無功功率

　　1、無功功率

　　在電網(wǎng)中，由電源供給負(fù)載的電功率有兩種：一種是有功功率，另一種是無功功率（reactive power）。有功功率是保持用電設(shè)備正常運(yùn)行所需的電功率，也就是將電能轉(zhuǎn)換為其他形式能量(機(jī)械能、光能、熱能)的電功率。比如：5.5kW的電動(dòng)機(jī)就是把5.5kW的電力轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，帶動(dòng)水泵抽水或脫粒機(jī)脫粒；各種照明設(shè)備將電能轉(zhuǎn)換為光能，供人們生活和工作照明。無功功率比較抽象，它是用于電路內(nèi)電場與磁場，并用來在電氣設(shè)備中建立和維持磁場的電功率。凡是有電磁線圈的電氣設(shè)備，要建立磁場，就要消耗無功功率。比如40W的日光燈，除需40W有功功率(鎮(zhèn)流器也需消耗一部分有功功率)來發(fā)光外，還需80var左右的無功功率供鎮(zhèn)流器的線圈建立交變磁場用。由于它對(duì)外不做功，才被稱之為"無功"。

　　無功功率決不是無用功率，它的用處很大。電動(dòng)機(jī)需要建立和維持旋轉(zhuǎn)磁場，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)機(jī)械運(yùn)動(dòng)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子磁場就是靠從電源取得無功功率建立的。變壓器也同樣需要無功功率，才能使變壓器的一次線圈產(chǎn)生磁場，在二次線圈感應(yīng)出電壓。因此，沒有無功功率，電動(dòng)機(jī)就不會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)，變壓器也不能變壓，交流接觸器不會(huì)吸合。

　　在正常情況下，用電設(shè)備不但要從電源取得有功功率，同時(shí)還需要從電源取得無功功率。如果電網(wǎng)中的無功功率供不應(yīng)求，用電設(shè)備就沒有足夠的無功功率來建立正常的電磁場，那么這些用電設(shè)備就不能維持在額定情況下工作，用電設(shè)備的端電壓就要下降，從而影響用電設(shè)備的正常運(yùn)行。

　　無功功率對(duì)供、用電也產(chǎn)生一定的不良影響，主要表現(xiàn)在：

　　(1)降低發(fā)電機(jī)有功功率的輸出。

　　(2)視在功率一定時(shí)，增加無功功率就要降低輸、變電設(shè)備的供電能力。

　　(3)電網(wǎng)內(nèi)無功功率的流動(dòng)會(huì)造成線路電壓損失增大和電能損耗的增加。

　　(4)系統(tǒng)缺乏無功功率時(shí)就會(huì)造成低功率因數(shù)運(yùn)行和電壓下降，使電氣設(shè)備容量得不到充分發(fā)揮。

　　2、概念理解

　　理解

　　無功功率的概念，假設(shè)有一輛冷藏車，冷藏車的發(fā)動(dòng)機(jī)功率為180KW。但車上的冷凍柜要消耗發(fā)動(dòng)機(jī)40KW的功率用來制冷。因此發(fā)動(dòng)機(jī)只有140KW的剩余來拉貨物。

　　這樣大家就能看出來了，發(fā)動(dòng)機(jī)功率有180KW，相當(dāng)于視在功率，但用來拉貨的功率只有140KW,這部分為有功功率，而另外的40KW雖然沒有拉貨物，但是它是為了起到冷凍作用而必須存在的，有了它才能是一輛冷藏車，這部分就是無功功率（要區(qū)分無用功和無功功率）。

　　功率因數(shù)

　　在功率三角形中，有功功率P與視在功率S的比值，稱為功率因數(shù)cosφ，其計(jì)算公式為：P=U×Icosφ，其中的φ指的是電壓和電流的相位差。

　　在電力網(wǎng)的運(yùn)行中，功率因數(shù)反映了電源輸出的視在功率被有效利用的程度，我們希望的是功率因數(shù)越大越好。這樣電路中的無功功率可以降到最小，視在功率將大部分用來供給有功功率，從而提高電能輸送的功率。

　　影響功率因數(shù)的主要因素

　　(1)大量的電感性設(shè)備，如異步電動(dòng)機(jī)、感應(yīng)電爐、交流電焊機(jī)等設(shè)備是無功功率的主要消耗者。據(jù)有關(guān)的統(tǒng)計(jì)，在工礦企業(yè)所消耗的全部無功功率中，異步電動(dòng)機(jī)的無功消耗占了60%～70%；而在異步電動(dòng)機(jī)空載時(shí)所消耗的無功又占到電動(dòng)機(jī)總無功消耗的60%～70%。所以要改善異步電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)就要防止電動(dòng)機(jī)的空載運(yùn)行并盡可能提高負(fù)載率。

　　(2)變壓器消耗的無功功率一般約為其額定容量的10%～15%，它的滿載無功功率約為空載時(shí)的1/3。因而，為了改善電力系統(tǒng)和企業(yè)的功率因數(shù)，變壓器不應(yīng)空載運(yùn)行或長期處于低負(fù)載運(yùn)行狀態(tài)。

　　(3)供電電壓超出規(guī)定范圍也會(huì)對(duì)功率因數(shù)造成很大的影響。

　　當(dāng)供電電壓高于額定值的10%時(shí)，由于磁路飽和的影響，無功功率將增長得很快，據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，當(dāng)供電電壓為額定值的110%時(shí)，一般無功將增加35%左右。當(dāng)供電電壓低于額定值時(shí)，無功功率也相應(yīng)減少而使它們的功率因數(shù)有所提高。但供電電壓降低會(huì)影響電氣設(shè)備的正常工作。所以，應(yīng)當(dāng)采取措施使電力系統(tǒng)的供電電壓盡可能保持穩(wěn)定。

　　設(shè)法提高系統(tǒng)自然功率因數(shù)

　　提高自然功率因數(shù)是不需要任何補(bǔ)償設(shè)備投資，僅采取各種管理上或技術(shù)上的手段來減少各種用電設(shè)備所消耗的無功功率，這是一種最經(jīng)濟(jì)的提高功率因數(shù)的方法。

　　(1)合理使用電動(dòng)機(jī)；

　　(2)提高異步電動(dòng)機(jī)的檢修質(zhì)量；

　　(3)采用同步電動(dòng)機(jī)：同步電動(dòng)機(jī)消耗的有功功率取決于電動(dòng)機(jī)上所帶機(jī)械負(fù)荷的大小，而無功功率取決于轉(zhuǎn)子中的勵(lì)磁電流大小，在欠勵(lì)狀態(tài)時(shí)，定子繞組向電網(wǎng)"吸取"感性無功，在過勵(lì)狀態(tài)時(shí)，定子繞組向電網(wǎng)"送出感性"無功。因此，對(duì)于恒速長期運(yùn)行的大型機(jī)構(gòu)設(shè)備可以采用同步電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力。

　　異步電動(dòng)機(jī)同步運(yùn)行就是將異步電動(dòng)機(jī)三相轉(zhuǎn)子繞組適當(dāng)連接并通入直流勵(lì)磁電流，使其呈同步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，這就是"異步電動(dòng)機(jī)同步化"。

　　(4)合理選擇配變?nèi)萘?，改善配變的運(yùn)行方式：對(duì)負(fù)載率比較低的配變，一般采取"撤、換、并、停"等方法，使其負(fù)載率提高到最佳值，從而改善電網(wǎng)的自然功率因數(shù)。

　　3、無功補(bǔ)償

　　從發(fā)電機(jī)和高壓輸電線供給的無功功率，一般滿足不了負(fù)荷的需要，所以在電網(wǎng)中要設(shè)置一些無功補(bǔ)償裝置來補(bǔ)充無功功率，以保證用戶對(duì)無功功率的需要，這樣用電設(shè)備才能在額定電壓下工作。

　　無功補(bǔ)償通常采用的方法主要有3種：低壓個(gè)別補(bǔ)償、低壓集中補(bǔ)償、高壓集中補(bǔ)償。下面簡單介紹這3種補(bǔ)償方式的適用范圍及使用該種補(bǔ)償方式的優(yōu)缺點(diǎn)。

　　1)低壓個(gè)別補(bǔ)償

　　低壓個(gè)別補(bǔ)償就是根據(jù)個(gè)別用電設(shè)備對(duì)無功的需要量將單臺(tái)或多臺(tái)低壓電容器組分散地與用電設(shè)備并接，它與用電設(shè)備共用一套斷路器(即開關(guān))。通過控制、保護(hù)裝置與電機(jī)同時(shí)投切。隨機(jī)補(bǔ)償適用于補(bǔ)償個(gè)別大容量且連續(xù)運(yùn)行(如大中型異步電動(dòng)機(jī))的無功消耗，以補(bǔ)勵(lì)磁無功為主。低壓個(gè)別補(bǔ)償?shù)膬?yōu)點(diǎn)是：用電設(shè)備運(yùn)行時(shí)，無功補(bǔ)償投入，用電設(shè)備停運(yùn)時(shí)，補(bǔ)償設(shè)備也退出，因此不會(huì)造成無功倒送。具有投資少、占位小、安裝容易、配置方便靈活、維護(hù)簡單、事故率低等優(yōu)點(diǎn)。

　　2)低壓集中補(bǔ)償

　　低壓集中補(bǔ)償是指將低壓電容器通過低壓開關(guān)接在配電變壓器低壓母線側(cè)，以無功補(bǔ)償投切裝置作為控制保護(hù)裝置，根據(jù)低壓母線上的無功負(fù)荷而直接控制電容器的投切。電容器的投切是整組進(jìn)行，做不到平滑的調(diào)節(jié)。低壓補(bǔ)償?shù)膬?yōu)點(diǎn)：接線簡單、運(yùn)行維護(hù)工作量小，使無功就地平衡，從而提高配變利用率，降低網(wǎng)損，具有較高的經(jīng)濟(jì)性，是無功補(bǔ)償中常用的手段之一。

　　3)高壓集中補(bǔ)償

　　高壓集中補(bǔ)償是指將并聯(lián)電容器組直接裝在變電所的6～10kV高壓母線上的補(bǔ)償方式。適用于用戶遠(yuǎn)離變電所或在供電線路的末端，用戶本身又有一定的高壓負(fù)荷時(shí)，可以減少對(duì)電力系統(tǒng)無功的消耗并可以起到一定的補(bǔ)償作用；補(bǔ)償裝置根據(jù)負(fù)荷的大小自動(dòng)投切，從而合理地提高了用戶的功率因數(shù)，避免功率因數(shù)降低導(dǎo)致電費(fèi)的增加。同時(shí)便于運(yùn)行維護(hù)，補(bǔ)償效益高。

　　4、無功電源

　　電力系統(tǒng)的無功電源除了同步電機(jī)外，還有并聯(lián)電容器、靜止無功補(bǔ)償器以及靜止無功發(fā)生器，這4種裝置又稱為無功補(bǔ)償裝置，也稱無功電源。除電容器外，其余幾種既能吸收容性無功又能吸收感性無功。

　　1)同步電機(jī)

　　同步電機(jī)中有發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)及調(diào)相機(jī)3種。

　　①同步發(fā)電機(jī)：

　　同步發(fā)電機(jī)是唯一的有功電源，同時(shí)又是最基本的無功電源，當(dāng)其在額定狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)，可以發(fā)出無功功率：

　　Q=S×sinφ=P×tanφ

　　其中:Q、S、P、φ是相對(duì)應(yīng)的無功功率、視在功率、有功功率和功率因數(shù)角。

　　發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí),以滯后功率因數(shù)運(yùn)行為主，向系統(tǒng)提供無功，但必要時(shí)，也可以減小勵(lì)磁電流，使功率因數(shù)超前，即所謂的"進(jìn)相運(yùn)行"，以吸收系統(tǒng)多余的無功。

　?、谕秸{(diào)相機(jī):

　　同步調(diào)相機(jī)是空載運(yùn)行的同步電機(jī)，它能在欠勵(lì)或過勵(lì)的情況下向系統(tǒng)吸收或供出無功，裝有自勵(lì)裝置的同步電機(jī)能根據(jù)電壓平滑地調(diào)節(jié)輸入或輸出的無功功率，這是其優(yōu)點(diǎn)。但它的有功損耗大、運(yùn)行維護(hù)復(fù)雜、響應(yīng)速度慢，已逐漸退出電網(wǎng)運(yùn)行。

　　2)并聯(lián)電容器

　　并聯(lián)電容器補(bǔ)償是目前使用最廣泛的一種無功電源，由于通過電容器的交變電流在相位上正好超前于電容器極板上的電壓，相反于電感中的滯后，由此可視為向電網(wǎng)"發(fā)出無功功率：

　　Q=ωCU2

　　其中：Q、U、Xc=1/ωC分別為無功功率、電壓、電容器容抗。

　　并聯(lián)電容器本身功耗很小，裝設(shè)靈活，節(jié)省投資；由它向系統(tǒng)提供無功可以改善功率因數(shù)，減少由發(fā)電機(jī)提供的無功功率。

　　3)無功補(bǔ)償器

　　靜止無功補(bǔ)償器是由晶閘管所控制投切電抗器和電容器組成，由于晶閘管對(duì)于控制信號(hào)反應(yīng)極為迅速，而且通斷次數(shù)也可以不受限制。當(dāng)電壓變化時(shí)靜止補(bǔ)償器能快速、平滑地調(diào)節(jié)，以滿足動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償?shù)男枰?，同時(shí)還能做到分相補(bǔ)償；對(duì)于三相不平衡負(fù)荷及沖擊負(fù)荷有較強(qiáng)的適應(yīng)性；但由于晶閘管控制對(duì)電抗器的投切過程中會(huì)產(chǎn)生高次諧波，為此需加裝專門的濾波器。

　　4)無功發(fā)生器

　　它的主體是一個(gè)電壓源型逆變器，由可關(guān)斷晶閘管適當(dāng)?shù)耐〝?，將電容上的直流電壓轉(zhuǎn)換成為與電力系統(tǒng)電壓同步的三相交流電壓，再通過電抗器和變壓器并聯(lián)接入電網(wǎng)。適當(dāng)控制逆變器的輸出電壓，就可以靈活地改變其運(yùn)行工況，使其處于容性、感性或零負(fù)荷狀態(tài)。

　　與靜止無功補(bǔ)償器相比，靜止無功發(fā)生器響應(yīng)速度更快，諧波電流更少，而且在系統(tǒng)電壓較低時(shí)仍能向系統(tǒng)注入較大的無功。