关于“功率因数”和“自然功率因数”
关于“功率因数”和“自然功率因数”
2007-12-28 14:39:25
一 “功率因数”
1　功率因素低对电网的危害
功率因数是指电力网中线路的视在功率供给有功功率的消耗所占百分数。
1.1 功率因数低增加发电机损耗
电网中工业负载较高，绝大多数工业负载是电动机，电动机的静子是线圈，用电时电流与电压是不同波形的。电流总是落后于电压的变化曲线。如电流的正弦波曲线落后电压约30度。根据有功功率公式P = UI Cosφ，传输相同数值有功功率，如果Cosφ太小，电流必然大，在传输线路上功率损耗P = I2 R必然大。 还有因为电流落后于电压，在发电或传输线路上对它要进行修正和补偿，使电压与电流的正弦波曲线变体同步，需提高发电机励磁电流(导致励磁功率上升)，同时会提升发电机工作电压，因此传送的无功功率高即功率因数Cosφ小会使传
输电压上升。 电机工作电压高会导致发电机损耗加大，同时也会使发电机绝缘线圈温度上升，寿命缩短，提高功率因素Cosφ减轻发电机绝缘压力。
1.2 功率因素影响电网系统电压
电压是电能质量的重要指标之一，电压质量对电网稳定及电力设备安全运行、线路损失、工农业安全生产、产品质量、用电单耗和人民生活用电都有直接影响。无功电力是影响电压质量的一个重要因素，电压质量与无功是密不可分的。
在现代用电企业中，在数量众多、容量大小不等的感性设备连接于电力系统中，以致电网传输功率除有功功率外，还需无功功率。电力系统的设备负荷自然功率因素约为0.6-0.9。无功功率电源应包括发电机、变电站的无功补偿装置及用户的无功补偿装置。当系统无功缺额时，根据系统无功功率负荷的静态电压特性曲线（如图一），在正常情况下，系统无功功率电源所提供的无功功率Qgcn，由无功功率平衡的条件Qgcn-Qld-Ql=0（即系统所提供的无功功率等于系统设备所需的无功功率与系统损耗的无功功率之和）决定的电压为Un，设此电压对应于系统正常的电压水平。但假如系统无功功率电源提供的无功功率仅为Qgc(Qgc<Qgcn)，此时虽然系统中的无功功率也能平衡，但平衡条件所决定的电压水平为
U，而U显然低于Un。在这种情况下，虽然可以采取某些措施，如改变某台变压器的变比来提高局部地区的电压水平，但整个系统的无功功率仍然不足，系统的电压质量得不到全面改善。这种平衡是系统无功功率不足时达到的平衡，是由于系统的电压水平下降，无功功率负荷本身具有的电压调节效应，使全系统的无功功率需求有所下降而达到的平衡，是由于系统的电压水平下降，无功功率负荷本身具有的电压调节效应，使全系统的无功功率需求有所下降而达到的。
当无功缺额情况严重时，用户将竭力调用大容量用电设备，使功率因数进一步降低，系统无功负荷愈加愈大，电压水平更低，形成恶性循环，最后造成电压崩溃，系统瓦解而大面积停电。
1.3功率因素影响电网的无功潮流分布
无功功率的产生基本上不消耗能源，但是无功功率沿电力网传送却要引起有功功率损耗和电压损耗。如能合理的配置无功功率补偿即提高用户端的功率因素，减少无功功率穿越，优化电网的无功潮流分布，同时减少有功功率损耗和电压损耗。
电压与无功功率是与频率与有功功率一样，是一对对立的统一体。当无功负荷与无功出力相平衡时，电压就正常，达到额定值，而当无功负荷大于无功出力时，电压就下降，反之，电压就会上升。
但电压与无功功率之间的关系要比频率与有功功率之间的关系复杂得多。有功功率和无功功率
在一个并列运行的电力系统中，任何一点的频率都是一样的，而电压与无功电力却不是这样的。当无功功率平衡时，整个电力系统的电压从整体上看是会正常的，是可以达到额定值的，即便是如此，也是指整体上而已，实际上有些节点处的电压并不一定合格，如果无功不是处于平衡状态时，那么情况就更复杂了，当无功出力大于无功负荷时，电压普遍会高一些，但也会有个别地方可能低一些，反之，也是如此。
无功缺乏和无功过多而无控制手段，都会给电网运行带来问题和困难，甚至造成设备损坏和导致系统发生电压崩溃事故。通过无功的优化，以满足正常运行方式下和规定事件(如N-1)后运行方式下的系统各点所要求的电压水平，使电网安全运行和经济运行。
1.4 功率因素低增加电力传输过程中的功率损耗
在电力传输过程中，有功功率和无功率都会造成功率损耗，因此，在功率损耗中含有功损耗和无功损耗，即
由上式可以看出，当输送的有功功率一定时，总的功率损耗便决定于输送的无功功率的变化。而线路中输送无功功率的多少，又决定于负荷的功率因素的高低。功率因素越低，说明无功功率越大，在电力传输中无功造成的损耗也越大。在理论上，功率因数从１．０下降到０．８５时有功损耗增加３８％；而功率因素从１．０下降到０．６时，有功损耗增加１７８％。
可见功率因素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，而且关系到节约电能和整个供电区域的供电质量，功率因素过低甚至造成设备损坏和导致系统发生电压崩溃事故。
2 无功补偿对功率因数的影响
2.1 无功补偿概念
功率因数的产生主要是因为交流用电设备在其工作过程中，除消耗有功功率外，还需要无
功功率。
根据
当有功功率P一定时，如减少无功功率Q，则功率因数便能够提高。在极端情况下，当Q=0时，则其力率=1。因此提高功率因数问题的实质就是减少用电设备的无功功率需要量。
下面我们分析一下现代电网的无功功率需求情况。
（1）当今电厂受水、环保等多方面的制约，它的位置越来越远离负荷中心，即使建在靠近负荷点，由于单机容量越来越大，发电机的额定功率因数也越来越高，这样，电网实际接受的无功功率就越来越少，单靠发电机发出的无功功率远远不能满足电网对无功功率的需要，必须配置各种无功功率补偿装置。
（2）系统需要的无功功率远远大于发电机所能提供的无功出力，这是由于现代高压电网包括各级变压器和架空线路在传送电能时需要消耗大量的无功，称为"无功损耗"，一般来说，这些无功损耗与整个电网中的无功负荷的大小是差不多的，我们以一台50MVA的110kV变压器为例来了解变压器在运行中的无功损耗情况。
变压器的参数为：Ue = 110kV，Se=50MVA，Uk%=17%，变压器在传送电能时的无功损耗的计算式为：
Q = SeUk%(I/Ie)2
式中 I--变压器的负荷电流；
Ie--变压器的额定电流，与变压器的无功损耗与变压器的负载率、变压器的额定容量及短路阻抗有关。
如果这台变压器满负荷运行，那么它的无功损耗就是：Q = 50MVA?17%=8.5Mvar 此时变压器的无功损耗相当大，其低压侧安装的并联电容器组的容量甚至不够补偿变压器满负荷时的无功损耗。
可见，现在电网的无功需量越来越大，提高电网功率因素只能通过无功功率补偿。无功补偿，就其概念而言早为人所知，它就是借助于无功补偿设备提供必要的无功功率，以提高系统的功率因数，降低能耗，改善电网电压质量。合理地投停使用无功补偿设备，对调整电网电压、提高供电质量、抑制谐波干扰、保证电网安全运行都有着十分重要的作用。无
功补偿对电力系统的重要性应越来越受到重视。
2.2 无功功率就地补偿的概念
无功功率不宜远距离输送，当输送功率与传送距离达到一定极限时，其传送功率成为不可能，这是由于高压等级的变压器、线路电抗较大，其无功损耗Q = I2X相应也很大，所输送的无功功率均损耗在变压器及线路上了。另外，传送大量的无功功率时，线路电压损失也相当大，同样会造成无法传送的结果。
合理的就地无功补偿对调整系统电压、降低线损、提高功率因素有十分重要的作用。
设有一条110kV线路选用LG-300型导线(导线电阻0.095W/km)线路全长20km，输送有功功率30MW，无功功率40Mvar，下面分别计算在功率因数cosf = 0.6和0.9时线路的功率损耗和应补偿的无功功率。本题只计算导线电阻的功率损耗，不考虑其它因素。
（1）在cosf = 0.6时，此时有功P = 30MW，无功Q = 40Mvar，视在功率S = 50MVA，电流I = S/U = 50MVA/(110kV?31/2) = 263A，功率损耗P = I2·R = 2632×0.095?20?3 = 394kW。
（2）在cosf = 0.9时，此时有功功率P = 30MW，视在功率S = 33.333MVA，无功功率Q = 14.528Mvar，I = S/U = 33.333MVA/(110kV?31/2) = 175A，功率损耗 P = I2·R = 1752×0.095?20?3 = 175kW。应补偿无功容量 = 40 - 14.528 = 25.472Mvar。
补偿前后有功损耗相差219kW。由计算结果可知补偿无功功率25.472Mvar后每小时可降低线损219kWh。
从电力网无功功率消耗的基本状况可以看出，各级网络和输配电设备都要消耗一定数量的无功功率，尤以低压配电网所占比重最大。在配电网络中，用户消耗的无功功率约占50%～60%，其余的无功功率消耗在配电网中。
可见，为了最大限度地减少无功功率的传输损耗，提高输配电设备的效率，无功补偿设备的配置，应按照“分级补偿，就地平衡”的原则，合理布局。从根本上说，为保证电网的安全运行，就必须有足够的无功电源来满足系统负荷对无功功率的需求和补偿线路和变压器中的无功功率损耗。

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