1、功率因數(shù)的概念

在交流電路中，電源供給負(fù)載的視在功率包括有功功率和無功功率。有功功率是電阻性負(fù)載消耗的功率，即實際消耗的電功率，用P表示，單位為瓦（W）或千瓦（kW）；無功功率并非實際消耗的功率，而是反映電感性負(fù)載或電容性負(fù)載發(fā)生的電源與負(fù)載間能量交換所占用的電功率，用Q表示，單位為乏（var）或千乏（kvar）；視在功率是電壓和電流有效值的乘積，用S表示，單位為伏安（VA）或千伏安（kVA）。按線性負(fù)載來考慮，三者的關(guān)系可用功率三角形來表示，如圖1所示。

圖1：功率三角形

對于三相平衡負(fù)載，視在功率為下式。式中，U為相電壓有效值，U_l為線電壓有效值，I為電流有效值。

S = 3UI =3^1/2 U_l I =（P² + Q²）^1/2

    當(dāng)供電回路中既有電感性負(fù)載又有電容性負(fù)載時，總的無功功率為下式。式中，Q_L為電感的無功功率，Q_C為電容的無功功率。

Q = Q_L-Q_C

有功功率與視在功率之比稱為功率因數(shù)，用λ表示。在線性電路中，功率因數(shù)等于電流與電壓相位差的余弦，即

λ=P/S=（3UI cos Φ）/3UI= cos Φ

功率因數(shù)是反映電力用戶用電設(shè)備合理使用狀況、電能利用程度和用電管理水平的一項重要指標(biāo)。

2、提高功率因數(shù)的意義

提高功率因數(shù)的意義包括可降低線路損耗、可改善電壓質(zhì)量、可提高變壓器利用率和節(jié)約用戶的電費(fèi)開支等等，具體詳見下表2的解釋。

表2：提高功率因數(shù)的意義

3、提高功率因數(shù)的方法

提高功率因數(shù)的方法分為提高自然功率因數(shù)和功率因數(shù)人工補(bǔ)償。

1）提高自然功率因數(shù)

自然功率因數(shù)是指用電設(shè)備自身所具有的功率因數(shù)，其高低與設(shè)備的負(fù)荷率有關(guān)。在通信企業(yè)中，有許多電感性的電氣設(shè)備，如變壓器、電動機(jī)等。據(jù)統(tǒng)計，企業(yè)的無功功率，一般感應(yīng)電動機(jī)占70%，變壓器占20%，線路占10%。由此可見，電動機(jī)和變壓器消耗的無功功率大，自然功率因數(shù)比較低，特別是在空載運(yùn)行時功率因數(shù)更低。為了降低無功功率消耗，提高自然功率因數(shù)，通常可采取下表3-1的措施。

表3-1：提高自然功率因數(shù)的措施

采用提高自然功率因數(shù)的方法是一種最經(jīng)濟(jì)有效的方法。但是，如果變壓器帶有容量大的季節(jié)性負(fù)荷，合理選擇變壓器容量就比較困難。例如中央空調(diào)系統(tǒng)，單機(jī)容量都比較大，從幾十千瓦到上百千瓦，而空調(diào)的使用有季節(jié)性，若只選擇一臺變壓器對全局供電，為使空調(diào)工作時變壓器不過載，變壓器容量只能選得較大，而當(dāng)空調(diào)不工作時，變壓器就工作在輕載狀態(tài)，功率因數(shù)就會顯著降低。對于這種情況，單靠提高自然功率因數(shù)的辦法滿足不了對功率因數(shù)的要求，必須采用無功功率補(bǔ)償?shù)姆椒▉硖岣吖β室驍?shù)。

2）功率因數(shù)人工補(bǔ)償

在一般情況下，用電負(fù)荷多為電感性負(fù)載，常用并聯(lián)電容器的方法來補(bǔ)償功率因數(shù)，原理如圖3-2所示。專門用來補(bǔ)償功率因數(shù)的電容器稱為移相電容器，具有安裝簡單、運(yùn)行維護(hù)方便、有功損耗小和投資少等優(yōu)點。

圖3-2：并聯(lián)電容補(bǔ)償功率因數(shù)原理

圖中，R、L串聯(lián)表示感性負(fù)載，端電壓為ù，電流為?_L，感性負(fù)載使得電流相位滯后電壓相位一個角度，這個角度就是功率因數(shù)角Φ₁。在R、L兩端并聯(lián)電容C，將有電流?_C流過電容，?_C比ù超前90°。并聯(lián)電容后，總電流?是?_L與?_C的相量和，校正后的功率因數(shù)角為Φ₂?？梢?/span>Φ₂<Φ₁，功率因數(shù)得到提高。并聯(lián)電容補(bǔ)償?shù)娜萘浚o功功率）可按下式計算，式中，Q_C為電容器補(bǔ)償?shù)臒o功功率（kvar），P_j為有功功率（kW），Φ₁為補(bǔ)償前的功率因數(shù)角，Φ₂為補(bǔ)償后的功率因數(shù)角。

Q_C=P_j（tan Φ₁-tan Φ₂）

4、移相電容器的型號和補(bǔ)償容量

移相電容器的型號由文字和數(shù)字兩部分組成。例如，YY0.4-12-3，其個符號的含義詳見下表4。

表4：移相電容器的型號中符號的含義

電容器的電容量為C，其容抗為X_C，當(dāng)電容器兩端施加正弦交流電壓U時，它能補(bǔ)償?shù)臒o功功率為Q=U²/X_C = 2πf CU²，即當(dāng)C一定時，電容器能補(bǔ)償?shù)臒o功功率Q與加在電容器上的電壓U的平方成正比。因此并聯(lián)電容器進(jìn)行補(bǔ)償時，宜采用三角形連接，其補(bǔ)償容量為星形連接的3倍。電容器的額定電壓應(yīng)與電力網(wǎng)的額定電壓相符。

5、并聯(lián)電容補(bǔ)償?shù)姆椒?/span>

并聯(lián)電容器補(bǔ)償無功功率通常有以下三種方法。

1）分散補(bǔ)償

分散補(bǔ)償是指將移相電容器就近并聯(lián)在電感性負(fù)載上。若電容器的補(bǔ)償容量選擇得當(dāng)，補(bǔ)償效果明顯。但分散補(bǔ)償維護(hù)工作量大，電容器的利用率低、投資大。這種補(bǔ)償方式只適用于長期運(yùn)行的負(fù)載或容量較大的負(fù)載。

2）低壓集中補(bǔ)償

將移相電容器集中在一起，組成無功功率補(bǔ)償屏，又稱電容補(bǔ)償柜。將電容補(bǔ)償柜并接在變壓器低壓側(cè)的電力母線上進(jìn)行補(bǔ)償。細(xì)分交流負(fù)荷，有的長期使用，有的時用時停，存在一個用電高峰和低谷的問題。若將所有移相電容器接成一組對用電高峰進(jìn)行補(bǔ)償，且滿足對功率因數(shù)的要求，則在用電低谷時就會過補(bǔ)償，造成電壓偏高。因此實際工作中往往將移相電容器分成幾組，一組長期并聯(lián)在電路中對固定不變的負(fù)荷進(jìn)行補(bǔ)償，其余的移相電容器組根據(jù)負(fù)荷的運(yùn)行情況及時投入或撤除，既滿足提高功率因數(shù)的要求，又不會造成過補(bǔ)償。投入或撤除移相電容器可采用人工或自動的方法。電容器是儲能元件，當(dāng)電容器從電源上斷開時，電容器上的電壓等于電路斷開瞬間的電源電壓。因此撤除的移相電容器應(yīng)考慮放電，一般采用燈泡來放電。

3）高壓集中補(bǔ)償

高壓集中補(bǔ)償就是將電容補(bǔ)償柜移到變壓器的高壓側(cè)。在高壓側(cè)補(bǔ)償?shù)难a(bǔ)償效果比在低壓側(cè)好，但移相電容器即使接成星形，電容器承受的電壓也很高，易造成電容器爆炸，同時高壓操作需要專門的輔助電源和操作機(jī)構(gòu)，維護(hù)操作困難，因此在通信企業(yè)中多采用低壓集中補(bǔ)償。

6、功率因數(shù)自動調(diào)節(jié)

功率因數(shù)自動調(diào)節(jié)是指在電容補(bǔ)償柜中設(shè)置了自動調(diào)節(jié)裝置，能根據(jù)電網(wǎng)電壓和負(fù)載的變化及時投入或撤除電容器組，以保證功率因數(shù)符合要求。電網(wǎng)電壓的波動和負(fù)載的啟動會造成瞬時功率因數(shù)的波動，為避免自動調(diào)節(jié)裝置的執(zhí)行機(jī)構(gòu)誤動作，自動調(diào)節(jié)裝置應(yīng)采取延時投入和延時撤除的方式。

下圖6為電容補(bǔ)償柜一次電路原理圖，圖中移相電容器組均采用三角形接法，一組作為固定補(bǔ)償，其余的根據(jù)電網(wǎng)電壓和負(fù)荷的變化自動投撤。采用交流接觸器作為自動調(diào)節(jié)裝置的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，自動調(diào)節(jié)裝置的設(shè)計方案很多，其基本原理分時間型自動控制和功率因數(shù)型自動控制。時間型自動控制是預(yù)先設(shè)計好時間段，按時讓交流接觸器動作或斷開，從而投入或撤除電容器組。功率因數(shù)型自動控制是采用取樣信號與基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，其差值經(jīng)放大、變換后去控制交流接觸器的動作，從而投入或撤除電容器組。取樣信號可采集母線電壓的高低、功率因數(shù)的大小、無功電流的大小等。具體工作原理不再贅述。

圖6：電容補(bǔ)償柜一次電路原理圖

功率因數(shù)補(bǔ)償應(yīng)避免補(bǔ)償電容與電路的電感形成諧振，從而導(dǎo)致過電壓。不宜一味追求高功率因數(shù)，在一般情況下確定補(bǔ)償后的功率因數(shù)在0.9~0.95之間便可，要嚴(yán)格防止過補(bǔ)償。此外還需注意，如果利用移相電容器將功率因數(shù)提高到0.95，供電系統(tǒng)有可能在5次或7次諧波發(fā)生諧振，導(dǎo)致系統(tǒng)工作異常，這時可在移相電容電路中串聯(lián)小電感，使諧振頻率不在系統(tǒng)諧波頻率的范圍內(nèi)。

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