功率因數(shù)補(bǔ)償

1．低壓電容器補(bǔ)償容量的計(jì)算

當(dāng)提高自然功率因數(shù)仍不能達(dá)到要求時(shí)，一般采用并聯(lián)電容器以提高工頻電力系統(tǒng)的功率因數(shù)。通信企業(yè)中則采用低壓并聯(lián)電容器進(jìn)行補(bǔ)償。靜電電容器的補(bǔ)償容量可按下式計(jì)算：

Qc=Pjs（tanΦ1-tanΦ2）

或Qc=Pjs.qc

式中：Pjs_______總的有功功率計(jì)算負(fù)荷（kW）；

tanΦ1_______采取補(bǔ)償前自然功率因數(shù)cosΦ1的正切值；

tanΦ2_______供電局要求達(dá)到的功率因數(shù)cosΦ2的正切值；

qc_______補(bǔ)償率（kVAR/kW）。

自然功率因數(shù)可按下式計(jì)算：

式中：Qjs————總的最大無(wú)功功率計(jì)算負(fù)荷（kvar）；

2．電容器容量與數(shù)量的確定

在計(jì)算電容器容量時(shí)，由于電容器不是在額定電壓下運(yùn)行，電容器實(shí)際能補(bǔ)償?shù)娜萘縌s應(yīng)為：

式中QH———電容器的標(biāo)準(zhǔn)容量（kvar）；

US———運(yùn)行電壓，一般為380V；

UH———電容器額定工作電壓。

因此，需要電容器的數(shù)量n應(yīng)為：

3．低壓電容器屏及電容器的配置

（1）概述

近年來(lái)開(kāi)關(guān)廠生產(chǎn)的低壓靜電電容器屏及低壓并聯(lián)自動(dòng)補(bǔ)償成套裝置發(fā)展很快。產(chǎn)品性能及功率因數(shù)自動(dòng)補(bǔ)償控制器的技術(shù)性能均改進(jìn)很多。一般具有工作穩(wěn)定、性能可靠、靈敏度高、抗干擾能力強(qiáng)、體積小、消耗功率低等優(yōu)點(diǎn)。工作方式采用循環(huán)投、撤，可保證接觸器、電容器的操作次數(shù)相同，以延長(zhǎng)它們的使用壽命。

（2）電容器柜

工廠生產(chǎn)的各型號(hào)自動(dòng)控制靜電電容器屏適用于工礦企業(yè)的配電室或車(chē)間，頻率50Hz、電壓380V的三相電力系統(tǒng)，內(nèi)裝功率因數(shù)自動(dòng)補(bǔ)償控制器，可根據(jù)功率因數(shù)數(shù)值的變化，自動(dòng)控制并聯(lián)電容器組的投入或退出，從而使功率因數(shù)保持在0.95以上。

功率因數(shù)的大小與電路的負(fù)荷性質(zhì)有關(guān)，如白熾燈泡、電阻爐等電阻負(fù)荷的功率因數(shù)為1，一般具有電感或電容性負(fù)載的電路功率因數(shù)都小于1。功率因數(shù)是電力系統(tǒng)的一個(gè)重要的技術(shù)數(shù)據(jù)。功率因數(shù)是衡量電氣設(shè)備效率高低的一個(gè)系數(shù)。功率因數(shù)低，說(shuō)明電路用于交變磁場(chǎng)轉(zhuǎn)換的無(wú)功功率大，從而降低了設(shè)備的利用率，增加了線路供電損失。所以，供電部門(mén)對(duì)用電單位的功率因數(shù)有一定的標(biāo)準(zhǔn)要求。

(1)最基本分析：拿設(shè)備作舉例。例如：設(shè)備功率為100個(gè)單位，也就是說(shuō)，有100個(gè)單位的功率輸送到設(shè)備中。然而，因大部分電器系統(tǒng)存在固有的無(wú)功損耗，只能使用70個(gè)單位的功率。很不幸，雖然僅僅使用70個(gè)單位，卻要付100個(gè)單位的費(fèi)用。在這個(gè)例子中，功率因數(shù)是0.7(如果大部分設(shè)備的功率因數(shù)小于0.9時(shí)，將被罰款)，這種無(wú)功損耗主要存在于電機(jī)設(shè)備中(如鼓風(fēng)機(jī)、抽水機(jī)、壓縮機(jī)等)，又叫感性負(fù)載。功率因數(shù)是馬達(dá)效能的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)。

(2)基本分析：每種電機(jī)系統(tǒng)均消耗兩大功率，分別是真正的有用功(叫千瓦)及電抗性的無(wú)用功。功率因數(shù)是有用功與總功率間的比率。功率因數(shù)越高，有用功與總功率間的比率便越高，系統(tǒng)運(yùn)行則更有效率。

(3)高級(jí)分析：在感性負(fù)載電路中，電流波形峰值在電壓波形峰值之后發(fā)生。兩種波形峰值的分隔可用功率因數(shù)表示。功率因數(shù)越低，兩個(gè)波形峰值則分隔越大。保爾金能使兩個(gè)峰值重新接近在一起，從而提高系統(tǒng)運(yùn)行效率。

在交流電路中，電壓與電流之間的相位差(Φ)的余弦叫做功率因數(shù)，用符號(hào)cosΦ表示，在數(shù)值上，功率因數(shù)是有功功率和視在功率的比值，即cosΦ=P/S。

電網(wǎng)中的電力負(fù)荷如電動(dòng)機(jī)、變壓器、日光燈及電弧爐等，大多屬于電感性負(fù)荷，這些電感性的設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中不僅需要向電力系統(tǒng)吸收有功功率，還同時(shí)吸收無(wú)功功率。因此在電網(wǎng)中安裝并聯(lián)電容器無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備后，將可以提供補(bǔ)償感性負(fù)荷所消耗的無(wú)功功率，減少了電網(wǎng)電源側(cè)向感性負(fù)荷提供及由線路輸送的無(wú)功功率。減少了無(wú)功功率在電網(wǎng)中的流動(dòng)，可以降低輸配電線路中變壓器及母線因輸送無(wú)功功率造成的電能損耗，這種措施稱作功率因數(shù)補(bǔ)償。

由于功率因數(shù)提高的根本原因在于無(wú)功功率的減少，因此功率因數(shù)補(bǔ)償通常稱之為無(wú)功補(bǔ)償。

在大系統(tǒng)中，無(wú)功補(bǔ)償還用于調(diào)整電網(wǎng)的電壓，提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性。

在小系統(tǒng)中，通過(guò)恰當(dāng)?shù)臒o(wú)功補(bǔ)償方法還可以調(diào)整三相不平衡電流。按照wangs定理：在相與相之間跨接的電感或者電容可以在相間轉(zhuǎn)移有功電流。因此，對(duì)于三相電流不平衡的系統(tǒng)，只要恰當(dāng)?shù)卦诟飨嗯c相之間以及各相與零線之間接入不同容量的電容器，不但可以將各相的功率因數(shù)均補(bǔ)償至1，而且可以使各相的有功電流達(dá)到平衡狀態(tài)。

無(wú)功補(bǔ)償?shù)闹饕康木褪翘嵘a(bǔ)償系統(tǒng)的功率因數(shù)。因?yàn)楣╇娋职l(fā)出來(lái)的電是以KVA或者M(jìn)VA來(lái)計(jì)算的，但是收費(fèi)卻是以KW，也就是實(shí)際所做的有用功來(lái)收費(fèi)，兩者之間有一個(gè)無(wú)效功率的差值，一般而言就是以KVAR為單位的無(wú)功功率。大部分的無(wú)效功都是電感性，也就是一般所謂的電動(dòng)機(jī)、變壓器、日光燈……，幾乎所有的無(wú)效功都是電感性，電容性的非常少見(jiàn)。也就是因?yàn)檫@個(gè)電感性的存在，造成了系統(tǒng)里的一個(gè)KVAR值，三者之間是一個(gè)三角函數(shù)的關(guān)系

KVA的平方=KW的平方 KVAR的平方

簡(jiǎn)單來(lái)講，在上面的公式中，如果KVAR的值為零的話，KVA就會(huì)與KW相等，那么供電局發(fā)出來(lái)的1KVA的電就等于用戶1KW的消耗，此時(shí)成本效益最高，所以功率因數(shù)是供電局非常在意的一個(gè)系數(shù)。用戶如果沒(méi)有達(dá)到理想的功率因數(shù)，相對(duì)地就是在消耗供電局的資源，所以這也是為什么功率因數(shù)是一個(gè)法規(guī)的限制。就國(guó)內(nèi)而言功率因數(shù)規(guī)定是必須介于電感性的0.9～1之間，低于0.9需要接受處罰。這就是為什么我們必須要把功率因數(shù)控制在一個(gè)非常精密的范圍。

供電局為了提高他們的成本效益要求用戶提高功率因數(shù)，那提高功率因數(shù)對(duì)我們用戶端有什么好處呢？

①通過(guò)改善功率因數(shù)，減少了線路中總電流和供電系統(tǒng)中的電氣元件，如變壓器、電器設(shè)備、導(dǎo)線等的容量，因此不但減少了投資費(fèi)用，而且降低了本身電能的損耗。

②藉由良好功因值的確保，從而減少供電系統(tǒng)中的電壓損失，可以使負(fù)載電壓更穩(wěn)定，改善電能的質(zhì)量。

③可以增加系統(tǒng)的裕度，挖掘出了發(fā)供電設(shè)備的潛力。如果系統(tǒng)的功率因數(shù)低，那么在既有設(shè)備容量不變的情況下，裝設(shè)電容器后，可以提高功率因數(shù)，增加負(fù)載的容量。

舉例而言，將1000KVA變壓器之功率因數(shù)從0.8提高到0.98時(shí)：

補(bǔ)償前：1000×0.8=800KW

補(bǔ)償后：1000×0.98=980KW

同樣一臺(tái)1000KVA的變壓器，功率因數(shù)改變后，它就可以多承擔(dān)180KW的負(fù)載。

④減少了用戶的電費(fèi)支出；透過(guò)上述各元件損失的減少及功率因數(shù)提高的電費(fèi)優(yōu)惠。

此外，有些電力電子設(shè)備如整流器、變頻器、開(kāi)關(guān)電源等；可飽和設(shè)備如變壓器、電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)等；電弧設(shè)備及電光源設(shè)備如電弧爐、日光燈等，這些設(shè)備均是主要的諧波源，運(yùn)行時(shí)將產(chǎn)生大量的諧波。諧波對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)、變壓器、電動(dòng)機(jī)、電容器等所有連接于電網(wǎng)的電器設(shè)備都有大小不等的危害，主要表現(xiàn)為產(chǎn)生諧波附加損耗，使得設(shè)備過(guò)載過(guò)熱以及諧波過(guò)電壓加速設(shè)備的絕緣老化等。

并聯(lián)到線路上進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償?shù)碾娙萜鲗?duì)諧波會(huì)有放大作用，使得系統(tǒng)電壓及電流的畸變更加嚴(yán)重。另外，諧波電流疊加在電容器的基波電流上，會(huì)使電容器的電流有效值增加，造成溫度升高，減少電容器的使用壽命。

諧波電流使變壓器的銅損耗增加，引起局部過(guò)熱、振動(dòng)、噪音增大、繞組附加發(fā)熱等。

諧波污染也會(huì)增加電纜等輸電線路的損耗。而且諧波污染對(duì)通訊質(zhì)量有影響。當(dāng)電流諧波分量較高時(shí)，可能會(huì)引起繼電保護(hù)的過(guò)電壓保護(hù)、過(guò)電流保護(hù)的誤動(dòng)作。

因此，如果系統(tǒng)量測(cè)出諧波含量過(guò)高時(shí)，除了電容器端需要串聯(lián)適宜的調(diào)諧（detuned）電抗外，并需針對(duì)負(fù)載特性專案研討加裝諧波改善裝置。

在通信企業(yè)中使用不少容量大小不等的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)、變壓器和熒光燈等，也就有大量的無(wú)功電流在供電線路上、變壓器設(shè)備內(nèi)和電動(dòng)機(jī)設(shè)備內(nèi)往返流動(dòng)，造成無(wú)功功率損耗，這是很不經(jīng)濟(jì)的。因此需要考慮改善功率因數(shù)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，企業(yè)的無(wú)功功率損耗一般是感應(yīng)電動(dòng)機(jī)占70%，變壓器占20%，線路占10%。為此，通常采取下列措施來(lái)提高自然功率因數(shù)：

2 合理選擇電動(dòng)機(jī)，使其接近滿載運(yùn)行。

2 將平均負(fù)荷小于40%的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，換以小容量電動(dòng)機(jī)?；?qū)⒍ㄗ訛槿切蔚慕泳€改為星形接線（僅適用于輕載或空載啟動(dòng)的電動(dòng)機(jī)）。

2 正確選擇變壓器容量，提高變壓器負(fù)荷率（一般75%～80%比較合適）。

通信局（站）使用低壓靜電電容器和調(diào)諧電抗電容器兩種方式來(lái)補(bǔ)償功率因數(shù)。

功率因數(shù)是交流電路的重要技術(shù)數(shù)據(jù)之一,有十分重要的意義

。功率因數(shù)的高低，對(duì)于電氣設(shè)備的利用率和分析、研究電能消耗等問(wèn)題都有十分重要的意義。

所謂功率因數(shù)，是指任意二端網(wǎng)絡(luò)（與外界有二個(gè)接點(diǎn)的電路）兩端電壓U與其中電流I之間的相位差的余弦。在二端網(wǎng)絡(luò)中消耗的功率是指平均功率，也稱為有功功率，它等于電壓×電流×電壓電流間相位差的余弦。

由此可以看出，電路中消耗的功率P，不僅取決于電壓V與電流I的大小，還與功率因數(shù)有關(guān)。而功率因數(shù)的大小，取決于電路中負(fù)載的性質(zhì)。對(duì)于電阻性負(fù)載，其電壓與電流的位相差為0，因此，電路的功率因數(shù)最大；而純電感電路，電壓與電流的位相差為π/2，并且是電壓超前電流；在純電容電路中，電壓與電流的位相差則為－（π/2），即電流超前電壓。在后兩種電路中，功率因數(shù)都為0。對(duì)于一般性負(fù)載的電路，功率因數(shù)就介于0與1之間。

一般來(lái)說(shuō)，在二端網(wǎng)絡(luò)中，提高用電器的功率因數(shù)有兩方面的意義，一是可以減小輸電線路上的功率損失；二是可以充分發(fā)揮電力設(shè)備（如發(fā)電機(jī)、變壓器等）的潛力。因?yàn)橛秒娖骺偸窃谝欢妷篣和一定有功功率P的條件下工作，由公式P=UIcosΦ

可知，功率因數(shù)過(guò)低，就要用較大的電流來(lái)保障用電器正常工作，與此同時(shí)輸電線路上輸電電流增大，從而導(dǎo)致線路上焦耳熱損耗增大。另外，在輸電線路的電阻上及電源的內(nèi)組上的電壓降，都與用電器中的電流成正比，增大電流必然增大在輸電線路和電源內(nèi)部的電壓損失。因此，提高用電器的功率因數(shù)，可以減小輸電電流，進(jìn)而減小了輸電線路上的功率損失。

提高功率因數(shù)，可以充分發(fā)揮電力設(shè)備的潛力，這也不難理解。因?yàn)槿魏坞娏υO(shè)備，工作時(shí)總是在一定的額定電壓和額定電流限度內(nèi)。工作電壓超過(guò)額定值，會(huì)威脅設(shè)備的絕緣性能；工作電流超過(guò)額定值，會(huì)使設(shè)備內(nèi)部溫度升得過(guò)高，從而降低了設(shè)備的使用壽命。對(duì)于電力設(shè)備，電壓與電流額定值的乘積，稱為這臺(tái)設(shè)備的額定視在功率S額即

S額=U額I額

也稱它為設(shè)備的容量，對(duì)于發(fā)電機(jī)來(lái)說(shuō)，這個(gè)容量就是發(fā)電機(jī)可能輸出的最大功率，它標(biāo)志著發(fā)電機(jī)的發(fā)電潛力，至于發(fā)電機(jī)實(shí)際輸出多大功率，就跟用電器的功率因數(shù)有關(guān)，用電器消耗的功率為

功率因數(shù)高，表示有功功率占額定視在功率的比例大，發(fā)電機(jī)輸出的電能被充分地利用了。例如，發(fā)電機(jī)的容量若為15000千伏安，當(dāng)電力系統(tǒng)的功率因數(shù)由0．6提高到0．8時(shí)，就可以使發(fā)電機(jī)實(shí)際發(fā)電能力提高3000千瓦，這不正是發(fā)揮了發(fā)電機(jī)的潛力嗎？設(shè)備的利用也更合理。從這個(gè)角度來(lái)講，功率因數(shù)可以表示為有功功率與機(jī)在功率的比值，即

如何提高功率因數(shù)，是電力工業(yè)中需要認(rèn)真考慮的一個(gè)重要而又實(shí)際的問(wèn)題。在平常遇到的電感性負(fù)載的電路中，例如日光燈電路，一般采用并聯(lián)合適的電容器來(lái)提高整個(gè)電路的功率因數(shù) 。

為了避免電容器與電源電感在特定諧波下產(chǎn)生諧振，可采取在每一組電容器組的開(kāi)關(guān)段上加裝電抗器的方法，這樣可使電容和電抗的組合在危險(xiǎn)頻率處是感性的，而在基本頻率處則是容性的。為達(dá)到這個(gè)目的，電容器和串聯(lián)聯(lián)接的電抗必須要避開(kāi)主流諧波中最低次諧振頻率的諧波。

通信樓最低諧波一般以第五次諧波為主，低壓電容器補(bǔ)償應(yīng)串聯(lián)6%的電抗器，諧振點(diǎn)為189Hz。電抗器還要考慮基本波、第3、第5、第7次諧波電流的耐流強(qiáng)度。

串聯(lián)電抗器后電容器的耐壓等級(jí)要提高，按下式考慮：

VC=VS VL VH

式中：VS為基波電壓；VL為電抗器分壓；VH為諧波在電容器上產(chǎn)生的電壓。根據(jù)IEC標(biāo)準(zhǔn)，在低壓系統(tǒng)中，3、5、7次諧波分別應(yīng)考慮基波電壓的0.5%、5%、和5%。

例如當(dāng)系統(tǒng)電壓為400V時(shí)，串聯(lián)6%電抗器后，電容器的耐壓等級(jí)計(jì)算如下：

VC=400 400×6%÷（1-6%） 400×10.5%=468V

電容器輸出容量和安裝容量的關(guān)系，應(yīng)按下式計(jì)算：

式中：Q1：安裝容量；Q2：輸出容量；U1：基波電壓；U2：電容器耐壓等級(jí)；d：電抗率。

例如當(dāng)系統(tǒng)電壓為400V時(shí)，使用480V的電容器并加串6%電抗器，電容器安裝容量為Q1，電容器組的輸出容量計(jì)算如下：

Q2=（400/480）2×Q1×1÷（1-6%）=74%Q1

從上式可見(jiàn)，加串6%電抗器的電容器輸出容量只是安裝容量的74%。