[科普中国]-无功功率

无功功率是指在具有电抗的交流电路中，电场或磁场在一周期的一部分时间内从电源吸收能量，另一部分时间则释放能量，在整个周期内平均功率是零，但能量在电源和电抗元件（电容、电感）之间不停地交换。交换率的最大值即为“无功功率”。单相交流电路中，其值等于电压有效值、电流有效值和电压与电流间相位角的正弦三者之积。单位为瓦、千瓦1。

简介无功功率，许多用电设备均是根据电磁感应原理工作的，如配电变压器、电动机等，它们都是依靠建立交变磁场才能进行能量的转换和传递。为建立交变磁场和感应磁通而需要的电功率称为无功功率，因此，所谓的"无功"并不是"无用"的电功率，只不过它的功率并不转化为机械能、热能而已；因此在供用电系统中除了需要有功电源外，还需要无功电源，两者缺一不可。

在电网中，由电源供给负载的电功率有两种：一种是有功功率，另一种是无功功率（reactive power） 。有功功率是保持用电设备正常运行所需的电功率，也就是将电能转换为其他形式能量(机械能、光能、热能)的电功率。比如：5.5kW的电动机就是把5.5kW的电力转换为机械能，带动水泵抽水或脱粒机脱粒；各种照明设备将电能转换为光能，供人们生活和工作照明。无功功率比较抽象，它是用于电路内电场与磁场，并用来在电气设备中建立和维持磁场的电功率。凡是有电磁线圈的电气设备，要建立磁场，就要消耗无功功率。比如40W的日光灯，除需40W有功功率(镇流器也需消耗一部分有功功率)来发光外，还需80var左右的无功功率供镇流器的线圈建立交变磁场用。由于它对外不做功，才被称之为"无功"。

无功功率决不是无用功率，它的用处很大。电动机需要建立和维持旋转磁场，使转子转动，从而带动机械运动，电动机的转子磁场就是靠从电源取得无功功率建立的。变压器也同样需要无功功率，才能使变压器的一次线圈产生磁场，在二次线圈感应出电压。因此，没有无功功率，电动机就不会转动，变压器也不能变压，交流接触器不会吸合。

在正常情况下，用电设备不但要从电源取得有功功率，同时还需要从电源取得无功功率。如果电网中的无功功率供不应求，用电设备就没有足够的无功功率来建立正常的电磁场，那么这些用电设备就不能维持在额定情况下工作，用电设备的端电压就要下降，从而影响用电设备的正常运行。

无功功率对供、用电也产生一定的不良影响，主要表现在：

(1)降低发电机有功功率的输出。

(2)视在功率一定时，增加无功功率就要降低输、变电设备的供电能力。

(3)电网内无功功率的流动会造成线路电压损失增大和电能损耗的增加。

(4)系统缺乏无功功率时就会造成低功率因数运行和电压下降，使电气设备容量得不到充分发挥。

概念理解理解无功功率的概念，假设有一辆冷藏车，冷藏车的发动机功率为180KW。但车上的冷冻柜要消耗发动机40KW的功率用来制冷。因此发动机只有140KW的剩余来拉货物。

这样大家就能看出来了，发动机功率有180KW，相当于视在功率，但用来拉货的功率只有140KW,这部分为有功功率，而另外的40KW虽然没有拉货物，但是它是为了起到冷冻作用而必须存在的，有了它才能是一辆冷藏车，这部分就是无功功率（要区分无用功和无功功率）。

功率因数在功率三角形中，有功功率P与视在功率S的比值，称为功率因数cosφ，其计算公式为：P=U×Icosφ，其中的φ指的是电压和电流的相位差。在电力网的运行中，功率因数反映了电源输出的视在功率被有效利用的程度，我们希望的是功率因数越大越好。这样电路中的无功功率可以降到最小，视在功率将大部分用来供给有功功率，从而提高电能输送的功率。

影响功率因数的主要因素

(1)大量的电感性设备，如异步电动机、感应电炉、交流电焊机等设备是无功功率的主要消耗者。据有关的统计，在工矿企业所消耗的全部无功功率中，异步电动机的无功消耗占了60%～70%；而在异步电动机空载时所消耗的无功又占到电动机总无功消耗的60%～70%。所以要改善异步电动机的功率因数就要防止电动机的空载运行并尽可能提高负载率。

(2)变压器消耗的无功功率一般约为其额定容量的10%～15%，它的满载无功功率约为空载时的1/3。因而，为了改善电力系统和企业的功率因数，变压器不应空载运行或长期处于低负载运行状态。

(3)供电电压超出规定范围也会对功率因数造成很大的影响。

当供电电压高于额定值的10%时，由于磁路饱和的影响，无功功率将增长得很快，据有关资料统计，当供电电压为额定值的110%时，一般无功将增加35%左右。当供电电压低于额定值时，无功功率也相应减少而使它们的功率因数有所提高。但供电电压降低会影响电气设备的正常工作。所以，应当采取措施使电力系统的供电电压尽可能保持稳定。

设法提高系统自然功率因数

提高自然功率因数是不需要任何补偿设备投资，仅采取各种管理上或技术上的手段来减少各种用电设备所消耗的无功功率，这是一种最经济的提高功率因数的方法。

(1)合理使用电动机；

(2)提高异步电动机的检修质量；

(3)采用同步电动机：同步电动机消耗的有功功率取决于电动机上所带机械负荷的大小，而无功功率取决于转子中的励磁电流大小，在欠励状态时，定子绕组向电网"吸取"感性无功，在过励状态时，定子绕组向电网"送出感性"无功。因此，对于恒速长期运行的大型机构设备可以采用同步电动机作为动力。

异步电动机同步运行就是将异步电动机三相转子绕组适当连接并通入直流励磁电流，使其呈同步电动机运行，这就是"异步电动机同步化"。

(4)合理选择配变容量，改善配变的运行方式：对负载率比较低的配变，一般采取"撤、换、并、停"等方法，使其负载率提高到最佳值，从而改善电网的自然功率因数。

无功功率的危害无功功率对供、用电产生一定的不良影响，主要表现在2：

降低发电机有功功率的输出

降低输、变电设备的供电能力

造成线路电压损失增大和电能损耗的增加。

造成低功率因数运行和电压下降，使电气设备容量得不到充分发挥。

无功补偿从发电机和高压输电线供给的无功功率，一般满足不了负荷的需要，所以在电网中要设置一些无功补偿装置来补充无功功率，以保证用户对无功功率的需要，这样用电设备才能在额定电压下工作。

无功补偿通常采用的方法主要有3种：低压个别补偿、低压集中补偿、高压集中补偿。简单介绍一下这3种补偿方式的适用范围及使用该种补偿方式的优缺点。

低压个别补偿低压个别补偿就是根据个别用电设备对无功的需要量将单台或多台低压电容器组分散地与用电设备并接，它与用电设备共用一套断路器(即开关)。通过控制、保护装置与电机同时投切。随机补偿适用于补偿个别大容量且连续运行(如大中型异步电动机)的无功消耗，以补励磁无功为主。低压个别补偿的优点是：用电设备运行时，无功补偿投入，用电设备停运时，补偿设备也退出，因此不会造成无功倒送。具有投资少、占位小、安装容易、配置方便灵活、维护简单、事故率低等优点。

低压集中补偿低压集中补偿是指将低压电容器通过低压开关接在配电变压器低压母线侧，以无功补偿投切装置作为控制保护装置，根据低压母线上的无功负荷而直接控制电容器的投切。电容器的投切是整组进行，做不到平滑的调节。低压补偿的优点：接线简单、运行维护工作量小，使无功就地平衡，从而提高配变利用率，降低网损，具有较高的经济性，是无功补偿中常用的手段之一。

高压集中补偿高压集中补偿是指将并联电容器组直接装在变电所的6～10kV高压母线上的补偿方式。适用于用户远离变电所或在供电线路的末端，用户本身又有一定的高压负荷时，可以减少对电力系统无功的消耗并可以起到一定的补偿作用；补偿装置根据负荷的大小自动投切，从而合理地提高了用户的功率因数，避免功率因数降低导致电费的增加。同时便于运行维护，补偿效益高。

无功电源电力系统的无功电源除了同步电机外，还有并联电容器、静止无功补偿器以及静止无功发生器，这4种装置又称为无功补偿装置，也称无功电源。除电容器外，其余几种既能吸收容性无功又能吸收感性无功。

同步电机同步电机中有发电机、电动机及调相机3种。

①同步发电机：

同步发电机是唯一的有功电源，同时又是最基本的无功电源，当其在额定状态下运行时，可以发出无功功率：

Q=S×sinφ=P×tanφ

其中:Q、S、P、φ是相对应的无功功率、视在功率、有功功率和功率因数角。

发电机正常运行时,以滞后功率因数运行为主，向系统提供无功，但必要时，也可以减小励磁电流，使功率因数超前，即所谓的"进相运行"，以吸收系统多余的无功。

②同步调相机:

同步调相机是空载运行的同步电机，它能在欠励或过励的情况下向系统吸收或供出无功，装有自励装置的同步电机能根据电压平滑地调节输入或输出的无功功率，这是其优点。但它的有功损耗大、运行维护复杂、响应速度慢，已逐渐退出电网运行。

并联电容器并联电容器补偿是使用最广泛的一种无功电源，由于通过电容器的交变电流在相位上正好超前于电容器极板上的电压，相反于电感中的滞后，由此可视为向电网"发出无功功率：

Q=ωCU2

其中：Q、U、Xc=1/ωC分别为无功功率、电压、电容器容抗。

并联电容器本身功耗很小，装设灵活，节省投资；由它向系统提供无功可以改善功率因数，减少由发电机提供的无功功率。

无功补偿器静止无功补偿器是由晶闸管所控制投切电抗器和电容器组成，由于晶闸管对于控制信号反应极为迅速，而且通断次数也可以不受限制。当电压变化时静止补偿器能快速、平滑地调节，以满足动态无功补偿的需要，同时还能做到分相补偿；对于三相不平衡负荷及冲击负荷有较强的适应性；但由于晶闸管控制对电抗器的投切过程中会产生高次谐波，为此需加装专门的滤波器。

无功发生器它的主体是一个电压源型逆变器，由可关断晶闸管适当的通断，将电容上的直流电压转换成为与电力系统电压同步的三相交流电压，再通过电抗器和变压器并联接入电网。适当控制逆变器的输出电压，就可以灵活地改变其运行工况，使其处于容性、感性或零负荷状态。

与静止无功补偿器相比，静止无功发生器响应速度更快，谐波电流更少，而且在系统电压较低时仍能向系统注入较大的无功。

本词条内容贡献者为:

徐恒山 - 讲师 - 西北农林科技大学