力调电费（一）：无功功率与四象限-北极星售电网

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在前述的几组文章里，我们讨论了电量电费、分时电价、居民电价以及基本电费。不论是与电量有关，还是和功率有关的收费项目，其实都有一个固定的前缀，那就是“有功”。

所以你在电费单上或者电表上，看到的电量都会叫做有功电量，因为它们是有功功率在时间上的积累。

（来源：微信公众号“黄师傅说电”作者：黄师傅）

那么相对应，就该有“无功功率”。是的，没错，你在电费单的抄表部分一定见过正向无功总、反向无功总这样的字眼。

那有功和无功到底是什么意思呢？为何叫“功”呢？这还要回到一个基础的物理学概念，什么叫“做功”。

“做功”通常用来描述力对物体做功导致物体能量状态改变的情况，你推动一个小球，使其有了动能，你抬起一个桌子，使其有了势能。

而电做功就是用电场力来搬运电荷，进而产生电能量的移动和转化，比如电灯把电能转化为光能和热能，电动机把电能转化成动能。

在电力的场景下，就有了电功率（简称功率），而真正做功把电能转化为其它能量的功率就是有功功率，因为其对于做功这件事有用，而做功就是把一种能量转化为另一种能量。

有功功率，符号为P，单位：瓦（W）。

那么对应，无功功率对于能量的转化就是无用的，它的存在并不会把电能转化为其它可利用的能量，但这种无用只是对于做功的无用，但并不代表其一无是处，彻彻底底的无用。

毕竟很多用电的负荷并不是纯纯的电阻，而每一种负荷都可以抽象成最原始的三种电气原件之间的串并联组合，那就是电阻、电感和电容。

而就是电容和电感的存在，使得无功功率必然存在。

无功功率，符号为Q，单位：乏（Var）。

所以，对做功有用的功率就叫做有功功率，对做功无用的功率就叫做无功功率。

我们都熟知，功率 =电压×电流，但这个公式略有狭义，仅在负载为纯阻性的条件下成立。

而广义上来说，前述的有功功率 =电压×电流× cosθ，无功功率 =电压×电流× sinθ，θ就是电压和电流之间的相角。

当电压加在电阻两端时，产生的电流与电压相角一致，二者没有相位差，所以cosθ=1。

当电压加在电感两端时，产生的电流滞后电压，二者相位差90°，所以cosθ=0。

当电压加在电容两端时，产生的电流超前电压，二者相位差90°，所以cosθ=0。

可见，在纯阻性的条件下，无功功率=0。

在纯感性或者容性的条件下，有功功率=0。

而与此同时，感性条件下的无功即为感性无功，容性条件下的无功即为容性无功。

但这毕竟是理想下的负荷，大多数负荷要么呈电阻+电感性，要么呈电阻+电容性，至于为什么不会有电阻+电容+电感性？因为电容和电感会互相中和掉，取感抗或者容抗大者呈其性。

那么，电压和电流之间就很难有完全的同步，即零相位差，下图为阻感型负荷和阻容型负荷之间的电压/电流示意曲线。

可见，一个用电的负荷，不仅需要消耗有功功率把电能转化成其它形式的能量，还需要有无功功率作辅助，提供电磁场之间的能量转化，以维持负荷的正常运行。

还有一个概念叫做视在功率，符号为S，单位为VA（伏安）。

我们经常会看到一个设备铭牌上的容量，这个容量就是视在功率，而有功功率和无功功率共同构成了视在功率，但并不是简单的加法，而是呈一个三角形。

而力调电费的主角，功率因数就是有功功率和视在功率的比值。可见，功率因数是一个[0,1]之间的数值。当其趋于1时，有功功率也趋于视在功率，也就是额定容量。

至此，我们知道了有功功率、无功功率、视在功率和功率因数，知道它们之间的关系和计算公式。

我们也清楚了无功功率会区分感性无功功率和容性无功功率，而有功功率同样有方向，可以是为正的消耗电能，也可以是为负的发出电能。

这样有功和无功就可以形成一个四象限，而负荷之于电力系统，其无功就被划分呈四象限无功。

I象限：负荷呈感性且消耗电能；

II象限：负荷呈感性且发出电能；

III象限：负荷呈容性且发出电能；

IV象限：负荷呈容性且消耗电能。

这样的分类是以负荷的视角，但在国家行业标准DL/T645-2007附录D中所示，在II和III象限的容感性与刚才的区分正好相反。

这是因为行业标准是以发电机的视角看待II和III象限，而我的分类是以用户负荷为视角进行区分。而由此也演化出两个行业黑话。

第一组，电容或者容性负荷是发出无功的，电感或者感性负荷是吸收无功的。

第二组，I和IV象限的无功组合起来叫做正向无功，这个正向随的是有功的方向。反之，II和III象限的无功组合起来叫做反向无功，这个反向同样随的是有功的方向。

正向无功总电量（I与IV象限无功）

反向无功总电量（II与III象限无功）

而我们在电表上，同样可以看到目前用户整体负荷的状态，

比如下图左上角显示用户处于I象限，意味着用户在从电网受电且负荷呈感性；

比如下图左上角显示用户处于IV象限，意味着用户在从电网受电且负荷呈容性；

比如下图左上角显示用户处于II象限，意味着用户在向电网返送电且负荷呈容性；

简而言之，有功分正反，无功分容感，理解无功的四象限也是正式踏入无功这个电力系统小领域的开始。

划重点

与做功即能量转换有关的电功率叫有功功率，无关的叫无功功率。
无功功率并不是无用功率，其仅是在能量转换方面没有作用。
非阻性负载必然呈现容性和感性，所以无功功率必然存在。
有功功率区分正反向，无功功率区分容感性，则可将负荷状态划分为四象限，同样就有了四象限无功。
有功、无功和视在功率构成三角形，功率因数即为有功与视在功率的比值。

投稿与新闻线索：陈女士微信/手机：13693626116 邮箱：chenchen#bjxmail.com（请将#改成@）

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