(陜西省石頭河水庫(kù)灌溉管理局，陜西 眉縣 722300)

1 功率因數(shù)的相關(guān)概念

在電力網(wǎng)的運(yùn)行中，電費(fèi)核算是以有功電度為準(zhǔn)的，而所謂的"無(wú)功"并不是"無(wú)用"的電功率，是為了建立交變磁場(chǎng)進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換和傳遞的那部分功率，因此在電力系統(tǒng)中既要多發(fā)有功，又要滿足系統(tǒng)的無(wú)功需求，兩者缺一不可。而電網(wǎng)運(yùn)行中，功率因數(shù)反映了電源輸出的視在功率被有效利用的程度，我們希望的是發(fā)電機(jī)在確保非進(jìn)相運(yùn)行的情況下，功率因數(shù)越大越好，這樣電網(wǎng)系統(tǒng)中對(duì)無(wú)功功率要求就較低，既而在電力傳輸中就可以減少線路損耗，提高電網(wǎng)傳輸能力；同時(shí)可降低線路電壓損耗，提高電能質(zhì)量。對(duì)于發(fā)電機(jī)組，提高功率因數(shù)，可調(diào)低在機(jī)組轉(zhuǎn)子線圈的勵(lì)磁電流，延緩設(shè)備絕緣老化程度、提高機(jī)組使用壽命。目前，電力系統(tǒng)對(duì)發(fā)電廠及用電企業(yè)功率因數(shù)分別都有十分嚴(yán)格的規(guī)定(水電站功率因數(shù)以0.8為宜，用電企業(yè)功率因數(shù)≥0.9)，達(dá)不到規(guī)定數(shù)值將以有功電度折抵無(wú)功電度，因此我們?cè)诹?zhēng)多發(fā)有功電度的同時(shí)，不得不發(fā)一定的無(wú)功電度。

2 功率因數(shù)的影響因素分析

(1)并網(wǎng)功率因數(shù)規(guī)定的影響。由于歷史原因以前小水電電網(wǎng)功率因數(shù)低且補(bǔ)償技術(shù)落后，所以小型發(fā)電機(jī)的額定功率因數(shù)按0.8設(shè)計(jì) ，并網(wǎng)功率因數(shù)按1978年國(guó)家水利電力文件規(guī)定的0.8考核。但隨著技術(shù)的進(jìn)步，無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)的發(fā)展，無(wú)功一般能達(dá)到就地平衡。現(xiàn)在我國(guó)大中型電站并網(wǎng)功率因數(shù)一般按0.9～0.95考核，而小水電并網(wǎng)功率因數(shù)一直按1978年國(guó)家水利電力文件規(guī)定的0.8考核，這既不利于節(jié)能降耗，也不符合國(guó)家對(duì)小水電的扶持政策。

(2)水電站生產(chǎn)特點(diǎn)的影響。水電站生產(chǎn)受季節(jié)影響比較嚴(yán)重，有水就能多發(fā)電，在豐水期機(jī)組開的多，電網(wǎng)負(fù)荷出現(xiàn)供大于求現(xiàn)象，無(wú)功負(fù)荷也相對(duì)過(guò)剩，提高了電網(wǎng)電壓，使發(fā)電機(jī)出口電壓升高，出口電壓過(guò)高使發(fā)電機(jī)的鐵損增加，鐵芯發(fā)熱，發(fā)電機(jī)效率下降，加速絕緣老化，增加了無(wú)功上網(wǎng)難度。因此小水電站機(jī)組在汛期功率因數(shù)適當(dāng)提高，對(duì)電網(wǎng)內(nèi)的無(wú)功負(fù)荷不會(huì)有多大的影響。但我們上網(wǎng)功率因數(shù)0.8的要求并沒有被改變。為了保證機(jī)組的安全運(yùn)行以及達(dá)到規(guī)定上網(wǎng)功率因數(shù)，必須減少機(jī)組的出力。這一點(diǎn)在石頭河水電站表現(xiàn)非常明顯。

(3)發(fā)電機(jī)本身的影響。石頭河水電站豐水期一般都是高水頭機(jī)組2#、3#在運(yùn)行(配套水輪機(jī)設(shè)計(jì)水頭80 m)，按照銘牌它們額定功率均為5 000 kw，額定功率因數(shù)為0.80，即在兩臺(tái)機(jī)組滿發(fā)時(shí)每供給1萬(wàn) kw的有功功率，同時(shí)還能供給0.75萬(wàn) kvar的無(wú)功功率(根據(jù)功率因數(shù)關(guān)系式cosΦ=p/s， 當(dāng)功率因數(shù)為0.8時(shí)，可推導(dǎo)出關(guān)系式Q=0.75 P。P為有功功率，Q為無(wú)功功率，S為視在功率)。但由于制造、設(shè)備老化以及汛期系統(tǒng)電壓高等多方面原因，實(shí)際不能達(dá)到這一效果。如2015年10月4日10時(shí)當(dāng)兩臺(tái)機(jī)組滿發(fā)帶1萬(wàn) kw的有功功率時(shí)，發(fā)的無(wú)功7 000 kvar平均功率因數(shù)為0.835；功率因數(shù)比銘牌高了0.035，無(wú)功比名牌少發(fā)了500 kvar。而當(dāng)天發(fā)有功25.3萬(wàn) kw無(wú)功16.08萬(wàn) kvar，若功率因數(shù)按額定的0.80算，當(dāng)天少發(fā)無(wú)功近2.9萬(wàn) kvar。

(4)用戶及網(wǎng)絡(luò)的影響。2015年10月4日石頭河水電站一二級(jí)站合計(jì)發(fā)無(wú)功18.58萬(wàn) kvar 但上大網(wǎng)的只有12.97萬(wàn) kvar，少上網(wǎng)5.61萬(wàn) kvar也就是說(shuō)有30%的無(wú)功消耗在我們臨近的用戶及配電網(wǎng)絡(luò)中。在配電網(wǎng)絡(luò)中，用戶消耗的無(wú)功功率約占50%～60%，對(duì)于用戶來(lái)說(shuō)消耗的全部無(wú)功功率中，異步電動(dòng)機(jī)的無(wú)功消耗占了60%～70%；而在異步電動(dòng)機(jī)空載時(shí)所消耗的無(wú)功又占到電動(dòng)機(jī)總無(wú)功消耗的60%～70%。對(duì)于配電網(wǎng)來(lái)說(shuō)消耗的無(wú)功功率主要是變壓器消耗。變壓器消耗無(wú)功功率一般約為其額定容量的10%～15%，它的空載無(wú)功功率約為滿載時(shí)的1/3。石頭河樞紐變電站所轄網(wǎng)絡(luò)中有變壓器24臺(tái)總?cè)萘?5 620 KVA而且多為老式高耗能變壓器，用電負(fù)荷變化大。

(5)供電電壓超出規(guī)定范圍也會(huì)對(duì)功率因數(shù)造成很大的影響。當(dāng)電壓高于額定值的10%時(shí)，由于磁路飽和的影響，無(wú)功功率將增長(zhǎng)得很快，據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，當(dāng)供電電壓為額定值的110%時(shí)，一般無(wú)功將增加35%左右。當(dāng)供電電壓低于額定值時(shí)，無(wú)功功率也相應(yīng)減少而使它們的功率因數(shù)有所提高。

(6)電網(wǎng)頻率的波動(dòng)也會(huì)對(duì)異步電機(jī)和變壓器的磁化無(wú)功功率造成一定的影響。

(7)輸電線路的充電功率影響沿線路各點(diǎn)的電壓、輸電功率和功率因數(shù)。

3 解決對(duì)策分析

3.1 加強(qiáng)與小水電主管部門聯(lián)系提高并網(wǎng)功率因數(shù)

提高并網(wǎng)功率因數(shù)對(duì)我們來(lái)說(shuō)是非常有意義的。首先可以減輕發(fā)電高峰期上網(wǎng)無(wú)功欠缺的壓力；其次可以節(jié)能降耗，如果功率因數(shù)從0.70提高到0.85，無(wú)功消耗減少42%左右，線損將降低20%左右?，F(xiàn)在國(guó)家提倡發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)，建立節(jié)約型社會(huì)，鼓勵(lì)小水電發(fā)展。作為一個(gè)在陜西關(guān)中地區(qū)比較有影響的小水電企業(yè)，我們應(yīng)抓住機(jī)遇加強(qiáng)與小水電主管部門加強(qiáng)聯(lián)系，建議盡快修訂小水電并網(wǎng)功率因數(shù)考核辦法，取消對(duì)小水電的不合理規(guī)定。

3.2 對(duì)樞紐地區(qū)用電企業(yè)無(wú)功進(jìn)行考核

電網(wǎng)中對(duì)工礦企業(yè)功率因數(shù)有嚴(yán)格要求的，一般要求不得低于0.9。所以對(duì)用戶消耗的無(wú)功進(jìn)行考核獎(jiǎng)懲電費(fèi)(具體見下表)有利于各用戶積極主動(dòng)采取各種措施，提高功率因數(shù)降低無(wú)功功率消耗，減輕系統(tǒng)無(wú)功需要量(表1)。

表1 功率因數(shù)獎(jiǎng)懲對(duì)照表

3.3 為有功電量尋找市場(chǎng)

在無(wú)功欠缺時(shí)，多發(fā)無(wú)功及進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償是非常必要的，同時(shí)我們能不能另辟幽徑為發(fā)出的電量尋找市場(chǎng)。這樣做可以減輕上網(wǎng)有功相對(duì)多無(wú)功欠缺的壓力，增加我局經(jīng)濟(jì)收入，還能起到未雨綢繆。據(jù)國(guó)家發(fā)改委公布的數(shù)字，截至2015年底，全國(guó)發(fā)電裝機(jī)容量達(dá)到15.3億 Kw，其中水電3.2億 Kw，占21.1%;“十三五”期間，全國(guó)常規(guī)水電新增投產(chǎn)約4 000萬(wàn) Kw，開工6 000萬(wàn) Kw以上，其中小水電規(guī)模500萬(wàn) Kw左右。到2020年，常規(guī)水電裝機(jī)達(dá)到3.4億 Kw。根據(jù)《電力發(fā)展“十三五”規(guī)劃》，預(yù)計(jì)2020年全社會(huì)用電量6.8～7.2萬(wàn)億 Kw時(shí)，年均增長(zhǎng)3.6%到4.8%，全國(guó)發(fā)電裝機(jī)容量20億 Kw，年均增長(zhǎng)5.5%，人均裝機(jī)突破1.4 Kw，人均用電量5 000 Kw時(shí)左右，接近中等發(fā)達(dá)國(guó)家水平。目前我們應(yīng)在電力主管部門許可的情況下，積極鼓勵(lì)現(xiàn)有用戶在發(fā)電高峰期加大生產(chǎn)力度，減輕上網(wǎng)壓力降低母線電壓，加強(qiáng)樞紐供電地區(qū)用電管理，壯大用戶增加我局經(jīng)濟(jì)收入。

3.4 提高系統(tǒng)自然功率因數(shù)

提高系統(tǒng)自然功率因數(shù)就是不需要任何補(bǔ)償設(shè)備投資，僅采取各種管理上或技術(shù)上的手段來(lái)減少各種用電設(shè)備所消耗的無(wú)功功率，提高系統(tǒng)自然功率因數(shù)，是一種最經(jīng)濟(jì)的提高功率因數(shù)的方法。

(1)石頭河水電站設(shè)備運(yùn)行年限長(zhǎng)，設(shè)備老化有潛在的事故及缺陷，這就要求必須加大檢修、維護(hù)技改力度，力爭(zhēng)滿發(fā)多供。

(2)指導(dǎo)用戶合理選用電動(dòng)機(jī)的型號(hào)、規(guī)格和容量，使其接近滿載運(yùn)行。提高異步電動(dòng)機(jī)的檢修質(zhì)量，防止電動(dòng)機(jī)的空載運(yùn)行并盡可能提高負(fù)載率。大型電機(jī)必要時(shí)采用同步電動(dòng)機(jī)或異步電動(dòng)機(jī)同步運(yùn)行。

(3)合理選擇配變?nèi)萘?，不?yīng)是變壓器空載運(yùn)行或長(zhǎng)期處于低負(fù)載運(yùn)行狀態(tài)；改善配變的運(yùn)行方式：對(duì)負(fù)載率比較低的配變，一般采取“撤、換、并、?！钡确椒?，使其負(fù)載率提高到最佳值，從而改善電網(wǎng)的自然功率因數(shù)。

(4)電壓超出規(guī)定范圍會(huì)對(duì)功率因數(shù)造成的影響很大。發(fā)電高峰期，系統(tǒng)電壓及發(fā)電機(jī)出口電壓高，調(diào)整變壓器分接開關(guān)位置是非常必要的。近幾年，我們通過(guò)調(diào)低石頭河水電站一二級(jí)站主變分接開關(guān)檔位可以降低發(fā)電機(jī)出口端電壓有利于多發(fā)無(wú)功，調(diào)低樞紐變電站1#、2#主變分接開關(guān)檔位可以降低10 KV系統(tǒng)電壓減少系統(tǒng)消耗的無(wú)功。

3.5 對(duì)無(wú)功進(jìn)行補(bǔ)償

電網(wǎng)中自然平均功率因數(shù)一般在0.70～0.85之間。所以在電網(wǎng)中對(duì)無(wú)功補(bǔ)償是非常必要也是非常常見非常重要的措施，分為石頭河水電站集中補(bǔ)償和各用戶分散補(bǔ)償，常見的有電容、電抗及調(diào)相機(jī)補(bǔ)償。集中補(bǔ)償，是在變電所集中裝設(shè)較大容量的補(bǔ)償電容器或調(diào)相機(jī)。如近幾年，在局、站有關(guān)領(lǐng)導(dǎo)指導(dǎo)下我們成功的對(duì)2#和4#機(jī)進(jìn)行了調(diào)相試運(yùn)行，解決了石頭河水電站以往在汛期無(wú)功上網(wǎng)不足，機(jī)組出力嚴(yán)重受限的缺陷。分散補(bǔ)償一般是客戶端，如水泥廠和秦星橡塑廠變電所的電容器補(bǔ)償，錳廠的電抗補(bǔ)償。無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備的配置，應(yīng)按照“分級(jí)補(bǔ)償，就地平衡”的原則，合理布局。這也就是我們對(duì)用戶無(wú)功考核的目的所在。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)石頭河水電站的運(yùn)行特性進(jìn)行分析研究，總結(jié)提出7項(xiàng)影響該站功率因數(shù)的主要因素，并對(duì)影響因素進(jìn)行了有針對(duì)性的深入分析，從政策協(xié)調(diào)、用電管理、拓寬市場(chǎng)、設(shè)備維護(hù)革新、無(wú)功補(bǔ)償?shù)榷鄠€(gè)方面提出了行之有效的解決對(duì)策：首先應(yīng)要求用電企業(yè)無(wú)功平衡，提高系統(tǒng)自然平均功率因數(shù)；其次在經(jīng)濟(jì)安全前提下進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償；最后需加強(qiáng)與有關(guān)部門溝通聯(lián)系，解決石頭河水電站在汛期無(wú)功上網(wǎng)不足，機(jī)組出力嚴(yán)重受限的缺陷。若能逐步得到實(shí)施，將對(duì)該水電站設(shè)備利用效率和經(jīng)濟(jì)效益的提高起到積極的促進(jìn)作用。