無功功率中無功的理解

　　無功功率定義

　　在電網(wǎng)中，由電源供給負(fù)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(shè)備正常運(yùn)行所需的電功率，也就是將電能轉(zhuǎn)換為其他形式能量（機(jī)械能、光能、熱能）的電功率。比如：5.5kW的電動(dòng)機(jī)就是把5.5kW的電力轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，帶動(dòng)水泵抽水或脫粒機(jī)脫粒；

　　各種照明設(shè)備將電能轉(zhuǎn)換為光能，供人們生活和工作照明。無功功率比較抽象，它是用于電路內(nèi)電場與磁場，并用來在電氣設(shè)備中建立和維持磁場的電功率。凡是有電磁線圈的電氣設(shè)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(zhèn)流器也需消耗一部分有功功率）來發(fā)光外，還需80var左右的無功功率供鎮(zhèn)流器的線圈建立交變磁場用。由于它對外不做功，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(dòng)機(jī)需要建立和維持旋轉(zhuǎn)磁場，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)機(jī)械運(yùn)動(dòng)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)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(chǎn)生磁場，在二次線圈感應(yīng)出電壓。因此，沒有無功功率，電動(dòng)機(jī)就不會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)，變壓器也不能變壓，交流接觸器不會(huì)吸合。

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

　　無功功率對供、用電也產(chǎn)生一定的不良影響，主要表現(xiàn)在：

　?。?）降低發(fā)電機(jī)有功功率的輸出。

　?。?）視在功率一定時(shí)，增加無功功率就要降低輸、變電設(shè)備的供電能力。

　?。?）電網(wǎng)內(nèi)無功功率的流動(dòng)會(huì)造成線路電壓損失增大和電能損耗的增加。

　?。?）系統(tǒng)缺乏無功功率時(shí)就會(huì)造成低功率因數(shù)運(yùn)行和電壓下降，使電氣設(shè)備容量得不到充分發(fā)揮。

　　無功功率的含義

　　一、 無功補(bǔ)償定義

　　1.無功功率的含義

　　在交流電路中，如果流過電氣設(shè)備的電流與其兩端的電壓相位不一致，就表明該設(shè)備存在無功功率，并規(guī)定：電流滯后于電壓時(shí)該設(shè)備消耗無功（電感性），電流超前于電壓時(shí)該設(shè)備產(chǎn)生無功（電容性），如下圖。

　　電壓有效值用U表示，電流有效值用I表示，電壓相位與電流相位之差用φ表示，則：S=U*I稱為視在功率（容量）， P=U*I*COS φ=S*COS φ稱為有功功率（其中COS φ稱為功率因數(shù)）， Q=U*I*sin φ=S*sin φ稱為無功功率。

　　2.諧波的含義

　　在電路中，若電壓（或電流）波形不是標(biāo)準(zhǔn)的正弦波，就稱電壓（或電流）中含有諧波，如下圖。

　　二、無功功率的影響及諧波的危害

　　1. 無功功率對發(fā)配電設(shè)備的影響主要有以下幾個(gè)方面： a.增加設(shè)備容量及線路損耗。

　　由于無功功率的存在，傳送同樣的有功將需要更大的視在功率和電流，從而使發(fā)電機(jī)、變壓器及其它電氣設(shè)備容量增加（對自備發(fā)電機(jī)組，則使投用的發(fā)電機(jī)組臺(tái)數(shù)增加），同時(shí)線路損耗也增加。

　　b.使線路及變壓器的電壓降增大。

　　對沖擊性無功負(fù)荷，還會(huì)使電壓產(chǎn)生劇烈波動(dòng)，使供電質(zhì)量降低。

　　2. 諧波對用電設(shè)備的危害：

　　諧波可能在鉆機(jī)小電網(wǎng)中產(chǎn)生并聯(lián)諧振，引起過電壓而損壞電網(wǎng)中的其它用電設(shè)備。例如錄井儀、計(jì)算機(jī)、電視機(jī)、UPS電源等經(jīng)常燒壞。諧波對鄰近的弱電系統(tǒng)，如電控系統(tǒng)的控制器類電子設(shè)備產(chǎn)生干擾，導(dǎo)致誤動(dòng)、死機(jī)或停機(jī)。影響儀表類電子設(shè)備的檢測精度。使電網(wǎng)電壓波形畸變，供電質(zhì)量下降，導(dǎo)致接在鉆機(jī)小電網(wǎng) 中的變壓器、交流電機(jī)等損耗加大，加速絕緣老化，還會(huì)使這些設(shè)備的振動(dòng)和噪聲增加 。諧波電流引起無功功率增加，使功率因數(shù)更低。 三、電動(dòng)鉆機(jī)無功補(bǔ)償及諧波抑制的意義

　　1、當(dāng)無功電流在發(fā)電機(jī)--整流柜--電動(dòng)機(jī)等之間流動(dòng)的過程中，雜散損耗，熱耗/輻射等的消耗是必然的。增加無功補(bǔ)償裝置后，可以降低這種損耗。

　　2、功率因數(shù)低時(shí)，輸出同樣的有功功率，必須有更多的視在功率，而更多的視在功率就必須投入更多的發(fā)電機(jī)組。如CAT3512B的空載耗油達(dá)70升/小時(shí)。增加無功補(bǔ)償裝置后，可以減少運(yùn)行機(jī)組的臺(tái)數(shù)，也即降低了空載油耗。 根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，有功功率足夠而由于無功功率不夠，需要多開一臺(tái)車的時(shí)間在鉆井周期中約占70﹪。對于有功功率或機(jī)械能轉(zhuǎn)換來說，這臺(tái)車就相當(dāng)于空載。一臺(tái)直流電動(dòng)鉆機(jī)在一年內(nèi)工作時(shí)間按10個(gè)月考慮，每臺(tái)柴油機(jī)正常工作時(shí)每月耗油約45噸，空載運(yùn)行時(shí)耗油大約是其50﹪，可計(jì)算出一年內(nèi)多耗油約150噸。

　　3、雖然柴油機(jī)在正常運(yùn)行時(shí)效率是固定的，如CAT3512B 213克/千瓦。時(shí)，但不在額定的功率運(yùn)行時(shí)，其效率將會(huì)降低。增加無功補(bǔ)償裝置后，可以降低低效率運(yùn)行時(shí)的油耗。

　　4、增加諧波抑制裝置后，將延長發(fā)電機(jī)，變壓器，MCC等用電裝置的使用壽命。

　　5、增加諧波抑制裝置后，系統(tǒng)中原安裝的凈化電源可以省去。

　　6、國家有關(guān)法規(guī)如《供電營業(yè)規(guī)則》、《功率因數(shù)調(diào)整電費(fèi)辦法》對用電設(shè)備的功率因數(shù)有要求，不得小于0.9（與電壓等級及容量有關(guān)），否則不允許接入公網(wǎng)，或者罰款。直流鉆機(jī)增加無功補(bǔ)償裝置改善功率因數(shù)，是接入電網(wǎng)的前提。

　　7、按照國家對電網(wǎng)質(zhì)量管理的要求， 如國標(biāo)GB/T14549-93 《 電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波》，電力部門對用戶的用電設(shè)備產(chǎn)生的諧波有嚴(yán)格的要求，否則不允許接入公用電網(wǎng)。直流鉆機(jī)或變頻鉆機(jī)增加諧波抑制裝置降低諧波含量，是接入電網(wǎng)的必要條件。

　　為了提高電能質(zhì)量、保障設(shè)備安全運(yùn)行、降耗節(jié)能、充分利用電氣設(shè)備的出力等，就需要采取恰當(dāng)?shù)臒o功補(bǔ)償及諧波抑制措施，在提高功率因數(shù)的同時(shí)還能對諧波進(jìn)行治理。 四、經(jīng)濟(jì)性分析

　　節(jié)能減排降耗技術(shù)的應(yīng)用，不僅關(guān)乎到社會(huì)長期的可持續(xù)發(fā)展，也能為我們帶來實(shí)實(shí)在在的直接的經(jīng)濟(jì)效益。下面對直流鉆機(jī)配備無功補(bǔ)償及諧波抑制裝置的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析。

　　1. 前面已經(jīng)估算，由于無功不夠而需要多開一臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組，每年燃油消耗約150噸，也即增加無功補(bǔ)償及諧波抑制裝置后，節(jié)省燃油150噸，折合人民幣約90萬元/年。

　　2. 少運(yùn)行一臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組，可節(jié)省潤滑油類以及降低零部件消耗與維修費(fèi)用約10萬元/年。

　　3. 由于功率因數(shù)提高，在用的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)單機(jī)運(yùn)行在高效區(qū)，燃油效率提高，柴油機(jī)壽命延長，估算此項(xiàng)綜合費(fèi)用節(jié)省人民幣10萬元/年。

　　4. 無功補(bǔ)償及諧波抑制裝置提高了井場電網(wǎng)的質(zhì)量，減少了諧波對井場各類電子電氣設(shè)備的危害，如為頂驅(qū)控制系統(tǒng)提供清潔的電源，可節(jié)約維修費(fèi)用估計(jì)10萬元/年。

　　5. 為了給一些特殊的電子電氣設(shè)備供電 （如錄井儀，一般計(jì)算機(jī)，工控機(jī)，觸摸屏，PLC等），隨電控系統(tǒng)配置了一些小容量分散安裝的凈化電源，增加無功補(bǔ)償及諧波抑制裝置后，這些小容量的凈化電源就可以省去，可節(jié)省約5萬元。 綜上所述，一臺(tái)直流電動(dòng)鉆機(jī)配一套無功補(bǔ)償及諧波抑制裝置，每年可節(jié)約人民幣約120萬元，一套無功補(bǔ)償及諧波抑制裝置按售價(jià)200萬元考慮，一年半即可回收成本。