趙立新 （中國石油天然氣集團(tuán)公司西北油田節(jié)能監(jiān)測中心）

油田電網(wǎng)功率因數(shù)的測量與表達(dá)方法

趙立新 （中國石油天然氣集團(tuán)公司西北油田節(jié)能監(jiān)測中心）

油田電網(wǎng)用電設(shè)備和負(fù)荷的特殊性導(dǎo)致電網(wǎng)中存在著諧波干擾、短期過補(bǔ)償現(xiàn)象、短期發(fā)電現(xiàn)象等。采用不同的計算方法會帶來不同的結(jié)果和結(jié)論，對油田用電單位確定節(jié)能技改措施會造成一定影響。根據(jù)功率因數(shù)的定義與計算理論，結(jié)合測量結(jié)果的合理性及對生產(chǎn)實踐的指導(dǎo)與促進(jìn)作用，可以確定油田電網(wǎng)在各種電氣狀態(tài)下功率因數(shù)的測量與表達(dá)方法，為用電單位和用電管理部門進(jìn)一步提高功率因數(shù)、改善電能質(zhì)量，實現(xiàn)節(jié)電降耗提供更準(zhǔn)確有效的參考數(shù)據(jù)。

油田電網(wǎng)；功率因數(shù)；諧波；容性負(fù)載；發(fā)電狀態(tài)

油田生產(chǎn)中電能消耗約占油田各類能耗總額的30%。為減少電能消耗、提高用電效率，油田各生產(chǎn)單位針對常用的耗電設(shè)備，如抽油機(jī)、注水泵、輸油泵、壓縮機(jī)、變壓器等，實施了大量的節(jié)能改造項目，采用的節(jié)能技術(shù)包括變頻技術(shù)、無功補(bǔ)償技術(shù)、永磁電動機(jī)技術(shù)等。這些節(jié)能技術(shù)的運(yùn)用在實現(xiàn)節(jié)能降耗的同時，也給電網(wǎng)環(huán)境帶來很大影響，使油田電網(wǎng)的電氣環(huán)境更為復(fù)雜，有的甚至對電網(wǎng)供電質(zhì)量造成較大傷害，如諧波影響、負(fù)荷波動等。在反映電網(wǎng)電能質(zhì)量的各項監(jiān)測指標(biāo)中，功率因數(shù)是其中一個重要和關(guān)鍵性指標(biāo)，而在油田電網(wǎng)這種復(fù)雜電氣環(huán)境下，功率因數(shù)不同的測量與表達(dá)方法會產(chǎn)生不同的結(jié)果，對判斷電網(wǎng)或用電設(shè)備的功率因數(shù)狀況、分析存在問題、制定對應(yīng)的節(jié)能和改造措施都帶來較大影響。

1 功率因數(shù)的概念及意義

在交流電路中，電壓與電流之間的相位差φ的余弦叫做功率因數(shù)，用符號cosφ表示。在數(shù)值上，功率因數(shù)是有功功率和視在功率的比值[1]，即

式中：P——有功功率，W；

S——視在功率，VA；

U——電路電壓值，V；

I——電路電流值，A。

功率因數(shù)是表征用電設(shè)備電氣特性的一個參數(shù)。功率因數(shù)低，會導(dǎo)致線路供電損失的增加。通過改善和提高功率因數(shù)，可以減少線路中總電流和供電系統(tǒng)中的電氣元件的容量，如變壓器、電動機(jī)、導(dǎo)線等，還可減少投資費(fèi)用，降低線路及設(shè)備本身的電能損耗；藉由良好的功率因數(shù)，可以減少供電系統(tǒng)中的電壓損失，可以使負(fù)載電壓更穩(wěn)定，改善電能質(zhì)量；可以增加系統(tǒng)的裕度，充分挖掘發(fā)供電設(shè)備的潛力，在既有設(shè)備容量不變的情況下，提高功率因數(shù)后，可以增加供電系統(tǒng)負(fù)載的容量。

在油田生產(chǎn)中，各單位對電網(wǎng)功率因數(shù)都非常重視，如果用電單位電路及設(shè)備的功率因數(shù)偏低，供電部門會對其征收懲罰電費(fèi)，用能管理部門會對其進(jìn)行用能考核。因此，用電單位為減少電能損耗、改善電能質(zhì)量、增加供配電系統(tǒng)負(fù)載的容量、避免被征收懲罰電費(fèi)和考核，希望盡量提高電路和用電設(shè)備的功率因數(shù)，而提高功率因數(shù)的前提是準(zhǔn)確測量現(xiàn)有的功率因數(shù)狀況，并根據(jù)測量結(jié)果來確定采取的措施。

2 功率因數(shù)的測量和計算方法

2.1測算方法

功率因數(shù)的測量目前有三種方法。

1）功率因數(shù)表法直接測量：根據(jù)功率因數(shù)的定義，直接測量電壓與電流的相位差φ，進(jìn)而計算出功率因數(shù)。用功率因數(shù)表測量的是瞬時功率因數(shù)值。

2）功率法測量：測量負(fù)載的有功功率和視在功率（或無功功率），用勾股定理或三角函數(shù)，按照公式（1）計算出功率因數(shù)，這是依據(jù)功率因數(shù)定義的計算公式得出的測量方法。測量結(jié)果可以是瞬時功率因數(shù)值，也可以是一段時間的平均值，關(guān)鍵取決于測量儀器的數(shù)據(jù)采集頻率和測量時間的設(shè)定。

3）電量法測量：測量一段時間的有功電量和無功電量數(shù)據(jù)，用三角函數(shù)計算出功率因數(shù)值。這種方法測量的是一段時間的平均功率因數(shù)值。

三種方法在生產(chǎn)實際中都有應(yīng)用，只不過在不同的測量環(huán)境和要求下，會采用不同的對應(yīng)方法。其中，功率因數(shù)表法適合測量電路瞬間的功率因數(shù)，其測量數(shù)值變化快，在復(fù)雜電氣環(huán)境下對測量儀器的性能要求較高，需要對電路功率因數(shù)進(jìn)行實時分析的情況下可采用該方法；電量法適合測量較長時期內(nèi)電路總體的功率因數(shù)，供電單位一般采用這種方法；功率法既適合瞬時功率因數(shù)測量，也可以對一定時期平均功率因數(shù)值進(jìn)行測量，大多數(shù)電能測量儀器都具有這種測量模式，也是技術(shù)檢測機(jī)構(gòu)通常采用的測量方法。

2.2單相和三相電路功率因數(shù)的測量

單相和三相電路系統(tǒng)的功率因數(shù)測量計算方法略有不同。對單相電路系統(tǒng)，功率因數(shù)可以直接測量，而對于三相電路系統(tǒng)，通常是測量三相電路的平均功率因數(shù)。如果三相電路是均衡負(fù)載，則平均功率因數(shù)與各單相電路的功率因數(shù)差別不大；如果三相電路負(fù)載不均衡，則平均功率因數(shù)與各單相電路的功率因數(shù)差別很大，平均功率因數(shù)就不能準(zhǔn)確反映三相電路系統(tǒng)的實際用電狀況。對于油田生產(chǎn)系統(tǒng)的用電，其三相用電系統(tǒng)的負(fù)載是近似均衡的。

2.3諧波對功率因數(shù)測量的影響

隨著電子技術(shù)的普及應(yīng)用，電路中能夠產(chǎn)生各種諧波的用電設(shè)備越來越多，諧波的含量越來越大，對電路中其他設(shè)備的正常運(yùn)行造成不利影響[2]。諧波環(huán)境下的功率因數(shù)測量有兩種方式：測量全波的功率因數(shù)，見公式（1）；測量基波的功率因數(shù)，見公式（2）或公式（3）。

或

式中：P1——基波有功功率，W；

S1——基波視在功率，VA；

U1——電路基波電壓值，V；

I1——電路基波電流值，A；

Q1——基波無功功率，var。

從公式（1）和公式（2）可以看出，由于電路電壓值U和電路電流值I總是大于電路基波電壓值U1和電路基波電流值I1，而諧波不產(chǎn)生有效功率，使得電路有功功率P近似等于電路基波有功功率P1；因此，電路的基波功率因數(shù)值cosφ1總是大于其全波功率因數(shù)值cosφ。

3 油田電網(wǎng)的電氣環(huán)境

在通常情況下，油田用電設(shè)備大部分是感性負(fù)載或電阻性負(fù)載，但隨著各類電子設(shè)備的大量應(yīng)用，尤其是電子開關(guān)類設(shè)備和變頻器的大量運(yùn)用，在油田電網(wǎng)中產(chǎn)生了極大的諧波干擾，電網(wǎng)中諧波含量很高，導(dǎo)致各類設(shè)備誤動作甚至損壞；同時，由于無功補(bǔ)償、永磁電動機(jī)等技術(shù)的運(yùn)用，部分電路會出現(xiàn)過補(bǔ)償現(xiàn)象，導(dǎo)致電路呈現(xiàn)為容性負(fù)載；再有，就是油田機(jī)械采油設(shè)備的用電負(fù)荷呈現(xiàn)較大的波動狀態(tài)，極端情況下甚至?xí)霈F(xiàn)反發(fā)電現(xiàn)象。綜上所述，油田電網(wǎng)的電氣環(huán)境比較復(fù)雜，相較普通電網(wǎng)在功率四象限圖中通常只出現(xiàn)第一象限的情況，油田用電在功率四象限圖中的四個象限都可能出現(xiàn)，并且可能同時伴有較大的諧波含量（圖1）。

圖1 功率四象限

4 不同測量與表達(dá)方法分析

油田電網(wǎng)功率因數(shù)的測量與表達(dá)方法，一直是困擾技術(shù)檢測機(jī)構(gòu)的一個問題。正確測量和表達(dá)電路功率因數(shù)，需要考慮測量理論、測量對象、測量設(shè)備、測量結(jié)果是否有利于用電質(zhì)量提高等多個方面的要求。

4.1諧波條件下的測量與表達(dá)方法

從測量理論看，功率因數(shù)主要可以分為全波功率因數(shù)和基波功率因數(shù)兩種，見公式（1）和公式（2）。其中，基波功率因數(shù)只反映無功功率對功率因數(shù)的影響，而全波功率因數(shù)可以反映無功功率和諧波共同對功率因數(shù)的影響。目前提高功率因數(shù)的主要方法是加裝補(bǔ)償電容器，這種方式只對無功功率偏大導(dǎo)致的電路功率因數(shù)較低情況有改善作用，但對諧波導(dǎo)致的電路功率因數(shù)較低的情況基本沒有作用。對于諧波導(dǎo)致電路功率因數(shù)較低的情況，可以通過安裝有源濾波器或無源濾波器來減少諧波分量，進(jìn)而從根本上提高電路功率因數(shù)。因此，測量全波功率因數(shù)可以更全面反映電路的實際電能質(zhì)量情況，對用電單位和用電管理部門進(jìn)一步提高電路功率因數(shù)、改善電能質(zhì)量，具有更有效的指導(dǎo)作用。

4.2短期容性負(fù)載條件下的測量與表達(dá)方法

當(dāng)用電設(shè)備采用永磁電動機(jī)技術(shù)或無功補(bǔ)償技術(shù)時，部分油田電路可能會在一個運(yùn)行周期的一段時間內(nèi)呈現(xiàn)為容性負(fù)載；如果采用公式（3）計算，即計算基波功率因數(shù)，短時間出現(xiàn)的容性無功功率會在累計的總無功功率中被扣減，使得最終計算的功率因數(shù)結(jié)果會比較高，但這并不符合電路功率因數(shù)的實際情況。因為功率因數(shù)的一個重要作用是體現(xiàn)電路中無功電流的大小，實際上無論是感性無功電流還是容性無功電流，都會在電路中帶來線路損耗。如果采用基波功率因數(shù)，會造成線路損耗較大、功率因數(shù)卻很高的假象，這是不合理的；如果采用全波功率因數(shù)，不僅能體現(xiàn)容性電流對線路損耗的影響，也能體現(xiàn)感性電流對線路損耗的影響。

綜合考慮全波功率因數(shù)和基波功率因數(shù)的測量表達(dá)效果，要全面、準(zhǔn)確測量和表達(dá)具有短時間容性狀態(tài)電路一段時間內(nèi)的平均功率因數(shù)，應(yīng)該采用公式（1），這樣才能既考慮諧波對平均功率因數(shù)的影響，也能體現(xiàn)電路短時間出現(xiàn)的容性狀態(tài)對平均功率因數(shù)的影響。

4.3短期發(fā)電條件下的測量與表達(dá)方法

由于油田用電設(shè)備存在負(fù)荷波動較大現(xiàn)象，如抽油機(jī)的負(fù)荷，導(dǎo)致其在一個負(fù)荷波動周期內(nèi)，可能既存在耗電狀態(tài)也存在發(fā)電狀態(tài)。此時采用功率法計算電路功率因數(shù)時，就存在如何確定有功功率的問題。部分測試儀器采用凈消耗有功功率，即正向有功功率與反向有功功率相互抵消之后的結(jié)果；有些測試儀器采用正向有功功率；也有觀點認(rèn)為應(yīng)該采用正向有功功率與反向有功功率的代數(shù)和。

功率因數(shù)主要作用是表達(dá)電路中無功功率和無功電流的狀態(tài)，以及無功功率與有功功率的比率關(guān)系；監(jiān)測功率因數(shù)的主要目的是促進(jìn)用電單位提高用電設(shè)備的功率因數(shù)，降低線路損耗。對于用電設(shè)備，如果在運(yùn)行周期內(nèi)存在既耗電也發(fā)電的現(xiàn)象，說明其負(fù)荷調(diào)整有比較明顯的問題，應(yīng)當(dāng)避免。產(chǎn)生反向有功功率是因為不合理的負(fù)荷狀態(tài)導(dǎo)致的，凈消耗有功功率才是用電設(shè)備實際上的有效用電。因此，采用公式（1）計算電路全波功率因數(shù)時，分子應(yīng)采用凈消耗有功功率，而分母UI中的電流既包含發(fā)電狀態(tài)的電流也包含耗電狀態(tài)的電流，也體現(xiàn)了無論發(fā)電還是耗電，用電設(shè)備都要消耗無功功率的實際情況；如此計算得出的功率因數(shù)才能有效反映用電設(shè)備存在不合理發(fā)電狀態(tài)的問題。

4.4平均功率因數(shù)的測量與表達(dá)方法

在監(jiān)測油田電路或設(shè)備的功率因數(shù)時，經(jīng)常需要測算多條電路或多臺設(shè)備功率因數(shù)的平均值，而平均值的計算方法有算術(shù)平均法和加權(quán)平均法。

在進(jìn)行功率因數(shù)計算時，基波電參數(shù)的視在功率與有功、無功是直角三角形關(guān)系，可以計算加權(quán)平均功率因數(shù)，見公式（3）。但全波電參數(shù)的視在功率與有功、無功不是直角三角形關(guān)系，如果用有功功率、無功功率加權(quán)計算功率因數(shù)，有時會出現(xiàn)錯誤的計算結(jié)果。

由表1可知，加權(quán)平均的計算結(jié)果大于單組數(shù)據(jù)的結(jié)果，明顯不符合邏輯。因此，當(dāng)功率因數(shù)為全波功率因數(shù)時，測算多條電路或多臺設(shè)備的平均功率因數(shù)應(yīng)當(dāng)采用算術(shù)平均值，不能進(jìn)行加權(quán)平均計算。

表1 功率因數(shù)加權(quán)平均與算數(shù)平均結(jié)果對比

5 結(jié)論

由于油田電網(wǎng)用電設(shè)備和負(fù)荷的特殊性，導(dǎo)致電網(wǎng)中存在著諧波干擾、短期過補(bǔ)償現(xiàn)象、短期發(fā)電現(xiàn)象等，采用不同的計算方法會帶來不同的結(jié)果和結(jié)論。根據(jù)功率因數(shù)的定義與計算理論，結(jié)合測量結(jié)果的合理性及對生產(chǎn)實踐的指導(dǎo)與促進(jìn)作用，在諧波條件下和短期容性負(fù)載條件下，應(yīng)當(dāng)采用全波功率因數(shù)的測量結(jié)果；在短期發(fā)電條件下，應(yīng)當(dāng)采用凈消耗有功功率計算全波功率因數(shù)。計算全波功率因數(shù)的平均值不能采用加權(quán)平均法，應(yīng)當(dāng)采用算術(shù)平均法，可以避免出現(xiàn)不合理的結(jié)果。依據(jù)本結(jié)論進(jìn)行油田電網(wǎng)功率因數(shù)的測試計算，有利于發(fā)現(xiàn)油田電網(wǎng)可能存在的問題，促進(jìn)用電單位對不合理用電狀況的改進(jìn)，實現(xiàn)油田電網(wǎng)的節(jié)能降耗。

[1]陳文光，唐少農(nóng).功率因數(shù)的概念及測試方法探討[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報，2002（5）：73-75.

[2]張啟林，馮天寶，韓冰，等.非線性負(fù)載諧波電流測量及功率因數(shù)的研究[J].物理實驗，2007（10）：37-39.

10.3969/j.issn.2095-1493.2016.10.006

2016-05-05

（編輯 李發(fā)榮）

趙立新，高級工程師，1988年畢業(yè)于北京理工大學(xué)，從事節(jié)能監(jiān)測及節(jié)能評估研究工作，E-mail：zlixin@petrochina.com. cn，地址：新疆克拉瑪依市準(zhǔn)噶爾路29號實驗檢測研究院節(jié)能監(jiān)測中心，834000。