电力系统模块2：用电负荷的功率因数优化方法

一、功率因数的数理概念

(一)交流电路的功率

电网在向客户输送电能的过程中,由于用电负荷的特性不同会产生有功功率、无功功率和视在功率。

有功功率P是被用电设备吸收或消耗的功率,反映的是元件实际做功的平均速率,常用的单位是kW;无功功率Q是用电设备与电源进行能量交换的功率,不做功不被消耗,只与电源不断地交换能量,常用单位是kvar;视在功率S是电路端电压和电流有效值的乘积,工程上常用单位是kVA。

由功率三角形可知,在数值上功率因数λ为有功功率P和视在功率S的比值,φ为功率因数角,是电压与电流的相位差,也是电路的阻抗角。

(二)工业企业功率因数的计算

工业企业功率因数是工业企业电气设备使用状况和利用程度的重要指标,分为以下几种。

1.自然功率因数

自然功率因数是指用电设备在没有任何补偿手段的情况下,设备本身固有的功率因数。设备自然功率因数的高低,取决于用电设备负荷的性质和负荷状态。对于电阻性负荷(白炽灯、电阻炉等),其自然功率因数较高;而对于电感性负荷(如荧光灯、交流电焊机、异步电动机等),其自然功率因数也较低。

2.瞬时功率因数

瞬时功率因数是指在某一瞬间由功率因数表读出的功率因数值,也可以根据电压表、电流表和功率表在同一瞬间的读数经计算求得。瞬时功率因数只用来判断企业在生产过程中无功功率的变化情况,一边在运行中采取相应的措施。

3.平均功率因数

平均功率因数是指企业在某一规定时间段内功率因数的平均值,也称为加权平均功率因数。我国供电企业每月对企业的加权平均功率因数进行考核,并与国家规定的功率因数标准值进行比较来调整电费。平均功率因数的计算公式为

式中 W P——月实用有功电量,kW·h;

W Q——月实用无功电量,kvar·h。

4.总功率因数

企业装设无功补偿装置后的功率因数,称为总功率因数。总功率因数分为瞬时总功率因数和月总平均功率因数。企业月总平均功率因数的计算公式为

二、提高功率因数的实际意义

(一)提高供用电设备的有功出力

由于有功功率P=Scosφ,当视在功率S一定时,如果提高功率因数cosφ其输出的有功功率增大,即提高了电气设备的供电能力,增加了发电机的有功功率,增加了线路和变压器的供电能力。

例如:100kVA的电力变压器,当cosφ=0.6时,其额定有功出力只有60kW,而当cosφ=0.8以上时,则其额定有功出力将能超过80kW。

(二)减少电气设备占用过多的视在功率

由式S=P/cosφ可见,当负荷的有功功率不变时,由于功率因数cosφ为分母变大后会使分数值变小,也就是所需的视在功率减少了。

(三)减少负荷电流

在对称三相负载的电路中,三相负载的有功功率为UXcosφ,当功率因数提高,其他参数不变时,负荷电流将随着减小。(www.xing528.com)

(四)降低功率损耗和电能损失

在三相交流线路中,功率损耗ΔP为)

对于给定的线路,其电阻R一定,当线路电压U和输送的有功功率P一定时,如果提高功率因数cosφ,则功率损耗ΔP可以大大降低,从而使线路上和变压器中的电能损失下降。

(五)减少电压损耗,改善电压质量

供电系统中的电压损耗ΔU包括两部分:①使输送有功功率产生的;②输送无功功率产生的,其计算式是

由于输其的配电线路和变压器的电抗分量远远大于电阻分量,因而远距离输送无功功率会在线路和变压器上造成很大的电压损耗,使输配电线路末端电压严重降低。如果提高功率因数,就可减少电压损耗,改善客户端电压质量。

三、提高功率因数的措施

(一)提高自然功率因数

提高自然功率因数是指不增加任何补偿设备,采用降低用电设备本身所需无功功率来提高功率因数。其主要措施有以下几项。

(1)充分利用变电设备的容量和匹配合适电压。电力变压器不宜长期轻载运行,当变压器的负荷小于30%时,应当更换较小容量的变压器。当变压器一次侧运行电压超过变压器电压分接头额定工作电压时,变压器励磁电流就急剧升高,将使变压器所消耗的无功功率极大增加。要尽量使配电变压器一次侧电压和分接头的额定工作电压基本相符。

(2)异步电动机的合理使用。合理确定异步电动机台数与容量、用适当功率的电动机取代负荷率偏低的大功率电动机、电源电压与电动机额定电压相匹配、正确选用异步电动机规格型号。

(3)选择先进、节能的用电设备和及时改善其运行状态。选择先进、节能的用电设备,确定合理容量(即使用电设备的功率与负载功率相接近)、合理安排和调整生产程序,改善用电设备运行状态(例如,电动机的负载在额定值的40%及以下时,若电动机的定子绕组是三角形接法,则可改为星形接线),提高负载率及暂载率,限制用电设备空载运行等。

(二)人工补偿法提高功率因数

无功补偿装置的种类有:同步发电机、同步电动机、异步电动机同步化、并联电力电容器、动态无功补偿装置等。

并联电容器又称为移相电容器,由于具有有功损耗小、安装及运行维护方便、故障范围小、投资少等特点,因而应用最为广泛。

四、并联电容器补偿

常用电力电容器并联进行无功补偿。无功补偿的原理接线图和相量图如图11-1所示。

由图11-1可知:电路未并电容前为自然负载,功率因数低,功率因数角φ1较大,供电线路电流(总电流),因电流较大,所以线路损耗和压降比较大。并入电容C后,,由于电容电流的补偿作用,功率因数角由原来较大的φ1变为较小的φ2值,线路总电流减小。并入电容进行无功补偿使得电路的总功率因数提高了,从而降低了线路损耗和压降,提高了供电的经济效益,也改善了电压质量。

图11-1　无功补偿原理接线路图与相量图

(a)原理接线;(b)相量图

需要说明以下几点。

(1)在感性负载两端并联电容可以提高电路总的功率因数,但不会改变感性负载电路本身的电流和功率因数,只能使并联点之前的电流减小,线路总的功率因数提高。

(2)电容是负载而不是电源。电容从电网吸收的无功功率是超前电流引起的;电感电路从电网中吸收的无功功率是滞后的电流引起。超前电流与滞后电流的互补作用,使电容并联点之前的电源(或电网)吸收的无功功率减少了,于是电容性负载的无功功率补偿了电感性负载的无功功率。

(3)电容性负载的无功功率与电感性负载的无功功率是相互补偿的。也就是说,当感性负载的功率因数较低时,在负载两端并联电容可提高功率因数;如果负载是电容性的且功率因数较低时,在负载两端并联电感也可以提高功率因数。