有功功率无功功率及提高功率因数

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1、有功功率，无功功率及提高功率因数 在交流电路中，由电源供给负载率有两种：一种是有功功率，一种是无功功率。 有功功率是保持用电设备正常运行所需的电功率，也就是将电能转换为其他形式能量（机械 能、光能、热能）的电功率。比如：5.5 千瓦的电动机就是把 5.5 千瓦的电能转换为机械能， 带动水泵抽水或脱粒机脱粒；各种照明设备将电能转换为光能，供人们生活和工作照明。有 功功率的符号用P表示，单位有瓦（W）、千瓦（KW）、兆瓦（MW）。 无功功率比较抽象，它是用于电路内电场与磁场的交换，并用来在电气设备中建立和维持磁 场的电功率。它不对外作功，而是转变为其他形式的能量。凡是有电磁线圈的电气设备，要 建立

2、磁场，就要消耗无功功率。比如40 瓦的日光灯，除需40多瓦有功功率（镇流器也需消 耗一部分有功功率）来发光外，还需 80乏左右的无功功率供镇流器的线圈建立交变磁场用。 由于它不对外做功，才被称之为“无功”。无功功率的符号用Q表示，单位为乏（Var）或千 乏（ kVar）。 无功功率决不是无用功率，它的用处很大。电动机的转子磁场就是靠从电源取得无用功率建 立的。变压器也同样需要无功功率，才能使变压器的一次线圈产生磁场，在二次线圈感应出 电压。因此，没有无功功率，电动机就不会转动，变压器也不能变压，交流接触器不会吸合。 为了形象地说明问题，现举一个例子：农村修水利需要挖土方运土，运土时用竹筐装满土

3、， 挑走的土好比是有功功率，挑空竹筐就好比是无功功率，竹筐并不是没用，没有竹筐泥土怎 么运到堤上呢？ 在正常情况下，用电设备不但要从电源取得有功功率，同时还需要从电源取得无功功率。如 果电网中的无功功率供不应求，用电设备就没有足够的无功功率来建立正常的电磁场，那么， 这些用点设备就不能维持在额定情况下工作，用电设备的端电压就要下降，从而影响用电设 备的正常运行。无功功率对供、用电产生一定的不良影响，主要表现在：1. 降低发电机有功功率的输出。2. 降低输、变压设备的供电能力。3. 造成线路电压损失增大和电能损耗的增加。4. 造成底功率因数运行和电压下降，使电气设备容量得不到充分发挥。 从发电机

4、和高压电线供给的无功功率，远远满足不了负荷的需要，所以在电网中要设置一些 无功补偿装置来补充无功功率，以保证用户对无功功率的需要，这样用电设备才能在额定电 压下工作。这就是电网需要装设无功补偿装置的道理。2、功率因数 电网中的电力负荷如电动机、变压器等，属于既有电阻又有电感的电感性负载。电感性负载 的电压和电流的相量间存在着一个相位差，通常用相位角申的余弦cos申来表示。Cos申称 为功率因数，又叫力率。功率因数是反映电力用户设备合理使用状况、电能利用程度和用电 管理水平的一项重要指标。三相功率因数的计算公式为：P=Q=UIcosS=UIcos=P/S式中cos申功率因数；P有功功率，kw；Q

5、无功功率，kVar；S视在功率，kv. A。U用电设备的额定电压，V。I 用电设备的运行电流，Ao功率因数分为自然功率因数、瞬时功率因数和加权平均功率因数。（1）自然功率因数：是指用电设备没有安装无功补偿设备时的功率因数，或者说用电设备 本身所具有的功率因数。自然功率因数的高低主要取决于用电设备的负荷性质，电阻性负荷 （白炽灯、电阻炉）的功率因数较高，等于1。而电感性负荷（电动机、电焊机）的功率因 数比较低，都小于 1。（2）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。瞬时功率因数是随着 用电设备的类型、负荷的大小和电压的高低而时刻在变化。（3）加权平均功率因数：是指在一定时间段内

6、功率因数的平均值，其计算公式为： 提高功率因数的方法有两种，一种是改善自然功率因数，另一种是安装人工补偿装置。 无功功率补偿的种类和特点1. 集中补偿 在高低压配电所内设置若干组电容器，电容器接在配电母线上，补偿供电范围内的无功功率， 如图 1 所示。1.2 组合就地补偿（分散就地补偿）电容器接在高压配电装置或动力箱的母线 上，对附近的电动机进行无功补偿，如图2 所示。1. 单独就地补偿将电容器装于箱内，放置在电动机附近，对其单独补偿。图3 为电容器直接接在电动机端子 上或保护设备末端，一般不需要电容器用的操作保护设备，称为直接单独就地补偿。 油井使用电容补偿器后，无功功率和视在功率下确实很明

7、显，但是为什么有功功率和单井有 功电量都上升了。这样的话，究竟是节电了还是耗电增加了？无功补偿见到效果，应该有哪 些体现？单井有功电量应该有什么反应？请专家赐教！答：一般的用电负载都有线圈，如异步电动机绕组、电器的线圈等。线圈消耗感性无功（即 常称为滞后无功），电容则消耗容性无功（即常称为超前无功）。无功功率是不消耗能量的功率，只是在交流电的半个周期内暂时将电能以磁场（感性无功） 或电场（容性无功）的形式储存起来，然后再另外半个周期内将所储存的能量返还给电网。 虽然无功不消耗电能，但是要储存电功率就必须通过增加电流来实现。而电流的增加，电网 传输线路的损耗将增大。所以增加无功本身不消耗功率，而

8、是增加电流使电能传输的损耗增 加。此外，由于电流的增加，供配电设备的负担加重，负载能力下降。因此，应该进行补偿。 否则，电业部门将增收一定的额外收费以作线路损耗和其它因此而造成的费用。 你说：油井使用电容补偿器后，无功功率和视在功率下降确实很明显，但是为什么有功功率 和单井有功电量都上升了？其实，若油井或单井设备的工作量没有增加，有功功率和单井有 功电量都不会上升。你说的情况可能是：1、无功功率占视在功率的比重上升了，或者说功率因数上升了。或者 说是由于电网电流下降，可以增加负载。2、油井或单井的用点设备增加，因才可能使有功 电量上升。对于第一种情况，应该说是省电了，或能量损耗减少了；对于第二

9、种情况，不能说不是节电， 应该说提高了供电设备的效率。也就是说，如果不补偿，同样的供电设备和线路提供不了那 么多的有功功率，现在补偿后能够提供那么多的有功功率是设备的效率或利用率增加了，也 是有很高的经济效益的。补偿电容器的主要作用是通过补偿无功来提高用电设备的功率因数，所以说从用电部门来讲 不会有什么集体的不同感觉，有功电量的消耗也不会有明显增加，但无功的消耗一定是明显 降低的，由于供电局向工业企业供电时无功消耗也是计费的，着也就是说用电企业会因无功 消耗的降低而节约很大一笔开支，在许多地区，如果企业能将功率因数提高到0.9 以上的， 供电局会返还一定比例的电费作为奖励，如果你单位的功率因数

10、较高，建议你去当地的供电 部门咨询一下。电网中的许多点设备是根据电磁感应原理工作的。它们在能量转换过程中建立交变磁场，在 一个周期内吸收的功率和释放的功率相等，这种功率叫无功功率。电力系统中，不但有有功 功率平衡，无功功率也要平衡。有功功率、无功功率、视在功率之间的关系如图1 所示 QS= S式中S视在功率，KVA 申P有功功率，KW PQ无功功率，kvar图一申角为功率因数角，它的余弦（cos申）是有功功率与视在功率之比即cosp=P/S称为功率因 数。由功率三角形可以看出，在一定的有功功率下，用电企业功率因数cos申越小，则所需的无 功功率越大。如果无功功率不是由电容器提供，则必须由输电系

11、统供给，为满足用电的要求， 供电线路和变压器的容量需增大。这样，不仅增加供电投资、降低设备利用律 ，也将增加 线路损耗。为此，国家供用电规则规定：无功电力应就地平衡，用户应在提高用电自然功率 因数的基础上，设计和装置无功补偿设备，并做到随其负荷和电压变动及时投入或切除，防 止无功倒送。还规定用户的功率因数应达到相应的标准，否则供电部门可以拒绝提高功率因 数，防止无功倒送，从而节约电能，提高运行质量都具有非常重要的意义。补偿的基本原理是：把具有容性功率负荷的装置与感性功率负荷并连接在同一电路，能量在 两种负荷之间相互交换。这样，感性负荷所需要的无功功率可由容性负荷输出的无功功率补 偿。当前，国内

12、外广泛采用并联电容器作为无功补偿装置。这种方法安装方便、建设周期短、造 价低、运行维护简便、自身损耗小。采用并联电容器进行无功补偿的主要作用：1. 提高功率因数如图 2 所示? 图中P有功功率S1补偿前的视在功率S1S2 Q2 S2补偿后的视在功率Q1补偿前的无功功率申2申1Q2补偿后的无功功率P申1补偿前的功率因数角图二申2补偿后的功率因数角由图示中可以看出，在有功功率P 一定的前提下，无功功率补偿以后（补偿量Qc=Ql-Q2）, 功率因数角由申1申减小到申2,则cosp2cosp1提高了功率因数。1.降低输电线路及变压器的损耗三相电路中，功率损耗AP的计算公式为l. P=3式中P有功功率，

13、KWU额定电压，KV；R线路总电阻，？。由此可见，当功率因数cos申提高以后，线路中功率损耗大大下降。1. 改善电压质量线路中电压损失AU的计算公式U=3Q1S1S2Q2申2P式中P有功功率，KW；U额定电压，KV；R线路总电阻,图三X 线路感抗， ?。Q无功功率，Kvar；由上式可见，当线路中，无功功率Q减小以后，电压损失AU也就减小了。 1.提高设备出力如图3所示，由于有功功率P=Scos申，当供电设备的视在功率S 一定时，如果功率因数cos申 提高，即功率因数角由申1到申2,则设备可以提供的有功功率P也随之增大到P+AP,可见， 设备的有功出力提高了。电容器容量的选者： 电容器安装容量的

14、选者，可根据使用目的的不同，按改善功率因数，提高运行电压和降低线 路损失等因素来确定。按改善功率因数确定补偿容量的方法简便、明确，为国内外所通用。根据功率补偿图（如图 2）中功率之间的向量关系，可以求出无功补偿容量 Qc,(kvar)或（kvar）式中P最大负荷月的平均有功功率，KW；tg申1、tgp2补偿前后功率因数角的正切值;cos申1、cosp2补偿前后功率因数值。可利用查表法，查出每1KW有功功率、功率因数，改善前后所需补偿的容量。再乘以最大 负荷的月平均有功功率，即可计算出所需要的无功补偿容量。感性负载：即和电源相比当负载电流滞后负载电压一个相位差时负载为感性（如负载为电动 机、变压

15、器） 容性负载：即和电源相比当负载电流超前负载电压一个相位差时负载为容性（如负载为补偿 电容） 阻性负载：即和电源相比当负载电流负载电压没有相位差时负载为阻性（如负载为白炽灯： 电炉） 混联电路中容抗比感抗大，电路呈容性反之为感性。来源：中国电力网2 功率因数的补偿方式：1 概述随着国民经济的高速发展和人民生活水平的提高，人们对电力的需求日益增长，同时对供 电的可靠性和供电质量提出了更高的要求。由于负荷的不断增加，以及电源的大幅增加，不 但改变了电力系统的网络结构，也改变了系统的电源分布，造成系统的无功分布不尽合理， 甚至可能造成局部地区无功严重不足、电压水平普遍较低的情况。随着系统结构日趋复

16、杂， 当系统受到较大干扰时，就可能在电压稳定薄弱环节导致电压崩溃。电力系统无功潮流分布是否合理，不仅关系到电力系统向电力用户提供电能质量的优劣， 而且还直接影响电网自身运行的安全性和经济性。这在与用户直接相关的配电网中显得同样 的重要。若无功电源容量不足，系统运行电压将难以保证。由于电网容量的增加，对电网无 功要求也与日增加，此外，网络的功率因数和电压的降低将使电气设备得不到充分利用，降 低了网络传输能力，并引起损耗增加。因此，解决好配电网络无功补偿的问题，对电网的安 全性和降损节能有着重要的意义。合理的无功补偿点的选择以及补偿容量的确定，能够有效地维持系统的电压水平，提高系 统的电压稳定性，

17、避免大量无功的远距离传输，从而降低有功网损，减少发电费用。而且由 于我国配电网长期以来无功缺乏，尤其造成的网损相当大，因此无功功率补偿是降损措施中 投资少回报高的方案。一般配电网无功补偿方式有：变电站集中补偿方式、低压集中补偿方 式、杆上无功补偿方式和用户终端分散补偿方式。口2配电系统无功补偿方案口2.1 变电站集中补偿方式针对输电网的无功平衡，在变电站进行集中补偿（如图1的方式 1），补偿装置包括并联 电容器、同步调相机、静止补偿器等，主要目的是改善输电网的功率因数、提高终端变电所 的电压和补偿主变的无功损耗。这些补偿装置一般连接在变电站的10kV母线上，因此具有 管理容易、维护方便等优点，

18、但是这种方案对配电网的降损起不到什么作用。口口 为了实现变电站的电压控制，通常无功补偿装置（一般是并联电容器组）结合有载调压抽 头来调节。通过两者的协调来进行电压/无功控制在国内已经积累了丰富的经验，九区图便 是一种变电站电压/无功控制的有效方法。然而操作上还是较为麻烦的，因为由于限值需要 随不同运行方式进行相应的调整；在某些区上会产生振荡现象；而且由于实际操作中抽头调 节和电容器组投切次数是有限的，但九区图没有相应的判断。而现行九区图的调节效果也不 是数学上证明的最好效果，因此九区图的应用还有待进一步改善。文献1利用模糊数学的概念建立了数学模型，得出了模糊边界的无功调节判据，它的 特点是将九

19、区图中固定的无功上下限边界改变成受电压影响的模糊边界，其边界的斜率可根 据具体的投切边界条件进行调整。所设计的一种新型的变电站电压无功微机综合控制装置， 在保证电压合格和无功最佳补偿效果的情况下，有载变压器分接头的调节次数比同类装置或 人工调节约减少 1/3，提高了变电站电压合格率，线损降低20%左右。 2.2 低压集中补偿方式目前国内较普遍采用的另外一种无功补偿方式是在配电变压器380V侧进行集中补偿（如 图1 的方式 2），通常采用微机控制的低压并联电容器柜，容量在几十至几百千乏不等，根 据用户负荷水平的波动投入相应数量的电容器进行跟踪补偿。主要目的是提高专用变用户的 功率因数，实现无功的

20、就地平衡，对配电网和配电变的降损有一定作用，也有助于保证该用 户的电压水平。这种补偿方式的投资及维护均由专用变用户承担。目前国内各厂家生产的自 动补偿装置通常是根据功率因数来进行电容器的自动投切的，也有为了保证用户电压水平而 以电压为判据进行控制的。这种方案虽然有助于保证用户的电能质量，但对电力系统并不可 取。因为虽然线路电压的波动主要由无功量变化引起，但线路的电压水平是由系统情况决定 的。当线路电压基准偏高或偏低时，无功的投切量可能与实际需求相去甚远，出现无功过补 偿或欠补偿。对配电系统来说，除了专用变之外，还有许多公用变。而面向广大家庭用户及其他小型用 户的公用变压器，由于其通常安装在户外

21、的杆架上，进行低压无功集中补偿则是不现实的： 难于维护、控制和管理，且容易成为生产安全隐患。这样，配电网的补偿度就受到了限制。2.3 杆上补偿方式文献2， 3提出了进行配电系统杆上无功补偿的必要性和方法。由于配电网中大量存在 的公用变压器没有进行低压补偿，使得补偿度受到限制。由此造成很大的无功缺口需要由变 电站或发电厂来填，大量的无功沿线传输使得配电网网损仍然居高难下。因此可以采用1OkV 户外并联电容器安装在架空线路的杆塔上（或另行架杆）进行无功补偿（如图1 的方式3）， 以提高配电网功率因数，达到降损升压的目的。由于杆上安装的并联电容器远离变电站，容 易出现保护不易配置、控制成本高、维护工

22、作量大、受安装环境和空间等客观条件限制等工 程问题。因此，杆上无功优化补偿必须结合以下实际工程要求来进行：（1）补偿点宜少，一条配电线路上宜采用单点补偿，不宜采用多点补偿；（2）控制方式从简。杆上补偿不设分组投切；（3）补偿容量不宜过大。补偿容量太大将会导致配电线路在轻载时的过电压和过补偿现 象；另外杆上空间有限，太多的电容器同杆架设，既不安全，也不利于电容器散热；（4）接线宜简单。最好是每相只采用一台电容器装置，以降低整套补偿设备的故障率；（5）保护方式也要简化。主要采用熔断器和氧化锌避雷器分别作为过流和过电压保护。显然，杆上无功补偿主要是针对10kV馈线上沿线的公用变所需无功进行补偿，文献

23、3 提出了这种补偿方式的最优地点和容量的算法。因其具有投资小，回收快，补偿效率较高， 便于管理和维护等优点，适合于功率因数较低且负荷较重的长配电线路，但是因负荷经常波 动而该补偿方式是长期固定补偿，故其适应能力较差，主要是补偿了无功基本负荷，在线路 重载情况下补偿度一般是不能达到0.95。应该开发电容器组能自动投切的杆上自动无功补偿 技术。口2.4 用户终端分散补偿方式目前在我国城镇，低压用户的用电量大幅增长，企业、厂矿和小区等对无功需求都很大， 直接对用户末端进行无功补偿（如图1 的方式4）将最恰当地降低电网的损耗和维持网络的 电压水平。供电系统设计规范（GB50052-1995）指出，容量

24、较大，负荷平稳且经常使用的用电设 备无功负荷宜单独就地补偿。故对于企业和厂矿中的电动机，应该进行就地无功补偿，即随 机补偿；针对小区用户终端，由于用户负荷小，波动大，地点分散，无人管理，因此应该开 发一种新型低压终端无功补偿装置，并满足以下要求：智能型控制，免维护；体积小， 易安装；功能完善，造价较低。与前面三种补偿方式相比，本补偿方式将更能体现以下优点4：线损率可减少20%； 减小电压损失，改善电压质量，进而改善用电设备启动和运行条件;释放系统能量，提 高线路供电能力。缺点是由于低压无功补偿通常按配电变压器低压侧最大无功需求来确定安 装容量，而各配电变压器低压负荷波动的不同时性造成大量电容器

25、在较轻载时的闲置，设备 利用率不高。综合以上四种无功补偿方式，性能比较如表1 所示。3 配电网无功补偿遇到的问题 随着人们对配电网建设的重视和无功补偿技术的发展，低压侧无功补偿技术在配电系统中 也开始普及。从静态补偿到动态补偿，从有触点补偿到无触点补偿，都取得了丰富的经验5 。但是在实践中也暴露出一些问题，必须引起重视。（1）优化的问题。目前无功补偿的出发点往往放在用户侧，只注意补偿用户的功率因数。 然而要实现有效的降损，必须从电力系统角度出发，通过计算全网的无功潮流，确定配电网 的补偿方式、最优补偿容量和补偿地点，才能使有限的资金发挥最大的效益。无功优化配置 的目标是在保证配电网电压水平的同

26、时尽可能降低网损。由于它要对补偿后的运行费用以及 相应的安装成本同时达到最小化，计算过程相当复杂。（2）量测的问题。目前10kV配电网的线路上的负荷点一般无表计，且人员的技术水平和管 理水平参差不齐，表计记录的准确性和同时性无法保证。这对配电网的潮流计算和无功优化 计算带来很大困难。要争取带专变房的用户的支持，使他们能按一定要求进行记录。 380V 终端用户处通常只装有有功电度表，要实现功率因数的测量是不可能的。这也是低压无功补 偿难于广泛开展的原因所在。（3）谐波的问题。电容器本身具备一定的抗谐波能力，但同时也有放大谐波的副作用。谐 波含量过大时会对电容器的寿命产生影响，甚至造成电容器的过早

27、损坏；并且由于电容器对 谐波的放大作用，将使系统的谐波干扰更严重。因而做无功补偿时必须考虑谐波治理，在有 较大谐波干扰，又需要补偿无功的地点，应考虑增加滤波装置。（4） 无功倒送的问题。无功倒送会增加配电网的损耗，加重配电线路的负担，是电力系统 所不允许的。尤其是采用固定电容器补偿方式的用户，则可能在负荷低谷时造成无功倒送， 这引起充分考虑。综上所述，10kV配电网的无功补偿工作应更多地考虑系统的特点，不应因电压等级低、 补偿容量小而忽视补偿设备对系统侧的影响（包括网损）。如果需降损的线路能基于一个完 善的补偿方案进行改造，则电力系统的收益将比分散的纯用户行为的补偿方式要大得多。 4 算例以某

28、条城市配电线路为例，原先该线路长5km，共有配电变压器32台，最大负荷达到 5050MVA。今需要在远离变电所送电距离为6km的江边建一水厂，6台380V、280kW的异 步电动机带水泵，功率因数为0.85。两台户外型油浸自冷S7-1000/10专用变压器同时运行。 在最大运行方式下，该水厂负荷接入前馈线总电流为286A，末端最小负荷点电压为9.67kV, 10kV线路部分的有功损耗为134.7kW；接入该水厂后如果6台水泵额定运行，相应有功损 耗将达到316.2kW，末端最小负荷点电压为9.37kV。因此需要进行无功补偿。方法是先考 虑对各台电动机进行用户终端分散补偿（即随机补偿）：按补偿容

29、量不大于电机的空载无功 的原则给每台机补偿45kvar；然后在配电变压器380V侧进行集中补偿：按最大运行方式下 不造成无功倒送为依据选择无功补偿自动投切装置，15kvar*20组，共300kvar；最后再考 虑进行10kV配电线路杆上无功补偿：按最小运行方式固定补偿该馈线的无功基荷600kvar 到某节点上，不造成该馈线过电压和过补偿。潮流计算的结果如下表所示：可见在该线路上进行的几种无功补偿能够起到显著的技术和经济效果。5 结语在配电网进行无功补偿、提高功率因数和搞好无功平衡，是一项建设性的降损技术措施。 本文分析了四种配电网无功补偿方式，认为应更多地考虑系统的特点将它们结合起来进行无 功补偿。目前，配电网的无功补偿容量一般是根据供电部门给定的要求达到的功率因数来确 定的，而不是依据用户用电时实际的节能效益和电能质量最佳、支付电费最小的经济功率因 数。如何确定无功补偿设备的合理配置和分布，需寻找技术上和经济上的最优方案。