如何进行功率因数补偿？

提高功率因数，可以充分利用现有的变电、输电和配电设备，保证供配电质量，减少电能损耗，提高供配电效率，因而具有显著的经济效益。为此，我国电力部门实行电费奖惩制度，一般对于功率因数＞0.9 的用户给予奖励，而对功率因数＜0.9 的用户给予罚款。

相关知识

一、功率因数的计算

1.瞬时功率因数

瞬时功率因数由功率因数表或相位表直接读出，或由功率表、电流表和电压表的读数按下式求出：

式中 P——功率表测出的三相功率读数，kW；

U——电压表测出的线电压读数，kV；

I——电流表测出的线电流读数，A。

瞬时功率因数值代表某一瞬间状态的无功功率的变化情况。

2.平均功率因数

平均功率因数指某一规定时间内，功率因数的平均值。其计算公式为：

式中 Wa——某一时间内消耗的有功电能，由有功电度表读出，kW·h；

Wr——某一时间内消耗的无功电能，由无功电度表读出，kvar·h。

我国电力部门每月向工业用户收取电费，规定电费要按月平均功率因数来调整。上式用以计算已投入生产的工业企业的功率因数。

对于正在进行设计的工业企业则采用下述的计算方法：

式中 Pca——全企业的有功功率计算负荷，kW；

Qca——全企业的无功功率计算负荷，kvar；

α——有功负荷系数，一般为0.7～0.75；

β——无功负荷系数，一般为0.76～0.82。

3.最大负荷时的功率因数

最大负荷时的功率因数指在年最大负荷（即计算负荷）时的功率因数。根据功率因数的定义可以分别写出

式中 Pca——全企业的有功功率计算负荷，kW；

Qca——全企业的无功功率计算负荷，kvar；

Sca——全企业的视在计算负荷，kV·A。

二、提高功率因数的意义

由于工矿企业使用大量的感应电动机和变压器等用电设备，因此供配电系统除供给有功功率外，还需供给大量的无功功率，为此必须提高工矿企业用户的功率因数，减少对电源系统的无功功率需求量。提高功率因数有下列实际意义：

（1）提高电力系统的供配电能力。在发、输、配电设备容量一定的情况下，用户的功率因数越高，则无功功率越小，所需视在功率就越小，这样同样容量的供、配电设备，可向更多的用户提供配电能。

（2）减少供配电网络中的电压损失，提高供配电质量。用户的功率因数越高，在同样有功功率的情况下，线路中的电流就越小，因而网络上电压损失也越小，用电设备的端电压就越高。

（3）减少供配电网络的电能损耗。在线路电压和输送的有功功率一定的情况下，功率因数越高，电流就越小，则网络中的电能损耗就越少。

三、功率因数的改善

（1）提高自然功率因数。提高自然功率因数的方法，即采用降低各用电设备所需的无功功率以改善其功率因数的措施，主要有：

①正确选用感应电动机的型号和容量，使其接近满载运行；

②更换轻负荷感应电动机或者改变轻负荷电动机的接线；

③电力变压器不宜轻载运行；

④合理安排和调整工艺流程，改善电气设备的运行状况，限制电焊机、机床电动机等设备的空载运转；

⑤使用无电压运行的电磁开关。

（2）人工补偿无功功率。当采用提高用电设备自然功率因数的方法后，功率因数仍不能达到《供用电规则》所要求的数值时，就需要设置专门的无功补偿电源，人工补偿无功功率。人工补偿无功功率的方法主要有以下三种：并联电容器补偿、同步电动机补偿和动态无功功率补偿。

用静电电容器（或称移相电容器、电力电容器）作无功补偿以提高功率因数，是目前工业企业内广泛应用的一种补偿措施。电力电容器的补偿容量可用下式确定：

式中 Pca——最大有功计算负荷，kW；

α——月平均有功负荷系数；

tanφ1、tanφ2——补偿前、后平均功率因数角的正切值。

在计算补偿用电力电容器容量和个数时，应考虑到实际运行电压可能与额定电压不同，电容器能补偿的实际容量将低于额定容量，此时需对额定容量作修正：

式中 QN——电容器铭牌上的额定容量，kvar；

Qe——电容器在实际运行电压下的容量，kvar；

UN——电容器的额定电压，kV；

U——电容器的实际运行电压，kV。

例如将YY10.5－10－1 型高压电容器用在6 kV 的工厂变电所中作无功补偿设备，则每个电容器的无功容量由额定值10 kvar 降低为：

显然除了在不得已的情况下使用外，这种降压使用的做法应避免。

在确定总补偿容量Qc 之后，就可根据所选并联电容器单只容量Qc1决定并联电容器的个数：(www.xing528.com)

由上式计算所得的数值对三相电容器应取相近偏大的整数。若为单相电容器，则应取3 的整数倍，以便三相均衡分配。

三相电容器，通常在其内部接成三角形。单相电容器的电压，若与网络额定电压相等时则应将电容器接成三角形接线，只有当电容器的电压低于运行电压时，才接成星形接线。相同的电容器，接成三角形接线，因电容器上所加电压为线电压，所补偿的无功容量则是星形接线的三倍。若是补偿容量相同，采用三角形接线比星形接线可节约电容值的三分之二，因此在实际工作中，电容器组多接成三角形接线。

用户处的静电电容器补偿方式可分为个别补偿、分组（分散）补偿和集中补偿三种。个别补偿将电容器直接安装在吸取无功功率的用电设备附近；分组（分散）补偿将电容器组分散安装在各车间配电母线上；集中补偿指电容器组集中安装在总降压变电所二次侧（6～10 kV 侧）或变配电所的一次侧或二次侧（6～10 kV 或380 V 侧）。在设计中一般考虑将测量电能侧的平均功率因数补偿到规定标准。

［例4－4］ 某工厂的计算负荷为2 400 kW，平均功率因数为0.67。根据规定应将平均功率因数提高到0.9（在10 kV 侧固定补偿），如果采用BWF－10.5－40－1 型并联电容器，需装设多少个？并计算补偿后的实际平均功率因数。（取平均负荷系数α＝0.75）

［解］

tan φ1＝tan（arccos 0.67）＝1.108

tan φ2＝tan（arccos 0.9）＝0.484

Qc＝Pav（tan φ1－tan φ2）＝0.75×2 400×（1.108－0.484）＝1 122.66（kvar）

n＝Qc／Qc1＝1 122.66／40≈30 个，

每相装设10 个。此时的实际补偿容量为30×40＝1 200（kvar），所以补偿后实际平均功率因数：

四、提高功率因数的方法

1.提高负荷的自然功率因数

通过采取各种技术措施及改进用电设备的运行情况来提高负荷的功率因数的方法称为提高负荷的自然功率因数。提高自然功率因数的方法有：

（1）正确选择并合理使用电动机，使其不轻载或空载运行。在条件允许时尽量选用笼形异步电动机。

（2）合理选择变压器容量，适当调整其运行方式，尽量避免变压器空载或轻载运行。

（3）对于容量较大，且不需调速的电动机（如矿井通风机），尽量选用同步电动机，并使其运行于过激状态。因为同步电动机运行于过激状态时呈容性负载，能补偿线路上其他感性负载的无功功率。

2.人工补偿法提高功率因数

若自然功率因数不能满足要求，应采用人工补偿法来提高功率因数。目前工矿企业广泛采用并联电容器进行无功功率的补偿。

设人工补偿前有功功率为P∑，无功功率为Q∑，则补偿前后的功率三角形如图4－8所示。图中φNAT为补偿前的自然功率因数角。当电容器的补偿容量为Qc 时，补偿后总的无功功率为Qac＝Q∑－Qc，补偿后的功率因数角为φac。可见φac＜φNAT，使功率因数cos φ（得到了提高，补偿后的视在功率Sac也明显减小，即Sac＜S∑。

图4－8　功率三角形

五、电容器的选择

1.电容器补偿容量的计算

设补偿前负荷的有功功率为P∑，功率因数角为φNAT，补偿后功率因数角要求达到φac，则电容器所需补偿容量Qc 为：

2.电容器台数的确定

电容器的额定电压应当与接入的电网电压相适应，由于电容器实际补偿容量与其工作电压的平方成正比，因而电容器台数可按下式计算：

每相所需电容器台数为：

式中 QNC——单台电容器的额定容量，kvar；

Uw——电容器的实际工作电压，kV；

UNC——电容器的额定电压，kV。

由于电容器一般分为两组，分别接在两段母线上，因而n 应取与计算值相等或稍大的偶数。当选择电容柜时，因为电容柜中电容器已接成三相，所以只需使柜的总数为偶数即可。

3.电容器的补偿方式和接线方式

1）电容器的补偿方式

电容器的补偿方式有三种：单独就地补偿、分散补偿和集中补偿。

（1）单独就地补偿方式。单独就地补偿是将补偿电容器直接与要补偿的设备并联，并共用一套开关设备进行控制。这种补偿方式适用于长时运行的所需补偿容量较大的设备，或者由较长线路供配电的设备。

（2）分散补偿方式。分散补偿是将电容器装设在各配电用户（如各车间变电所）的母线上。电容器视技术经济比较情况，既可装在配电变压器高压侧也可装在低压侧，或采用高低压混合补偿方式。这种补偿方式适用于用电负荷分散的工矿企业。

（3）集中补偿方式。集中补偿就是将电容器集中装设在工矿企业总变电所的6～10 kV高压母线上，用专用开关控制。这种补偿方式电容器利用率高，管理方便，适用于负荷较为集中的工矿企业。

2）补偿电容器的接线方式

当电容器组采用三角形接线时，若某一电容器内部击穿会造成相间短路故障，有可能引起电容器爆炸。而星形接线时，当某一电容器被击穿时，故障电流仅为电容器组额定电流的3 倍，不会形成相间短路故障。因而GB 50227—1995 《并联电容器装置设计规范》中规定：高压电容器组宜采用单星形接线或双星形接线。在中性点非直接接地的电网中，星形接线电容器组的中性点不应接地。低压电容器或电容器组，可采用三角形接线或中性点不接地的星形接线方式。

电容器组还应单独装设控制、保护和放电设备。电容器与电网断开后，电容器中仍有残余电压，该电压最高可达电网的峰值电压，危及人身安全。因而GB 50227—1995 中规定：电容器组的放电装置，应能满足电容器组脱开电源后，在5 s 内将电容器组上的剩余电压降至50 V 及以下。另外，当人体接触电容器前还必须用导线将电容器两端短接以确保人身安全。高压电容器组放电设备一般采用电压互感器。单独补偿方式的电容器组由于与用电设备直接相连，所以不需要另外装设放电设备。

任务实施

日光灯电路功率因数的提高

按设计电路图安装并接线，经老师检查后方可送电。根据操作填写表4－13、表4－14。

表4－13　未接电容日光灯电路功率因数的测量

表4－14　接入电容日光灯电路功率因数的测量

评价总结

根据表4－13、表4－14和收获体会进行评议，并填写成绩评议表（表4－15）。

表4－15　成绩评议表