来一起了解无功功率、无功补偿、功率因数

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##电网#

最近有朋友向笔者请教无功补偿的一些事情。那么就在本文中，笔者将与其相关的无功功率、功率因数都简单讲一下吧！

一、无功功率

我们知道，电网中的许多电力设备多是根据电磁感应原理工作的，他们在能量转换过程中建立交变的磁场，在一个周期内吸收的功率和释放的功率相等。

电源能量在通过纯电感或纯电容电路时并没有能量消耗，仅在负荷与电源之间往复交换、在三相之间流动，由于这种交换功率不对外做功，因此称为无功功率。

气动电磁阀（图片来源：摄图网）

从物理概念来解释感性无功功率：

由于电感线圈是贮藏磁场能量的元件，当线圈加上交流电压后，电压交变时，相应的磁场能量也随着变化。电压增大时，电流及磁场能量也就相应加强，此时线圈的磁场能量就将外电源供给的能量以磁场能量形式贮藏起来；当电流减小和磁场能量减弱时，线圈把磁场能量释放并输回到外面的电路中。

交流电感电路不消耗功率，电路中仅是电源能量与磁场能量之间的往复转换。

电感线圈（图片来源：网络）

从物理概念来解释容性无功功率：

由于电容器是贮藏电场能量的元件，当电容器加上交流电压后，电压交变时，相应的电场能量也随着变化。电压增大时，电流及电场能量也就相应加强，此时电容器的电场能量就将外电源供给的能量以电场能量形式贮藏起来；当电压减小和电场能量减弱时，电容器把电场能量释放并输回到外面的电路中。

交流电容电路不消耗功率，电路中仅是电源能量与电场能量之间的往复转换。

电容器（图片来源：网络）

二、无功分类

上文中，我们提到了感性无功和容性无功。除此之外，还有基波无功和谐波无功。

感性无功：电流矢量滞后于电压矢量90°。如电动机、变压器、晶闸管变流设备等；

容性无功：电流矢量超前于电压矢量90°。如电容器、电缆输配电线路等；

基波无功：与电源频率相等的无功（50HZ）；

谐波无功：与电源频率不相等的无功。

电力变压器（图片来源：摄图网）

三、功率因数

实际供用电系统中的电力负荷，并不是纯感性或纯容性的，是既有电感或电容、又有电阻的负载。这种负载的电压和电流的相量之间存在着一定的相位差，相位角的余弦cosφ称为功率因数，又称力率。它是有功功率与视在功率之比。

三相功率因数的计算公式为：

cosφ = P/S = P/√P²+Q²

在上面的式子中：cosφ指功率因数，P指有功功率（KW），Q指无功功率（Kvar），S指视在功率（KVA）。

功率因数通常分为自然功率因数、瞬时功率因数和加权平均功率因数三种。

在三相对称电路中，各相电压、电流为对称，功率因数也相同。那么三相电路总的功率因数就等于各相的功率因数。

三相异步电动机（图片来源：网络）

四、无功补偿

电力系统中，不但有功功率要平衡，无功功率也要平衡。

有功功率、无功功率、视在功率之间的相量关系如下图所示：

由式子cosφ=P/S可知，在一定的有功功率下，功率因数cosφ越小，所需的无功功率就越大。为了满足用电的要求，供电线路和变压器的容量就需要增加。这样会增加供电投资、降低设备使用率、增加线路损耗。

为了提高电网的经济运行效率，需要根据电网中的无功类型，人为补偿容性无功或者感性无功，来抵消线路的无功功率。

而关于无功补偿的主要作用，则是提高功率因数以减少设备容量和功率损耗、稳定电压、提高供电质量，在长距离输电中提高输电稳定性和输电能力以及平衡三相负载的有功和无功功率。

安装并联电容器进行无功补偿，可限制无功功率在电网中的传输，相应减少了线路的电压损耗，提高了配电网的电压质量。

并联电容器（图片来源：网络）

我们先来看第一个作用：提高电压质量。其原理是什么？

把线路中电流分为有功电流la和无功电流lr，则线路中的电压损失可以用下面的式子来表示：

这个式子中，P指有功功率（KW），Q指无功功率（Kvar），U指额定电压（KV），R指线路总电阻（Ω），XI指线路感抗（Ω）。

因此，提高功率因数后可减少线路上传输的无功功率Q，若保持有功功率不变，而R、Xl均为定值，无功功率Q越小，电压损失就越小，从而提高了电压质量。

来看第二个作用：提高变压器的利用率、减少投资。其原理是什么？

把功率因数cosφ1提高到cosφ2，提高变压器利用率，如下图公式所示：

不难看出，补偿后变压器的利用率比补偿前提高ΔS%，可以带更多的负荷，这样就减少了输变电设备的投资。

第三个作用：减少用户电费支出。

可以避免因功率因数低于规定值而受罚。

可以减少用户内部因传输和分配无功功率造成的有功功率损耗，电费可相应降低。

电度表细节（图片来源：摄图网）

第四个作用：提高电力网传输能力。

有功功率与视在功率的关系式为：P=Sxcosφ。可见，在传输一定有功功率的条件下，功率因数越高，需要电网传输的功率越小。

最后，我们来了解下无功补偿的安排方式有哪些。

1. 集中补偿：装设在企业或地方总变电所6KV至35KV母线上，可减少高压线路的无功损耗，而且能提高本变电所的供电电压质量。

2. 分散补偿：装设在功率因数较低的车间或村镇终端变、配电所的高压或低压母线上。 这种方式与集中补偿有相同的优点，但无功容量较小，效果较明显。

3. 就地补偿：装设在异步电动机或电感性用电设备附近，就地进行补偿。这种方式既能提高用电设备供电回路的功率因数，又能改变用电设备的电压质量。

注意：无功补偿的节能只是降低了补偿点至发电机之间的供电损耗，因此，高压侧的无功补偿不能减少低压网侧的损耗，也不能使低压供电变压器的利用率提高。根据最佳补偿理论，就地补偿的节能效果最为显著。

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