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厂用电运行电压调整对降低厂用电率的影响
（河南华润电力首阳山有限公司姬林平）
【摘 要】：本文分析了厂用电运行电压调整对电动机效率的影响，提出了一种发电厂节能降耗的新措施。
【关键词】：电动机损耗 运行电压 厂用电率
0 引言
发电厂80%以上的厂用电是由电动机消耗的，提高电动机的效率对降低厂用电率有着决定性的意义，如何提高电动机的效率，降低其损耗，方法很多，下面重点谈谈厂用电运行电压调整对电动机效率的影响。
1 厂用电运行电压的调整范围
厂用各级母线电压的偏移允许值决定于各母线上所接负载的性质，一般为额定电压的士5％。电动机厂家一般保证在额定电压变动-10%至10%的范围内运行，其电机的额定出力不变。运行规程要求正常运行时6KV电压在±5%范围，380V电压在-5%至+10%范围。因厂用负载主要为电机负载，在规定的电压范围内的电压变化不会引起电机出力的变化，不会引起机组工况的大幅变动。
2 电动机的损耗分析
电动机的综合功率损耗包括有功损耗及无功当量损耗

其中：
△P 有功损耗
PFE 定子铁损耗
PCU1 定子铜损耗
PCU2 转子铜损耗
PFJ 附加损耗
KQ 无功经济当量
Q 无功功率
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%。
3 电压的变化对电动机运行的影响
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将增加，由于电动机磁路的饱和，在磁通增加不多的情况下励磁电流将大大增加。另一方面，电动机的电磁力矩将正比于电压U的平方而增加，在负荷力矩一定时，转差率S将减小，转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小于励磁电流增加。结果使定子电流上升，电动机的功率因数变坏。因此，在U＞Ue 时，不仅铁损增大，而且定子绕组的铜损也要增加，这就使定子绕组的发热可能超过允许值。
当U＜Ue 时，由于磁通Φ的减小使励磁电流也减小，因电动机磁路不饱和，电动机励磁电流降低的幅度不大。另一方面，电动机的电磁力矩将正比于电压U的平方而降低，负载力矩一定，如输出额定功率时，电磁力矩减小将使转差率S 增加较多，必将引起转子电流大大增加，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转子电流、定子电流的增加将大于励磁电流的减小。结果使电动机转子和定子电流将超过允许值，虽然由于磁通减小，铁损降低一些，但铜损随电流的平方而成正比的增加，所以总的损耗还是增加，电动机将会过热。
下面具体分析电压调整对电动机各种损耗的影响，为分析方便用脚标1和2表示电压由U1 降至U2时电机的运行参数
3.1定子铁损耗
通常认为电动机定子铁损PFE与电压的平方成正比，当额定电压时的铁损为PFEe，则不同电压下的损耗为：
△PFE=PFEe (U12-U22)
然而，当电压高于额定值时，由于铁芯的饱和，上面的公式将不能使用，各种电机在高于额定电压范围内，铁损与电压的关系是不同的，有四次方关系也有2.5次方关系，高于额定电压运行时铁损明显增加。
3.2定子铜损耗
定子铜损与定子电流的平方成正比
△PCU1= PCU1e ( I12 - I22 )
一般认为随着电压的下降，电动机的电流会增加，因而铜损也增加。其实，这个关系只适用于负载固定不变的电动机。实际上，当电压下降时，电动机转速下降，机械轴功率减小，以及激磁无功电流的减小，使定子电流增加不明显；部分厂用电动机，当电压降低时，定子电流会同步减小。
3.3转子铜损耗
转子铜损与电机的轴功率及转差率成正比
△PCU2=Pe K (S1 - S2)
其中Pe为电机额定功率，K为负载率，S1、 S2 为电机的转差率，由于电压是在降低，故S1- S2为负值，即在电压降低时转子铜损在增加。
3.4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，其与定子电流的平方成正比。
3.5无功当量损耗
供电电压超出规定范围也会对功率因数造成很大的影响 ，当供电电压高于额定值的 10%时，由于磁路饱和的影响，无功功率将增长得很快。据有关资料统计，当供电电压为额定值的 110%时，一般工厂的无功将增加35%左右。当供电电压低于额定值时，无功功率也相应减少而使它们的功率因数有所提高。当电压降低时，电动机所需的无功功率减少，无功当量损耗也在减小，这相当于减少了发电机的能耗，无功经济当量KQ单位为Kw/Kvar，电厂的高压厂用变一般与发电机母线直接相联，故KQ一般取2%-4%。
在允许的电压范围内，可以通过降低电机的电压水平来降低固定损耗，最终可以降低厂用电率。理论研究表明，在电机负载率高于75%时，随着电压的升高，电机的效率在不断提高，在电机负载率低于75%时，随着电压的降低，电机的效率在不断提高，功率因素也在提升，无功损耗同步减少。因此，电厂6KV应采用逆调压方式运行，即负荷高时调高6KV电压，负荷低时降低6KV电压。在机组低负荷运行时，占厂用电量较大比例的六大风机的负载率均较低，电压下降时电机的转差率变大，风机的转速下降，风机的效率有了一定的提升，故电压的降低对其电耗影响比较明显。但过份降低电压将引起转子电流增加，定、转子的铜耗将增加，厂用电率反而会增加，而且电压过低还将引起部分辅机运行不稳定。故厂用电运行中的电压调整是否合理对保证机组安全运行与机组的经济运行具有不可忽视的作用。
4 现场试验分析
对某600MW机组的现场进行了试验，通过高压厂变的有载分接开关调整或发电机端电压的调整可以改变高压厂用6KV母线的电压，现场试验分单一电机有功变化和高厂变的有功变化两部分来试验，以下数据均为现场实测所得。
4.1单一电机的电压变化试验
一次风机电机为YKK630-4 1800KW ，机组有功为550MW，可以看出随着电压上升，一次风机的有功损耗逐步上升，6.2KV电压下的有功损耗较5.97KV电压下高38.4KW。详见图1

图1 一次风机的在500MW时电耗与电压关系

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

图2 炉水泵在400MW时电耗与电压关系

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

图3 一次风机在300MW时电耗与电压关系

4.2高压厂变的电压变化试验
机组在三种不同的负荷下，通过改变发电机机端电压来调整6KV的母线电压，因此引起的高厂变有功功率的变化如表1：

机组负荷(MW)
6KV A段电压(V)
A高厂变有功(MW)
6KV B段电压(V)
B高厂变有功(MW)
厂用电量减少(MW)
559.49
6,170
13.85
6,245
9.99
0.40
559.16
6,049
13.58
6,123
9.86
519.57
6,156
13.26
6,231
9.56
0.43
519.65
5,957
13.00
6,027
9.39
450.25
6,352
14.73
6,313
9.64
0.63
450.22
6,173
14.17
6,130
9.55
表1 高厂变有功功率的变化

从表1可以看出，在机组负荷450MW时，当高压厂用6KV电压下降180V时，厂电电量将节省630KW，在520MW负荷时，当高压厂用6KV电压下降199V时，厂用电量将节省430KW，在560MW负荷时，当6KV电压下降121V时，厂用电量节省400KW。即6KV电压下降2.5%时可节约厂用电量的1.8%，可降低厂用电率约0.08%，每KWh节约0.27克标煤。
5 运行电压的合理范围
通常认为的电压越高，电耗越低的概念是不科学的，电压长期高于电机的额定电压运行极不经济。
实践表明，主要辅机的电耗随电压的下降同步下降，厂用电耗也在同步下降，电压越低电耗越小。为保证400V末端的电压不致降得太低，6KV母线段电压可调整到5.9KV左右。这样就可以在不增加投资的情况下可降低厂用电率在0.08% - 0.16%，节电效果明显。
有人认为降低6KV电压会降低厂用电动机的运行可靠性，也是不必要的担心。经计算6KV电压在-5%(5.7KV)运行，最恶劣工况下电泵启动时厂用电压仍在80%Ue左右，符合要求，这是因为厂用电设计时已充分考虑了裕量。故从安全、经济角度考虑机组6KV电压正常运行时应控制在5.9-6.0KV之间运行较为节能，而不是通常控制的6.1-6.3KV之间。
随着电网系统对电压自动调整要求的不断提高，特大型电厂逐步要求投用AVC电压自动调整系统，随着系统电压的波动，厂用母线电压也将发生波动，建议高压厂变的有载开关应选择可靠性较高的产品，以满足电网对系统电压的要求。同时在AVC自动调整条件设置时应综合考虑对厂用系统的影响，电厂也应从经济运行的角度出发，及时调整厂用母线电压，将高压厂用母线电压尽量接近下限运行，建议在5.9KV（针对厂用电压为6KV）附近较为合理，对电源未端的低厂变分接头位置应在检修时配合调整。