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【標題】電路中功率因數的大小與電路的負荷性質的關系

【作者】發布人|【來源】公司|【發表時間】2009-10-22|【點擊數】6611 次

  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,用符號cosΦ表示,在數值上,功率因數是有功功率和視在功率的比值,即cosΦ=P/S


  功率因數的大小與電路的負荷性質有關,如白熾燈泡、電阻爐等電阻負荷的功率因數為1,一般具有電感或電容性負載的電路功率因數都小于1。功率因數是電力系統的一個重要的技術數據。功率因數是衡量電氣設備效率高低的一個系數。功率因數低,說明電路用于交變磁場轉換的無功功率大,從而降低了設備的利用率,增加了線路供電損失。所以,供電部門對用電單位的功率因數有一定的標準要求。


  (1) 最基本分析:


  拿設備作舉例。例如:設備功率為100個單位,也就是說,有100個單位的功率輸送到設備中。然而,因大部分電器系統存在固有的無功損耗,只能使用70個單位的功率。很不幸,雖然僅僅使用70個單位,卻要付100個單位的費用。在這個例子中,功率因數是0.7 (如果大部分設備的功率因數小于0.9時,將被罰款),這種無功損耗主要存在于電機設備中(如鼓風機、抽水機、壓縮機等),又叫感性負載。功率因數是馬達效能的計量標準。


  (2) 基本分析:


  每種電機系統均消耗兩大功率,分別是真正的有用功(叫千瓦)及電抗性的無用功。功率因數是有用功與總功率間的比率。功率因數越高,有用功與總功率間的比率便越高,系統運行則更有效率。


  (3) 高級分析:


  在感性負載電路中,電流波形峰值在電壓波形峰值之后發生。兩種波形峰值的分隔可用功率因數表示。功率因數越低,兩個波形峰值則分隔越大。保爾金能使兩個峰值重新接近在一起,從而提高系統運行效率。


  對于功率因數改善 :


  電網中的電力負荷如電動機、變壓器、日光燈及電弧爐等,大多屬于電感性負荷,這些電感性的設備在運行過程中不僅需要向電力系統吸收有功功率,還同時吸收無功功率。因此在電網中安裝并聯電容器無功補償設備后,將可以提供補償感性負荷所消耗的無功功率,減少了電網電源側向感性負荷提供及由線路輸送的無功功率。由于減少了無功功率在電網中的流動,因此可以降低輸配電線路中變壓器及母線因輸送無功功率造成的電能損耗,這就是無功補償的效益。無功補償的主要目的就是提升補償系統的功率因數。因為供電局發出來的電是以KVA或者MVA來計算的,但是收費卻是以KW,也就是實際所做的有用功來收費,兩者之間有一個無效功率的差值,一般而言就是以KVAR為單位的無功功率。大部分的無效功都是電感性,也就是一般所謂的電動機、變壓器、日光燈……,幾乎所有的無效功都是電感性,電容性的非常少見。也就是因為這個電感性的存在,造成了系統里的一個KVAR值,三者之間是一個三角函數的關系: KVA的平方=KW的平方+KVAR的平方簡單來講,在上面的公式中,如果今天的KVAR的值為零的話,KVA就會與KW相等,那么供電局發出來的1KVA的電就等于用戶1KW的消耗,此時成本效益最高,所以功率因數是供電局非常在意的一個系數。用戶如果沒有達到理想的功率因數,相對地就是在消耗供電局的資源,所以這也是為什么功率因數是一個法規的限制。目前就國內而言功率因數規定是必須介于電感性的0.9~1之間,低于0.9,或高于1.0都需要接受處罰。這就是為什么我們必須要把功率因數控制在一個非常精密的范圍,過多過少都不行。


  供電局為了提高他們的成本效益要求用戶提高功率因數,那提高功率因數對我們用戶端有什么好處呢?① 通過改善功率因數,減少了線路中總電流和供電系統中的電氣元件,如變壓器、電器設備、導線等的容量,因此不但減少了投資費用,而且降低了本身電能的損耗。② 藉由良好功因值的確保,從而減少供電系統中的電壓損失,可以使負載電壓更穩定,改善電能的質量。③ 可以增加系統的裕度,挖掘出了發供電設備的潛力。如果系統的功率因數低,那么在既有設備容量不變的情況下,裝設電容器后,可以提高功率因數,增加負載的容量。舉例而言,將1000KVA變壓器之功率因數從0.8提高到0.98時:補償前:1000×0.8=800KW


  補償后:1000×0.98=980KW


  同樣一臺1000KVA的變壓器,功率因數改變后,它就可以多承擔180KW的負載。④ 減少了用戶的電費支出;透過上述各元件損失的減少及功率因數提高的電費優惠。此外,有些電力電子設備如整流器、變頻器、開關電源等;可飽和設備如變壓器、電動機、發電機等;電弧設備及電光源設備如電弧爐、日光燈等,這些設備均是主要的諧波源,運行時將產生大量的諧波。諧波對發動機、變壓器、電動機、電容器等所有連接于電網的電器設備都有大小不等的危害,主要表現為產生諧波附加損耗,使得設備過載過熱以及諧波過電壓加速設備的絕緣老化等。并聯到線路上進行無功補償的電容器對諧波會有放大作用,使得系統電壓及電流的畸變更加嚴重。另外,諧波電流疊加在電容器的基波電流上,會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,引起局部過熱、振動、噪音增大、繞組附加發熱等。


  諧波污染也會增加電纜等輸電線路的損耗。而且諧波污染對通訊質量有影響。當電流諧波分量較高時,可能會引起繼電保護的過電壓保護、過電流保護的誤動作。因此,如果系統量測出諧波含量過高時,除了電容器端需要串聯適宜的調諧(detuned)電抗外,并需針對負載特性專案研討加裝諧波改善裝置。


  改善電能質量的理由:為什么說提高用戶的功率因數可以改善電壓質量?


  電力系統向用戶供電的電壓,是隨著線路所輸送的有功功率和無功功率變化而變化的。當線路輸送一定數量的有功功率是,如輸送的無功功率越多,線路的電壓損失越大。即送至用戶端的電壓就越低。如果110KV以下的線路,其電壓損失可近似為:△U=PR+QX/Ue


  其中:△U-線路的電壓損失,KV


  Ue--線路的額定電壓,KV


  P--線路輸送的有功功率,KW


  Q--線路輸送的無功功率,KVAR


  R—線路電阻,歐姆


  X--線路電抗,歐姆


  由上式可見,當用戶功率因數提高以后,它向電力系統吸取的無功功率就要減少,因此電壓損失也要減少,從而改善了用戶的電壓質量。

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