功率因数的提高及其效果综述

功率因数的提高及其效果在供电过程中，用户功率因数的高低，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。对广大厂矿企业来说，功率因数的高低是关系到电能质量和电网安全、经济运行的一个重要问题，应予以充分重视。本文集中讨论了影响电力系统功率因数的几个重要因素，提出了相应的解决措施，并结合我矿的实际情况，对利用并联移相电容提高电网的功率因数进行了探讨。在电力网的运行中，我们所希望的是功率因数越大越好，如能做到这一点，则电路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。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，有着显著的影响。适当提高用户的功率因数，不但可以充分地发挥发、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。若能有效地搞好补偿，不但可以减轻上一级电网补偿的压力，改善提高用户功率因数，而且能够有效地降低电能损失，减少用户电费。其社会效益及经济效益都会是非常显著的。一、影响功率因数的主要因素首先我们来了解功率因数产生的主要原因。功率因数的产生主要是因为交流用电设备在其工作过程中，除消耗有功功率外，还需要无功功率。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。影响功率因素主要是下面几个方面。（一）异步电动机和电力变压器是耗用无功功率的主要设备我矿绝大部分动力负荷都是异步电动机,异步电动机转子与定子间的气隙是决定异步电动机需要较多无功的主要因素,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。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。因此，在选择异步电动机时，既要注意它们的机械性能，又要考虑它们的电气指标，合理选择异步电动机的型号、规格和容量，使其处于经济运行状态，若电动机长期处于低负载下运行，既增大功率损耗，又使功率因数和效率都显著恶化。故而从节约电能和提高功率因数的观点出发，必须正确的合理的选择电动机的容量。其次，要提高异步电动机的检修质量，因为异步电动机定子绕组匝数变动和电动机定、转子间的气隙变动时对异步电动机无功功率的大小有很大的影响。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。电力变压器的无功功率消耗，是由于变压器的变压过程是由电磁感应来完成的，是由无功功率建立和维持磁场进行能量转换的。没有无功功率，变压器就无法变压和输送电能。变压器消耗无功的主要成分是它的空载无功功率，提高变压器的功率因数就必须降低变压器的无功损耗，避免变压器空载运行或长期处于低负载运行状态。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其处于低负载运行状态。（二）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。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。二、低压网无功补偿的一般方法低压无功补偿我们通常采用的方法主要有两种：就地补偿、集中补偿。下面简单介绍这两种种补偿方式的适用范围及使用该种补偿方式的优缺点。（一）、就地补偿就地补偿就是将低压电容器组与电动机并接，通过控制、保护装置与电机，同时投切。随机补偿适用于补偿电动机的无功消耗，以补偿磁无功为主，此种方式可较好地限制无功峰荷。随机补偿的优点是：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，而且不需频繁调整补偿容量。具有投资少、占位小、安装容易、配置方便灵活、维护简单、事故率低等特点。（二）、集中补偿集中补偿是指以无功补偿投切装置作为控制保护装置，将低压电容器组补偿在配电变压器二次侧。适用于100kVA以上的专用配变用户，可以和就地补偿方式综合使用，补偿效果更好。集中补偿的优点是：运行方式灵活，运行维护工作量小，比前两种补偿方式寿命相对延长、运行更可靠。但缺点是控制保护装置复杂、首期投资相对较大。三、采取适当措施，设法提高系统自然功率因数提高自然功率因数是在不添置任何补偿设备，采用降低各用电设备所需的无功功率来提高工矿企业功率因数的方法，它不需要增加投资，是最经济的提高功率因数的方法。高自然功率因数主要是靠提高变压器、电动机负载率、调整负荷结构，使功率因数达到最佳。下面将对提高自然功率因数的措施作一些简要的介绍。（一）、合理使用电动机合理选用电动机的型号、规格和容量，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。若电动机长期处于低负载下运行，既增大功率损耗，又使功率因数和效率都显著恶化。故从节约电能和提高功率因数的观点出发，必须正确地合理地选择电动机的容量。（二）、提高异步电动机的检修质量实验表明，异步电动机定子绕组匝数变动和电动机定、转子间的气隙变动时对异步电动机无功功率的大小有很大的影响。（三）、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，在欠激状态时，定子绕组向电网“吸取”无功，在过激状态时，定子绕组向电网“送出”无功。因此，只要调节电机的励磁电流，使其处于过激状态，就可以使同步电机向电网“送出”无功功率，减少电网输送给工矿企业的无功功率，从而提高了工矿企业的功率因数。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，使其呈过激状态，即能向电网输出无功，从而达到提高低压网功率因数的目的。（四）、理选择配变容量，改善配变的运行方式对负载率比较低的配变，一般采取“撤、换、并、停”等方法，使其负载率提高到最佳值，从而改善电网的自然功率因数。并联移相电容器是进行功率因数补偿的重要设备，现就移相电容器在我矿的使用情况及效果简单介绍。一、补偿方式的选择：根据移相电容器在工厂供电系统中的装设位置，有高压集中补偿、低压成组补偿和低压分散补偿三种方式。高压集中补偿是将高压移相电容器集中装设在变配电所的10KV母线上，这种补偿方式只能补偿10KV母线前（电源方向）所有线路上的无功功率，而此母线后的厂内线路没有得到无功补偿，所以这种补偿方式的经济效果较后两种补偿方式差。低压分散补偿，又称就地补偿，是将移相电容器分散地装设在各个车间或用电设备的附近。这种补偿方式能够补偿安装部位前的所有高低压线路和变电所主变压器的无功功率，因此它的补偿范围最大，效果也较好。但是这种补偿方式总的设备投资较大，且电容器在用电设备停止工作时，它也一并被切除，所以利用率不高。低压成组补偿是将移相电容器装设在车间变电所的低压母线上，这种补偿方式能补偿车间变电所低压母线前的车间变电所主变压器和厂内高压配电线及前面电力系统的无功功率，其补偿范围较大。由于这种补偿能使变压器的视在功率减小从而使变压器容量选得小一些，比较经济，而且它安装在变电所低压配电室内，运行维护方便。同时由于我矿存在谐波源，车间变压器的存在，也起到了隔离和衰减谐波的作用。有利于低压移相电容器的安全稳定运行。综合以上三种补偿方式的优缺点，根据我矿的实际情况，我们选择了三种方式综合使用。高压集中补偿采用高压电容柜GR10.5，并联电容器BMF210.5501W,手动投切。低压成组补偿采用JKD系列低压晶闸管投切电容器自动无功补偿装置，其可根据配电系统内负荷的无功功率和电网电压，控制晶闸管投切电容器组。该装置利用无触点晶闸管开关，内设零触发模块，可实现零电压投入，零电流切除，具有投切无冲击，无暂态过电压，响应迅速等优点。低压分散补偿，我矿对较大异步电动机根据电机选用适当容量电容器，就地补偿。三种方式综合补偿，使我矿的整体补偿效果十分理想，功率因数达到0.98以上。二）、补偿容量的确定对于车间变（配）电所，安装的容性无功量应等于装置所在母线上的负载按提高功率因数所需补偿的容性无功量与变压器所需补偿的容性无功量之和。1、负载所需补偿的装置容量Kvar（千乏）按下式考虑QC1=P（tg1-tg2）Qc1负荷所需补偿的容性无功量（Kvar）P母线上的平均有功负荷功率1补偿前的功率因数角2补偿后的功率因数角2、变压器所需补偿的装置容量Kvar（千乏）按下式考虑：QC2=（UK%/100+IO%/100）SeQc2变压器所需补偿的容性无功量（Kvar）Uk%变压器阻抗电压的百分数10%变压器空载电流的百分数S变压器额定容量（KVA）（三）、低压成组补偿设备的选择：选择补偿设备，应在充分考虑安全性的同时，根据各单位实际情况，从实用性、可靠性入手，将费效比最大化。1、投切方式的选择：电容投切有两种方式：人工投切和自动投切。我矿高压采用人工投切，低压采用自动投切方式。电容器的自动投切，我们采用了JKD系列无功功率自动补偿控制器，这种控制器能随意设定投入门限、投入延时、欠压门限、过压门限、切除门限值，都可在线设定。能自动跟踪功率因数变化合理选择电容组数，还能在功率因数超前时快速切除已投电容。在我矿的应用中，这种控制方式能满足我矿的实际要求。2、移相电容器的选择我矿就地补偿选用的电容器为BCMJ0.43型自愈式移相电容器。该电容器的额定工作电压400V，三相三角形接法，具有自放电功能，最高过电压110额定电压，最高过电流130额定电流。高压电容器为BMF210.5501W，额定工作电压10.5KV,50kvar。JKD无功自动补偿柜采用单相电容。电容容量的确定要考虑到开关、接触器的容量，补偿梯度大小对电气设备的影响及维修成本。额定电压的确定要考虑到变压器低压母线电压的波动和补偿后母线电压升高的因素，并联补偿移相电容器的额定电压应大于并联补偿移相电容器的实际工作电压。补偿效果：通过对全厂供配电系统安装并联移相电容器组，向电网提供可阶梯调节的容性无功，补偿多余的感性无功，使我矿实际功率因数提高到0.98以上，补偿效果明显。减少供电损耗，节约电费，以线损为例，我矿年用电量约为800千瓦时，补偿前线损率约为5，补偿后功率因数从0.85提高到0.98,则每年可减低线损约为30万千瓦时,按每度电0.5元计算,可节约电费开支15万元，加上电力系统功率因数奖3万元，每年共计节约电费开支18万元。以上措施充分提高了设备利用率，发挥了设备潜能。有效改善了供电质量，减少电压损失，降低电压波动。为企业增加了效益，降低了损耗。作者：叶昌青