摘要：火力发电厂中，为保证发电机组更加安全稳定地运行，并高效地输出电力，向其供电的厂用电系统变得越来越复杂，而组成这套厂用电供电系统的厂用设备也越来越多。又随着经济的发展，用户用电需求量越来越大，煤耗相对小、厂用电率低、大容量燃煤机组将越来越多地投入电力市场。因此，有必要对火电厂厂用电系统中的相关问题进行更深入、细致的研究，保证厂用电系统在火电厂中稳定安全地运行。
关键词：火力发电厂；用电系统
厂用电系统安全可靠供电是发电机组安全运行的基本条件。在事故情况下，厂用电系统安全切换，对减少事故损失、保护人身与设备安全至关重要。另外，一些重要辅机如交流润滑油泵等在备用电源切换过程中，如由于厂用装置本身缺陷导致切换失败或保安电源等原因造成失电，则有可能酿成重大事故，造成事故范围扩大。厂用电切换不当引起的问题有些是明显的、突发的，而有些是渐变的。随着发电机组容量的增大，厂用电动机的容量也在增大，大容量电动机的机电时间常数要比中小容量电动机的时间常数长。因此，在工作电源突然断开后，厂用母线上处于正常运行状态的电动机群，具有大量动能和磁能，使得在厂用母线上保持着很高的反馈电压，而且衰减很慢。反馈电压与电源电压之间的相角随着时间的变化在逐渐扩大，在备用电源投入瞬间，将产生很大的合闸冲击电流。会对电动机、启备变造成难以预料的不良后果，增加了事故隐患。
一、厂用电系统介绍
对于火力发电厂而言，为了确保发电工作的顺利展开，必须要配备厂用工作电源和备用电源。通常情况下，规模较大的火力发电站都使用单元机组通过单元接线来完成辅机的供电工作，当单元机组停止工作，就由备用电源来完成供电工作，但是在供电过程中机组要承受较大的负荷。此外，当厂用电系统中电源侧电气和汽机锅炉出现问题时，为了实现电力的持续生产，相关人员必须快速完成电源的切换工作，即将工作电源转换成备用电源。
火电厂运行中，大量的机械设备由相应的电动机拖动，用以保证锅炉、汽轮机、发电机等和输煤、碎煤等工作的正常运行。这些电动机以及电厂的运行、操作、检修、照明用电等设备都属于厂用负荷，厂用负荷的供电系统被称为“厂用电系统”。厂用电源包括工作电源和备用电源，两者又各分为高、低压两部分。厂用电源必须供电可靠，而且应满足厂用电系统各种工作状态的要求。随着厂用电接线方式的越来越多样化，不同的厂用电系统，所选定的电压等级也不尽相同。国内多数对于厂用电电压等级的选定为6kV一级电压，针对装机容量在600MW以上的火电厂中，常规的厂用电电压等级一般为6KV一级电压或3、10kV两级电压。目前已建成的大型火电厂中，已经出现了10kV一级电压，这种电压等级对于大型火电厂更具优势。
二、厂用电源的切换
厂用电切换是发电厂厂用电系统中的一个很重要的环节。厂用电切换是指当工作电源变压器由于某种原因被切除时，将原先由该工作变压器所带的负荷转换至由备用变压器供电的操作过程。系统对厂用电切换的基本要求是安全可靠，其安全性体现为切换过程中不能造成设备损坏，而可靠性则体现为提高切换成功率，减少备用变过流或重要辅机跳闸造成锅炉汽机停运等事故。
厂用电工作母线因事故或误操作导致其进线断路器跳闸，工作母线失去电源，此时需要将备用电源投入，以保证向厂用负荷（主要是一些大型电动机）正常供电。随着机组容量的增大，厂用电切换的时间，切换过程中重要设备受到的冲击，锅炉系统工况的稳定等问题越来越受到关注。当工作母线失电后，其母线上还在运行的电动机此时的效果相当于发电机，因此母线上还存在电压。而常用的备自投装置通常要等母线电压消失或者降低到很小值时才将备用电源投入，这样根本无法满足快速、冲击小以及系统稳定的要求。
1、厂用电切换遵循的原则
（1）在厂用电源切换过程中，任何厂用设备不能承受不必要的过载和冲击。（2）在常用电源切换过程中，必须保证发电机组的安全停机和稳定可靠运行。
由上述两条原则可知:厂用电切换的关键在于切换时刻的选择，这就需要对切换设备进行准确的定值计算，并选择最优的切换逻辑，是电源开关与切换装置进行准确地配合。
厂用电快速切换装置是保证厂用电正常切换、异常工况切换及事故处理切换的自动控制装置，简称快切装置。快切装置的主要任务是当主供电源发生故障时，在厂用电母线失去电源后电压衰减的动态过程中，寻找合适的机会投入备用电源，以保证系统的正常运行。它以母线电压与备用电源电压间的频差和相角差为切换判据。目前快切装置一般包括快速切换、同期捕捉切换、残压切换和长延时切换四种切换方法。
2、厂用电切换问题的有效方法
（1）排除备用电源自投装置故障的方法
为了防止厂用电切换过程中母线故障点接受更多的电流冲击，相关人员要定期对厂用电母线进行检验，并及时对老化的、存在问题的母线进行更换和修理，从而排除母线故障，防止备用电源自投装置故障的进一步恶化，进而实现发电站的安全、持续生产，确保生产工作和生活的顺利进行。
（2）排除并联切换问题的方法
要想提高厂用电切换工作的质量，发电站的管理人员必须建立完善的稽核制度，对采购人员的行为进行有效的监督。另外，采购人员还要遵守职业道德，购买优质的变压器来进行电力生产工作，从而为电力需求者提供充足、优质的电力资源。
（3）排除串联切换问题的方法
在厂用电切换过程中，为了防止串联切换转变为并联切换，从而对发电站的机电设备造成严重的损害，相关人员必须加强串联转换技术的研究，力求缩短厂用电母线电压出现失压现象所耗用的时间，进而防止发电站机电设备出现短路的现象，为发电站的工作人员提供安全系数较高的工作环境。
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三、厂用变压器的励磁涌流
变压器在空载投入时或外部故障切除后电压恢复时，会在变压器电压突变的一侧产生数值很大的电流，这就是励磁涌流。励磁涌流的大小和时间常数与变压器的结构型式、接线方式、外施电压的初相角、变压器容量、铁芯性质、饱和磁通、剩余磁通、回路阻抗等都有关。依据实践和理论分析，励磁涌流有以下特点:
（1）最大幅值可达变压器额定电流的6-8倍，其数值可与短路电流数值比拟。（2）励磁涌流呈尖顶波形，含有大量的非周期分量、高次谐波，其中的二次谐波较大且波形偏离时间轴。（3）励磁涌流有间断角。间断角的大小不仅与外施电压的初相角有关，而且与变压器的饱和磁通和剩磁大小直接相关，但经过电流互感器TA的转换，间断角可能消失。（4）励磁涌流按指数形式衰减。对于小型变压器，电阻较大，电抗较小，衰减较快，约经几周可达稳态。但大型变压器电阻较小，电抗较大，衰减慢些，可延续数秒钟或更长。
四、工作电源和备用电源
在厂用电系统中，为了保证系统的稳定可靠运行，电源通常设置为工作电源和备用电源。在正常工作状态下，工作电源为厂用负荷供电；当由于某种原因导致工作电源断开时，备用电源将会自动投入为厂用负荷继续供电。现在火力发电厂的工作电源多与高压母线相连的厂用变压器引接或由发电机出口直接取得，而备用电源则往往通过厂用备用变压器由外部电力系统供电。
（1）工作电源引接方式
当有发电机电压母线时，高压工作电源由各母线段引接，供给接在该母线段的机组的自用负荷；当发电机与主变压器采用单元接线或扩大单元接线时，则高压厂用工作电源一般由该单元主变压器低压侧或发电机出口引接，供给本机自用负荷，
（2）备用电源引接方式
备用电源主要作为自用工作电源的事故备用，也可作为检修及机组停机时的电源。因此备用电源的引接应保证其独立性，避免与自用工作电源由同一点引接，引接点电源数量应有两个以上，并有足够的供电容量。
当有发电机电压母线时，由与工作电源不同的分段上引接。当无发电机电压母线时，由与电力系统连接的最低一级电压母线上引接，或由联络变压器的低压绕组引接，并应保证在发电厂全停的情况下，能从电力系统取得足够的电源。
备用电源由明备用和暗备用两种方式。明备用方式，设置专用的备用变压器或线路，经常处于备用状态，当工作电源因故障断开时，由备用电源自动投入装置进行交换接通，代替工作电源。暗备用方式，不设专用的备用变压器或线路，而将每台工作变压器容量增大，相互备用，当其中任一台厂用工作变压器退出运行时，该台变压器所承担负荷由另一台厂用工作变压器供电。
五、厂用电系统主接线设计
1、空冷机组厂用电电压选择
我国北方和中西部地区水资源严重缺乏，近年来国家在产煤多、缺水地区重新规划火电厂的产业政策，把节约用水作为一个首要因素，大部分火电厂采用空冷发电机组，大力推广空冷技术，从而大幅度减少电厂的用水量，节约水资源。为节省投资，降低运行费用，国内大多数火电厂采用3台电动给水泵取代常规汽动给水泵。从电动给水泵的起动和短路电流限制两方面来看，一般的厂用电系统选用的6KV电压等级已难以满足要求，电动给水泵的起动电压比较大，母线的电压等级为6KV无法使其正常起动，无法满足起动电压的起动要求，并且6kV的电压等级也无法满足厂用电限制短路电流的要求。因此出现了10kV电压等级，这种电压等级对于大型火电厂更具优势。
2、接触器选型
接触器的控制对象是电动机，它是一种经常接通和断开交直流主回路和馈电回路的电器。同时也可用于其他负荷的控制，如电焊机、照明和电热器等。高压真空接触器在高电压等级的厂用电系统中得到了广泛的应用。
现代电厂的厂用电系统中，常用的接触器类型是电磁铁驱动类。厂用电中接触器的操作比较频繁，因此接触器必须具有很长的寿命，所选接触器的电气强度和机械强度要尽可能的高。现在大部分高压接触器的机械寿命可以达到数百万次甚至一千万次以上，而电气寿命则按不同的机械寿命级别和不同的使用类别有一定的百分比。电厂中常选用百分比较低的接触器。
在本厂用电设备中选型时，除了要求其参数能满足回路要求外，还应满足下面3个检验要求:
（1）灭弧性能要好，分断电流时燃弧时间尽量的短，过电压低；
（2）触头材料应具有良好的导电、导热性能，并且耐腐蚀，要有足够高的抗熔焊性能，以此来降低触头的温升和提高其电气寿命和机械寿命。触头材料的工艺性要满足电厂的结构需要，整个接触器的性价比要高；
（3）接触器的动稳定性和热稳定性应满足要求。
结束语
总之，我国火电厂向大装机容量发展，厂用电率有所降低，大机组的效益越来越好。厂用电率现在的状况如何，如何使我国火电厂的厂用电率逐渐达到国际水平，一直是设计人员和工作人员关心的问题。现在与过去相比，相同装机容量机组的厂用电率随着自动化水平的提高而使机组运行状态逐步趋于合理。厂用电量包括电力生产过程中电动机、照明、采暖通风以及其他控制、保护装置等所耗用的电能。同时，设备性能的改善，设计水平、管理水平的提高使电厂厂用电率也有所降低。
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论文作者:杨文涛
论文发表刊物:《电力设备》2018年第7期
论文发表时间:2018/7/2
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