两部分,可近似估算。如一合1000kVA的变压器,Ud=4.5%,Io=5,在额定参数下运行,消耗的无功功率约为95kvar。

  用电企业所需的电能一般要经过多级变压和长距离输送,不但感性用电设备要消耗无功功率,而且供电线路也要消耗一定量的无功功率,其消耗的无功量按Q=3I2×10-3kvar进行计量。用电企业总的无功功率消耗量是各项无功功率消耗量的总和,同时企业消耗的无功功率总和Q,还与同期企业用电的总有功功率P有关,其关系式为:


式中tg中为企业各种感性设备功率因数的正切值。此见,当用电企业总的功率因数小于0.8时,则消耗无功功率将大于有功功率,必须进行无功补偿。

  三、无功的优化管理和补偿

  电网供电中,无功与电压存在着较强的耦合关系,无功电流变化比有功电流对负载电压的影响大得多,无功功率在潜移默化地影响着电压质量。为此,用电企业在优化无功管理的同时,还要积极实施无功补偿,实现无功电源的优化配置,减少无功潮流,提高功率因数。

  无功电源不像有功功率那样,只能由发电厂提供,而无功功率既可由发电机组提供,也可以由电容器、调相机、静止无功补偿装置和静止无功发生器等进行无功补偿。

  发电机组作为无功电源可给用电企业提供无功功率,但对需经多级变压的长距离传送无功功率,若由发电机组提供必将产生不良影响:

  ①降低发电机有功功率的输出;

  ②降低输变设备的供电能力;

  ③造成输电线路电压损失增大;

  ④降低用电设备使用效率,严重时还会产生电压波动,给用电安全造成危害。

  为此,用电企业消耗的无功功率,不能仅依赖大电机输送,除优化无功管理外,还要采取各种措施进行无功补偿,有利于提高用电企业的功率因数。

1.提高设备的自然功率因数

  自然功率因数系指经人工补偿前设备所具有的功率因数,即设备本身运行时的功率因数。提高自然功率因数,从本质上讲是改善设备运行工况,从而降低设备自身的无功消耗,这是不需增加设备的无功补偿。其方法有:

  ①合理选用异步发动机容量,避免“大马拉小车”,使发动机处于最佳负载率工况下运行,这可改善功率因数;

  ②轻载运行异步发动机可将其定子接线由三角形改为星形运行,达到降低运行电压改善功率因数;

  ③装设空载自停装置,当异步电动机较长处于空载运行时,该装置能自动切断电源,以减少无功消耗而改善功率因数。

  2.改善设备自身结构参数提高功率因数

  根据感性设备的阻抗三角形可知:其功率因数表达式为:

 

  式中的电阻R和感抗XL,可视为感性设备自身的两个参变量,而功率因数cosφ可看出作参变量的函数。从式中可知:cosφ是随R的增加,而变大,随XL的增加而减小。因此对某些感性设备在允许的范围内,通过改变设备自身的结构参数,将其电阻适当增大,或将感抗XL适当减小,即可达到设备自身功率因数改变的效果。

  因为,将感性设备自身参数中的感抗适当减小,或将其电阻适当增大,在保持设备阻抗基本不变的情况下,使其阻抗角即感性设备端电压于其通过的电流之间的相位差角减小,即可达到提高设备自身功率因数的效果。

  3.并联电容器进行无功补偿

  用电企业实施无功补偿应根据无功就地平衡原则,使企业生产过程中消耗最低无功功率应从设置的无功补偿电源提供,以维持运行电压的合格。用电企业实施无功补偿,应根据用电负荷性质及无功消耗的多少,确定从电网吸取无功量和企业补偿装置提供无功量之间最佳配合比例,实现无功就地平衡,从而提高企业对电能利用率。

  用电企业实施无功补偿的常用方法,即是在感性设备并联电容器。因感性设备流过电流总是滞后电压90°,而电阻流过电流于电压同相,其合成电流与电压的夹角为φ。运用并联电容器进行无功补偿,即是将电容器与感性设备并联,由于电容器容性电流超前电压90°,则能抵消一部分感性电流,使总电流滞后电压的相位差角减小,这是并联电容器进行无功补偿能提高功率因数的机理。

  用电企业实施无功补偿,可在高压侧,也可在低压侧,可集中进行补偿,也可分散就地补偿。通过电容器与感性设备并联进行无功补偿,这是实现无功就地平衡的好办法,不仅减少无功潮流,而且还能降低电压损失,以而改善运行电压质量。

  加装智能投切装置,有利于无功负荷的实时平衡,维持用电企业消耗无功功率的合理与经济分布。

  四、结束语

  保持无功功率供求平衡是一项复杂技术工作。用电企业实施无功补偿,应根据本单位负荷性质和无功消耗情况,确定最佳无功补偿量,才有利于提高功率因数,高效利用电能,降低功耗和电力成本。用电企业只有积极采取各项措施进行无功补偿,才能改善电压质量,使之获得更好经济效益。如果在无功补偿方面有什么问题,可以直接在“配电通”微信公众号底部留言,我们将免费给你提供完善的方案。


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