节电方法及谐波治理

一、概述

能源是国民经济发展的物质基础，从长期供需看，减少能源消耗是我国面临的新挑战。因此，促进能源的合理和有效利用，对我国经济发展和环境保护具有深远的战略意义。
根据我国国民经济和社会发展计划，我国国民生产总值将以8%左右的速度稳定增长，而能源作为国民经济发展的基础，其需求量也将随之增长。为保证我国经济发展目标的顺利实现，必须高度重视节能工作，促进能源的合理和有效利用，在“十一五”发展规划的节能要求中，要做到每单位GDP的增长，能量损耗要降低10％。那么依靠技术进步来降低能源消耗就是措施节能的一个根本途径。多年节能工作的证明，使用技术成熟、效益好、见效快的节能技术去改造或完善效益低、落后的运行设备，适合我国的国情，并给企、事业单位带来节约后的经济效益。

节电的方法及谐波治理主要内容有：

1）在常规的供电、用电领域或现有的供电、用电系统中，一般提高功率因数，减少损耗，提高设备利用率，是节电（节约电费）的重要方法之一。

2）降低用电环境的谐波，减少用电设备的发热，延长用电设备的寿命。是节能、省

钱的另一个重要方法。

二、功率因数为什么会变低？什么是无功功率？

我们知道，通常我们所用的交流电压是50Hz的正弦波，在电压的两端接上负载就会产生电流，如我们在220伏（或380V）的电源上接一个电灯，电灯中流过电流，灯就亮了。当负载是电阻时，电压波形的相位与电流波形的相位完全相同，即电压波形与电流波形重叠在一起（见图1）。这时电网送出的功率也与消耗的功率相等。

 

 

                     图1  电压波形与电流波形重叠在一起 

而现实生活中电阻负载使用的较少，大多数负载都有一定的电感，如变压器、电动机、洗衣机、冰箱、空调等都是带有电感性的负载，这样就使电压波形的相位与电流波形的相位不能重叠，电流的波形（红色）就会比电压波形（蓝色）迟后△T的时间（见图2），△T时间越大，功率因数越低，消耗的无功功率也越大。那么电网送出的功率（视在功率）也与消耗的功率（有功功率）就不再相等了，电网送出的功率是如下表达式：

 

    电网送出的功率（视在功率）＝实际消耗的功率（有功功率）＋无功功率

            

图2电流的波形就会比电压波形迟后△T的时间

 

无功功率：无功功率决不是无用功率，它是另外一种能量消耗的表达形式，如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，电动机的旋转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。因此没有无功功率的话，电动机不会转动，变压器不会变压等。因此在正常情况下，用电设备不但从电网中取得有功功率，同时还需要从电网中取得无功功率。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的工作。能反映无功功率被使用的指标是用电的功率因数，即COSØ，它的值一般在0.5 ~ 0.95之间，数字越小表明消耗地无功功率越多，需要补偿，电力部门一般要求功率因数应大于或等于0.9。

三、功率因数低的危害

无功功率不足时（功率因数值过小时），对供、用电产生一定的不良影响

主要表现在以下几个方面：

1）降低发电机有功功率的输出；

2）降低了输、变电设备的供电能力；

3）造成线路电压损失增大和电能损耗的增加；

4）造成设备运行时电压下降，使电气设备容量得不到充分发挥；

要充分认识得问题是，从发电机和高压输电线供给的无功功率，远远不能满足用电设备的要求，为了保证电气设备运行的效率和降低费用（对无功功率电力部门也按计量收费），应加相应的无功功率补偿。

 

四、 一般情况的无功功率的收费标准

鉴于电力生产的特点，用户用电功率因数的高低，对发、供、用电设备的充分利用，节约电能和改善电压质量有着重要影响.为了提高用户的功率因数并保持其均衡，以提高供用电双方和社会的经济效益，对用电企业要达到的功率因数作如下要求。

1）功率因数要求达到0.90，适用于160KVA以上的高压供电工业用户（包括社队工业用户）、装有带负荷调整电压装置的高压供电电力用户和3200KVA及以上的高压供电电力排灌站；

2）功率因数要求达到0.85，适用于100KVA及以上的其他工业用户（包括社队工业用户）、100KVA及以上的非工业用户和100KVA及以上的电力排灌站；

3）功率因数要求达到0.80，适用于100KVA及以上的农业用户和趸售用户，但大工业用户未划由电业直接管理的趸售用户，功率因数标准为0.85.

4）电费的调整：根据计算的功率因数，高于或低于规定标准时，在按照规定的电价计算出其当月电费后，再按照“功率因数及全部电费增减%速见表”（表一）所规定的百分数增减电费.如用户的功率因数在“功率因数调整电费表”所列两数之间，则以四舍五入计算。

功率因数	无功/有功	电费增减			功率因数	无功/有功	电费增减			功率因数	无功/有功	电费增减
		0.80	0.85	0.90			0.80	0.85	0.90			0.80	0.85	0.90
100	0.000-0.105	-1.30	-1.10	-0.75	75	0.869-0.895	+2.5	+5.0	+7.5	50	1.710-1.755	+25.0	+35.0	+45.0
99	0.106-0.176	-1.30	-1.10	-0.75	74	0.896-0.922	+3.0	+5.5	+8.0	49	1.756-1.802	+27.0	+37.0	+47.0
98	0.177-0.227	-1.30	-1.10	-0.75	73	0.923-0.950	+3.5	+6.0	+8.5	48	1.803-1.852	+29.0	+39.0	+49.0
97	0.228-0.272	-1.30	-1.10	-0.75	72	0.951-0.977	+4.0	+6.5	+9.0	47	1.853-1.903	+31.0	+41.0	+51.0
96	0.273-0.311	-1.30	-1.10	-0.75	71	0.978-1.006	+4.5	+7.0	+9.5	46	1.904-1.956	+33.0	+43.0	+53.0
95	0.312-0.347	-1.30	-1.10	-0.75	70	1.007-1.034	+5.0	+7.5	+10.0	45	1.957-2.012	+35.0	+45.0	+55.0
94	0.348-0.379	-1.30	-1.10	-0.60	69	1.035-1.063	+5.5	+8.0	+11.0	44	2.013-2.069	+37.0	+47.0	+57.0
93	0.380-0.411	-1.30	-0.95	-0.45	68	1.064-1.093	+6.0	+8.5	+12.0	43	2.070-2.129	+39.0	+49.0	+59.0
92	0.412-0.439	-1.30	-0.80	-0.30	67	1.094-1.122	+6.5	+9.0	+13.0	42	2.130-2.178	+41.0	+51.0	+61.0
91	0.440-0.468	-1.15	-0.65	-0.15	66	1.123-1.153	+7.0	+9.5	+14.0	41	2.179-2.252	+43.0	+53.0	+63.0
90	0.469-0.498	-1.10	-0.5	0.00	65	1.154-1.184	+7.5	+10.0	+15.0	40	2.253-2.325	+45.0	+55.0	+65.0
89	0.499-0.525	-0.9	-0.4	+0.5	64	1.185-1.216	+8.0	+11.0	+17.0	39	2.326-2.397	+47.0	+57.0	+67.0
88	0.526-0.552	-0.8	-0.3	+1.0	63	1.217-1.249	+8.5	+12.0	+19.0	38	2.398-2.471	+49.0	+59.0	+69.0
87	0.553-0.580	-0.7	-0.2	+1.5	62	1.250-1.282	+9.0	+13.0	+21.0	37	2.472-2.550	+51.0	+61.0	+71.0
86	0.581-0.606	-0.6	-0.1	+2.0	61	1.283-1.315	+9.5	+14.0	+23.0	36	2.551-2.632	+53.0	+63.0	+73.0
85	0.607-0.632	-0.5	0.00	+2.5	60	1.316-1.350	+10.0	+15.0	+25.0	35	2.633-2.720	+55.0	+65.0	+75.0
84	0.633-0.658	-0.4	+0.5	+3.0	59	1.351-1.386	+11.0	+17.0	+27.0	34	2.721-2.813	+57.0	+67.0	+77.0
83	0.659-0.685	-0.3	+2.0	+3.5	58	1.387-1.423	+12.0	+19.0	+29.0	33	2.814-2.909	+59.0	+69.0	+79.0
82	0.686-0.710	-0.2	+1.5	+4.0	57	1.424-1.459	+13.0	+21.0	+31.0	32	2.910-3.012	+61.0	+71.0	+81.0
81	0.711-0.737	-0.1	+2.0	+4.5	56	1.460-1.498	+14.0	+23.0	+33.0	31	3.013-3.122	+63.0	+73.0	+83.0
80	0.738-0.762	0.00	+2.5	+5.0	55	1.499-1.537	+15.0	+25.0	+35.0	30	3.123-3.238	+65.0	+75.0	+85.0
79	0.763-0.788	+0.5	+3.0	+5.0	54	1.538-1.579	+17.0	+27.0	+37.0	29	3.239-3.362	+67.0	+77.0	+87.0
78	0.789-0.815	+1.0	+3.5	+6.0	53	1.580-1.620	+19.0	+29.0	+39.0	28	3.363-3.496	+69.0	+79.0	+89.0
77	0.816-0.842	+1.5	+4.0	+6.5	52	1.621-1.664	+21.0	+31.0	+41.0	27	3.497-3.638	+71.0	+81.0	+91.0
76	0.843-0.868	+2.0	+4.5	+7.0	51	1.665-1.709	+23.0	+33.0	+43.0	26	3.639-3.791	+73.0	+83.0	+93.0

 

表一：功率因数及全部电费增减%速见表

 

       

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

从以上的表格中可以清楚的知道节约的费用，例如：当电力部门考核设备工作的功率因数为0.9时，而实际工作的功率因数为0.65，如果使用滤波装置将0.65的功率因数提升至0.9，我们将节省15％的电费。（表格中红色的数值垂直连接得到结果）

 

五.谐波问题的提出

     在前面介绍无功功率时，我们知道电压波形的相位与电流波形的相位不能重叠，电流的波形比电压波形迟后△T的时间的概念，实际的供电电网中很多情况，不单是波形的迟后，而且波形也发生了变形。 以上的电流波形（I）表明其含有大量的谐波。严重的电流谐波也影响电压波形，使电压波形不再是正弦波。

六．用电系统中为什么会有谐波？

     在一个理想、清洁的电力系统中，电压、电流波形是纯正的正弦波。实际上，当负载中流过的电流与施加的电压不呈线性关系时就导致了非正弦波电流的产生。不呈线性关系的原因就是负载的不线性造成的，

    

       由于负载是线性的，不管电压、电流波形是否重叠与延时，电压、电流波形总是没有发生形变的正弦波。如果负载不是线性的话，电压、电流的波形就不再相同。我们见图5即证实这一说法。又由于负载的非线性是各种各样的，产生的电流谐波也就各种各样的了。

 

七、在我们的用电系统中，什么样的负载最容易产生谐波？

我们首先简略介绍谐波的基本概念，一个非正弦的波形用数学分析的方法（傅里叶分析）

都可以将谐波频率分解成基波频率的整数倍。对于我们使用的50Hz电源来说基波为50Hz，3次谐波为150 Hz，5次谐波为250 Hz，7次谐波为350 Hz，9次谐波为450 Hz，11次谐波为550Hz，13次谐波为650 Hz，15次谐波为750 Hz，17次谐波为850 Hz，19次谐波为950 Hz。实际中我们最常见的谐波为3、5、7，11次。

用什么参数来衡量谐波量？根据国家标准（GB/T 14549-93）之规定

电压总谐波畸变率为THDu（％），

电流总谐波畸变率为THDi（％），

第h次电压谐波含有率为HRUh（％），

第h次谐波电流分量为Ih，

常见的产生谐波的设备类型为：

单相负载类

1）单相开关电源

2）荧光灯电子镇流器

3）单相UPS

4）个人计算机、电视机

5）小型变频空调机

6）单相变频器

       以上负载最容易产生3、5、7次及以上（7次以上的谐波值一般会较小）的电流谐波。

       三相负载类

1）变速传动装置

2）各种直流电源

3）变频器

4）UPS装置

5）将交流变换为直流后再做其他变换的用电装置

         以上负载最容易产生5、7、11次及以上的电流谐波。

       除以上谐波问题外，电能质量的指标还有频率偏差、电压偏差、电压波动与闪变、三相不平衡、暂时或瞬态过电压、间谐波、电压暂降与短时间中断等。

八、谐波的危害

谐波的危害有如下几点：

1）  变压器、旋转电机 — 铁芯磁感应环流增加，电气设备发热，功耗增加；加速绝缘老化，影响设备寿命；供用电设备机械振动加大，甚至发生机械谐振，严重时造成变压器、旋转电机的烧毁。

2）  电线电缆 — 由于谐波频率较高，集肤效应增大，发热损耗增加；加速绝缘老化，影响寿命。

3）  电力电容器组 — 用电系统中为了提高功率因数，一般都加电力电容器组，而谐波会加速电容器的老化，使电容器的损耗系数增大、附加损耗增加，从而容易发生故障和缩短电容器的寿命。另一方面，电容器的电容与电网中的感抗所组成的回路其谐振频率等于或接近于某次谐波分量的频率时，就会产生谐波电流放大，使得电容器及熔断器因过热、过电压等而不能正常运行甚至烧毁。

4）  测控元件或设备 — 受谐波干扰而出错或误动。如负荷开关误跳、生产测控设备失控或不稳定；以及影响检测设备正确测试。

5）  生活 — 引起照明闪烁，使人易视觉疲劳，降低工作效率和生活质量；电视机亮度频繁变化以及水平和垂直幅度摇动；

6）  电压相位 — 使以电压相位角为控制指令的控制系统功能紊乱（换相失败）。

7）  电源中线 — 造成星形接法的中线过热。