吴成涛

（国华浙能发电有限公司，浙江 宁波 315612）

某电厂4×600 MW亚临界机组的厂用电在设计之初已经过优化，平均厂用电率在5.4%左右，与同型先进机组相比仍有一定的差距。通过设备改造来进一步降低厂用电，不但投资大，而且周期长。能否在不增加投资、利用现有设备进行节能挖潜？

厂用电绝大部分为电动机的电耗，厂用辅机电机“大马拉小车”的现象较为普遍，特别是在机组低负荷时尤为明显，此时电机的效率明显偏低。厂家一般保证电动机在额定电压的-10%至+10%的范围内运行，其额定出力不变。运行规程要求正常运行时6 kV电压波动在±5%范围内，380 V电压在-5%至+10%范围内。故在规定的电压范围内不会影响电机的出力。在允许的电压范围内，可以通过适当降低电机的电压水平来降低铁损，以降低厂用电率。

1 电压变化对电机运行的影响

电机运行电压为U，电机的铭牌额定电压为Ue。当U＞Ue时，电动机中的磁通Φ趋于饱和将使励磁电流大大增加；另一方面，电动机的电磁力矩与电压U的平方成正比，在负荷力矩一定时，转差率S将减小，定子电流也将随之减小。由于在额定负载范围内运行时，转差率很小，因此由于转差率减小而引起定子电流的减小值小于励磁电流增加值。结果使定子电流上升，电动机的功率因数下降。显然，在U＞Ue时，不仅铁损增大，而且定子绕组的铜损也要增加。

当U＜Ue时，磁通Φ的减小使励磁电流也减小，由于电动机磁路不饱和，电动机励磁电流降低的幅度不大。另一方面，电动机的电磁力矩与电压U的平方成反比，电磁力矩减小将使转差率S增加较多，必将引起定子电流增加，直到电动机产生的电磁力矩和负载力矩平衡为止。如果电压降低过多，转差率的增大而引起定子电流的增加值将大于励磁电流的减小值。结果使电动机定子电流将超过允许值，虽然由于磁通减小，铁损略降低，但铜损随电流的平方成正比，所以总的损耗还是增加，电动机将会过热。

2 电机的损耗分析

电动机的功率损耗包括有功损耗及无功当量损耗。

式中：ΔP为有功损耗；PFE为定子铁损耗；PCU1为定子铜损耗；PCU2为转子铜损耗；PFJ为附加损耗；KQ为无功经济当量；Q为无功功率。

2.1 定子铁损耗

电动机定子铁损PFE与电压的平方成正比，额定电压下的铁损为PFEe，则电压由U1下降至U2时的损耗为：

当电压高于额定值时，由于铁芯的饱和程度不同，铁损与电压的关系是不同的，有4次方关系也有2.5次方关系，高于额定电压运行时铁损明显增加。

2.2 定子铜损耗

定子铜损与定子电流的平方成正比。

在轴功率不变时电压下降，电动机的电流会增加，因而铜损也增加。实际上，当电压下降时，电动机转速下降，机械轴功率减小，激磁无功电流减小，使定子电流增加不明显；部分厂用电动机在电压降低时，定子电流会同步减小。

2.3 转子铜损耗

转子铜损与电机的轴功率及转差率成正比。

式中：Pe为电机额定功率；K为负载率；S1，S2为电机的转差率。当电压降低时，S1-S2为负值，即在电压降低时转子铜损在增加。

2.4 附加损耗

电动机的附加损耗分为空载附加损耗和短路附加损耗。短路附加损耗一般取0.5%额定功率，当负载偏离额定值时，与定子电流的平方成正比。

2.5 无功当量损耗

当电压降低时，电动机所需的无功功率也减少，无功当量损耗也减小。无功经济当量KQ单位为kW/kvar，电厂的高压厂变一般与发电机母线直接相联，故KQ一般取2%～4%。

通常各类损耗占有功损耗的比例为：定子铁损耗20%～25%，定子铜损耗35%～40%，转子铜损耗20%～25%，附加损耗15%～35%。从上述分析看电动机的功率损耗在电压降低时，综合损耗必定相应减少。

3 现场试验分析

通过高压厂变的有载分接开关或发电机端电压的调整可以改变高压厂用变6 kV母线的电压，现场试验分单一电机有功变化和高压厂变的有功变化两部分来试验。

3.1 单一电机的电压变化试验

一次风机电机1 800 kW，在机组有功为550 MW时，从图1可以看出随着电压上升，一次风机的有功损耗逐步上升，6.2 kV电压下的有功损耗较5.97 kV电压下高38.4 kW。

图1 机组500 MW时一次风机电耗与电压关系

炉水泵电机400 kW，在机组400 MW负荷时，随着电压下降，炉水泵的电耗逐步下降，6.29 kV电压下的有功损耗较5.88 kV电压下高31.5 kW，见图2。

图2 机组400 MW时炉水泵电耗与电压关系

在机组300 MW负荷时，随着电压下降，一次风机的电耗逐步下降，6.35 kV电压下的有功损耗较6.17 kV电压下高72 kW，见图3。

图3 机组300 MW时一次风机电耗与电压关系

3.2 高压厂变的电压变化试验

机组在3种不同的负荷下，通过改变发电机机端电压来调整6 kV的母线电压，因此引起的高压厂变有功功率的变化如表1所示。

表1 高压厂变有功功率的变化情况

从表1可以看出，在机组负荷450 MW时，当高压厂用6 kV电压下降179 V时，厂用电电量将节省630 kW；在520 MW负荷时，当高压厂用6 kV电压下降199 V时，厂用电量将节省430 kW；在560 MW负荷时，当6 kV电压下降121 V时，厂用电量节省400 kW。即6 kV电压下降2.5%时，可节约厂用电电量的1.8%，可降低厂用电率约0.08%。

4 电压降低后的运行可靠性计算

机组设有2台高压厂变，容量均为38 MVA，考虑公用负荷最大单台仅使用19 MVA左右，即高压厂变负荷率为50%，当6 kV母线运行电压降低后，在机组600 MW负荷时6 kV母线运行电压为5.9 kV时，校验电泵启动时的6 kV电压值是否符合要求。

给水泵电机：6 300 kW，额定电压6 kV，额定电流681 A，功率因数0.915，堵转电流倍数5.52；高压厂变：38 MVA，有载调压，阻抗电压14.01%。母线电压：

式中：Um为电动机起动时的母线电压；U0为厂用母线空载电压，对有载调压取1.1，无载调压取1.05；X为变压器电抗；S为合成负荷，S=S1+Sq，S1为电动机起动前厂用母线上已有负荷，Sq为起动电机的起动容量，Sq=1.06 MVA。

起动前高压厂变已带50%负载 （19 MVA），母线电压98.3%（5.9 kV），按无载调压计算的电压值为：

符合规范要求，即最大容量电机起动时，厂用母线的电压应不低于额定电压的80%。

5 结语

从上述分析及试验可以得出以下结论：

（1）电压长期高于电机的额定电压运行损耗较大，不经济。

（2）运行人员认为降低6 kV电压运行会降低厂用电动机的运行可靠性，但经计算6 kV电压在-5%（5.7 kV）运行，最恶劣工况下电泵启动时厂用电压仍为81.7%Ue，符合要求，这是因为厂用电设计时已充分考虑了裕量。

（3）不同的电机、不同负荷率，在电压变化时电耗变化的幅度大小不一。

（4）占厂用电量较大比例的风机负载率均较低，电压的降低对其电耗减少比较明显；同时因电压下降时电机的转差率变大，风机的转速下降，效率有了一定的提升，在机组低负荷运行时节电效果更加显著。

（5）主要辅机的电耗随电压的下降而减少，经验值应在5.7 kV时厂用电耗为最低，但试验时因为未端的400 V电压偏低，6 kV电压最低只能降到5.9 kV左右，故从安全、经济角度考虑机组6 kV电压正常运行时控制在5.9～6.0 kV之间运行较为节能。这样就可以在不增加投资的情况下降低厂用电率在0.08%～0.16%，每台600 MW机组每年可节电约20万kW·h，节电效果明显。

（6）在今后结合机组检修时应考虑改变未端低压厂用变压器的分接开关位置，以提高未端低压设备的运行电压，为进一步的节能挖潜打基础。

[1]赵家礼.电机节能技术问答[M].北京：化学工业出版社，2008.