浅析提高钻探机台功率因数的意义与方法

1浅析提高钻探机台功率因数的意义与方法前言：功率因数的高低涉及发电设备和用电设备等能否充分利用电能，提高功率因数可以充分利用电源设备的容量，改善供电质量，降低线路损耗，是缓和电能供需矛盾，减少机台经济支出的有效措施。钻探施工机台自然功率因数一般只有0.50左右，提高能源利用率是非常重要且实际的问题。因此，提高机台用电系统的功率因数有其重要意义。以下，本文将从功率因数的定义、影响功率因数的主要因素、提高功率因数的意义与提高功率因数的方法四个方面展开讨论。1、功率因数的定义在交流电路中，有三种重要的功率参数，分别是有功功率、无功功率和视在功率。功率因数是用电过程中视在功率供给有功功率消耗所占的百分比。1.1有功功率电路中电能通过用电负载转换为其他形式的能量（如机械能、光能、热能、化学能等），参加能量转换的实际电功率被称为有功功率，也叫平均功率，是电路中实际消耗的功率。单相电路中,有功功率P=UIcosφ三相电路中，有功功率2P=3UIcosφ其中，U为相电压，I为相电流，φ为线电压与线电流的相位角。1.2无功功率电路中的无功功率，分别是由交流电路中的电感成分和电容成分产生的，称为感性无功功率与容性无功功率。单相电路中，无功功率Q=UIsinφ三相电路中，无功功率Q=3UIsinφ1.3视在功率视在功率是交流电路中电源供给负载的总功率。这种负载里可能有电阻和电感，还可能有电容器，在这种综合性负载电路中，电阻需要消耗有功功率，而电感和电容则需要做能量交替交换的无功功率，电源供给这种综合性负载中的总功率包含着有功功率和无功功率两部分。单相电路中，视在功率S=UI三相电路中，视在功率S=3UI或S=22QP1.4功率因数在交流电路中，电压与电流之间的相位差（φ）的余弦叫做功率3因数，用符号cosφ表示，在数值上，功率因数是有功功率与视在功率的比值，即cosφ=SP功率因数的大小与电路的负荷性质有关，如白炽灯泡、电阻炉等电阻负荷的功率因数为1，一般具有电感或电容性负载的电路功率因数都小于1。钻探机台施工都是大功率的电动机，属于感性负载，且钻机动力是按钻机最大能力配置的，通常负载率都非常低，平均的功率因数只有0.50左右。2、影响机台用电功率因数的主要因数2.1电动机的负载情况异步电动机的功率因数与负载密不可分，在额定负载时功率因数在0.80以上，而在空载时功率因数仅为0.2~0.3。电动机负载与功率因数的关系见下表。表1负载率00.250.50.751cosφ0.20.50.770.850.88因此，要提高功率因数就要尽量避免电动机空载或轻载运行。2.2供电电压。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，一般工厂的无功将增加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4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。2.3用电设备自身的功率因数。2.4电网频率的波动。3、提高功率因数的意义3.1提高功率因数能提高设备的利用率在电力系统中，提供电能的发电机（或变压器）是按要求的额定电压和额定电流设计的。发电机（或变压器）长期运行时，其电压和电流都不能超过额定值，否则会使发电机（或变压器）的寿命缩短，甚至损坏。发电机（或变压器）的容量是额定电压与额定电流之积，他是发电机（或变压器）在安全运行下所能产生的最大功率，发电机（或变压器）在额定电压与额定电流下运行时送出的有功功率P与所接负载的功率因数cosφ密切相关，即P=UIcosφ。只有当所接负载是电阻时，cosφ=1，发电机（或变压器）输出的有功功率恰好等于其容量。当负载是感性或容性时，由于cosφ＜1，发电机（或变压器）输出的功率要小于其容量，发电机（或变压器）得不到充分的利用。因此为了尽可能的提高发电机（或变压器）的利用率，必须提高用电设备的功率因数。3.2提高功率因数能降低输电线路上的损耗设输电线路上的损耗IRPii2，当UL是负载端电压的有效值时，负载吸收的有功功率为PL=ULIcosφ5负载上的电流为I=COSUPLL。则此电流流过输电线路，在输电线路的电阻上产生的损耗为当负载cosφ较低时，线路中的电流会增大，从而引起线路损耗增大，而当UL和IL不变时，提高功率因数cosφ会降低输电线路上的损耗。3.3提高功率因数能改善供电质量已知功率因数越低，线路上的电流I越大，由于线路上的阻抗存在，则必然造成电压损失，导致线路电压降低。若电压损失过大，电网末端就会长期处于低电压运行状态，引起变压器（或发电机组）过负荷、电动机过热、输出功率降低，发电机组油耗加大，日光灯不能启动，点灯昏暗等后果。因此提高功率因数能减少电压损失，满足机台施工对供电电源的质量要求。3.4提高功率因数能减少电力设备的投资为尽量减少输电线路上的功率损耗，往往会增加导线截面积以减小阻抗。而在有功功率P和电源电压U一定的情况下，功率因数的提高可使线路中通过的电流减小，则导线截面积就可以相应设计的小一些，这样就可以节约输电线路的投资。其次，在有功功率P一定时，提高功率因数可使视在功率S降低，对机台而言，在满足用电需要的情况下，减少了所需变压器（或发电机组）的容量，相反也就加大了变压器（或发电机组）的带负荷能力，6降低了投资和损耗。3.5减少了机台电费支出目前国家电网电费构成由容量电费、电度电费和力率调整电费三部分构成。其中力率调整电费跟用电功率因数的高低密切相关。现阶段国家要求一般的用电单位，用电功率因数必须不低于0.90。达不到的，将在电费中增加力率调整电费。如机台的用电功率因数为0.50（钻探施工的自然功率因数），力率电费调整比为45%。即在电度电费中增加45%，由此可见机台的这项电费是相当可观的。4、提高功率因数的方法用电系统功率因数低主要是由于设备使用不当（低负荷使用异步电动机），以及大量用电设备属于感性负载。提高功率因数的方法主要有两种：一是改善自然功率因数，减少用电设备对无功的需要，二是采用无功补偿，在用电设备处设置能够提供无功电力的设备，使无功功率就地得到补偿。4.1提高自然功率因数（1）合理选择和使用电气设备，保证电动机与变压器（或发电机组）的负载量，避免“大马拉小车”现象。（2）改变电动机接线降压运行。如没有合适容量的电动机，则可改变电动机定子接线方式，由三角形改星形降压运行。这种方法只适用于额定接线方式为三角形连接的电动机使用，由三角形改为星形，定子每相绕组电压下降为原来的1/3，容量为原来的40%左右。若能将星形——三角形接线改为自动转换形式，即轻载时接成星形，重7载时自动接为三角形，就能使电动机既能满足负载需要，又能节电。（3）安装空载断电装置，避免电动机或设备空载运行。（4）变压器（或发电机）各相负荷设计均衡。负荷均衡可以减少变压器（或发电机）阻抗中的无功损耗，提高负荷的自然功率因数。4.2人工补偿（1）并联电容器在电感性负载两端并联电容器可减小线路总电压。U与总电流Ｉ。之间的相位差φ。图1并联电容提高功率因数由图1（b）可知，在并联电容之前端口电流的有功分量为Ｉ。，有功功率为其中为并联电容之前的功率因数角。并联电容之后，电流的有功分量不变，而端口电流的无功分量却因并联电容而减小到8上式两边同乘以端口电压有效值，得式中，表示并联电容之后端口的无功功率，Q表示感性负载的无功功率，表示电容的容性无功功率，为负值。由于并联电容之后使无功功率减小，从而达到了提高功率因数的目的。从相量图中也可以看出，由于并联电容的增加，电路中的总电流的绝对值也减小了。（2）串联电容器图2(a)串联电容提高功率因数由图2(a)可知9串联C1之前的相位差，，，串联C1之后的相位差，当C1选择适当时，，所以，即串联C1后功率因数提高了。（3）串联电阻图3串联电阻提高功率因数由图3(a)可得串联电阻R1后，串联R1后与I。之间的相位差（为串联R1总电压与总电流之间的相位差）。所以，即：10串联电阻R1后功率因数得到了提高。（4）同步调相机同步调相机是最早采用的一种无功补偿装置。他的无功出力连续可调，可精确控制正常运行电压，稳态时它的最大出力为其额定值，而吸收无功的能力约为额定容量的50%。当系统故障电压下降时，它能快速调节励磁，维持或提高本身的无功出力，给系统提供电压支持以改善系统的稳定性。是一种动态无功补偿装置。（5）静止补偿器（SVC）SVC是一种新型动态补偿装置，它由电容器和电抗器并联组成，利用饱和电抗器铁芯平坦的电压/电流特性，或通过电子开关（晶闸管）投切电容器和调节其串联电抗器的电流，就可以平滑地改变其无功输出，维持系统电压。它有两的主要特点：其一是静止型装置，没有惯性，故安装维护简单，也不会产生功率振荡；其二是响应迅速，因此能及时跟踪快速变化的无功波动并做出补偿。小结选择这个论文题目是因为钻探施工主要是感性负载，且大部分时间都在低负荷运行，功率因数低的特点，目前我队的机台都没有任何的补偿措施，甚至还不知道有用电功率因数补偿的概念。其实在目前电子技术高度发展的今天，有很多的新技术、新工艺、新材料。要做好用电功率因数的补偿是不难的，只要根据机台的设备情况，合理设计补偿容量，选择电气元件和线路方案，具体实施也较便捷，机台可以根据设备现状，单独或跟配电柜做在一体，接线后就可投入使用。11该设施运行可靠，自动化控制，维护简单，是完全能够将用电功率因数补偿到最佳状态的，对提高设备利用率，改善用电质量，减少电费支出，减少燃油消耗可以起到立竿见影的效果。是一种投入小，节能效益明显的钻探施工配套必需设施，值得推广和使用。参考文献1.陈洪亮、张峰《电路基础》，高等教育出版社。2.金德生、蔡小平编《供用电实用手册》，中国电力出版社。3.靳计全主编《实用电工手册》，河南科学技术出版社。4.《轻工科技》2007年第9期，李海珊《功率因数与无功补偿》。