水電站黑啟動(dòng)的研究與實(shí)踐

盧文，譚云昭，劉林

（1. 三峽大學(xué) 電氣與新能源學(xué)院，湖北 宜昌 443002；2. 重慶大唐國(guó)際彭水水電開發(fā)有限公司，重慶 404100）

近年來(lái)，隨著“西電東送”工程的深入，電力系統(tǒng)穩(wěn)定性得到了很大提高，但是遇到嚴(yán)重突發(fā)性故障時(shí)仍有可能引發(fā)系統(tǒng)的連鎖反應(yīng)，最終導(dǎo)致系統(tǒng)大面積停電。因此，對(duì)黑啟動(dòng)的研究尤為必要。本文主要分析了某水電廠黑啟動(dòng)過(guò)程，并提出這一水電站黑啟動(dòng)過(guò)程中需要改進(jìn)注意的一些事項(xiàng)[1-3]。

1 黑啟動(dòng)的概述要求

所謂黑啟動(dòng)，是指整個(gè)系統(tǒng)因故障停運(yùn)后，系統(tǒng)全部停電（不排除孤立小電網(wǎng)仍維持運(yùn)行），處于全“黑”狀態(tài)，不依賴別的網(wǎng)絡(luò)幫助，通過(guò)系統(tǒng)中具有自啟動(dòng)能力的發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)，帶動(dòng)無(wú)自啟動(dòng)能力的發(fā)電機(jī)組，逐漸擴(kuò)大系統(tǒng)恢復(fù)范圍，最終實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的恢復(fù)。黑啟動(dòng)是在黑網(wǎng)或丟失外部電力的情況下恢復(fù)電站供電的過(guò)程，其作為緊急方案用來(lái)恢復(fù)區(qū)域電網(wǎng)供電。電網(wǎng)的大面積黑電事故使電網(wǎng)對(duì)電廠的黑啟動(dòng)能力日益重視。

由于電網(wǎng)對(duì)黑啟動(dòng)機(jī)組的啟動(dòng)時(shí)間、加載限制和輔助系統(tǒng)上的額外要求，不是所有的機(jī)型都適合黑啟動(dòng)。黑啟動(dòng)要求水電站裝機(jī)容量足夠大，機(jī)組調(diào)節(jié)性能夠好，電氣接線上具有雙回以上接線，地理位置盡量不要處于電網(wǎng)末端。只有符合這樣子條件的水電站才具有黑啟動(dòng)的資格。而本文中所研究的水電站是所在電網(wǎng)的黑啟動(dòng)備用電源，擔(dān)負(fù)著電網(wǎng)事故情況下的黑啟動(dòng)[4-7]。

2 該水電站黑啟動(dòng)的目的

本文研究的水電廠的500 kV電壓等級(jí)主接線為單元接線方式，正常運(yùn)行時(shí)為Ⅰ、Ⅲ合母運(yùn)行，通過(guò)兩回出線將功率送往電網(wǎng)，其中1～4號(hào)主變壓器通過(guò)廠用高壓變壓器分別帶Ⅰ—Ⅳ母10 kV廠用電母線，Ⅴ母通過(guò)位于Ⅲ母的饋線開關(guān)供電，Ⅵ母通過(guò)位于Ⅳ母的另一編號(hào)的饋線開關(guān)供電，Ⅷ母通過(guò)位于Ⅲ母的開關(guān)供電。各10 kV母線通過(guò)廠用低壓變壓器將電壓輸送至各400 V母線。

機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，發(fā)電機(jī)可直接將電壓送往廠用電10 kV母線。當(dāng)機(jī)組全停時(shí)，該廠廠用電將由一、二兩回出線反送電，經(jīng)由主變將500 kV電壓等級(jí)降至廠用電所需電壓等級(jí)，保證廠用電正常穩(wěn)定運(yùn)行。若遇到系統(tǒng)大范圍故障時(shí)，該廠一、二回出線跳閘，導(dǎo)致發(fā)電的機(jī)組過(guò)電壓保護(hù)動(dòng)作，跳機(jī)組出口斷路器，導(dǎo)致全廠失電，線路沖擊合閘不成功，則此時(shí)應(yīng)啟動(dòng)黑啟動(dòng)流程。

水輪發(fā)電機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)應(yīng)有各類輔機(jī)同時(shí)運(yùn)行，保證機(jī)組各軸承瓦溫在合理范圍內(nèi)。這些輔機(jī)由廠用電400 V電壓等級(jí)母線直接供電，如若全廠失電，廠用電10 kV及400 V相應(yīng)斷電，水輪發(fā)電機(jī)的輔機(jī)無(wú)法運(yùn)行。而水電站運(yùn)行規(guī)程中規(guī)定，禁止在輔機(jī)無(wú)法運(yùn)行時(shí)開啟機(jī)組，所以黑啟動(dòng)的目的就是在廠用電失去時(shí)，利用柴油發(fā)電機(jī)將重要輔機(jī)帶電，使水輪發(fā)電機(jī)滿足開機(jī)條件并開機(jī)，逐級(jí)恢復(fù)廠用電同時(shí)逐級(jí)恢復(fù)電網(wǎng)。

3 該水電站黑啟動(dòng)方法

3.1 水電站黑啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)前期準(zhǔn)備

水電站黑起動(dòng)實(shí)驗(yàn)前需要做如下準(zhǔn)備步驟：

1）將2號(hào)機(jī)組1、2、3號(hào)壓油泵控制方式置“切”；

2）將2號(hào)機(jī)組自動(dòng)補(bǔ)氣裝置控制方式置“切”；

3）記錄壓力油罐壓力由自動(dòng)啟動(dòng)值（5.8 MPa）降到事故低油壓值（4.78 MPa）所用時(shí)間、相應(yīng)壓力時(shí)油罐液位值，監(jiān)視油位不能低于200 mm；

4）恢復(fù)壓油泵及自動(dòng)補(bǔ)氣裝置運(yùn)行，調(diào)整壓力油罐壓力及油位至正常；

5）復(fù)歸事故低油壓動(dòng)作信號(hào)。

6）檢查10 kV柴油發(fā)電機(jī)組完好、油料充足，具備啟動(dòng)條件；

7）2號(hào)機(jī)組停機(jī)；

8）1/2號(hào)機(jī)組自用電Ⅱ段停電。斷開1/2號(hào)機(jī)組自用電Ⅱ段所有負(fù)荷開關(guān)。

9）斷開1/2號(hào)機(jī)組自用電Ⅰ段有關(guān)2號(hào)機(jī)組的所有自用電源。

3.2 黑啟動(dòng)具體操作分析

黑啟動(dòng)之前要斷開全廠所有500 kV，10 kV，400 V開關(guān)及發(fā)電機(jī)出口開關(guān)。此次黑啟動(dòng)采用10 kVⅧ母所帶的柴油發(fā)電機(jī)，該柴油發(fā)電機(jī)額定電壓等級(jí)為10 kV級(jí)別，可以直接將電壓輸送至10 kVⅧ母上，通過(guò)母聯(lián)開關(guān)302開關(guān)將Ⅲ母帶電。因?yàn)椴裼桶l(fā)電機(jī)容量有限，不可能同時(shí)帶起全場(chǎng)所有輔機(jī)，故在Ⅲ母帶電之前要做好Ⅲ母的隔離工作，將所有饋線開關(guān)斷開（10 kV母聯(lián)開關(guān)在正常運(yùn)行時(shí)即為斷開熱備用），將Ⅲ母電壓通過(guò)場(chǎng)低變32B送往1號(hào)、2號(hào)機(jī)組自用電400 V Ⅲ段母線上，再將2號(hào)機(jī)組相應(yīng)輔機(jī)空開合上，使2號(hào)機(jī)組滿足開機(jī)條件，2號(hào)機(jī)組由停機(jī)—空轉(zhuǎn)，無(wú)壓合2號(hào)機(jī)組出口開關(guān)之后手動(dòng)建壓。當(dāng)2號(hào)機(jī)組建壓成功且出口開關(guān)在合閘態(tài)，從主接線中可知2號(hào)廠高變12B此時(shí)帶電，合上112開關(guān)則10 kV Ⅲ母帶電，合上10 kV Ⅲ母、Ⅰ母聯(lián)絡(luò)201開關(guān)，10 kV Ⅱ母帶電，此時(shí)全廠廠用電可由10 kV Ⅰ母、Ⅲ母全部帶起，將1號(hào)、2號(hào)機(jī)組自用電400 Ⅵ段所有負(fù)荷開關(guān)合上，便可斷開由柴油發(fā)電機(jī)帶起的1號(hào)、2號(hào)機(jī)組自用電400 V Ⅲ母進(jìn)線開關(guān)，從而停止柴油發(fā)電機(jī)運(yùn)行，全廠廠用電已恢復(fù)正常，黑啟動(dòng)成功。圖1為黑啟動(dòng)過(guò)程接線示意圖。

3.3 黑啟動(dòng)中可能存在的問題

從水電站水機(jī)保護(hù)中得知，調(diào)速器壓油罐事故低油壓是取正常啟泵油壓以下的某一值，在機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，壓油罐壓力降低至事故低油壓則啟動(dòng)水機(jī)保護(hù)流程，機(jī)組解列、事故停機(jī)。而在黑啟動(dòng)過(guò)程中，由于時(shí)間較長(zhǎng)，壓油罐壓力緩慢下降，而此時(shí)壓油泵又處于失電狀態(tài)，無(wú)法將壓力打至額定壓力，則可能導(dǎo)致事故低油壓水機(jī)保護(hù)動(dòng)作，機(jī)組無(wú)法正常開機(jī)。所以在恢復(fù)1號(hào)、2號(hào)廠用電Ⅲ段的時(shí)候，要監(jiān)視壓油泵將油罐壓力打至正常壓力后，復(fù)歸機(jī)組事故信號(hào)，方可正常開機(jī)。

在2號(hào)機(jī)組建壓時(shí)，本文采取的是2號(hào)機(jī)組由停機(jī)—空轉(zhuǎn)，無(wú)壓合出口開關(guān)，再進(jìn)行手動(dòng)建壓的流程，是因?yàn)殡姀S監(jiān)控流程對(duì)于空轉(zhuǎn)和空載的定義都有“出口開關(guān)在斷開”這一判據(jù)，若直接下令機(jī)組停機(jī)—空載，則2號(hào)機(jī)組出口開關(guān)在斷開，而出口開關(guān)合閘分為同期合閘（采用同期裝置，判斷開關(guān)兩側(cè)電壓幅值、相角、頻率進(jìn)行合閘）、無(wú)壓合閘（判斷開關(guān)兩側(cè)均無(wú)電壓），此時(shí)出口開關(guān)只有發(fā)電機(jī)一側(cè)帶電壓，不滿足上述兩種情況，無(wú)法合閘，所以在建壓之前先無(wú)壓合閘，再采取手動(dòng)建壓。

由于2號(hào)發(fā)電機(jī)出口開關(guān)在合閘態(tài)，從電氣連接上2號(hào)機(jī)組與2號(hào)主變?yōu)檫B接狀態(tài)，在手動(dòng)建壓時(shí)若直接將電壓升至額定電壓，則主變低壓側(cè)感應(yīng)出很強(qiáng)的勵(lì)磁電流，可能會(huì)造成主變過(guò)勵(lì)磁保護(hù)動(dòng)作，斷開出口開關(guān)，導(dǎo)致升壓失敗。故應(yīng)手動(dòng)退出發(fā)電機(jī)失磁保護(hù)連片，退出勵(lì)磁調(diào)節(jié)器軟啟勵(lì)裝置，手動(dòng)緩慢建壓至額定值。

圖1 黑啟動(dòng)過(guò)程接線示意圖Fig. 1 Black startup wiring diagram

4 黑啟動(dòng)的意義及影響

黑啟動(dòng)的關(guān)鍵是電源點(diǎn)的啟動(dòng)，水輪發(fā)電機(jī)組與火電、核電機(jī)組相比，具有輔助設(shè)備簡(jiǎn)單、廠用電少，啟動(dòng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，故成為黑啟動(dòng)電源的首選。機(jī)組具有黑啟動(dòng)功能不僅是電站在全廠失電情況下安全生產(chǎn)自救的必要措施，也是電網(wǎng)發(fā)展的需要。

在電網(wǎng)大面積停電后，采取電網(wǎng)黑啟動(dòng)措施，將大大減少電網(wǎng)停電時(shí)間，盡快恢復(fù)電網(wǎng)的正常運(yùn)行，利用黑啟動(dòng)電廠自啟動(dòng)開啟的機(jī)組并到電網(wǎng)，電網(wǎng)所屬機(jī)組逐級(jí)并網(wǎng)，使斷電的電網(wǎng)供電范圍逐漸減小，最終達(dá)到恢復(fù)電網(wǎng)的目的[8-10]。

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