摘要： 对广大供电企业来说，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，而且关系到节约用电和整个供电区域的供电质量，这是众所周知的道理。因此，提高电力系统的功率因数，已成为电力工业中一个重要课题，而提高电力系统的功率因数，首先就要提高各用户的功率因数。文中简要集中探讨了影响电网功率因数的主要因素以及高低压无功补偿的几种使用方法，以及确定无功补偿容量从而提高电力系统功率因数的一般方法。
关键词：功率因数；影响因素；补偿方法；容量确定
许多用电设备均是根据电磁感应原理工作的，如配电变压器、电动机等，它们都是依靠建立交变磁场才能进行能量的转换和传递。为建立交变磁场和感应磁通而需要的电功率称为无功功率，因此，所谓的"无功"并不是"无用"的电功率，只不过它的功率并不转化为机械能、热能而已；因此在供用电系统中除了需要有功电源外，还需要无功电源，两者缺一不可。
在功率三角形中，有功功率P与视在功率S的比值，称为功率因数COSφ，其计算公式为：
COSφ=P/S
在电力网的运行中，功率因数反映了电源输出的视在功率被有效利用的程度，我们希望的是功率因数越大越好。这样电路中的无功功率可以降到最小，视在功率将大部分用来供给有功功率，从而提高电能输送的效率。
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。用电功率因数变化直接影响系统有功功率和无功功率的比例变化，如用电COSφ过低，会使发电机多发无功功率，影响有功功率的输出，而无功功率输出输送得越多，线路的电压损耗就越大，送至用电末端的电压就越低。
电压损耗ΔU的大小可近似为
ΔU=PR/U+QX/U
式中：U为线路额定电压；P为线路输送有功功率
Q为线路输送无功功率；R为线路电阻；X为线路电抗
从上式可以看出，电压损耗是由两部分组成，一部分由输送有功负荷P产生，另一部分由输送无功功率Q产生。在电网中配电线路的电抗X要比电阻R大2-4倍。若X/R=3，则输送无功功率和有功功率数值相等，则输送无功负荷产生的电压损耗比输送有功负荷产生的电压损耗要大3倍，由此说明线路电压损耗的大部分是输送无功负荷产生。变压器的电抗X比电阻R要大5-10倍，因此变压器的电压损耗几乎全部是输送无功负荷产生的，所以提高企业用电功率因数，减少线路和变压器输送的无功功率，即可有效的降低电压损耗，改善电能质量。
我厂供电方式为35kV进线经主变变为6kV再由分变压器变为0.4kV供生产所用。厂内现在采用两级网络电容器功率因数补偿方式，即6kV侧高压电容器补偿，及0.4kV侧低压网络补偿。6kV侧高压补偿采用集中补偿，400kVar采用负荷高压开关保护，400kVar以上采用高压断路器保护控制及避雷器并接方式连接保护，每只高压电容器都有熔断器保护，电容器有三角、星型连接，星型接法不仅具有补偿作用，而且还有系统消除谐振作用。6kV投入电容器的总容量约为主变变压器的容量的1/3,6kV侧根据功率因数大小采用人工投切，0.4kV低压网络采用自动补偿投切。
1.影响功率因数的主要因素
1.1电感性设备和电力变压器是耗用无功功率的主要设备
大量的电感性设备，如异步电动机、感应电炉、交流电焊机等设备是无功功率的主要消耗者。据有关的统计，在工矿企业所消耗的全部无功功率中，异步电动机的无功消耗占了60％～70％；而在异步电动机空载时所消耗的无功又占到电动机总无功消耗的60％～70％。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。电力变压器消耗的无功功率一般约为其额定容量的10％～15％，它的空载无功功率约为满载时的1/3。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期处于低负载运行状态。
1.2供电电压超出规定范围也会对功率因数造成很大影响
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。
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，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。
2.低压网提高自然功率因数方式
提高自然功率因数是不需要任何补偿设备投资，仅采取各种管理上或技术上的手段来减少各种用电设备所消耗的无功功率，这是一种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做一些简要的介绍。
2.1提高自然功率因数COSφ，合理选用电动机容量
合理选择电动机，使其尽可能在高负荷率状态下运行。在选择电动机时，既要注意它们的机械特性，又要考虑它们的电气指标。异步电动机在额定负荷运行时COSφ改为0.85-0.89，在空载和轻载运行时功率因数COSφ及效率都要降低，空载COSφ为0.2-0.3。正确选择异步电动机使用容量与拖动负荷适当配合，达到合理运行，对COSφ非常重要。因为电网中消耗无功功率电动机占70%左右，所以选择电动机额定容量时应考虑负荷经常处于75%以上为宜，若负荷小于75%，余量过大，不仅不经济增加设备投资且用电不合理，费电，应根据需（运行）实际需要，随时调整电动机安装容量。举例说，三相异步电动机（100KW）在空载时功率因数仅为0.11，1/2负载时约为0.72，而满负载时可达0.86。所以核算负荷小于40%的感应电动机，应换以较小容量的电动机，并合理安排和调整工艺流程，改善运行方式，限制空载运转。故从节约电能和提高功率因数的观点出发，必须正确合理的选择电动机的容量。
2.2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、转子间的气隙变动是对异步电动机无功功率的大小有很大影响。因此检修时要特别注意不使电动机的气隙增大，以免使功率因数降低。
2.3采用同步电动机或异步电动机同步运行补偿
由电机原理可知，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状态，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，即可以向电网输出无功，从而达到提高低压网功率因数的目的。
2.4提高自然功率因素选用合理变压器
变压器是电能转换过程中效率较高的电气设备。变压器在运行中电能损耗是不可忽视的，变压器空载无功需要量为额定容量的5%，电网所需无功功率中25%-30%消耗在变压器中。变压器实际负荷与额定容量相差太大或长时间空载运行将会降低功率因数，增加电能损耗，一般变压器实际负荷为额定容量的60%-70%时为最佳，合理调换轻载变压器，减少变压器容量，有利于提高COSφ。如：对于平均负荷小于30%的变压器宜从电网上断开，通过联络线提高负荷率。
通过以上一些提高加权平均功率因数和自然功率因数的叙述，或许我们已经对“功率因数”这个简单的电力术语有了更深的了解和认识。知道了功率因数的提高对电力企业的深远影响，下面我们将简单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。
2.5怎样通过控制设备空负荷运行来提高功率因数COSφ
控制电动机、电焊机空载损耗，合理调整工艺以提高COSφ，改善设备运行状况，工厂中的电焊机都存在周期性、间歇性的空载运行情况，其空载运行时间几乎占全部工作时间的50%-60%，特别是拖动机床的电动机及电焊机作业条件，间歇性停机时空载有功损耗占额定容量的1%-2.5%，空载无功功率占额定容量8%-9%，空载视在功率相当于额定容量的10%，COSφ为0.2-0.3，因此对间歇性空载运行的电动机和电焊机应安装空载自动断电装置，不仅可提高COSφ，还可节约用电。
3.功率因数的人工补偿
功率因数是工厂电气设备使用状况和利用程度的具有代表性的重要指标，也是保证电网安全、经济运行的一项主要指标。供电企业仅仅依靠提高自然功率因数的办法已经不能满足工厂对功率因数的要求，工厂自身还需要装设补偿装置，对功率因数进行人工补偿。
3.1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三种：随机补偿、随器补偿和跟踪补偿。下面简单介绍这三种补偿方式的适用范围及使用该种补偿方式的优缺点。
3.1.1随机补偿
随机补偿就是根据个别用电设备对无功的需要量将单台或多台低压电容器组分散地与用电设备并接，它与用电设备共用一套断路器。通过控制、保护装置与电机同时投切。随机补偿适用于补偿个别大容量且连续运行(如大中型异步电动机)的无功消耗，以补励磁无功为主。此种方式可较好地限制农网无功峰荷。
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，不会造成无功倒送，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、事故率低等优点。
3.1.2随器补偿
随器补偿是指将低压电容器通过低压开关接在配电变压器二次侧，以无功补偿配电变压器空载无功的补偿方式。配变在轻载或空载时的无功负荷主要是变压器的空载励磁无功，对于轻负载的配变而言，这部分损耗占供电量的比例很大，从而导致电费单价的增加，不利于电费的同网同价。
随器补偿的优点：接线简单、维护管理方便、能有效地补偿配变空载无功，从而提高配变利用率，降低无功网损，具有较高的经济性，是目前无功补偿中常用的手段之一。
3.1.3跟踪补偿
跟踪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大用户0.4KV母线上的补偿方式。适用于100KVA以上的专用配电用户，可以替代随机、随器两种补偿方式，补偿效果好。
3.2静电电容器补偿
静电电容器即电力电容器。利用电容器进行补偿，具有投资省、有功功率损耗小、运行维护方便、故障范围小等优点。但当通风不良、运行温度过高时，油介质电容器易发生漏油、鼓肚、爆炸等故障。
当企业感性负载比较多时，它们从供电系统吸取的无功是滞后（负值）功率，如果用一组电容器和感性负载并联，电容需要的无功功率是超前（正值）功率，如果电容器选的合适，令Qc+Ql=0，这时企业已不需要向供电系统吸取无功功率，功率因数为1，达到最佳值。
3.2.1电容器补偿容量的确定
电力电容器的补偿容量Qc可按下式计算：
Qc=α·Pjs（tgφ1-tgφ2）
式中
Pjs——最大有功计算负荷，KW
tgφ1、tgφ2——补偿前、后功率因数角的正切值
α——平均负荷系数，一般取0.7～1，视Pjs的计算情况而定。如果在计算时已采用了较小系数值，α可取1。
某些已进行生产的工矿企业，可由下式确定其有功电能消耗量：
Ap=Pjs·Tmax·p (kW·H)
式中
Ap——有功电能消耗量
Pjs——有功计算负荷
Tmax·p——最大有功计算负荷年利用小时数
3.2.2并联补偿移相电容器，应满足以下电压和容量的要求
Ue·c≥Ug·c
nQg·c≥Qc
式中
Ue·c——电容器的额定电压（kV）
Ug·c——电容器的工作电压（kV）
n——并联的电容器总数
Qg·c——电容器的工作容量（kvar）
Qc——电容器的补偿容量（kvar）
3.2.3厂内的部分配电网补偿情况
图3-1 厂内配电网系统示意图
如图3-1，厂内原先2#主变功率因数COSφ约为0.8，达不到0.9以上，每年都要被罚款，而且在南厂开关室（C段）812断路器因过负荷而动作跳闸数次，引起南厂部分停电；在北厂第二开关室（D段）702断路器也有数次过负荷跳闸。经过测算、统计，2#主变有功功率大约为8000kW-15000kW之间波动运行，2#主变总容量为20000kVA。取平均值得P=12000kW，根据计算COSφ1=0.8，要求提高至COSφ2=0.95左右，则增加电容器容量计算值为由公式Q=P(tgφ1-tgφ2)=12000*（0.75-0.33）=4800kVar
即COSφ1=0.8提高至COSφ2=0.95补偿至为kVar/kW=0.4/1，即1kW要投入补偿值为0.4kVar。
因此在南厂开关室（C段）处投入两组电容器组每组为1200kVar，△型接法并接；同理在北厂第二开关室（D段）也投入两组电容器组每组为1200kVar，△型接法并接。投运后，最高功率因数COSφ可达0.96，通过人工调整COSφ保持在0.9以上运行。每组电容器组1200kVar运行电流为110A左右，由此功率因数COSφ达标后，不再受到供电公司的罚款；同时将南开812#柜和北开702#柜继电保护整定值相应调整，保证了无过负荷跳闸，运行正常，保护可靠。
3.3动态无功功率补偿
动态无功功率补偿一般应用于用电容量大、生产过程其负载急剧
变化且具有重复冲击性的大型钢铁企业。这种波动频繁、急剧、幅值很大的动态无功功率，采用调相机或固定电容器进行补偿已远远满足不了要求，目前一般采用的新型动态无功功率补偿设备是静止无功补偿器。它具有稳定系统电压、改善电网运行性能、动态补偿反应迅速、调节性能优越等优点。我厂内新气阀、新基地一联、二联、三联等变电室就是运用TSC动态跟踪补偿装置，该系统补偿装置由光纤触发控制系统、阀控系统、电抗器、电容器、保护元件等单元组成，控制系统由微机实时监测，智能条件，利用大功率晶闸管串联组成交流无触头开关。可实现多级电容器组快速过零投切，确保投切电容器无冲击、无涌流、无过渡过程，响应时间小于20ms，具有降低网损，节约电能，提高供电质量的特点。
3.4分相补偿
在民用建筑中大量使用的是单相负荷，照明、空调等由于负荷变化的随机性大，容易造成三相负载的严重不平衡，尤其是住宅楼在运行中三相不平衡更为严重。由于调节补偿无功功率的采样信号取自三相中的任意一相，造成未检测的两相要么过补偿，要么欠补偿。如果过补偿，则过补偿相的电压升高，造成控制、保护元件等用电设备因过电压而损坏；如果欠补偿，则补偿相的回路电流增大，线路及断路器等设备由于电流的增加而导致发热被烧坏。这种情况下用传统的三相无功补偿方式，不但不节能，反而浪费资源，难以对系统的无功补偿进行有效补偿，补偿过程中所产生的过、欠补偿等弊端更是对整个电网的正常运行带来了严重的危害。
对于三相不平衡及单相配电系统采用分相电容自动补偿是解决上述问题的一种较好的办法，其原理是通过调节无功功率参数的信号取自三相中的每一相，根据每相感性负载的大小和功率因数的高低进行相应的补偿，对其它相不产生相互影响，故不会产生欠补偿和过补偿的情况。
结束语：
本文浅谈了功率因数对广大供电企业的影响以及提高功率因数所带来的经济效益和社会效益，介绍了影响功率因数的主要因素以及提高功率因数的一般方法，还阐述了如何确定无功功率的补偿容量及无功功率的三种人工补偿的具体方式。
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论文作者:刘亦骄
论文发表刊物:《电力设备》2018年第31期
论文发表时间:2019/4/22
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