1、功率因數的概念

在交流電路中，電源供給負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，而是反映電感性負載或電容性負載發生的電源與負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）。按線性負載來考慮，三者的關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

    當供電回路中既有電感性負載又有電容性負載時，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，用λ表示。在線性電路中，功率因數等于電流與電壓相位差的余弦，即

λ=P/S=（3UI cos Φ）/3UI= cos Φ

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

2、提高功率因數的意義

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

表2：提高功率因數的意義

3、提高功率因數的方法

提高功率因數的方法分為提高自然功率因數和功率因數人工補償。

1）提高自然功率因數

自然功率因數是指用電設備自身所具有的功率因數，其高低與設備的負荷率有關。在通信企業中，有許多電感性的電氣設備，如變壓器、電動機等。據統計，企業的無功功率，一般感應電動機占70%，變壓器占20%，線路占10%。由此可見，電動機和變壓器消耗的無功功率大，自然功率因數比較低，特別是在空載運行時功率因數更低。為了降低無功功率消耗，提高自然功率因數，通常可采取下表3-1的措施。

表3-1：提高自然功率因數的措施

采用提高自然功率因數的方法是一種最經濟有效的方法。但是，如果變壓器帶有容量大的季節性負荷，合理選擇變壓器容量就比較困難。例如中央空調系統，單機容量都比較大，從幾十千瓦到上百千瓦，而空調的使用有季節性，若只選擇一臺變壓器對全局供電，為使空調工作時變壓器不過載，變壓器容量只能選得較大，而當空調不工作時，變壓器就工作在輕載狀態，功率因數就會顯著降低。對于這種情況，單靠提高自然功率因數的辦法滿足不了對功率因數的要求，必須采用無功功率補償的方法來提高功率因數。

2）功率因數人工補償

在一般情況下，用電負荷多為電感性負載，常用并聯電容器的方法來補償功率因數，原理如圖3-2所示。專門用來補償功率因數的電容器稱為移相電容器，具有安裝簡單、運行維護方便、有功損耗小和投資少等優點。

圖3-2：并聯電容補償功率因數原理

圖中，R、L串聯表示感性負載，端電壓為ù，電流為?_L，感性負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角Φ₁。在R、L兩端并聯電容C，將有電流?_C流過電容，?_C比ù超前90°。并聯電容后，總電流?是?_L與?_C的相量和，校正后的功率因數角為Φ₂。可見Φ₂<Φ₁，功率因數得到提高。并聯電容補償的容量（無功功率）可按下式計算，式中，Q_C為電容器補償的無功功率（kvar），P_j為有功功率（kW），Φ₁為補償前的功率因數角，Φ₂為補償后的功率因數角。

Q_C=P_j（tan Φ₁-tan Φ₂）

4、移相電容器的型號和補償容量

移相電容器的型號由文字和數字兩部分組成。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，當電容器兩端施加正弦交流電壓U時，它能補償的無功功率為Q=U²/X_C = 2πf CU²，即當C一定時，電容器能補償的無功功率Q與加在電容器上的電壓U的平方成正比。因此并聯電容器進行補償時，宜采用三角形連接，其補償容量為星形連接的3倍。電容器的額定電壓應與電力網的額定電壓相符。

5、并聯電容補償的方法

并聯電容器補償無功功率通常有以下三種方法。

1）分散補償

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

2）低壓集中補償

將移相電容器集中在一起，組成無功功率補償屏，又稱電容補償柜。將電容補償柜并接在變壓器低壓側的電力母線上進行補償。細分交流負荷，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行補償，且滿足對功率因數的要求，則在用電低谷時就會過補償，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，一組長期并聯在電路中對固定不變的負荷進行補償，其余的移相電容器組根據負荷的運行情況及時投入或撤除，既滿足提高功率因數的要求，又不會造成過補償。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考慮放電，一般采用燈泡來放電。

3）高壓集中補償

高壓集中補償就是將電容補償柜移到變壓器的高壓側。在高壓側補償的補償效果比在低壓側好，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構，維護操作困難，因此在通信企業中多采用低壓集中補償。

6、功率因數自動調節

功率因數自動調節是指在電容補償柜中設置了自動調節裝置，能根據電網電壓和負載的變化及時投入或撤除電容器組，以保證功率因數符合要求。電網電壓的波動和負載的啟動會造成瞬時功率因數的波動，為避免自動調節裝置的執行機構誤動作，自動調節裝置應采取延時投入和延時撤除的方式。

下圖6為電容補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，一組作為固定補償，其余的根據電網電壓和負荷的變化自動投撤。采用交流接觸器作為自動調節裝置的執行機構，自動調節裝置的設計方案很多，其基本原理分時間型自動控制和功率因數型自動控制。時間型自動控制是預先設計好時間段，按時讓交流接觸器動作或斷開，從而投入或撤除電容器組。功率因數型自動控制是采用取樣信號與基準電壓進行比較，其差值經放大、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：電容補償柜一次電路原理圖

功率因數補償應避免補償電容與電路的電感形成諧振，從而導致過電壓。不宜一味追求高功率因數，在一般情況下確定補償后的功率因數在0.9~0.95之間便可，要嚴格防止過補償。此外還需注意，如果利用移相電容器將功率因數提高到0.95，供電系統有可能在5次或7次諧波發生諧振，導致系統工作異常，這時可在移相電容電路中串聯小電感，使諧振頻率不在系統諧波頻率的范圍內。

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