无功功率和功率因数[1]

无功功率和功率因数

在交流电路中，由电源供给负载的电功率有两种；一种是有功功率，一种是无功功率。

有功功率是保持用电设备正常运行所需的电功率，也就是将电能转换为其他形式能量(机械能、光能、热能)的电功率。比如：5.5千瓦的电动机就是把5.5千瓦的电能转换为机械能，带动水泵抽水或脱粒机脱粒；各种照明设备将电能转换为光能，供人们生活和工作照明。有功功率的符号用P 表示，单位有瓦(W)、千瓦(kW)、兆瓦(MW)。

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。比如40瓦的日光灯，除需40多瓦有功功率(镇流器也需消耗一部分有功功率)来发光外，还需80乏左右的无功功率供镇流器的线圈建立交变磁场用。由于它不对外做功，才被称之为“无功”。无功功率的符号用Q表示，单位为乏(Var)或千乏(kVar)。

无功功率决不是无用功率，它的用处很大。电动机需要建立和维持旋转磁场，使转子转动，从而带动机械运动，电动机的转子磁场就是靠从电源取得无功功率建立的。变压器也同样需要无功功率，才能使变压器的一次线圈产生磁场，

在二次线圈感应出电压。因此，没有无功功率，电动机就不会转动，变压器也不能变压，交流接触器不会吸合。为了形象地说明这个问题，现举一个例子：农村修水利需要开挖土方运土，运土时用竹筐装满土，挑走的土好比是有功功率，挑空竹筐就好比是无功功率，竹筐并不是没用，没有竹筐泥土怎么运到堤上呢?

在正常情况下，用电设备不但要从电源取得有功功率，同时还需要从电源取得无功功率。如果电网中的无功功率供不应求，用电设备就没有足够的无功功率来建立正常的电磁场，那么，这些用电设备就不能维持在额定情况下工作，用电设备的端电压就要下降，从而影响用电设备的正常运行。

无功功率对供、用电产生一定的不良影响，主要表现在：

(1)降低发电机有功功率的输出。

(2)降低输、变电设备的供电能力。

(3)造成线路电压损失增大和电能损耗的增加。

(4)造成低功率因数运行和电压下降，使电气设备容量得不到充分发挥。

从发电机和高压输电线供给的无功功率，远远满足不了负荷的需要，所以在电网中要设置一些无功补偿装置来补充无功功率，以保证用户对无功功率的需要，这样用电设备才能在额定电压下工作。这就是电网需要装设无功补偿装置的道理。

2 功率因数

电网中的电力负荷如电动机、变压器等，属于既有电阻又有电感的电感性负载。电感性负载的电压和电流的相量间存在着一个相位差，通常用相位角φ的余弦cosφ来表示。cosφ称为功率因数，又叫力率。功率因数是反映电力用户用电设备合理使用状况、电能利用程度和用电管理水平的一项重要指标。三相功率因数的计算公式为：

式中cosφ——功率因数；

P——有功功率，kW；

Q——无功功率,kVar；

S——视在功率,kV。A；

U——用电设备的额定电压,V；

I——用电设备的运行电流,A。

功率因数分为自然功率因数、瞬时功率因数和加权平均功率因数。

(1)自然功率因数：是指用电设备没有安装无功补偿设备时的功率因数，或者说用电设备本身所具有的功率因数。自然功率因数的高低主要取决于用电设备的负荷性质，电阻性负荷(白炽灯、电阻炉)的功率因数较高，等于1，而电感性负荷(电动机、电焊机)的功率因数比较低，都小于1。

(2)瞬时功率因数：是指在某一瞬间由功率因数表读出

的功率因数。瞬时功率因数是随着用电设备的类型、负荷的大小和电压的高低而时刻在变化。

(3)加权平均功率因数：是指在一定时间段内功率因数的平均值，其计算公式为：

提高功率因数的方法有两种，一种是改善自然功率因数，另一种是安装人工补偿装置

电气回路谐波过载和起火危险的防范

一、线性负载和非线性负载

就谐波的产生而言，电气负载有线性负载和非线性负载之分。如对一负载施加一正弦波波形的电压，其负载电流的波形仍为一正弦波波形而未畸变，其负载线为一直线，则此负载被称作线性负载，例如白炽灯、电阻炉、未磁饱和的电动机之类的负载都是。

如对一电气负载施加一正波波形的电压，其负载电流的波形因带多次谐波电流成分而发生畸变，它不再为正弦波波形，其负载线不是一条直线而是一条曲线，如图2所示，则此负载称之为非线性负载，例如气体放电灯、微波炉、计算机，变频调速设备等负载都是。

电网电压几乎是设有纯粹正弦波波形的，为了便于说明问题，假设它为正弦波形，一个典型的电气装置示意图为例

来说明谐波电流与谐波电压的关系。图中的装置内有线性负载和非线性负载，电源线路的阻抗则以图示的两个阻抗来代表，它包括电气装置内的阻抗（这是主要的阻抗）和公用电网的阻抗。当电流的正弦波电压施加到非线性负载上时其电流波形发生畸变如图示。当此波形畸变的电流流经电流线路阻抗时，阻抗上将产生含有谐波成分的波形畸变的电压降，使负载端的电压波形也发生畸变，此波形畸变的电压施加到线性负载上时，此负载的电流波形也和电压波形一样畸变。这样，电气装置内的电流波形和电压波形互为因果，都发生畸变而带各次谐波，谐波含量过大时就会产生种种危害。

电源线路阻抗越大，谐波电压降越大，电气装置内的谐波电压和谐波电流的含量也越大，减少电流线路阻抗就可减少电气装置内的谐波含量。现时电气装置内的线路主要采用电缆、穿管导线或封闭母线槽，阻抗中的电抗难以再减小，只能减少电阻。我们在设计中常适当放大导线载面以减少线路发热，延长绝缘寿命和提高电压质量。从以上分析可知这样对减少电流线路阻抗从而减少谐波危害也是有好处的。

当电阻为R的导体通过电流I时，产生I2R发热，这个I是有效电流或方均根电流。如果电气回路中除基波（50Hz）电流外还存在多次的谐波电流，导体就额外增加这些谐波的I2R发热，当这些谐波的含量过大时就导致回路过载和断路器跳闸。用一般电磁式电流表是测不出这个过载电流的，这