供配电系统中无功功率和功率因数

一、感性无功功率

在交流系统中运行的所有的感性（即电磁性）设备，将来自电力系统发电机的电能转变成机械能和热能。这种电能可以用电度表测量，它也可以称作“有功”电能。为了实现这种转变，必须在电机中建立磁场。

磁场是由感性线圈中的电流循环所产生的。因此，这些线圈中的电流相对于电压会滞后90°，表现为由电机所吸收的无功电流。

需要注意的是，无功电流（更准确地说是负荷电流的无功分量）虽然不会从系统中吸收功率，但它使导体产生的热量确实能引起传输和配电系统中的功率损失。无功分量也总是感性的。流过感性电抗的感性电流会在系统中产生可能的压降（即，与系统电压相位正相反）。

由于这两个原因（传输功率损失和电压降），供电部门会致力于尽可能减少系统的无功（感性）电流。

二、容性无功功率

流过电容器的电流比电压超前90°。然后相应的电流矢量与感性负荷的电流矢量方向相反。这也是电容器普遍用于电气系统中的原因，以补偿诸如电机这样的感性负荷所吸收的无功功率。

按照惯例，感性无功功率表示为正（由感性负荷吸收），而容性无功功率表示为负（由电容性负载提供）。

感性无功负载和线路电抗会导致电压降，而容性无功电流对电压水平会起相反作用，并使供电系统电压上升。

三、需要无功电能的设备

具有电磁装置或磁耦合线圈的交流设备，需要一定程度的无功电流以产生磁通。

最常见的设备有变压器、电抗器、电动机、放电灯（如电感镇流器）

当设备满负荷时，不同设备的无功功率（kvar）与有功功率（kW）的比率是不一样的：

异步电动机是 65% ~ 75%（相应地，功率因数是0.8-0.85）。

变压器是 5% ~ 10%（相应地，功率因数接近0.995）。

四、常用电气设备的功率因数

五、提高功率因数的意义

一个电气系统的功率因数的提高带来了若干技术上和经济上的利益，特别是在减少电费的方面。

5.1 电力成本

对无功电能的消耗进行合理的管理会带来经济效益。

这些要点是以一种通常在欧洲采用的实际电价结构为基础的，专门用来鼓励用户将无功能量的消耗减少到最低。

通过在电气系统中安装改善功率因数的电容器，使得消费者可以将无功电能消耗水平控制在与供电部门达成的合同值以下以减少电费。在这种特别的电价结构中，无功电能是按照tan _?的标准计费。

像前面提到的：

从供电侧，供电部门会为以下情况提供免费无功电能：

在最大负荷期间（通常在冬季），每天16h的高峰时段内（从06:00到22:00）无功电能低于有功电能的40%（tan _? =0.4）

在冬季，以及春季和夏季的低负荷期间没有限制。在受限期间内，超过有功电能40%（如tan ? > 0.4）的无功电能消耗会每月根据当前费率计费。因此，在此期间无功电能的计费量就是：Q（需收费的）=P（tan _? -0.4），这里：

P 是在受限期间内消耗的有功电能；

P·tan _?是在此期间内消耗的总的无功电能；

0.4P 是在此期间内免费提供的无功电能的部分。

tan _? = 0.4相应的功率因数是0.93，因此，如果采取措施保证在受限期间内功率因数一直都不要小于0.93,用户就不会对所消耗的无功电能支付任何费用。

相对于减少电费的经济上的优点，用户必须综合考虑购买、安装和维护提高功率因数的电容和控制开关设备、（在需要分步补偿应用的）自动控制装置以及另外被电容器电介质消耗的有功电能的成本，等等。

可能会发现部分补偿更经济合理；对无功电能消耗支付一定费用比100%补偿节省费用。除了特别简单的情况，功率因数改善是一种如何优化的问题。

提高功率因数可以使用较少容量的变压器、开关设备和电缆等，也减少了电气系统的功率损耗和电压降。

5.2 提高性价比

较高的功率因数可以使一个电气系统的各组成部分达到最优化。提高功率因数可以避免选择过大容量的设备。但要达到最好的结果，补偿位置应该尽可能地接近感性装置的单个设备。

减小电缆尺寸

当功率因数从1减小到0.4时，对传输相同的有功功率时电缆尺寸的放大系数与功率因数的关系如下表。

减小电缆中的损耗（P，kW）

电缆中的损耗与电流的平方成正比，在电气系统中可以用电能表进行测量。例如，导体的总电流减少10%，损耗就将减少接近20%。

减少电压降

功率因数校正设备能够减少、甚至完全消除上游导体中的（感性）无功电流，因而能够减少或消除电压降。

注：过补偿将导致设备侧的电压升高。

增加可用功率

通过提高由变压器供电的负荷的功率因数，减少流过变压器的电流，可以使变压器带更多的负荷。实际上，也许提高功率因数会比更换较大的变压器便宜。