电网功率因数的提高方法和意义

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电网功率因数的提高方法和意义 摘 要：文中简要分析了影响配电网功率因数的主要因素，指出了电力变压器和异步电动机是消 耗无功功率的主要设备，给出了供 电电压超 出规定范围对功率因数造成的影响。并对并联 电容无功 补偿进行 了详细分析，得出了补偿 电容容量的计算方法，推导了提高功率因数和降低 网损之间的关 系。同时，对提高系统 自然功率因数的方法进行 了阐述，给出了合理使用电器设备、提高异步 电动机 的检修质量、采用同步电动机或异步电动机同步运行提 高功率因数和合理改善配变的运行方式等4 种提高系统 自然功率因数的方法。最后，概述了提高功率因数所带来的经济效益和社会效益。 关键词：功率因数；补偿方法；经济效益 中图分类号：TM727 当Q=0时，则功率为 1。 0 引 言 1．1 电力变压器和异步电动机是耗用无功功率的主 对广大供电企业来说，用户功率因数的高低，直接 要设备 关系到电力网中的功率损耗和电能损耗，关系到供电 异步电动机的定子与转子间的气隙，是决定异步 线路的电压损失和电压波动，而且关系到电能节约和 电动机需要较多无功功率的主要因素。而异步电动机 供电质量。为此，如何提高配电网功率因数，已成为广 所耗用的无功功率，是由其空载时的无功功率和一定 大供电企业的一个重要课题。 负载下无功功率增加值 2部分所组成，要改善异步电 在电力系统中，除了有电阻性负载消耗有功功率 动机的功率因数就要防止电动机的空载运行并尽可能 外，还有感性负载和容性负载在与电源进行能量交换 提高负载率。变压器消耗无功功率的主要成份是铁 时的无功功率。而无功功率除占用发、配电设备容量 损，即空载无功功率，与负载率的大小无关。因而，为 外，还有输送无功功率时在线路上产生的功率和电压 了改善电力系统和企业的功率因数，变压器不应空载 损耗。 运行或长期处于低负载运行状态。 在电力网的运行中，我们希望的是功率因数越大 1．2 供电电压超出规定范围对功率因数造成的影响 越好，如能做到这一点，则电路中的视在功率将大部分 当供电电压高于额定值的10％时，由于磁路饱和 用来供给有功功率

，以减少无功功率的消耗。适当提 的影响，无功功率将增长的很快。据有关资料统计，当 高用户的功率因数，不仅可以充分发挥发、供电设备的 供电电压为额定值的110％时，一般用户的无功功率 生产能力、减少线路损失、改善电压质量，而且可以提 将增加35％左右。当供电电压低于额定值时，无功功 高用户用电设备的工作效率，为用户本身节约电能。 率也相应减少而使它们的功率因数有所提高。但供电 因此，在电力用户中，若能有效低压补偿，不但可以减 电压降低会影响电器设备的正常工作。所以，应当采 轻上一级电网补偿的压力，提高用户功率因数，而且能 取措施使电力系统的供电电压尽可能保持稳定。 够有效降低电能损失，减少用户电费。 2 提高功率因数的主要方法 I 影响电网功率因数的主要因素 功率因数的大小，是负荷的性质和有功功率在视 功率因数(COS =P／5)的产生主要是因为交流用 在功率中所占的比例决定的。在电力系统中大多数负 电设备在其工作过程中，除消耗有功功率外，还需要无 载为感性负载，电路中功率因数在0—1变化。如果用 功功率，且S=p2+Q，当有功功率P一定时，如减少 户负荷所需的无功功率 (包括变压器的无功功率损 耗)都能就地补偿或采用一些措施，用容性负载与感 无功功率Q，则功率因数便能够提高。在极端情况下， 性负载进行能量交换，减少与电源进行的能量交换，以 收稿 日期 ：2010-05-12；修回日期：2010-06-08。 提高线路的功率因数，则供电可变损失就可以大为降
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低。因此提高功率因数问题的实质就是减少用电设备 表 1 无功经济当量表 的无功功率需要量，从而达到提高设备利用率、减少功 变压器受电位置 率和电压损耗、改善线路电压状况的目的。 发电厂母线直配 0．O2 ～ 0．04 二次变压 0．05 ～ O．O7 无功功率补偿的具体方法除常用的安装补偿设备 三次变压 0．08 ～ 0．10 法外，还可以采用同步电机 (调相、进相)等提高 自然 当cos~p已补偿到0．9及以上时 0．02 ～ 0．04 功率因数等其他措施。 2．1 安装补偿设备 2．2 提高系统 自然功率因数 通

过安装补偿设备提高功率因数，最常用的是并 提高 自然功率因数包括合理选择电器设备、避免 联电容器补偿 ，即在高耗能用户或供电设备上并联无 变压器轻载运行、合理安排工艺流程等。无需添置任 功补偿 电容器。并联电容器的容量可用式 (1)计算： 何补偿设备，采用降低各用电设备所需的无功功率、减 Q [√去 一 √去 】 少负载取用无功来提高功率因数的方法，不需要增加 投资，是提高功率因数最经济的方法。下面将对提高 (1) 自然功率因数的措施作一些简要的介绍。 式中：Q为应补偿的无功功率，kVar；P为最大负荷月 2．2．1 合理使用电器设备 的平均有功负荷，kW；COS 为补偿前的功率因数；COS 合理选用电器设备，尤其在选择电动机时，既要注 ： 为补偿后的功率因数。 意它们的机械性能，又要考虑它们的型号、规格和容量 在实际应用中，可根据事先计算好的表格查出所 等电器指标 ，使其尽量接近满载运行。从节约电能和 需补偿的无功容量。若用户安装了并联电容器，负荷 提高功率因数的观点出发，运行电动机的负荷一般要 功率因数从COS 提高到COS ，当输送的有功功率 达到额定容量的70％以上，运行才是经济的。若电动 和电压不变时，供电线路和变压器的损耗有所降低。 机长期处于 “大马拉小车”运行，既增大了功率损耗， 其降低的百分数 △P可用式 (2)计算： 又增加了耗电量，最终导致负荷功率因数下降，效率明 AP=1『一f、旦¨×100 (2) 显恶化 。 COS 2， 2．2．2 提高异步电动机的检修质量 供电线路有功功率损耗减少的数值 △P 可用式 实验表明，异步电动机定子绕组匝数变动和电动 (3)计算： 机定、转子问的气隙变动，均会对异步电动机无功功率 AP=()×R×coL,～ ) 的大小产生影响。 (3) 2．2．3 采用同步运行提高功率因数 变压器铜损耗减少值 △P 可用式(4)计算 ： 由电机原理知道，同步电动机消耗的有功功率，取

决于电动机上机械负荷的大小，而无功功率取决于转 AP ㈢。【·一()】‘ 子中的励磁 电流大小，在欠激状态时，定子绕组向电网 (4) “吸取”无功功率，在过激状态时，定子绕组向电网 “送 式中：P为输送有功功率，kw； 为线路电压，kV；R为 出”无功功率。因此 ，只要调节电机的励磁电流，使其 线路 电阻，Q；AP 为变压器额定铜损 ，kW；S 为变压 处于过激状态，就可以使同步电机向电网 “送出”无功 器运行负荷 ，kVA； 为变压器额定容量 ，kVA。 功率，减少电网输送给工矿企业的无功功率，从而提高 假设电力用户安装了容量为Q 的无功补偿设备 了工矿企业的功率因数。异步 电动机 同步运行，就是 后，在投运时间t内所节约的有功功率损耗电量AW 将异步电动机三相转子绕组适当连接，并通人直流励 可近似地用式 (5)计算 ： 磁电流，使其呈同步电动机运行 ，这就是 “异步电动机 AW =Ko·Q口·t (5) 同步化”。因而只要调节电机的直流励磁电流，使其 式中： 为无功功率经济当量，W／Var。(变压器每减 呈过激状态，即能向电网输出无功功率，从而达到提高 少 1个kVar的无功功率消耗所引起的变压器连接系 低压网功率因数的目的。 统有功功率损耗下降之值)。如果计算 值有困难， 2．2．4 合理选择配变容量，改善配变的运行方式 可按变压器受电位置的变压次数及功率因数参照表 1 对负载率比较低 的配变，一般采取 “撤、换、并、 所列数字进行取值。 停 ”等方法，使其负载率提高到最佳值，从而改善电网
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的自然功率因数。 COS 提高，电流 ，相对降低，假设 ，。为补偿前变压器 当然，并不是经补偿后的功率因数越高越好，因为 的电流，，2为补偿后变压器的电流，铜耗分别为 △P ， 补偿装置消耗有功功率发出无功功率，随着补偿容量 AP；铜耗与电流的平方成正比，即 的增加，其有功功率损耗也增加，初始投资增大。就经 APl／AP2=，21／』22 (8) 济运行角度而言，补偿后的功率因数过高或过低均会 此时由于P1=P2，认为 U1 时，12／11=COS 1／ 使总功率损耗增加；若补偿功率因数恰当，能使总有功 COS 即可知，功率因数从0．8提高至0．9时，铜耗相 损耗最小，此时的补偿容量及功率因数称为按经济运 当于原来的80％。

行原则确定的补偿容量及功率因数 。 3．3 降低了线路压降 3 提高电网功率因数的经济意义和社会效应 由于线路传送电流小了，系统的线路电压损失相 应减小，有利于系统电压的稳定 (轻载时要防止超前 用户功率因数的高低，对于电力系统发、供、用电 电流使电压上升过高)，有利于大电机起动。 设备的充分利用，有着显著的影响。提高功率因数不 3．4 增加供电功率。减少用电成本 仅能提高线路或设备输送有功功率的能力，减小发供 对于原有供电设备来讲，在同样的有功功率下，功 电设备的装机容量和投资，降低产品成本，而且能提高 率因数提高，负荷电流减小，因此向负荷传输功率所经 线路电压，减少电压损失，降低 电压波动，有效改善电 过的变压器、开关、导线等配电设备都增加了功率储 能质量，从而达到节能降损的目的。 备，发挥了设备的潜力。对于新建项 目来说，降低了变 3．1 改善功率因数，相当于减少了应缴电费 压器容量，减少了投资费用，同时也减少了运行后的基 根据国家物价局颁布的 《功率因数调整电费办 本电费与电能损耗，这对于电网企业的节能降耗是大 法》规定3种功率因数标准值，相应减少电费： 有好处的。 a)高压供电的用电单位，功率因数在0．9以上； b)低压供电的用电单位，功率因数在0．85以上； 4 结束语 c)低压供电的农业用户，功率因数在0．8以上。 本文介绍了影响电网无功功率的主要因素，给出 对用户来说，由于供电单位对用户实行按功率因 了提高负荷无功功率的基本方法，除了安装常见的无 数调整电费的办法，当功率因数高于其规定标准的，供 功补偿设备之外，还可以通过对用电设备和配电变压 电部门给予奖励，减收电费；低于规定标准的予以罚 器进行优化改造，提高负荷的自然功率因数。同时，本 款，加收电费。根据 《办法》，补偿后的功率因数以分 文还阐述了提高电网功率因数的经济意义与社会效 别不超出0．95、0．94、0．92为宜，因为超过此值，电费 益，不仅减少了用户缴纳的电费，还降低 了电网企业的 并没有减少，相反初次设备增加，是不经济的。 网损率，具有节能

降耗的作用 。 3．2 降低了系统能耗 功率因数的提高，能减少线路损耗及变压器的铜 参 考 文 献 耗。 [1]赵登福，司哲，杨靖．新型变电站电压无功综合控制装置的 例如，设 尺为线路电阻，△P 为原线路损耗，△P 研制 [J]．电网技术，2000，24(6)：14—17． 为功率因数提高后线路损耗 ，则线损减少为： [2]靳龙章 ，丁毓山．电网无功补偿实用技术 [M]．北京 ：中国 AP=AP 一△尸 =3R(I~一 ) (6) 水利水电出版社出版社，1997． 比原来损失减少的百分数为： [3]王正风，徐先勇，司云峰．电力系统无功功率的最优分 A D ， ， 、2 布——等网损微增率准则和最优网损微增率准则的接合 AP'X100％ =1一f l×100％ = 1 ＼，1， [J]．现代电力，2004，21(6)：20-23． [4]刘连光，林峰，姚宝琪．机电一体开关低压无功补偿装置的 f1一下cos'~l1×100％ (7) 开发和应用[J]．电力 自动化设备，2003，23(9)：4648． 、 COS 2， [5]张家安，周德平，张晓春．电力市场中网损分摊问题浅析 式中：11 ；12 。补偿后，由于 [J]．湖北电力 ，2003，27(5)：61-62． [6]黄晓彤，吕炼 ，吕军，等．低压配电网的无功优化补偿 [J]． 功率因数提高，U2>U，为分析方便可认为 u。 农村电气化，2004，26(10)：25-27． 当功率因数从0．70～0．85提高到0．95时，通过 蔡 夏(1971．)，男，高级工程师，主要从事电力系统 自动 上式计算，可求得有功损耗降低20％～45％。 化产品的研究开发工作。 在输送功率 P=3Ulcos 不变情况下，功率因数
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M easuresandSignificancesofImprovingthePowerFactor inPowerSystem CAIXia ，XING Jun。 (1．GuodianNanjingAuotomationCo．，Ltd．，Nanjing210003China； 2．WuhanElectricPowerCanpany，Wuhan430061China) Abstract：Bybriefanalysisofthemainfactorsthatimpactthepowerfactorofdistributiongrid，itcantell thatpowertransformersandasynchronousmotorsareimportantequipmentsconsumingreactivepower，italso pointsouttheimpactonpowerfactorwhensupplyingvoltageexceedstheprescribedlimit．Thispaperdetailed— lyanalyzedreactive-compensationbypara

llelconnectedcapacitor，gotthecalculatingmethodofcompensating capacitorcapability，anddeducedtherelationbetweenimprovingpowerfactorandreducingpowerloss．Mean— while，themethodsthatenhancethenaturalpowerfactorofthesystem werediscussed，andfourmethodswere given，thatis，applyingelectricalequipmentsreasonably，improvingmaintenancequalityofasynchronousno— tors，employing synchronousoperationofsynchronousorasynchronousmotorsto increasepowerfactorand choosingthecapacityofdistributiontransformersinreason，advancingoperatingmodesofdistribution trans— fomr ers．Finally，theeconomicandsocialbenefitsbyimprovingthepowerfactorwereoutlined． Keywords：powerfactor；reactivecompensation；economicbenefit 6 -6 ．6 ．． ． ．-4>．夺 · ·． ．。： ．6 ． ·夺 ·夺 ·夺 ·孛 ·6 ．6 ·夺 ·． · ·-：} ·夺 ·夺 ．-4>·t ·夺 ·-4>·夺 ·-4>·孛 ·夺 · ·． ·． ·孛 ·孛 ·夺 ·夺 ·夺 · ·夺 ·夺 ·．夺 ·夺 ·夺 ·夺 ·