摘要：功率因素是用电设备的一项重要指标参数，也是国家电网作为节能指标对各用电设备进行考核的重要考核项目。盾构机作为一个超大型综合设备，其包含的用电设备也是各种各样，各种不同的用电设备在不同的地质工况下，其功率因素也大不一样。因此如何合理的对整机综合功率因素做出分析，并制定相应对策，尤为重要。
关键词：盾构机；不同地质情况；功率因数；软土地质
引言
在城市地铁施工建设中，盾构施工是应用最广泛的一种形式。在盾构施工过程中，可能面临着不同的地质情况。根据不同地质情况的特点，盾构机上各种用电设备在使用过程中反映出来的功率因数也大不一样。这样使得盾构机在进行综合功率因数改善对策时，需全面考虑各种工况下的不同表现，以确保能全面覆盖各类地质条件。本文详细介绍了盾构机在软土地质条件下功率因数情况及相关对策。
1功率因数的产生及其影响
功率因数的含义为消耗的有功功率/消耗的视在功率。在交流电路中，直观反映为电压与电流之间的相位差（Φ）的余弦值，一般使用cosΦ表示。即cosΦ=P/S。
大家都知道，在常规电路中，常用的负载一般能分为3种，分别为：电阻类、电容类及电感类。电阻类负载有电热器、白炽灯灯等。该类负载主要以发热功效为主，因此在电路中的不会影响到电压及电流的相机角，故可以默认为效率为100%。电感类负载有电机、线圈等。由于电感类负载的在交流电路中，会将电能转换为磁场储存起来，造成电流角滞后。最终使得电压曲线与电流曲线无法有效重合，影响实际输出功率值。电容类负载主要有补偿器等。该类型负载在电路中，会将电能转换为电场储存起来，造成电压角的滞后。也很使得电压曲线与电流曲线无法有效重合，影响实际输出功率值。
由上述表述可知，电感性负载及电容性负载的储能特性使得电路中的电压与电流在实际使用中会形成相位差，最终形成该电路系统的功率因素。相位差越大，功率因数越低。
在功率因数的公式中可以看出，在一定数量的有功功率下，用电企业cosΦ越小，其视在功率越大，为了满足用电需求，供电线路和变压器的容量也越大，这样不仅增加了供电投资，降低设备利用率，也将增加线路网损。例如一台2000kva的变压器在功率因数为1的情况下，能负载的容量为2000kW。但如果负载的功率因数cosΦ=0.8，则该变压器能负载的容量仅为1600kW，容量利用率差，且cosΦ越小，容量利用越不充分。
此外，在一定的电压下向负载输送一定的有功功率时，负载的功率因数越低，通过电线的电流就会越大，导线电阻的能量损耗和导线阻抗的压差越大，进一步造成输电线路中的电能损耗。因此，功率因数是电力经济中的一个重要考核指标。
2如何提高系统功率因数
根据上文功率因数的相关表述，我们能得到下述结论：
1、系统功率因数的产生是由于电路中的电感性负载及电容性负载的储能特性导致电流或电压曲线滞后产生相位差导致。
2、提升功率因数的最根本手段是减小电路中电流与电压的相位差角。以使得电流曲线与电压曲线重合，形成最佳功率因数。
综上所述，我们可以直观的得出，提升功率因数的相关措施有两种：
1、减少电路中电感性及电容性负载，可有效提升系统综合功率因数。
2、想办法减少电流和电压之间的相位差，也可以提升功率因数。
而在实际使用中，电路中的感性负载是不可避免的。电动机作为感性负载的代表，大量存在于各类工业电气设计中，且电机的电磁转换功能将电能转换为磁场能最终形成机械能输出的作用，是现阶段电能利用的一大重要方向。因此单纯靠减少电动机等功率因数相对较低的设备显得不贴切实际。从而希望通过调整负载形式以提升功率因数的方法行不通。
因此，想要提升系统的功率因数，只能从减小电压及电流的相位差角来想办法。
现阶段的电气系统设计中，也绝大多数是通过减小电压与电流相位角，从而来提升提升系统功率因数。
为了搞清楚该方法的最终原理，首先让我们来看一下在不同的负载类型的情况下，电路中电流与电压的相对关系。（详见图1）
图1 不同负载类型下电压与电流间的关系
电阻型负载 电感型负载 电容型负载
由上图可以看出，在电阻型负载的电路中，负载以发热为主，不会影响到电路的整体电压、电流特性，故电压和电流的相位角为0。此时电压、电流曲线重合，电路功率因数为最佳功率因数。
在电感型负载中，由于电感对电流的存储功能，使得电流的曲线滞后于电压的曲线，最终形成电压与电流的相位角为θ1。
而在电容型负载中，由于电容对电压的存储功能，使得电压的曲线滞后于电流的曲线，最终形成电压与电流的相位角为θ2。
因此，我们最终得出可以通过调整电路中的电感型负载及电流型负载的比值，使得在同一电路中电感型负载的相位差θ1=电容型负载的相位差θ2，使得电路中电流与电压的曲线相对位置重合重合，最终形成最佳功率因数。
反馈到最终电气系统中，就是根据现有的电感型负载（电动机）计算得出电容型负载（补偿电容）的值，根据计算结果增加相应补偿电容，使得电路中电压电流相位差为0。最终实现提升系统综合功率因数。
3盾构机额定工况下综合功率因数计算
根据功率因数的计算公式cosΦ=P/S，可以得出，只要我们能知道系统有功功率及视在功率的数值，理论上我们能得出该系统的功率因数。我们通过统计用于作为示例的常规复合型盾构机上相关负载的理论数值，最终计算得出盾构机综合功率因数如下：（详见表1）
表1.盾构机综合功率因数计算
备注：1、计算公式为：P=cosΦ ×S
2、负载电机额定功率因数查某品牌电机使用手册得出。
根据对整机正常运行时的功率因数进行理论计算，我们得出盾构机整机装机功率为1592kW，考虑无功功率损耗后整机实际功率为1465kW，经综合折算，该盾构机的综合功率因数为0.92。
查相关国标规定，要求工业型设备综合功率因数不得低于0.9，该盾构机综合功率因数为0.92、大于国标要求值。满足相关设计要求。
4软土地质下盾构机各工作状态下的实际使用情况
在引言中，我们已经得知，盾构机作为复合型土体施工设备，其面对着地下各种不同的地质条件，而我们前期设计及计算的相关理论值都是依托于理想工况下（额定工况）进行的设计，无法有效覆盖特殊地质下的使用情况，特别是在软土地质中。
盾构机在软土地质中运行时，由于软土地质的特殊性（硬度小、松散、流动性强），盾构机机使用情况综合反馈为推力小、推进速度快、螺旋机负载小、刀盘力矩小等特点。并且推进速度快最终直接导致设备待机及拼装管片的时间变长。（详见表2）
表2.盾构机在软土地层中各工况功率情况及时间占比
根据上述表格内容，经过对设备实际使用情况考察得出：该盾构在软土地质中大量电动机由于软土地质的特点，会长时间处于低载或空载状态（详见表3），使得大部分电动机无法在额定负载下运行。由于同一电动机在不同负载率时，其功率因数的值将随着负载率的降低而降低。以标准的90kW电机为例，负载率为1时，其功率因数为0.87；负载率为0时（空载），其功率因数仅为0.2（详见表4）
表3.盾构机在软土地层中各工况用电情况
表4.电机负载率与功率因数对照表
在引入表4中关于电机负载率与电机功率因数的关系后，经现场考察得知，在软土地质下大部分电机的负载都无法达到额定负载。所以，我们基于额定工况下对整机功率因数的理论计算不符合实际情况，故需要按照实际工况下的负载率以及实际输出功率对盾构机在软土地质条件下的综合功率因数进行重新核算。（详见表5）
表5.软土地质条件下盾构机综合功率因数计算
备注：1、变频器控制电机及其他影响的电机功率因数仍按额定功率因数进行计算。
2、表格中各电机实际功率为现场数据采集结果。
3、计算公式：视在功率S=实际功率P/实际功率因数
综合功率因数=总实际功率/总视在功率
对照实际运行数据进行相应计算后得出，我们最终得出在软土地质中，盾构机由于负载小，大量电机都处于低负载率的情况，所以综合功率因数无法达到额定状态。经计算，在软土地质情况下，该盾构机机综合功率因数仅为0.827。不满足国家标准中功率因数需大于0.9的要求。
5软土地质下盾构机功率因数改善对策
根据前面得出的结论，我们可以通过调整电路中的电感型负载及电流型负载的比值，使得在同一电路中电感型负载的相位差θ1=电容型负载的相位差θ2，使得电路中电流与电压的曲线相对位置重合重合，最终形成最佳功率因数。因此，为了改善整机综合功率因数，我们需要计算所需增加的电容量。
根据功率因数角关系（详见图2），我们根据勾股定理可以得出S2=P2+Q2。（S：视在功率；P：实际功率；Q：无功功率）
图2 功率因数角
已知盾构机在软土地质下的实际功率P为636kW，视在功率S为768kW。根据计算公式得出
Q=
=
=430.5kvar
根据计算得出，在软土地质下，盾构机实际运行过程中产生的无功功率约为430，.5kvar。如果我们使用同等数量的电容进行功率补偿，就能保证系统综合功率因数达到最佳值。
6结论
盾构机作为工程机械之王，不仅仅是因为其结构功能复杂。还取决于其能面对各种不同的地质条件。我们在进行相关设备设计时，不能简单的以理想工况进行设计，而应该多方面考虑不同地质条件下，盾构机的实际工作状态。本文针对盾构机的综合功率因数进行了详细计算，并对比了盾构机在软土地层中整机综合功率因数与额定工况下的差别，最终得出盾构机在软土地质下自身综合功率因数无法满足国标要求，需要通过增加一定量的补偿电容后方能达到设计要求。
参考文献：
[1]陆安定.功率因数与无功补偿.上海科学普及出版社，2004
[2]杨惠.无功补偿技术对低压电网功率因数的影响.电力系统保护与控制，2007
[3]赵斐.无功补偿技术在电气自动化中的应用浅析.工程技术文摘版，2016
论文作者:马智敏
论文发表刊物:《基层建设》2019年第16期
论文发表时间:2019/8/27
标签：功率因数论文; 负载论文; 盾构论文; 电流论文; 电压论文; 功率论文; 相位差论文; 《基层建设》2019年第16期论文;