无功功率中无功的理解

　　无功功率定义

　　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。

　　无功功率的含义

　　一、 无功补偿定义

　　1.无功功率的含义

　　在交流电路中，如果流过电气设备的电流与其两端的电压相位不一致，就表明该设备存在无功功率，并规定：电流滞后于电压时该设备消耗无功（电感性），电流超前于电压时该设备产生无功（电容性），如下图。

　　

　　电压有效值用U表示，电流有效值用I表示，电压相位与电流相位之差用φ表示，则：S=U*I称为视在功率（容量）， P=U*I*COS φ=S*COS φ称为有功功率（其中COS φ称为功率因数）， Q=U*I*sin φ=S*sin φ称为无功功率。

　　2.谐波的含义

　　在电路中，若电压（或电流）波形不是标准的正弦波，就称电压（或电流）中含有谐波，如下图。

　　

　　

　　二、无功功率的影响及谐波的危害

　　1. 无功功率对发配电设备的影响主要有以下几个方面： a.增加设备容量及线路损耗。

　　由于无功功率的存在，传送同样的有功将需要更大的视在功率和电流，从而使发电机、变压器及其它电气设备容量增加（对自备发电机组，则使投用的发电机组台数增加），同时线路损耗也增加。

　　b.使线路及变压器的电压降增大。

　　对冲击性无功负荷，还会使电压产生剧烈波动，使供电质量降低。

　　2. 谐波对用电设备的危害：

　　谐波可能在钻机小电网中产生并联谐振，引起过电压而损坏电网中的其它用电设备。例如录井仪、计算机、电视机、UPS电源等经常烧坏。谐波对邻近的弱电系统，如电控系统的控制器类电子设备产生干扰，导致误动、死机或停机。影响仪表类电子设备的检测精度。使电网电压波形畸变，供电质量下降，导致接在钻机小电网 中的变压器、交流电机等损耗加大，加速绝缘老化，还会使这些设备的振动和噪声增加 。谐波电流引起无功功率增加，使功率因数更低。 三、电动钻机无功补偿及谐波抑制的意义

　　1、当无功电流在发电机--整流柜--电动机等之间流动的过程中，杂散损耗，热耗/辐射等的消耗是必然的。增加无功补偿装置后，可以降低这种损耗。

　　2、功率因数低时，输出同样的有功功率，必须有更多的视在功率，而更多的视在功率就必须投入更多的发电机组。如CAT3512B的空载耗油达70升/小时。增加无功补偿装置后，可以减少运行机组的台数，也即降低了空载油耗。 根据现场调查，有功功率足够而由于无功功率不够，需要多开一台车的时间在钻井周期中约占70﹪。对于有功功率或机械能转换来说，这台车就相当于空载。一台直流电动钻机在一年内工作时间按10个月考虑，每台柴油机正常工作时每月耗油约45吨，空载运行时耗油大约是其50﹪，可计算出一年内多耗油约150吨。

　　3、虽然柴油机在正常运行时效率是固定的，如CAT3512B 213克/千瓦。时，但不在额定的功率运行时，其效率将会降低。增加无功补偿装置后，可以降低低效率运行时的油耗。

　　4、增加谐波抑制装置后，将延长发电机，变压器，MCC等用电装置的使用寿命。

　　5、增加谐波抑制装置后，系统中原安装的净化电源可以省去。

　　6、国家有关法规如《供电营业规则》、《功率因数调整电费办法》对用电设备的功率因数有要求，不得小于0.9（与电压等级及容量有关），否则不允许接入公网，或者罚款。直流钻机增加无功补偿装置改善功率因数，是接入电网的前提。

　　7、按照国家对电网质量管理的要求， 如国标GB/T14549-93 《 电能质量 公用电网谐波》，电力部门对用户的用电设备产生的谐波有严格的要求，否则不允许接入公用电网。直流钻机或变频钻机增加谐波抑制装置降低谐波含量，是接入电网的必要条件。

　　为了提高电能质量、保障设备安全运行、降耗节能、充分利用电气设备的出力等，就需要采取恰当的无功补偿及谐波抑制措施，在提高功率因数的同时还能对谐波进行治理。 四、经济性分析

　　节能减排降耗技术的应用，不仅关乎到社会长期的可持续发展，也能为我们带来实实在在的直接的经济效益。下面对直流钻机配备无功补偿及谐波抑制装置的经济性进行分析。

　　1. 前面已经估算，由于无功不够而需要多开一台柴油发电机组，每年燃油消耗约150吨，也即增加无功补偿及谐波抑制装置后，节省燃油150吨，折合人民币约90万元/年。

　　2. 少运行一台柴油发电机组，可节省润滑油类以及降低零部件消耗与维修费用约10万元/年。

　　3. 由于功率因数提高，在用的柴油发动机单机运行在高效区，燃油效率提高，柴油机寿命延长，估算此项综合费用节省人民币10万元/年。

　　4. 无功补偿及谐波抑制装置提高了井场电网的质量，减少了谐波对井场各类电子电气设备的危害，如为顶驱控制系统提供清洁的电源，可节约维修费用估计10万元/年。

　　5. 为了给一些特殊的电子电气设备供电 （如录井仪，一般计算机，工控机，触摸屏，PLC等），随电控系统配置了一些小容量分散安装的净化电源，增加无功补偿及谐波抑制装置后，这些小容量的净化电源就可以省去，可节省约5万元。 综上所述，一台直流电动钻机配一套无功补偿及谐波抑制装置，每年可节约人民币约120万元，一套无功补偿及谐波抑制装置按售价200万元考虑，一年半即可回收成本。