1、功率因数的概念
在交流电路中，电源供给负载的视在功率包括有功功率和无功功率。有功功率是电阻性负载消耗的功率，即实际消耗的电功率，用P表示，单位为瓦（W）或千瓦（kW）；无功功率并非实际消耗的功率，而是反映电感性负载或电容性负载发生的电源与负载间能量交换所占用的电功率，用Q表示，单位为乏（var）或千乏（kvar）；视在功率是电压和电流有效值的乘积，用S表示，单位为伏安（VA）或千伏安（kVA）。按线性负载来考虑，三者的关系可用功率三角形来表示，如图1所示。
图1：功率三角形
对于三相平衡负载，视在功率为下式。式中，U为相电压有效值，Ul为线电压有效值，I为电流有效值。
S = 3UI =31/2 Ul I =（P2 + Q2）1/2
当供电回路中既有电感性负载又有电容性负载时，总的无功功率为下式。式中，QL为电感的无功功率，QC为电容的无功功率。
Q = QL-QC
有功功率与视在功率之比称为功率因数，用λ表示。在线性电路中，功率因数等于电流与电压相位差的余弦，即
λ=P/S=（3UI cos Φ）/3UI= cos Φ
功率因数是反映电力用户用电设备合理使用状况、电能利用程度和用电管理水平的一项重要指标。
2、提高功率因数的意义
提高功率因数的意义包括可降低线路损耗、可改善电压质量、可提高变压器利用率和节约用户的电费开支等等，具体详见下表2的解释。
表2：提高功率因数的意义
3、提高功率因数的方法
提高功率因数的方法分为提高自然功率因数和功率因数人工补偿。
1）提高自然功率因数
自然功率因数是指用电设备自身所具有的功率因数，其高低与设备的负荷率有关。在通信企业中，有许多电感性的电气设备，如变压器、电动机等。据统计，企业的无功功率，一般感应电动机占70%，变压器占20%，线路占10%。由此可见，电动机和变压器消耗的无功功率大，自然功率因数比较低，特别是在空载运行时功率因数更低。为了降低无功功率消耗，提高自然功率因数，通常可采取下表3-1的措施。
表3-1：提高自然功率因数的措施
采用提高自然功率因数的方法是一种最经济有效的方法。但是，如果变压器带有容量大的季节性负荷，合理选择变压器容量就比较困难。例如中央空调系统，单机容量都比较大，从几十千瓦到上百千瓦，而空调的使用有季节性，若只选择一台变压器对全局供电，为使空调工作时变压器不过载，变压器容量只能选得较大，而当空调不工作时，变压器就工作在轻载状态，功率因数就会显著降低。对于这种情况，单靠提高自然功率因数的办法满足不了对功率因数的要求，必须采用无功功率补偿的方法来提高功率因数。
2）功率因数人工补偿
在一般情况下，用电负荷多为电感性负载，常用并联电容器的方法来补偿功率因数，原理如图3-2所示。专门用来补偿功率因数的电容器称为移相电容器，具有安装简单、运行维护方便、有功损耗小和投资少等优点。
图3-2：并联电容补偿功率因数原理
图中，R、L串联表示感性负载，端电压为Ù，电流为İL，感性负载使得电流相位滞后电压相位一个角度，这个角度就是功率因数角Φ1。在R、L两端并联电容C，将有电流İC流过电容，İC比Ù超前90°。并联电容后，总电流İ是İL与İC的相量和，校正后的功率因数角为Φ2。可见Φ2<Φ1，功率因数得到提高。并联电容补偿的容量（无功功率）可按下式计算，式中，QC为电容器补偿的无功功率（kvar），Pj为有功功率（kW），Φ1为补偿前的功率因数角，Φ2为补偿后的功率因数角。
QC=Pj（tan Φ1-tan Φ2）
4、移相电容器的型号和补偿容量
移相电容器的型号由文字和数字两部分组成。例如，YY0.4-12-3，其个符号的含义详见下表4。
表4：移相电容器的型号中符号的含义
电容器的电容量为C，其容抗为XC，当电容器两端施加正弦交流电压U时，它能补偿的无功功率为Q=U2/XC = 2πf CU2，即当C一定时，电容器能补偿的无功功率Q与加在电容器上的电压U的平方成正比。因此并联电容器进行补偿时，宜采用三角形连接，其补偿容量为星形连接的3倍。电容器的额定电压应与电力网的额定电压相符。
5、并联电容补偿的方法
并联电容器补偿无功功率通常有以下三种方法。
1）分散补偿
分散补偿是指将移相电容器就近并联在电感性负载上。若电容器的补偿容量选择得当，补偿效果明显。但分散补偿维护工作量大，电容器的利用率低、投资大。这种补偿方式只适用于长期运行的负载或容量较大的负载。
2）低压集中补偿
将移相电容器集中在一起，组成无功功率补偿屏，又称电容补偿柜。将电容补偿柜并接在变压器低压侧的电力母线上进行补偿。细分交流负荷，有的长期使用，有的时用时停，存在一个用电高峰和低谷的问题。若将所有移相电容器接成一组对用电高峰进行补偿，且满足对功率因数的要求，则在用电低谷时就会过补偿，造成电压偏高。因此实际工作中往往将移相电容器分成几组，一组长期并联在电路中对固定不变的负荷进行补偿，其余的移相电容器组根据负荷的运行情况及时投入或撤除，既满足提高功率因数的要求，又不会造成过补偿。投入或撤除移相电容器可采用人工或自动的方法。电容器是储能元件，当电容器从电源上断开时，电容器上的电压等于电路断开瞬间的电源电压。因此撤除的移相电容器应考虑放电，一般采用灯泡来放电。
3）高压集中补偿
高压集中补偿就是将电容补偿柜移到变压器的高压侧。在高压侧补偿的补偿效果比在低压侧好，但移相电容器即使接成星形，电容器承受的电压也很高，易造成电容器爆炸，同时高压操作需要专门的辅助电源和操作机构，维护操作困难，因此在通信企业中多采用低压集中补偿。
6、功率因数自动调节
功率因数自动调节是指在电容补偿柜中设置了自动调节装置，能根据电网电压和负载的变化及时投入或撤除电容器组，以保证功率因数符合要求。电网电压的波动和负载的启动会造成瞬时功率因数的波动，为避免自动调节装置的执行机构误动作，自动调节装置应采取延时投入和延时撤除的方式。
下图6为电容补偿柜一次电路原理图，图中移相电容器组均采用三角形接法，一组作为固定补偿，其余的根据电网电压和负荷的变化自动投撤。采用交流接触器作为自动调节装置的执行机构，自动调节装置的设计方案很多，其基本原理分时间型自动控制和功率因数型自动控制。时间型自动控制是预先设计好时间段，按时让交流接触器动作或断开，从而投入或撤除电容器组。功率因数型自动控制是采用取样信号与基准电压进行比较，其差值经放大、变换后去控制交流接触器的动作，从而投入或撤除电容器组。取样信号可采集母线电压的高低、功率因数的大小、无功电流的大小等。具体工作原理不再赘述。
图6：电容补偿柜一次电路原理图
功率因数补偿应避免补偿电容与电路的电感形成谐振，从而导致过电压。不宜一味追求高功率因数，在一般情况下确定补偿后的功率因数在0.9~0.95之间便可，要严格防止过补偿。此外还需注意，如果利用移相电容器将功率因数提高到0.95，供电系统有可能在5次或7次谐波发生谐振，导致系统工作异常，这时可在移相电容电路中串联小电感，使谐振频率不在系统谐波频率的范围内。
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