提高功率因数的必要性及其方法

第1章引言1.1研究背景随着经济的日益发展,电力需求不断提高,伴随而来的突出问题是能源无效的巨大消耗,资源利用率低下。电力系统是一庞大的系统,其电能损耗的数值相当可观,能源的合理配置是极需解决的问题。功率因数是决定发、供电系统经济效益的一个极为重要的因素,它直接反映了系统中有功功率与无功功率的分配。对于发、供电系统来说,对负荷不但要求有高的负荷率,而且也要求有高的功率因数。在供电系统中，绝大多数用电设备都具有电感的特性（诸如：感应电动机、电力变压器，电焊机等）。这些设备不仅需要从电力系统吸收有功功率，还要吸收无功功率以提供这些设备正常工作所需要的交变磁场。然而在输送有功功率一定的情况下，无功功率增大，就会降低供电系统的功率因数。因此，功率因数是衡量供电系统电能利用程度及电气设备使用状况的一个具有代表性的重要指标，而如何改善功率因数是要探讨的课题。1.2课题的研究内容本论文首先讨论了低功率因数对电网系统的不利表现，在低功率因数状态下，可造成线路的电流、铜损较大；发电设备的容量不能充分利用和线路、发电机绕组的功率损耗的增加，增大了投资等不利表现。接着分析了低功率因数产生的主要原因。在此基础上，着重研究和分析得出了提高自然功率因数的方法和提高功率因数的人工补偿方法，根据不同的情况应采取相应的措施。最后分析讨论了提高功率因数对电网系统的必要性，如提高功率因数可减少投资、改善设备的利用率，减少线路的压降和提高电力网的传输能力、增加经济效益等重大意义。提高功率因数对能源的有效利用和人类的可持续发展起到了促进作用。第2章低功率因数的不利表现及其产生的原因2.1电力网络的功率因数电力网络除了要负担用电负荷的有功功率，还要负担负荷的无功功率、有功功率、无功功率和视在功率之间存在下述关系：（1）而与之比即:（2）被定义为电力网络的功率因数，其物理意义是线路的视在功率供给有功功率的消耗所占百分数。在电力网的运行中，电源供给负载的总功率中，由于存在着有功功率做功，无功功率不做功，在相同数值的视在功率的情况下，如果做功越多，表明有功功率占的比重就越大，能量利用率就越高。我们所希望的是功率因数越大越好，如能做到这一点，则电路中的视在功率将大部分用来供给有功功率，以减少无功功率的消耗。2.2低功率因数的不利表现2.2.1线路的电流大对于一个给定的负荷，当供电电压一定时，则功率因数越低，电流就越大，因为：（3）式中:为用电负荷的有功负荷；为线电压。可见，供电电流与功率因数成反比。发电机与变压器的额定容量都是正比于其输出电流，从而也就反比于功率因数，所以，在供出同样功率的条件下，电压一定时，功率因数越低，则要求发电机与变压器的容量也就越大，因此，发电机与变压器的投资也就越高。对电力系统的发电、变电和配电设备来说，功率因数降低，无功功率增大，无功电流亦显著增大，对发电设备来说，无功电流增大，将导致其转子的去磁效应增加，电压降低。过度增加激磁电流，使转子绕组的温升超过的允许值，另外，原动机的出力是以有功功率来衡量的，当发电机发出的视在功率一定时，功率因数的降低将使原动机的出力相应降低。2.2.2线路的铜损大线路铜损公式如下:（4）把(3)代入其中就得到下式:（5）由此可见，设备的铜损正比于电流的平方，从而反比于功率因数的平方，功率因数越低，则电气设备中的铜损就越大，效率也就越低，与此相似，当系统的功率因数很低，对于传递同样的功率，则电流加大。所以若导线尺寸相同，则电能传输系统意味着有更大的能量损失，或者说，对于同样的能量损失，要求有更粗的导体。2.2.3发电设备的容量不能充分利用（6）由（6）式可见，当负载的功率因数时，而发电机的电压和电流又不容许超过额定值，这时发电机所能发出的有功功率就减少了。功率因数愈低，发电机所发出的有功功率就愈小，而无功功率却愈大。无功功率愈大，即电路中能量互换的规模愈大，则发电机发出的能量就不能充分利用，其中有一部分即在发电机与负载之间进行互换。例如容量为1000kVA的变压器，如果，即能发出1000kW的有功功率，而在时，则只能发出700kW的功率。2.2.4增加线路和发电机绕组的功率损耗当发电机的电压和输出功率一定时，电流与功率因数成反比，而线路和发电机绕组上的功率损耗则与的平方成反比，即（7）式中是发电机绕组和线路的电阻。2.2.5投资高（8）由上式可知，对于一给定的负荷，在低功率因数下，母线的截面、保护开关的导电面积，都必须加大才能通过更大的电流，故此，投资亦需增加。2.3低功率因数产生的主要原因2.3.1励磁电流的影响磁通的交链、互感是变压器原边、副边传递功率的原理。空载变压器原边线圈在接通电源电压时，流入的电流是励磁电流也叫激磁电流，这个电流的大小与漏磁、线圈直流电阻成正比。如果忽略这两个因素，则，励磁电流为0。但是由于实际线圈电阻很小，漏磁也很小，但不为0，因此，稍大于，这个差值就造成了励磁电流不为0。变压器都带有励磁电流，它对于感应电势来说，总是滞后的。在正常情况下，励磁电流不致影响功率因数，但当轻负荷运行时(如一个居民区的配电变压器在夜间主要供应照明负荷，因此，半夜以后照明负荷急剧减少，配电变压器就进入轻负荷),原端功率因数就降低。2.3.2感应电动机的使用三相异步电动机接入三相交流电源时，三相定子绕组流过三相对称电流产生的三相磁动势并产生旋转磁场。该旋转磁场与转子导体有相对切割运动，根据电磁感应原理，转子导体产生感应电动势并产生感应电流。而载流的转子导体在磁场中受到电磁力的作用，形成电磁转矩，驱动转子旋转，当电动机轴上带机械负载时，便向为输出机械能。但感应电动机的功率因数滞后，轻载功率因数低，调速性能稍差。大量使用感应电动机也会造成系统功率因数降低,因为不可能所有的电动机都在满负荷运行,当电动机满负荷运行时,功率因数可达到85%；当电动机在75%额定负荷运行时，功率因数为0.8，而当电动机在50%额定负荷运行时，功率因数为0.7；若电动机空载运行，则功率因数为0.2-0.3可见，大量使用电动机而这些电动机又不能全部都满负荷运行时，系统的功率因数必然降低。2.3.3气体放电灯的使用气体放电灯是由气体、金属蒸气或几种气体与金属蒸气的混合放电而发光的灯。通过气体放电将电能转换为光的一种电光源。气体放电的种类很多,用得较多的是辉光放电和弧光放电(见电弧放电）。辉光放电一般用于霓虹灯和指示灯。弧光放电可有很强的光输出，照明光源都采用弧光放电。荧光灯、高压汞灯、钠灯和金属卤化物灯是应用最多的照明用气体放电灯。气体放电灯在居民与工业、商业照明中正越来越广泛地应用，而气体放电灯也是以低功率因数运行的。2.3.4修理过的电动机的使用 由于在用户中不可避免地大量使用着修理过的电动机，这些修理过的电动机，通常其定子绕组匝数少于原来的匝数，因此，这些电动机中漏磁通增加。漏磁通是无用磁通，不能转化为输出能量，漏磁通通过线圈（线圈本身是有电感、电抗和电容的）时就产生了电抗，这个电抗是漏电抗。而漏电抗是串联在电路里的，因此其增大会造成电动机功率因数降低。第3章提高功率因数的必要性及其方法3.1提高功率因数的必要性3.1.1能够减少投资、功率因数可以表示成下述形式(9)可见，在一定的电压和电流下，提高，其输出的有功功率就越大，因此，改善功率因数是充分发挥设备潜力、提高设备利用率的有效方法。3.1.2可以减少线路压降、改善电压质量电力网的电压损失可借下式求出,线路电压降为:(10)这里，是线路有功负荷；是线路无功负荷；与分别是线路电阻与电抗；是线路供电电压。如果采用容抗为的电容来补偿，则电压损失为:(11)故采用补偿电容提高功率因数后，电压损失减小，改善了电压质量。再由(10)或(11)可知，无功负荷越小，则线路电压降就越小。3.1.3能够提高电力网的传输能力、增加经济效益由于视在功率与有功功率成以下关系(12)(13)当传送有功功率一定的条件下，越高，所需视在功率就越小。而当有功负荷一定时，若功率因数越大，则由(13)可知，无功负荷就越小，充分发挥了发、供电设备的生产能力，提高了经济效益。在二端网络中，提高用电器的功率因数可减少输电线路上的功率损失；能充分发挥电力设备(变压器、电动机等)的潜力。提高电网的功率因数对国民经济的发展有着极其重要的意义。功率因数的提高，能使发电设备的容量得到充分利用，同时也能使电能得到大量节约。3.2提高功率因数的方法提高功率因数的途径主要在于如何减少电力系统中各个部分所需的无功功率,特别是减少负荷取用的无功功率,使电力系统在输送一定的有功功率时,可降低其中通过的无功电流。提高功率因数，最常用的方法就是与电感性负载并联静电电容器（设置在用户或变电所中），其电路图和相量图如下图所示。++_（a）（b）图1电容器与电感性负载并联以提高功率因数（a）电路图（b）相量图并联电容器以后，电感性负载的电流和功率因数均未变化，这是因为所加电压和负载参数没有改变。但电压和线路电流之间的相位差变小了，即变大了。这里我们所讲的提高功率因数，是指提高电源或电网的功率因数，而不是指提高某个电感性负载的功率因数。在电感性负载上并联了电容器以后，减少了电源与负载之间的能量互换。这时电感性负载所需的无功功率，大部分或全部都是就地供给（有电容器供给），就是说能量的互换现在主要或完全发生在电感性负载与电容器之间，因而使发动机容量得到充分利用。其次，由相量图可见，并联电容器以后线路电流也减少了（电流相量相加），因而减小了功率损耗。提高功率因数的方法很多,但总的来说可以归结为两大类:3.2.1提高自然功率因数的方法提高自然功率因数，就是不添置任何补偿装置，采取措施来减少供电系统中无功功率的需要量。它不需增加投资，是最经济的提高功率因数的方法。在不进行任何人工补偿之前，首先从提高自然功率因数着手，能收到既节电又减少开支的效果。其主要有：1正确选用异步电动机的型号与容量。据有关资料介绍,我国中小型异步电动机的用电负荷约占电网总负荷的80%以上,几个主要电网中,电动机所耗能占整个工业用电量的60%-68%左右。因此做好电动机的降损节能具有十分重要的经济意义。正确选用异步电动机,使其额定容量与所带负载相配合,对于改善功率因数是十分重要的。在选型方面,要注意选用节能型,淘汰高能耗的电动机,并依据电机机械工作对启动力矩、启动次数、调速等方面的具体要求,选用不同的型号。电动机的效率与功率因数是反映电动机经济运行水平的主要标,都与负载率有密切关系。GB/T12497-90对三相异步电机三个运行区域规定如下:当负载率在70%-100%之间时,为经济运行区；当40%70%时,为一般运行区；当<40%时,为非经济运行区。2根据负荷选用相匹配的变压器。电力变压器一次侧功率因数不但与负荷的功率因数有关,而且与负荷率有关,若变压器满载运行,一次侧功率因数仅比二次侧降低约3-5%；若变压器轻载运行,当负荷小于0.6时,一次侧功率因数就显著下降,下降达11-18%,所以电力变压器的负荷率在0.6以上运行时才较经济,一般应在60%-70%比较合适。为了充分利用设备和提高功率因数,电力变压器一般不宜作轻载运行。当电力变压器负荷率小于30%时,应当更换成容量较小的变压器。根据变压器的最佳负载系数合理选用变压器，将变压器进行更换及调整，在负载小的时候切除部分变压器，这样可以减少无功功率的需求量，使自然功率因数得到提高。3合理安排和调整工艺流程。合理安排和调整工艺流程,改善电机设备的运行状态,限制电焊机和机床电动机的空载运行。例如可采用空载自动延时断电置流程等。电动机、变压器等电感性负载，励磁无功功率在满载和轻载时变化不大，而轻载时有功功率较小，所以功率因数较低。此时，可采用小容量电动机代替负荷不足的大容量电动机，或将电动机的定子绕组由△形改接成Y形，减少无功功率，还应限制感应电动机空载运行。对于单台使用的轻负载感应电动机的降压措施，是采用调整内部接线的办法。这种办法目前采用得很广泛，其中最简易可行的是将电动机的定子线圈由形改接为Y形联接。改装以后加在绕组上的电压低到额定电压的，因此实际容量下降到额定容量的，即：（14）式中为压降后的容量，为电动机的额定容量。降压以后电动机的转矩也降为原来转矩的。例如一台感应电动机的额定功率为10kW，额定电流为19.9A，效率为87.5%，功率因数为0.87；但如果它拖动一台轻负载车床，实测电流为7.7A，有功功率为2.15kW，无功功率为4.5kvar，功率因数为0.42；现作—Y改接之后，实测得电流为3.6A，有功功率为2kW，无功功率为1.3kvar，功率因数为0.83。实测结果说明—Y改接可将功率因数从0.42提高到0.83。如果以二班制计算，这一台车床全年可以节约有功功率电度540kWh，无功电度11880kWh4异步电动机同步化运行。对于负荷率不大于0.7及最大负荷不大于90%额定功率的绕线式异步电动机,必要时可使其同步化,即当绕线式异步电动机在起动完毕以后,向转子三相绕组中送入直流励磁,即产生转矩把异步电动机牵入同步运行,其运转状态与同步电动机相似。在过励磁的情况下,电动机可向电网送出无功功率,从而达到改善功率因数的目的。我国有一些工矿企业由于无功功率缺乏，在异步电动机同步化的工作上取得了一定成效，也有不少报道，兹举一例如下：上海长桥水厂水泵房原装置1000kW线绕式异步电机两台，转速592r/min，功率因数0.84,长期持续运行，每台向电网吸收670kvar无功功率。后该厂将此两台机改组成同步运行，改组转速提高为600r/min，功率因数从0.84滞后提高到0.97超前，每台向电网反馈284kvar。对提高电网功率因数起了一定的作用。3.2.2提高功率因数的补偿方法采用供应无功功率的设备来补偿用电设备所需的无功功率，以提高其功率因数的措施，称为提高功率因数的补偿方法。采用补偿法来提高功率因数，必须增加新设备、增加有色与黑色金属的需用量。此外，补偿设备本身也有功率损失，所以从整体来看，应首先采用提高用电设备自然功率因数的方法。但当功率因数还达不到《电力设计技术规范》所要求的数值时，则需采用专门的补偿设备来提高功率因数。应用人工补偿无功功率的方法通常有应用移相电容器(即静电电容器)、采用同步电动机和采用同步调相机三种方法。对于采用并联电容器进行无功补偿，按其在供电系统中安装的位置来分，可分为集中补偿、分组补偿和就地补偿三种。（1）集中补偿：即在高、低压配电所内设置若干组电容器组，电容器接在配电母线上，补偿该配电所供电范围内的无功功率，并使总功率因数达到所规定的值以上。如果电容器组容量较大，可采用电容器柜，如果企业配电容量大，需大量采用电容器进行无功补偿，则另外建造电容器室。（2）分组补偿：有的企业小功率异步电动机较少，不可能都装无功就地补偿器。这时，用分组补偿比较合适，即在车间或对多台小功率异步电动机装设无功补偿器。（3）就地补偿：即把无功补偿器直接接在异步电动机旁或进线端子上。这种补偿方法相当于把无功电源直接搬移到异步电动机旁，使异步电动机所需要的大部分无功功率由无功就地补偿器供给，无功功率仅在异步电动机和并联电容器之间流动。从而消除了无功电流在高、低压线路上的流动，减少线路负荷和损耗。同步电动机在过励磁方式运行(0.8-0.9超前)时，就向电力系统输送无功功率,提高了工业的功率因数。一般在满足工艺条件下，采用或不采用同步电动机来提高企业的功率因数，应进行技术经济比较。通常对低速、恒速且长期连续工作的容量较大的电动机，宜采用同步电动机组,如轧钢的电动机组、球磨机、空压机、鼓风机、水泵等设备。这些设备采用同步电动机为原动机时，其容量一般在250KW以上环境与启动条件均能满足同步电动机的要求，而且停歇时间较少，因此对改善功率因数能起很大作用。但是同步电动机结构复杂，并且附有一套启动控制设备，维护工作量大，价格较异步电动机贵，而且目前高压移相电容器价格普遍降低，这就相应地提高了“异步电动机加移相电容器的补偿方案”的优越性。移相电容器由于具有功率损耗小、运行维修很方便、短路电流小等优点而在工业企业中被广泛用作人工补偿装置。从电机原理来讲，调相机是空载运行的同步电动机，它的转子也和同步电动机一样，都是做成凸极式的。它的转速不高，一般为750—1000r/min。由于同步调相机不拖动如何机械负载，所以它的轴要较同容量的同步电动机细小，它的空气间隙也比同步电动机要小。改变同步电动机励磁电流的大小，可以控制它从电网中吸收无功功率或者是输出无功功率。根据这个原理，专门制造一种不带任何机械负载、只是向电网输出无功功率的同步电动机，这种同步电动机就是调相机。调相机可以在欠励磁状态下运行，吸收电网的无功功率，这种运行方式称为“进相运行”。进相运行在某些运行方式下是必需的，因为它可以解决由于无功功率过剩而引起的一系列问题。功率因数的人工补偿装置又可分为同步补偿和静止补偿两大类:同步补偿机：是处于无载运行状态的同步电动机，可以将它看成专门的无功功率发电机。其作用有两个，一是提高电网的功率因数，二是调节输电线路的电压。其特点有：(1)补偿工作在过激状态时，其激磁电流较大，因而补偿机本身的损耗也较大。(2)不直接拖动任何机械负荷，它的起动较同步电机容易多。(3)与其它补偿装置(如并联电容器)比较，造价高，并因有旋转部分，维修较复杂。静止补偿器：是一种利用电容器和各种类型的电抗器，进行无功静止补偿的装置，它可向电网提供可变动的容性和感性无功功率。静止无功补偿装置（简称SVC）是指凡是能够以无机械传动部件而达到提供无功出力的装置。它是由静电电容器和晶闸管等部件组合而成的。目前，世界各工业发达国家所制造并已投入运行的静止无功功率装置的类型很多的，从无功电源供应情况来看，则可以分成固定电容性；固定电感性；可变电容性；可变电感性；固定电容性加可变电感性。在实际应用中较普遍的是采用固定电容性加可变电感性的，也就说一组或几组容量较大的固定电容性加上一台容量相对略小的可变电感性构成一套SVC可变无功电源装置。随着现代工业的发展，电力网中出现了冲击性有功负荷，这些冲击性有功功率带来了冲击性无功功率。例如在电弧炉中，当金属熔化期间，电弧炉需要的无功功率是急剧地变化的，为此要求监测其所需无功功率并采用SVC，使它发出急剧变化的等量电容性无功出力，使其平衡以保持电弧炉持续在高功率因数状态下运行。目前，广泛采用的静止补偿装置多为并联电容器补偿装置。并联电容器补偿装置有如下特点：(1)没有机械旋转运动，无磨损、噪音小、维修简便，运行经济。(2)本身的功率损耗小，约为它所提供无功功率的0.3—0.4％。(3)所需投资少。(4)并联电容器补偿装置既能集中，又能分散，组合灵活方便。(5)采用自动控制，实现自动投切，从而能无级平滑地调节输出的电感性或电容性无功功率，且进一步减少了电容器组