無功功率

無功功率，許多用電設備均是根據電磁感應原理工作的，如配電變壓器、電動機等，它們都是依靠建立交變磁場才能進行能量的轉換和傳遞。為建立交變磁場和感應磁通而需要的電功率稱為無功功率，因此，所謂的"無功"並不是"無用"的電功率，只不過它的功率並不轉化為機械能、熱能而已；因此在供用電系統中除了需要有功電源外，還需要無功電源，兩者缺一不可。

在電網中，由電源供給負載的電功率有兩種：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備正常運行所需的電功率，也就是將電能轉換為其他形式能量(機械能、光能、熱能)的電功率。比如：5.5kW的電動機就是把5.5kW的電力轉換為機械能，帶動水泵抽水或脫粒機脫粒；各種照明設備將電能轉換為光能，供人們生活和工作照明。無功功率比較抽象，它是用於電路內電場與磁場，並用來在電氣設備中建立和維持磁場的電功率。凡是有電磁線圈的電氣設備，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(鎮流器也需消耗一部分有功功率)來發光外，還需80var左右的無功功率供鎮流器的線圈建立交變磁場用。由於它對外不做功，才被稱之為"無功"。

無功功率決不是無用功率，它的用處很大。電動機需要建立和維持旋轉磁場，使轉子轉動，從而帶動機械運動，電動機的轉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生磁場，在二次線圈感應出電壓。因此，沒有無功功率，電動機就不會轉動，變壓器也不能變壓，交流接觸器不會吸合。

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

無功功率對供、用電也產生一定的不良影響，主要表現在：

(1)降低發電機有功功率的輸出。

(2)視在功率一定時，增加無功功率就要降低輸、變電設備的供電能力。

(3)電網內無功功率的流動會造成線路電壓損失增大和電能損耗的增加。

(4)系統缺乏無功功率時就會造成低功率因數運行和電壓下降，使電氣設備容量得不到充分發揮。

無功功率的概念，假設有一輛冷藏車，冷藏車的發動機功率為180KW。但車上的冷凍櫃要消耗發動機40KW的功率用來製冷。因此發動機只有140KW的剩餘來拉貨物。

這樣大家就能看出來了，發動機功率有180KW，相當於視在功率，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（要區分無用功和無功功率）。

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cosφ，其計算公式為：P=U×Icosφ，其中的φ指的是電壓和電流的相位差。在電力網的運行中，功率因數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。

影響功率因數的主要因素

(1)大量的電感性設備，如非同步電動機、感應電爐、交流電焊機等設備是無功功率的主要消耗者。據有關的統計，在工礦企業所消耗的全部無功功率中，非同步電動機的無功消耗佔了60%～70%；而在非同步電動機空載時所消耗的無功又佔到電動機總無功消耗的60%～70%。所以要改善非同步電動機的功率因數就要防止電動機的空載運行並儘可能提高負載率。

(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的1/3。因而，為了改善電力系統和企業的功率因數，變壓器不應空載運行或長期處於低負載運行狀態。

(3)供電電壓超出規定範圍也會對功率因數造成很大的影響。

當供電電壓高於額定值的10%時，由於磁路飽和的影響，無功功率將增長得很快，據有關資料統計，當供電電壓為額定值的110%時，一般無功將增加35%左右。當供電電壓低於額定值時，無功功率也相應減少而使它們的功率因數有所提高。但供電電壓降低會影響電氣設備的正常工作。所以，應當採取措施使電力系統的供電電壓儘可能保持穩定。

設法提高系統自然功率因數

提高自然功率因數是不需要任何補償設備投資，僅採取各種管理上或技術上的手段來減少各種用電設備所消耗的無功功率，這是一種最經濟的提高功率因數的方法。

(1)合理使用電動機；

(2)提高非同步電動機的檢修質量；

(3)採用同步電動機：同步電動機消耗的有功功率取決於電動機上所帶機械負荷的大小，而無功功率取決於轉子中的勵磁電流大小，在欠勵狀態時，定子繞組向電網"吸取"感性無功，在過勵狀態時，定子繞組向電網"送出感性"無功。因此，對於恆速長期運行的大型機構設備可以採用同步電動機作為動力。

非同步電動機同步運行就是將非同步電動機三相轉子繞組適當連接並通入直流勵磁電流，使其呈同步電動機運行，這就是"非同步電動機同步化"。

(4)合理選擇配變容量，改善配變的運行方式：對負載率比較低的配變，一般採取"撤、換、並、停"等方法，使其負載率提高到最佳值，從而改善電網的自然功率因數。

無功功率對供、用電產生一定的不良影響，主要表現在：

● ● 降低發電機有功功率的輸出

● ● 降低輸、變電設備的供電能力

● ● 造成線路電壓損失增大和電能損耗的增加。

● ● 造成低功率因數運行和電壓下降，使電氣設備容量得不到充分發揮。

從發電機和高壓輸電線供給的無功功率，一般滿足不了負荷的需要，所以在電網中要設置一些無功補償裝置來補充無功功率，以保證用戶對無功功率的需要，這樣用電設備才能在額定電壓下工作。

無功補償通常採用的方法主要有3種：低壓個別補償、低壓集中補償、高壓集中補償。簡單介紹一下這3種補償方式的適用範圍及使用該種補償方式的優缺點。

低壓個別補償就是根據個別用電設備對無功的需要量將單台或多台低壓電容器組分散地與用電設備並接，它與用電設備共用一套斷路器(即開關)。通過控制、保護裝置與電機同時投切。隨機補償適用於補償個別大容量且連續運行(如大中型非同步電動機)的無功消耗，以補勵磁無功為主。低壓個別補償的優點是：用電設備運行時，無功補償投入，用電設備停運時，補償設備也退出，因此不會造成無功倒送。具有投資少、佔位小、安裝容易、配置方便靈活、維護簡單、事故率低等優點。

低壓集中補償是指將低壓電容器通過低壓開關接在配電變壓器低壓母線側，以無功補償投切裝置作為控制保護裝置，根據低壓母線上的無功負荷而直接控制電容器的投切。電容器的投切是整組進行，做不到平滑的調節。低壓補償的優點：接線簡單、運行維護工作量小，使無功就地平衡，從而提高配變利用率，降低網損，具有較高的經濟性，是無功補償中常用的手段之一。

高壓集中補償是指將並聯電容器組直接裝在變電所的6～10kV高壓母線上的補償方式。適用於用戶遠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荷時，可以減少對電力系統無功的消耗並可以起到一定的補償作用；補償裝置根據負荷的大小自動投切，從而合理地提高了用戶的功率因數，避免功率因數降低導致電費的增加。同時便於運行維護，補償效益高。

電力系統的無功電源除了同步電機外，還有並聯電容器、靜止無功補償器以及靜止無功發生器，這4種裝置又稱為無功補償裝置，也稱無功電源。除電容器外，其餘幾種既能吸收容性無功又能吸收感性無功。

同步電機中有發電機、電動機及調相機3種。

①同步發電機：

同步發電機是唯一的有功電源，同時又是最基本的無功電源，當其在額定狀態下運行時，可以發出無功功率：

Q=S×sinφ=P×tanφ

其中:Q、S、P、φ是相對應的無功功率、視在功率、有功功率和功率因數角。

發電機正常運行時，以滯后功率因數運行為主，向系統提供無功，但必要時，也可以減小勵磁電流，使功率因數超前，即所謂的"進相運行"，以吸收系統多餘的無功。

②同步調相機:

同步調相機是空載運行的同步電機，它能在欠勵或過勵的情況下向系統吸收或供出無功，裝有自勵裝置的同步電機能根據電壓平滑地調節輸入或輸出的無功功率，這是其優點。但它的有功損耗大、運行維護複雜、響應速度慢，已逐漸退出電網運行。

並聯電容器補償是使用最廣泛的一種無功電源，由於通過電容器的交變電流在相位上正好超前於電容器極板上的電壓，相反於電感中的滯后，由此可視為向電網"發出無功功率：

Q=ωCU2

其中：Q、U、Xc=1/ωC分別為無功功率、電壓、電容器容抗。

並聯電容器本身功耗很小，裝設靈活，節省投資；由它向系統提供無功可以改善功率因數，減少由發電機提供的無功功率。

靜止無功補償器是由晶閘管所控制投切電抗器和電容器組成，由於晶閘管對於控制信號反應極為迅速，而且通斷次數也可以不受限制。當電壓變化時靜止補償器能快速、平滑地調節，以滿足動態無功補償的需要，同時還能做到分相補償；對於三相不平衡負荷及衝擊負荷有較強的適應性；但由於晶閘管控制對電抗器的投切過程中會產生高次諧波，為此需加裝專門的濾波器。

它的主體是一個電壓源型逆變器，由可關斷晶閘管適當的通斷，將電容上的直流電壓轉換成為與電力系統電壓同步的三相交流電壓，再通過電抗器和變壓器並聯接入電網。適當控制逆變器的輸出電壓，就可以靈活地改變其運行工況，使其處於容性、感性或零負荷狀態。

與靜止無功補償器相比，靜止無功發生器響應速度更快，諧波電流更少，而且在系統電壓較低時仍能向系統注入較大的無功。