无功功率

想要细致理解很简单，把电路中理想电感或电容的电压和电流瞬时值相乘，就能得到电感或电容消耗的功率表达式，把它画出来，你就会发现电感或电容的功率每一个周期循环一次，且每一个周期的功率积分，也就是能量是零，整体上是不消耗电能的。最极端的例子就是谐振回路，电路中只有一个理想电容和电感，给电容一个初始电压，电路中便产生了无功电流，电容的电场能和电感的磁场能循环，两者之和不变。电力系统中的无功补偿就是满足无功功率的循环，电感的磁场能减少，必然需要电容的电场能来承接，而这些最好是在小范围内进行，如果无功电流跑到大系统中，就会被动的产生有功损耗和电压降，对系统运行是不利的。

补充：无功功率虽然不做功，但是会在电力线路中通过线缆流动，无功电流还使线缆发热，所以需要让线缆变粗，出于各个方面考虑，就地补偿（集中补偿）。写无功的坏处。

无功补偿：让无功功率在磁场能和电场能之间来回循环，而不是在系统里来回循环流动。

有功最终归属电能范畴，无功最终归属磁能范畴。有功提供能量，无功建立磁场，再换言之，频率差反馈信号影响原动机输入功率，从而影响机械能转化为电能的多少，并实现出力与负荷的平衡，完成频率调整。有功功率被负荷消耗和网损消耗，实现了能量的最终转化。B=uI/2(pi)r，其中u为真空中磁导率，是基本物理常数，而I就是载流导线中的电流大小，pi是圆周率，r为某点距离导线的距离，从这个公式看出磁的形成过程依赖于该电流的存在，大学物理电磁学里面也假设过环形超导体通入电流就能建立恒定磁场，而建立磁场的电流存在到始终不消耗。为什么电力系统需要无功？假设没有这个磁场，请问发电机怎么切割磁感线做功，将机械能热能转化为电能？在原边与副边没有直接电的联系的情况下，如果没有这个磁场，请问变压器怎么传变电能？我们所用的异步电动机怎么旋转？

想真正明白一个物理概念，只能从物理角度真正去理解，任何比喻，拟人，打比方，假设的解释行为都会引导你步入理解的误区。

补充：励磁电流产生磁场，机械能才能转换为电能再转换为其他形式的能。励磁电流产生磁场，变压器如何变换电能。励磁电流产生磁场，才能让电动机转起来消耗有功功率。大部分情况下，无功功率建立磁场，才能让有功功率能够使用（不准确）；有磁场能的情况下，才能让电能转化为其他形式的能。

有功功率通过电磁场来传递，而电磁场的产生依赖于无功功率的存在。电磁场存在于

通电导线的周边。至此，我阐明了有功功率和无功功率的关系。还有一点小的概念需要补充。**有功功率是指电路从电源吸收功率的大小，其主要是电路中电阻元件耗能的结果；无功功率是电路与电源往复交换功率的幅值，主要是电感、电容的储能和放能的结果。**无功功率并不存在真正的能量损耗，只是能量的交换；有功功率则是实实在在的消耗能量。存在电流和电压的地方就有电磁场。然而，并不是说电压、电流存在于导线中，那么电磁场就被在导线中。实际上，电磁场并不存在于导线中。说道这里，便到了重头戏，电能究竟如何通过电磁场传播的，电磁场究竟存在于哪？关于这个问题，坡印亭（Poynting）定律给出了答案。导体仅起着定向引导电磁能流的作用，电源对负载的供能是通过导体外的空间电磁场传输。无功功率 Q 是维持时变电磁场（交流电）存在的能量。无功的本质就是建立电磁场的代价，没有场，能量无法传输。

补充：《电力系统分析》中提到，导线有对地电容，这样难道是建立了磁场？电纳还是什么，在导线周围建立磁场，让电能传输。

一、直流回路中的电感

电力系统中用于建立磁场的绕组都可以看作是一个电感线圈，电感有一个重要的特性，即电流不能突变，并且满足：

图1的电路即为发电机转子的电路模型，在励磁过程中，转子绕组从电源吸取了电能，但该部分能量并未被“消耗”掉，而是以“存”在转子绕组中，建立起转子磁场，如果想要的话，这部分能量是可以“还”回去的。也因此，发电机的励磁系统才多了个灭磁的单元，在事故状态下，即使断开励磁回路，转子绕组中依旧存储着能量，要实现快速灭磁，就要快速将这部分能量消耗掉。在灭磁开关里装有灭磁电阻用于消耗绕组中的磁场能，也可以以逆变的形式来释放掉转子中的能量，即将转子绕组中的能量“还给”电源侧。

而转子回路的电阻则产生有功损耗，消耗电能，产生热量。

当增加励磁电流以增强磁场时，转子绕组会跟电源“多借”一部分能量，除此之外，别无贪念。而电阻则会贪婪地消耗更多能量。

接下来看另外一个模型，如图2所示，由电阻R和电感L串联而成的电路中，在t=0时刻，回路中有初始电流I0，让我们来看一下该电流随时间会如何变化。

我们可以把该理想的电感当做一个水池，而水池里的水便是“能量”。要建立一个稳定的磁场便是向这个“水池”注“水”，需要多大的磁场便向“水池”里注入多少“水”，而后切断水源，水池里的水位会维持不变！至于流过线圈的电流则可以视为是水池的水位计，电流的大小反应出了电感线圈中所存储的能量的多少。

然而实际电感回路都会有电阻，这个电阻就相当于是在水池上裂开了一条缝，在水池水位到达目的值之后，如果切断水源，则水会从缝隙不断泄露出去，从而导致水位不断下降。此时要维持水位不变，便需要有水源源不断地补充泄露出去的那部分水量。

所以发电机运行过程中，转子绕组仅由于其本身回路存在电阻而产生有功损耗。而绕组本身的电感特性对于转子励磁回路而言仅相当于一根理想导线而已。当事故状态下需要实现转子励磁回路快速灭磁时，则转子绕组在建立磁场的过程中从电源中“借走”的那部分能量，是需要通过一定的途径“还”回去，或者消耗掉的，这部分能量不会凭空消失。实现释放转子绕组中存储的磁场能便是所谓的“灭磁”。

结论：在直流回路中的电感 （1）没有所谓的无功功率；

（2）从电源侧借走其所需的能量用于建立磁场；

（3）转子“借走”的能量可原封不动地“还回去”，或者消耗掉。

由图中可以看出：

1、电感功率P是两倍工频的正弦量；

2、电感功率P在一个周期内的积分为0，即一个周期内电感消耗的功率为0； 3、电感功率P正负交替变换，即电感是在电源和负载两个角色中来回切换。电感不消耗能量是就长期观察的结果而言，对于某一瞬间来说，电感是吸收能量或者发出能量的，只是在一个周期内电感吸收的能量和发出的能量相等，其总体效果为不消耗能量。

4、电感吸收能量的时间段恰好是其电流大小增加的阶段，而释放能量的时间段则是电流大小减小的阶段。前面说过，电流大小是电感线圈中能量的“指示计”，电流增大对应的是电感中存储能量的增加，故而需要从外界吸取能量；反过来电流减小则是电感中能量的“回流”。

综上所述，无功并不是无用的功，也不是不存在的功，它是实实在在的一部分能量在系统中往返输送。尽管在一个周期内“无功”的做功为0，但对于某一个具体的时刻，它又确实是“有功”。无功的实质作用是建立一个交变的电磁场！

比如40瓦的日光灯，除需40多瓦有功功率(镇流器也需消耗一部分有功功率)来发光外，还需80乏左右的无功功率供镇流器的线圈建立交变磁场用。由于它不对外做功，才被称之为“无功”。无功功率的符号用Q表示，单位为乏(Var)或千乏(kVar)。

无功作为电力系统中的节点电压支撑一样。无功：将电能转化为电磁能，储存在电抗器or电容器中，或者消散在电介质中。

问题是：为什么无功功率可以支撑起节点电压。

有功功率，即电压电流同相位，电能是实实在在被消耗的，有可能用于照明，可能用于

其他，总之是被消耗掉了，不会再回到电网中去。相位相差九十度时，电能实际上是没有被消耗的，而是在电网和原件中交换。这个时刻原件吸收了电网的功率，下个时刻就反馈到电网中，这里就是无功功率。无功功率不是实际消耗的功率，它是在电路中不断在各个原件之间被来回交换的功率。正负不是说一个原件一直发出或者吸收功率，而是一个时刻，这个原件发出无功功率的时候，另一个元件正好在吸收，他们在时间上正好是相反的。感性无功功率，在电路中由电感性元件发出，如线圈等，以磁场能的形式储存、交换；容性无功功率，在电路中由容性元件发出，如电容器，以电场能的形式储存、交换。由此可见，电场能和电磁能是储存无功功率的两种形式。一个电感线圈，在0~1s时间内吸收了电网的无功功率，并以磁能形式储存；在1~2s的时间内将储存的能量反馈给电网，发出了无功功率。理解有无功的精髓，是建立电网电压电流“交变”的概念。

通常从发电机和高压输电线供给的无功功率，远远满足不了负荷的需要，所以在电网中要设置一些无功补偿装置来补充无功功率，以保证用户对无功功率的需要，这样用电设备才能在额定电压下工作。这就是电网需要装设无功补偿装置的道理。

一般家用电能表只算有功功率。？？？

无功功率在系统中不断的循环往复是为了建立磁场传输电能？有磁场能才有电厂能？

如果电流的相位和电场相同，那么就是有用功。这时候电子的跃迁是实过程； 如果电流的相位和电场不同，那么这个功是随时间震荡的。一个周期内，有正有负，积分之后是0。实际上可以理解为电子首先吸收光子，跃迁到一个“虚态”上，然后立马跃迁下来，把能量又还给了电场。这是一个虚过程，又叫做参量过程（parametric process）。

同样的，这个过程也可以从场的角度来解释。电流产生磁场；如果电流和电场相位差pi，那么磁场和电场相位就相同。具体地，如何从物理电磁理论推理到电路中的reactance之实虚，可以参看jackson的经典电动力学教材。理论的海洋无穷大，务必不断求索啊。

好吧，既然无功，那是否无用？马克思说要辩证的看问题，无功的用处是大大的，是我们看不见的隐蔽战线。电动机的励磁线圈，变压器的线圈都是无功消耗大户，电流这线圈里产生了磁场，没了无功，这些设备如何运转？不但不能消灭无功，我们甚至还要补偿我们用掉的无功。

我们再用向量来解释无功补偿这个问题。交流电包括了电流量和电压量，这二位在出门前速度和方向都是一样的。两个人遇见了电炉子这等纯电阻元件，毫不畏惧，携手走过。后来走着走着遇见了电感这个恶人，电流惧怕电感（右手螺旋法则学过哇，电流通过电感线圈产生了磁力），电压表示毫无压力的通过。此时二人就有了差别，电流比电压落后了，表现就是电流滞后，向量图表示上差了一个φ。好吧，此时二人还是向前走，遇见了电容大侠，电压表示惧怕，电流表示毫无压力（电容是通交流阻直流），此时由于电压被电容绊了一下脚，电流顺利的追赶上了电压的步伐，二者的差别缩小。我们的用电设备中，电感类设备很多！别告诉我你列举不出来，好吧，还是我来列举。比如：每个工厂几乎都有的电动机，它的线圈部分就是纯电感。还有我们常常看见的变压器，甚至是家里的灯管等等。这些用电设备大大的阻碍了电流的步伐，所以大型工厂都要求安装无功补偿设备，其实也就是安装电容，目的是要把电流和电压所差的相位角补回来。

”无功者“。在电机停止转动后这部分能量是会返回的。因为它只是电磁转换，向电网借了点磁，并不消耗。所以需要灭磁

所以说线路上传输的都是有功功率才好呢，就地补偿的意义是不是这个呢？

说它是无功功率，只是因为它对外不做功，才被称为“无功”。所以相对于有功功率为一个衍生概念

无功需求很大，导致电压急剧下降。无功需求越多，电流越大，压降就越大，电压都加到阻抗上了用于建立磁场的电压就小了。因为无功虽然不被消耗，但是它总是在不停的充电放电，这个过程会有额外的电流，这个额外的电流在阻抗上会有额外的压降。无功需求越多，

电流越大，压降就越大，电压都加到阻抗上了用于建立磁场的电压就小了

直流电机到可以没有无功功率，也能做功的。

理想电机没负载的情况下不消耗能量，实际是要消耗的。 https://www.zhihu.com/question/33309268

https://www.zhihu.com/question/19770184

https://www.zhihu.com/question/20576332 https://www.zhihu.com/question/21048806

工业和实际生活中的负载，阻感负载很多。电炉，变压器，异步电机，荧光灯都是。架空线本身也具有一定电感。这类负载要求电源必须吸收无功功率才能工作。

一方面，与只需要提供有功功率相比，负载对无功功率的需求导致电源与负载之间的电流增加，设备及线路损耗增加。另一方面，无功功率会导致线路压降增加。当无功负载波动较大时，如电机启动或某些大型设备工作，会造成电网电压波动很大，影响供电质量。

所以，由发电机提供无功，并经过长距离传输，给负载所需要的无功功率是不现实的。需要在对无功有要求的负载处，就近提供无功补偿。补偿之后，无功能量只在负载和近处的补偿器之间流动，电网不需要提供这一部分的能量，降低了对电网的容量的要求，也避免了引起线路压降的问题。

无功的产生主要是由于电压相位与电流相位的不重合产生的。那么，以电压为基准，电流就可以分解为与电压相位重合和与电压正交两部分。与电压相位重合的那一部分电流做的功就是有功，与电压正交的那一部分电流那一部分就叫无功。有功是被不可逆转的消耗掉了的，是实实在在的做了功。而无功并没有被消耗掉。无功在电容和电感中反复交换，表现为不停的从电场能转换为磁场能，从磁场能转换为电场能，并没有被消耗掉，也不对外做功，因此称为无功。当然，在实际中，在电场和磁场转换过程中，无功电流也会流过电阻，造成损耗。

很难说一个东西是好的还是坏的。无功也一样。在很多地方需要无功，比如需要励磁的电力设备，如发电机，电动机，变压器等等，如果没有无功，这些设备都是无法工作的。

然而，无功带来最大的问题就是损耗增大和电压降低。当系统无功不足，就会引起电压降低，负荷不变时，电流就变大，那么就增大了损耗。因此，在电力系统中，常常采用无功补偿的方式，补偿无功电流，减小损耗。

1.无功缺额即系统无功不足。对于一个系统，无功是时刻平衡的，即无功的产生量与消耗量相等。因此，无功缺额并不意味着系统消耗的无功大于产生的无功，而是如题目中所说，对系统电压产生影响，即表现为系统电压的降低。

2.电力系统的无功主要消耗在：

(1)变压器及感应电机。二者都需要无功进行励磁。

(2)输电架空线。当架空线传输功率在自然功率以上时，会消耗无功。

因此，若系统中的发电机和无功补偿装置发出的无功不能满足系统中的无功需求，即会产生(相对于系统正常运行时电压水平)的无功缺额。

3.有功/相角和无功/电压的强耦合关系，主要是由于电源和负载间的连接一般是感性元件导致的。例如同步电机的空载电势和端电压，以及电力系统中电源侧电压与负荷侧电压之间，一般都是通过电抗连接。根据电路原理和电力系统分析的相关知识，可以得到以下关系：

即电压幅值的变化与无功密切相关，而电压相角的变化与有功密切相关。 因此可以得到有功/相角以及无功/电压强耦合的关系。

至于有功和频率的对应关系，主要是由于负荷的变化会导致发电机出力的变化，进而导致发电机转子转速的变化。而系统频率与转子转速之间有严格的关系，因此负荷侧的变化也会反应在系统频率上，可以说和负荷与电机两方面都有关。

电力系统的某一时间，负载“消耗”的无功是和发电机“发出”的无功平衡的。一台机多带了无功，其他机组的无功负荷就会下降。当负载无功功率增大时，（发电机发出的无功功率不满足负载无功功率的增量就会产生无功电流，系统中的无功目前来看不是平衡的。），无功电流的增量就会在发电机的电枢反应中起到“去磁作用”，使发电机的感应电势降低，从而造成系统电压下降（严格说是在较低的电压下达到新的平衡），所以可以认为系统电压下降是因为发电机输出的无功功率不足造成的。

原因：因为电力系统中的无功主要是感性成分，感性无功电流形成的磁场在发电机中正好抵销一部分励磁系统产生的的磁场，使发电机气隙中的磁场下降，相应的发电机的端电压就要降低，相反的如果系统中无功供应大于用电设备的无功时（无功过剩），这部分无功的去磁反应消失，气隙磁场增加，发电机端电压上升，也即系统电压上升。

这是一个无功平衡和电压水平的关系。

在电力系统中，系统（电源）的无功与负荷的无功是永远处于平衡状态的。电源无功-电压特性是一条下降的曲线，而负荷（主要取决于异步电动机）的无功-电压特性是一条上升的曲线，两曲线的交点即运行点，对应相应的平衡的无功和电压。当系统无功过剩时，表示电源的无功-电压曲线向上移动，或者负荷的无功-电压曲线向下移动，它们的交点即新的平衡点，显然对应的电压上升；反之则下降。用图形表示最直观，可自己画一下。

由于无功平衡原理的存在，无功虽然不传递能量，但是却会影响电网的电压，这是由电网中的设备性质决定的。如果系统的无功不足，电压就会下降，电压下降以后，负荷吸收的无功减少，发电机发出的无功增加，从而保持无功的平衡。反之，如果系统的无功过剩，电压就会升高，电压升高以后，负荷吸收的无功增加，发电机发出的无功减少，从而保持无功的平衡。也就是说，电网可以依靠电压的变化来自动保持无功平衡。

有功功率：做工的快慢；无功功率：一个周期内电能转变为磁场能或者电场能，然后又把电磁能或者电场能转变为电能送还电源的速率。

无功是能量交换的速率，本身并不产生损耗

当发电机发出电流时，这个电流流过电枢绕组，也会在电枢绕组里产生磁场，这个磁场同样要在电机的铁芯磁路里流通，这就要与原来电机的磁场相互发生作用，我们称为电枢反应，电枢电流产生的磁场称为电枢反应磁场；

电枢反应磁场对主磁场的作用是随着电流的不同性质而不同的，无功电流所产生的电枢反应磁场方向正好与主磁场相同，所以它就加强了主磁场，使总的磁场增强，所以发电机的电压就升高了；

一般负载大多是感性负载，而在电力线路空载或轻载时，感性负荷大大减少，而长距离输电线路的线路电容就显得厉害起来，此电容电流就对发电机产生增磁电枢反应，使发电机电压升高，这时必须接入并联电抗器来吸收此无功功率，从而调整系统电压，有的也会使发电机运行在欠励状态，来调节系统电压。

感性负载只能使系统负荷现象呈感性，并不是消耗感性无功。

在系统呈感性是需要容性无功来抵消感性无功，也就是有多大感性无功就需要多少容性无功来抵消（其实这2个无功是在产生谐振）

线路的电容效应，是线路中的对地电容和相间电容比电感大，所以导致电容消耗的容性无功过多（相当于提供过多的感性无功，还是还要返还回电网，但是电容比电感大，也就是提供了过多的感性无功。过多的能量交换），从而使得电压升高（这句话要这样理解：由于长距离线路输电，导线间和对地会产生电容效应，使得线路末端电源呈容性，这样使电压升高。并不是电容消耗容性无功。而且只有长距离空载线路才会出现末端电压升高。

楼主还要去补充一下电工基础中的电感，电容，串联谐振，并联谐振这部分知识就知道感性无功和容性无功是2个方向相反的向量，他们在电力系统中是在不停的谐振。

只有采用末端电容补偿的方式才能使的这个谐振的电流控制在系统的末端，这样就减少了谐振电流产生的能源损耗。

对了，针对您这个问题，我想问，为何负载（主要是感性负载）过多的时候，系统电压下降，发电机要增发感性无功？

我的回答：增发感性无功不是原因，而是结果。是由于负载过多时，要维持系统电压的问题，那就需要强行励磁来提高系统的电压。而强行励磁的一个后果就是带来了更大的无功电流，当然这个电流是感性无功电流。所以说发电机增发了感性无功。

电容器、发电机等发出感性无功被电机吸收，同时电机发出容性无功，被电容器吸收，符合能量守恒定律。110KV变电站，变压器是消耗感性无功的？，而且110KV和35KV线路产生的容性无功是不足以抵消变压器和线路的感性无功的，所以一般情况下，是在10KV母线侧装设电容器组，用以补充消耗的感性无功。而10KV侧消耗的感性无功，系统可能会适当的补偿一点，一般电力公司会要求用户保证功率因素，言下之意就是要在感性负荷较大的时候装设电容器组用来补充消耗的感性无功。

输送有功功率，就会引起相位差；输送无功功率，就会引起幅值差。

发电机是线圈组成的，无疑是一个感性负载。注意，这里说它是感性负载，而实际上它是电源。

感性和容性通常是对负载而言的，没有说一个电源是感性或容性的。

发电机正常运行规定功率因数必须滞后，也就是电流必须滞后电压，这是“从外向里看”，把它当成电动机一样，属于感性负载。

电源和负载的根本区别在于：电源的电动势大于端电压，电流和电动势方向相同。负载的电动势小于端电压，电流和端电压方向相同。

发电机的电流不是端电压形成的，而是电动势形成的，所以“从里面向外看”，正常运行时电流方向和端电压方向相反！实际上输出电流是超前的，这使发电机等同于一个容性负载！感性负载储存磁场能量时，发电机释放磁场能量，感性负载释放磁场能量时，发电机吸收磁场能量，这就形成了无功功率的平衡。

回到你的问题：感性负载消耗无功，电压超前电流，这是对的。发电机一旦“进相”，就是电动势低于端电压（励磁电流过小），这时发电机也和感性负载一样吸收（消耗）无功功率。这时发电机的电流和端电压方向相同（注意：此时电流已经和正常运行电流反向180度）。所以，“从外面向里看”电流超前于电压。

发电机一旦失去同期（失步），稳定的运行状态就会被破坏，振荡状态下的发电机会在感性和容性之间变化，电流也就在超前和滞后之间振荡。

无功是分为感性无功功率和容性无功功率。一般意义上指发出感性无功功率即为吸收容性无功功率，发出容性无功功率即为吸收感性无功功率。

发电机既可以发感性无功，也可以发容性无功，正常运行中发容性无功，进相运行时吸收容性无功，既发感性无功。用电容做无功补偿时，作为无功源，即发容性无功。

1，有功功率可以用发出或吸收来形容，“发出”的含义为“产生”，“吸收”含义为“消耗，使用”，这个过程实际对应的是能量的流动过程。而无功功率不可以用\"发出\"和“吸收”来形容，因为有功功率和无功功率对应的物理过程有本质的区别。有功功率简单可以理解为单位时间内从器件流出（或被器件使用（转换）掉）的能量。这是一个能量的单向流动过程，对于电源即可用“发出”，而对于用电气则应当用\"吸收\"来描述。而无功功率本人觉得应该是这么定义：单位时间内进出一个元件的能量。这是一个能量的来回流动的过程，即在进出这个元件，怎么能用吸收和发出来描述呢？对于能量来说这是一个先吸收，在发出如此循环的过程，怎能用描述单向运动的词来说清？对于无功功率，本人倾向的一种说法是：一个元件具有感性无功性质，或具有容性无功性质。而不说“发出”或者“吸收”。例如我们说一个电感消耗的无功功率具有感性无功性质。当然感性无功是由于电感的电流相位滞后于他两端的电压。容性则是电流提前电压。有了电流相位的提前或者滞后，就有了能量周期性的进出一个元件，也就产生了无功功率。

2，如何理解发电机的功率因数（此处说的是实际状态中的功率因数而不是额定功率因数，因为不论是什么设备，很可能没有工作在额定工作状态）？我们都知道对于用电设备，如电机的功率因数为电流滞后电压的角度的cos值这与电机的工作状态和自身结构有关，并且可以通过cos=P（实际）/UI来测得（电流方向为流入元件为正）。我们先这样把系统分为3个部分（并网时）：发电机，电网，用电设备。并假设电网电压是一个恒定不变的正弦量。所以发电机的功率因数含义不难推理得到：发电机电流滞后于电网电压的角的cos值，应该和发电机结构和运行状态有关（直流励磁电流）。

3，网上大部分资料都说发电机一般工作在迟相运行状态，并且说在这种状态下即发出有功，也发出无功。那我就看看他说的这个发出到底是个什么意思？因为电网上大部分负载

都是感性负载，都具有感性无功的特征，需要容性无功与其抵消。所以这么理解起来应该是作者的原意：大部分负载使用（消耗）容性无功，而发电机发出容性无功。这才符合发电机发，电机用的规律。这么说来电容柜也是提供容性无功的设备。正所谓电感发感性无功，电容发容性无功，然后相互补偿。发电机为什么能发容性无功？to be continue...