光照電廠1號機(jī)組黑啟動試驗(yàn)探索與實(shí)踐

黃光敏 諶洪江

【摘 要】對光照電廠在進(jìn)行1號機(jī)黑啟動試驗(yàn)過程中可能發(fā)生的機(jī)組自勵磁，線路過電壓等異常情況進(jìn)行分析，同時介紹了光照電廠1號機(jī)組黑啟試驗(yàn)的主要方法，通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)論證了光照電廠1號機(jī)組在電網(wǎng)發(fā)生事故的情況下，具備帶電網(wǎng)黑啟動的能力。

【關(guān)鍵詞】黑啟動；自勵磁；工頻過電壓；零起升壓；充電

1、背景

近年來，世界范圍內(nèi)發(fā)生了多起電力系統(tǒng)大停電事故，造成巨大經(jīng)濟(jì)損失和社會影響。2003年，美加大停電事故共計損失負(fù)荷61800MW，美國8個州和加拿大安大略省5000萬用戶受到影響。2006年，歐洲西部發(fā)生大停電事故，西歐8個國家1000萬人受到影響。2009年，巴西大停電事故影響人口約5000萬，損失負(fù)荷24436MW，約占巴西電網(wǎng)全部負(fù)荷的40%。2012年，印度連續(xù)兩天發(fā)生大停電事故，造成全國10.4億人失去電力供應(yīng)，包括首都新德里在內(nèi)的22個邦受到影響。2013年，泰國、越南相繼發(fā)生大停電事故，造成泰國南部14個省停電、越南損失近全國一半的負(fù)荷。不斷發(fā)生的大停電事故表明，雖然電網(wǎng)安全穩(wěn)定控制理論及技術(shù)在不斷發(fā)展、電網(wǎng)控制手段在不斷進(jìn)步，但是電網(wǎng)大面積停電風(fēng)險依然存在。

如何在系統(tǒng)大面積停電后快速安全地完成系統(tǒng)的重建，已經(jīng)成為電力系統(tǒng)急需解決的問題。因此作為電力系統(tǒng)安全一運(yùn)行的重要措施之一，建設(shè)黑啟動電源，制定切實(shí)可行的黑啟動預(yù)案，可以使電網(wǎng)各級人員在電網(wǎng)大面積停電情況下，臨危不亂，在黑啟動及系統(tǒng)恢復(fù)的過程中有章可循，做到穩(wěn)定、可靠地啟動黑啟動電源、建立黑啟動目標(biāo)網(wǎng)架、重建電網(wǎng)500kV主網(wǎng)架，及時恢復(fù)負(fù)荷，縮短停電時間，最大限度減少電網(wǎng)大停電所造成的影響。

2、黑啟動概念以及水電廠黑啟動的特點(diǎn)

水電機(jī)組黑啟動，是指在發(fā)生電網(wǎng)事故且廠用交流動力電源消失的情況下，利用水電機(jī)組的蓄能特性及水電站的事故備用電源，完成機(jī)組的自啟動、發(fā)電機(jī)機(jī)端建壓、恢復(fù)廠用動力電源，并配合電網(wǎng)調(diào)度逐步恢復(fù)電網(wǎng)送電的過程。水電機(jī)組具有黑啟動功能，不僅是發(fā)電廠在失電情況下安全生產(chǎn)自救的必要措施，也是電力系統(tǒng)故障后迅速恢復(fù)供電的重要安全保障。

光照電廠是貴州黔源電力股份有限公司控股開發(fā)的貴州北盤江干流茅口以下的“龍頭”電廠。光照電廠水庫具有不完全多年調(diào)節(jié)性能，正常蓄水位為745m，相應(yīng)庫容為31.35億m3，調(diào)節(jié)庫容為20.37億m3。電廠共有四臺機(jī)組單機(jī)容量260MW，總裝機(jī)容量1040MW設(shè)計多年平均發(fā)電量為27.54億kWh，以發(fā)電為主，屬于南網(wǎng)總調(diào)直調(diào)電廠，電廠通過I回500kV光換線送至興仁換流站。

按照中國南方電網(wǎng)電力調(diào)度控制中心與光照電廠簽訂的《光照電廠1號發(fā)電機(jī)組黑啟動技術(shù)協(xié)議》，在電網(wǎng)發(fā)生事故且電廠失去廠用動力電源的情況下，為了檢驗(yàn)水輪發(fā)電機(jī)組的自啟動能力，檢驗(yàn)機(jī)組恢復(fù)廠用動力電源并快速向電網(wǎng)送電的能力，光照電廠將對1號機(jī)組進(jìn)行黑啟動試驗(yàn)，以檢驗(yàn)1號機(jī)組是否符合《光照電廠1號發(fā)電機(jī)組黑啟動技術(shù)協(xié)議》的要求。光照電廠1號機(jī)組是南網(wǎng)總調(diào)在貴州區(qū)域首臺指定的建設(shè)具備黑啟動功能的直調(diào)機(jī)組。

3、黑啟動試驗(yàn)過程需要注意的幾個關(guān)鍵性問題

3.1機(jī)組帶長距離空載線路可能發(fā)生自勵磁現(xiàn)象

發(fā)電機(jī)帶空載長線路自勵磁問題實(shí)質(zhì)上是一種參數(shù)諧振現(xiàn)象。同步發(fā)電機(jī)的自勵磁現(xiàn)象是指無勵磁發(fā)電機(jī)在過大的電容性負(fù)荷下電壓自發(fā)上升的現(xiàn)象，建立的電壓值可能很高。當(dāng)發(fā)電機(jī)空載帶長線路時，相當(dāng)于帶了一個容性負(fù)載，如果發(fā)電機(jī)有剩磁，則機(jī)端會有一個幅值較小的電壓，此電壓加在容性負(fù)載上，系統(tǒng)將產(chǎn)生容性電流，該容性電流對發(fā)電機(jī)產(chǎn)生助磁效應(yīng)。隨著勵磁電流增大，機(jī)端電壓增高，系統(tǒng)中的容性電流也將增大，助磁效應(yīng)增強(qiáng)，機(jī)端電壓又將上升。如此反復(fù)，機(jī)端電壓將越來越高，但由于實(shí)際存在磁路的飽和特性，所以機(jī)端電壓不會無限增大，而會穩(wěn)定在某個定值，即最后有一個穩(wěn)態(tài)結(jié)果。該電壓和線路長度與發(fā)電機(jī)參數(shù)有關(guān)，當(dāng)發(fā)電機(jī)參數(shù)一定時，線路越長，電壓越高，甚至?xí)_(dá)到非常大的數(shù)值，危及系統(tǒng)及設(shè)備的安全運(yùn)行。

光照電廠黑啟動機(jī)組帶空載長線路運(yùn)行不能發(fā)生自勵磁的條件為：

其中：為黑啟動線路等效容性阻抗，為黑啟動機(jī)組直軸同步阻抗，為黑啟動機(jī)組出口主變阻抗。光照電廠500kV光換線的長度為69km。v

計算過程如下：

依據(jù)計算結(jié)果可知，光照電廠機(jī)組黑啟動帶光換線空載運(yùn)行不會發(fā)生自勵磁。

3.2黑啟動過程中電容效應(yīng)影引起線路末端工頻過電壓

當(dāng)機(jī)組黑啟動成功后，對空載線路進(jìn)行合閘送電時，由于長距離線路存在分布對地電容，線路中將流過容性電流，這將會引起線路末端工頻過電壓。

空載長線路的沿線電壓表達(dá)式為：

由于光換線總長度為69km，通過上式計算出，光換線末端工頻過電壓值為變壓器高壓側(cè)出口電壓值的1.0026倍，因而不會發(fā)生工頻過電壓。

3.3黑啟動過程中機(jī)組輔助設(shè)備必須具備的條件

根據(jù)南方電網(wǎng)黑啟動機(jī)組技術(shù)協(xié)議所要求，光照電廠機(jī)組主要輔助設(shè)備均滿足以下必備條件：

（1）調(diào)速器、筒閥油壓裝置：

a.調(diào)速器、筒閥油壓裝置控制系統(tǒng)工作電源須按照交直流雙路供電方式配置。

b.調(diào)速器、筒閥油壓裝置所儲備的液壓應(yīng)滿足黑啟動操作能力，并保證機(jī)組安全停機(jī)。

（2）調(diào)速器、筒閥控制系統(tǒng)：

a.調(diào)速器、、筒閥控制柜工作電源須按照交直流雙路供電方式配置。

b.調(diào)速器、筒閥控制系統(tǒng)應(yīng)能保證在黑啟動過程中可靠操作并穩(wěn)定運(yùn)行。

（3）勵磁裝置：

a.勵磁裝置控制柜工作電源須按照交直流雙路供電方式配置。

b.在機(jī)組黑啟動過程中，勵磁裝置能可靠啟勵。

c.勵磁裝置能保證機(jī)組黑啟動過程中及廠用電恢復(fù)后的穩(wěn)定運(yùn)行。

d.在機(jī)組黑啟動開始至廠用電恢復(fù)前，勵磁風(fēng)機(jī)停運(yùn)不會影響勵磁裝置的工作。

（4）保護(hù)系統(tǒng)：

繼電保護(hù)系統(tǒng)和水機(jī)保護(hù)系統(tǒng)應(yīng)能按要求投入，并滿足機(jī)組黑啟動的要求。

（5）計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)：

計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)已配備UPS不間斷供應(yīng)電源，確實(shí)在廠用交流電消失的情況下，整個監(jiān)控系統(tǒng)和自動化監(jiān)視元件在機(jī)組黑啟動過程中能正常工作。

（6）技術(shù)供水系統(tǒng)：

a.技術(shù)供水控制柜工作電源須按照交直流雙重供電方式配置。技術(shù)供水閥應(yīng)優(yōu)先考慮直流電源或液壓操作。

b.在機(jī)組黑啟動過程中，技術(shù)供水系統(tǒng)應(yīng)在不需要廠用電的情況下，滿足機(jī)組要求。

3.4廠用電負(fù)荷統(tǒng)計

光照電廠進(jìn)行黑啟動試驗(yàn)過程中，黑啟動機(jī)組的負(fù)荷全部由廠內(nèi)的應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組負(fù)責(zé)供給，柴油發(fā)電機(jī)所帶負(fù)荷分為Ⅰ類負(fù)荷和Ⅱ類負(fù)荷。其中Ⅰ類負(fù)荷是指黑啟動中必須啟動的負(fù)荷，Ⅱ類負(fù)荷是指黑啟動中可以不啟動的負(fù)荷。根據(jù)機(jī)組黑啟動的范圍，對黑啟動廠用電負(fù)荷進(jìn)行統(tǒng)計，詳見表1所示。對應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)的參數(shù)進(jìn)行核實(shí)，詳見表2。

通過表1可知：在黑啟動范圍內(nèi)，Ⅰ類負(fù)荷值合計為：（148.15）kW；Ⅱ類負(fù)荷值合計為：（346）kW；兩類負(fù)荷總和為：（494.15）kW。通過表2可知，應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)的額定有功功率為1090kW，完全滿足黑啟動范圍內(nèi)的負(fù)荷需求。

4、光照電廠1號機(jī)組黑啟動試驗(yàn)方法

4.1試驗(yàn)范圍

本次黑啟動試驗(yàn)的機(jī)組及高壓設(shè)備為：光照電廠1號發(fā)變組、500kV光換線。

本次黑啟動試驗(yàn)的廠用電設(shè)備為：10kV廠用電Ⅰ、Ⅱ段，400V自用電I段、Ⅲ段，10kV壩區(qū)I段、400V壩區(qū)I段、壩區(qū)Ⅲ段，壩柴油發(fā)電機(jī)組。

4.2根據(jù)機(jī)組黑啟動試驗(yàn)相關(guān)要求及調(diào)度批復(fù)的試驗(yàn)方案，1號機(jī)組的黑啟動試驗(yàn)主要步驟如下：

（1）1號機(jī)組黑啟動試驗(yàn)設(shè)備隔離；

（2）柴油發(fā)電機(jī)帶1號機(jī)組自用電源；

（3）手動啟動1號機(jī)組試驗(yàn)；

（4）1號機(jī)組帶500kV光換線零起升壓試驗(yàn)：

（5）1號機(jī)組帶500kV光換線充電試驗(yàn)；

4.3 1號機(jī)組黑啟動試驗(yàn)設(shè)備隔離

為了模擬黑啟動的現(xiàn)場條件，光照電廠運(yùn)行操作人員按照提前制定的1號機(jī)黑啟動操作方案，將500kV光換線（電廠唯一的出線）停電并轉(zhuǎn)冷備用，將參與本次黑啟動試驗(yàn)范的光照電廠1號發(fā)變組、500kV母線、500kV光換線等高壓設(shè)備進(jìn)行隔離，對10kV廠用電I、Ⅱ段，400V自用電Ⅰ段、Ⅲ段，10kV壩區(qū)Ⅰ段、400V壩區(qū)Ⅰ段、壩區(qū)Ⅲ段進(jìn)行隔離。斷開10kVⅠ段與V段聯(lián)絡(luò)開關(guān)050，人為操作1號機(jī)組段交流電源全消失，模擬全廠失壓的情影。

4.4柴油發(fā)電機(jī)帶1號機(jī)組自用電源

開啟柴油發(fā)電機(jī)帶10kV廠用電Ⅱ段、Ⅰ段運(yùn)行，為1號機(jī)組提供事故情況下的交流動力電源。

4.5 1號機(jī)組帶500kV光換線零起升壓試驗(yàn)

手動開啟1號機(jī)組到空轉(zhuǎn)，機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定后切為“自動”運(yùn)行方式，并將調(diào)速器切“遠(yuǎn)方/自動”。經(jīng)測試，機(jī)組各部位振動、擺度、壓力、流量、瓦溫正常，機(jī)組油壓裝置油位及油壓正常，輔助系統(tǒng)運(yùn)行正常，頂蓋排水正常。

將1號發(fā)變組帶500kV光換線零起升壓至15%Ue。經(jīng)檢查運(yùn)行正常后，依次以10%IJe機(jī)端電壓為步長逐步升壓，每步間隔1分鐘。當(dāng)升壓至99%Ue時，500kV光換線對側(cè)電壓最高值（Ua）為549kV，帶線路零起升壓結(jié)束。

由測試結(jié)果可知：光照電廠1號機(jī)組帶500kV光換線路零起升壓運(yùn)行基本正常，與理論計算結(jié)果一致：沒有發(fā)生自勵磁。空載光換線電容效應(yīng)引起末端工頻過電壓值較小，沒有發(fā)生過電壓，滿足試驗(yàn)方案的要求。在整個零起升壓試驗(yàn)過程中，勵磁系統(tǒng)運(yùn)行正常，機(jī)端電壓正常，主變壓器運(yùn)行正常，光換線充電正常，光換線對側(cè)電壓正常，各部位電壓值穩(wěn)定。測試結(jié)果詳見表3：

4.6 1號機(jī)組帶500kV光換線充電試驗(yàn)

對500kV光換線依次進(jìn)行50%Ue、75%Ue、100%Ue充電試驗(yàn)。 1號機(jī)組帶1號主變零起升壓至50%Ue，500kV光換線無壓，合上5002開關(guān)對500kV光換線充電，測試1號機(jī)組頻率擺動值，記錄# 1機(jī)組勵磁電流值、勵磁電壓值，合5002開關(guān)后500kV 光換線兩側(cè)電壓值。測試完成后，將# 1機(jī)機(jī)端電壓降至0kV，斷開500kV光換線5002 開關(guān)。重復(fù)以上驟，分別進(jìn)行75%Ue、100%Ue充電試驗(yàn)。

由測試結(jié)果可知：在整個充電試驗(yàn)過程中，勵磁系統(tǒng)運(yùn)行正常，機(jī)端電壓正常，主變壓器運(yùn)行正常，光換線充電正常，光換線對側(cè)電壓正常，未出現(xiàn)過電壓現(xiàn)象。同時檢查1號機(jī)組、1號主變壓器及各輔助系統(tǒng)運(yùn)行正常，機(jī)組油壓裝置的油溫、油位及油壓正常，頂蓋排水正常。測試結(jié)果詳見表4：

5、試驗(yàn)結(jié)論

5.1光照電廠 1機(jī)組的黑啟動試驗(yàn)，是依據(jù)國家技術(shù)規(guī)程、《南方區(qū)域發(fā)電廠輔助服務(wù)管理實(shí)施細(xì)則》及《光照電廠1號發(fā)電機(jī)組黑啟動技術(shù)協(xié)議》的要求進(jìn)行的。1號機(jī)組在自啟動運(yùn)行、機(jī)端建壓、帶線路零起升壓、帶線路充電等過程中，能夠按照要求變換工況，并在各種孤網(wǎng)條件下穩(wěn)定運(yùn)行。 光照電廠1號機(jī)組滿足B類黑啟動方式。

5.2本次黑啟動試驗(yàn)選定的調(diào)速器孤網(wǎng)運(yùn)行參數(shù)，能夠滿足機(jī)組黑啟動及孤網(wǎng)運(yùn)行的要求，試驗(yàn)中機(jī)組頻率的擺動值比較小，滿足系統(tǒng)要求。

5.3光照電廠的1號機(jī)組黑啟動試驗(yàn)給同類型的電廠開展黑啟動試驗(yàn)提供參考。

參考文獻(xiàn)：

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[2]韋宏華.巖灘水電站黑啟動的研究《第十八屆電工理論學(xué)術(shù)年會論文集》，2006.

[3]《南方區(qū)域發(fā)電廠輔助服務(wù)管理實(shí)施細(xì)則》

[4]《光照電廠1號發(fā)電機(jī)組黑啟動技術(shù)協(xié)議》

作者簡介：

黃光敏（1986），男，本科，助理工程師，現(xiàn)主要從事水電廠運(yùn)行維護(hù)管理工作。

諶洪江（1971），男，大專，工程師，現(xiàn)主要從事水電廠運(yùn)行維護(hù)管理工作。