張虎飛，王 兵

（重慶大唐國際彭水水電開發(fā)有限公司發(fā)電部，重慶 409600）

黑啟動(dòng)是系統(tǒng)由于故障停運(yùn)后而全部停電(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)。電力系統(tǒng)的黑啟動(dòng)主要分為電網(wǎng)黑啟動(dòng)和水電站黑啟動(dòng)兩個(gè)層面。

水電站的黑啟動(dòng)是指在無廠用交流電的情況下，僅僅利用電廠儲(chǔ)存的兩種能量——直流系統(tǒng)蓄電池儲(chǔ)存的電能量和液壓系統(tǒng)儲(chǔ)存的液壓能量，完成機(jī)組自啟動(dòng)，對內(nèi)恢復(fù)廠用電，對外配合電網(wǎng)調(diào)度恢復(fù)電網(wǎng)運(yùn)行。機(jī)組具有黑啟動(dòng)功能不僅是水電站在全廠交流失電情況下恢復(fù)安全生產(chǎn)的必要條件，也是電網(wǎng)安全穩(wěn)定的需要。

彭水水電站是烏江干流上的梯級電站之一，位于烏江干流下游、重慶市彭水縣城區(qū)上游11km處。電站總裝機(jī)容量1750MW，保證出力371MW，多年平均發(fā)電量63.51億kWh，是重慶電網(wǎng)具有年調(diào)節(jié)性能、規(guī)模超過百萬千瓦的大型水電站，在電網(wǎng)中主要承擔(dān)調(diào)峰和事故備用任務(wù)。彭水水電站廠用電系統(tǒng)設(shè)計(jì)完善，一般情況下不易發(fā)生全廠交流失壓事故，但是當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障及運(yùn)行方式變化時(shí)，也有可能造成全廠交流失壓。由于彭水水電站在重慶市電力系統(tǒng)中的重要作用，對其進(jìn)行黑啟動(dòng)方面的研究就顯得十分必要。本文結(jié)合彭水水電站廠用電系統(tǒng)以及重慶電網(wǎng)的特點(diǎn)，探討水電站黑啟動(dòng)的設(shè)計(jì)方案。

1 廠用電系統(tǒng)

彭水水電站電氣主系統(tǒng)為雙母線接線，通過水張一、二兩回線路接入重慶電網(wǎng)。10kV系統(tǒng)共8段，地下廠房Ⅰ至Ⅳ段分別從1～4號(hào)主變低壓側(cè)經(jīng)過4臺(tái)廠高變獲得主供電源，大壩Ⅴ、Ⅵ段分別從地下廠房Ⅱ、Ⅳ段獲得主供電源，營地10kV變電站Ⅶ、Ⅷ段分別從地下廠房Ⅲ段、大壩Ⅴ段獲得主供電源。

400V系統(tǒng)共分為1號(hào)公用電、2號(hào)公用電、1/2號(hào)機(jī)組自用電、3/4號(hào)機(jī)組自用電、5號(hào)機(jī)組自用電、500k V開關(guān)站用電、照明用電、進(jìn)水口用電、泄洪壩段用電、船閘用電、升船機(jī)用電、尾水用電各兩段，正常為分段運(yùn)行。廠用電源分為兩級，第一級為在4臺(tái)主變的低壓側(cè)取廠用10k V電源，第二級為泄洪壩段400V用電二段II母 800kW柴油發(fā)電機(jī)。柴油發(fā)電機(jī)作為廠內(nèi)交流電源全停后的應(yīng)急電源，主要有兩方面的作用，即汛期保壩電源和廠內(nèi)黑啟動(dòng)電源，這是不可替代的。柴油發(fā)電機(jī)設(shè)置在400V泄洪壩用電二段。從泄洪壩用電二段上引一路400V電纜至3、4號(hào)機(jī)組自用電，作為3、4號(hào)機(jī)組黑啟動(dòng)的交流電源；引另一路電纜至地下廠房2號(hào)公用電系統(tǒng)，作為檢修、滲漏排水及直流系統(tǒng)的動(dòng)力電源。

2 水電站黑啟動(dòng)的基本原則

電網(wǎng)系統(tǒng)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)備簡單、廠用負(fù)荷少、啟動(dòng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)具備良好的調(diào)頻和調(diào)壓能力，因此，水電站是黑啟動(dòng)電源的首選。水電站黑啟動(dòng)的基本原則：

在黑啟動(dòng)前，應(yīng)確認(rèn)系統(tǒng)確實(shí)處于全停狀態(tài)，斷開系統(tǒng)所有聯(lián)絡(luò)線開關(guān)及發(fā)電機(jī)并網(wǎng)開關(guān)。

當(dāng)機(jī)組黑啟動(dòng)成功后，在對線路充電前，應(yīng)降低機(jī)端電壓，勵(lì)磁系統(tǒng)、調(diào)速系統(tǒng)均切至自動(dòng)方式，機(jī)端電壓應(yīng)比額定電壓低0.5～1k V，防止系統(tǒng)電壓過高。在一臺(tái)機(jī)組黑啟動(dòng)成功后，應(yīng)至少再啟動(dòng)一臺(tái)機(jī)組，以保證廠用系統(tǒng)有相互獨(dú)立的兩個(gè)電源，以保證廠用系統(tǒng)的安全可靠。在電網(wǎng)黑啟動(dòng)工作中，除了要考慮電氣方面的問題外，應(yīng)注意在黑啟動(dòng)情況下水庫調(diào)度方案，綜合考慮水庫的應(yīng)用。

在黑啟動(dòng)過程中，應(yīng)盡可能采用自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置進(jìn)行同期并列。應(yīng)首先考慮恢復(fù)水電廠廠用電源、火電廠的廠用電源、保壩電源以及市調(diào)、地調(diào)等調(diào)度部門的供電電源，對重要用戶，如政府機(jī)關(guān)、電信及移動(dòng)通訊等也應(yīng)盡快恢復(fù)。應(yīng)控制水電站水位，保證下游用水，并根據(jù)電網(wǎng)恢復(fù)過程隨時(shí)調(diào)整。啟動(dòng)過程中應(yīng)保證電網(wǎng)頻率穩(wěn)定和電壓穩(wěn)定，發(fā)電機(jī)組的負(fù)荷及開機(jī)方式應(yīng)根據(jù)負(fù)荷恢復(fù)過程中的變化情況隨時(shí)調(diào)整。黑啟動(dòng)期間，各應(yīng)確保統(tǒng)一指揮、統(tǒng)一調(diào)度、統(tǒng)一協(xié)調(diào)、嚴(yán)肅紀(jì)律，將事故損失減少到最小。

遵循上述基本原則，提出水電站黑啟動(dòng)的主要步驟如下：

1）檢查水張一、二線路跳閘，電壓、頻率為零，確認(rèn)500kV母線和本廠交流已全部失壓。

2）手動(dòng)操作幫助需要停機(jī)的機(jī)組正常停機(jī)。

3）廠用電系統(tǒng)倒換運(yùn)行方式。

4）啟動(dòng)柴油發(fā)電機(jī)組，送電至3號(hào)機(jī)組和4號(hào)機(jī)組自用電，依次將機(jī)組主要輔助設(shè)備送電，并根據(jù)實(shí)際情況確定是否需要送電至400V 2號(hào)公用電系統(tǒng)。

5）斷開500kV所有開關(guān)。

6）機(jī)組自動(dòng)開機(jī)至空轉(zhuǎn)，進(jìn)行零起升壓，或先合上發(fā)電機(jī)出口開關(guān)，按正常方式起勵(lì)建壓。

7）進(jìn)行廠用電系統(tǒng)倒換操作。

8）再開啟一臺(tái)機(jī)組帶廠用電系統(tǒng)，保證廠用電系統(tǒng)有兩個(gè)相互獨(dú)立的電源。

9）合上3號(hào)主變或4號(hào)主變高壓側(cè)開關(guān)，檢查500kV母線充電正常。

10）降低母線電壓，依調(diào)令合上線路開關(guān)，檢查對線路充電正?；蛴蓪?cè)充電，本側(cè)同期并列。

11）合上500kV其它開關(guān)，對母線及其它主變充電。

12）系統(tǒng)全面恢復(fù)。

3 水電站黑啟動(dòng)的條件及影響因素

3.1 水電站黑啟動(dòng)的主要條件

結(jié)合彭水水電站的電氣主系統(tǒng)、廠用電系統(tǒng)以及重慶電網(wǎng)的特點(diǎn)，分析在以下條件下彭水水電廠會(huì)進(jìn)行黑啟動(dòng)：

1）同桿并架的500kV水張一、二線同時(shí)故障跳閘、1～4號(hào)機(jī)組全部停機(jī)。

2）500kV母差失靈保護(hù)動(dòng)作，切除500kV全部元件，或張家壩變電站500k V雙母線故障，同時(shí)1～4號(hào)運(yùn)行機(jī)組過壓或過速保護(hù)動(dòng)作停機(jī)。

3）10kV廠用系統(tǒng)故障，保護(hù)動(dòng)作不正確。

3.2 水電站黑啟動(dòng)的影響因素分析

3.2.1 設(shè)備方面的影響因素

1）調(diào)速系統(tǒng)

水電站黑啟動(dòng)能否成功的關(guān)鍵因素是在失去廠用交流電時(shí)能否維持調(diào)速系統(tǒng)的操作油壓。在正常情況下，油壓裝置的油壓可以保證機(jī)組進(jìn)行一次正常自啟動(dòng)，但需要注意壓油槽的油氣比例保持1∶2，同時(shí)壓油槽油位不能低于操作最低油位。

彭水水電站調(diào)速系統(tǒng)為PFWT-250-6.3-STA RS微機(jī)調(diào)速器，壓油槽額定壓力為6.3MPa，設(shè)計(jì)最小操作油壓為4.0MPa，完全滿足黑啟動(dòng)條件下的導(dǎo)葉操作油壓的要求。

2）勵(lì)磁系統(tǒng)

勵(lì)磁系統(tǒng)在黑啟動(dòng)時(shí)應(yīng)注意兩個(gè)問題。

一是勵(lì)磁風(fēng)機(jī)電源問題，在黑啟動(dòng)時(shí)由于沒有廠用交流電源，勵(lì)磁風(fēng)機(jī)將不能運(yùn)行，受功率柜溫度限制，勵(lì)磁系統(tǒng)可能無法長時(shí)間運(yùn)行。彭水水電站設(shè)計(jì)勵(lì)磁風(fēng)機(jī)有兩路電源，一路來自400V機(jī)組自用電，另一路來自勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)的輔助變壓器。兩路電源同時(shí)供電，通過切換回路只有一路直接作用于勵(lì)磁風(fēng)機(jī)。正常情況下400V機(jī)組自用電作為主供電源，若機(jī)組自用電故障，則自動(dòng)切換至備用輔助變壓器供電。但是經(jīng)過運(yùn)行發(fā)現(xiàn)，輔助變壓器輸出并不太穩(wěn)定，所以目前已將輔助變壓器供電回路斷開，在400V機(jī)組自用電另一段重新接引一路勵(lì)磁風(fēng)機(jī)電源。只要400V3號(hào)、4號(hào)機(jī)組自用電供電正常，則勵(lì)磁風(fēng)機(jī)即可正常運(yùn)行。

二是在黑啟動(dòng)進(jìn)程中，如果必須對空載或輕載長輸電線路充電時(shí)，由于分布電容影響，會(huì)造成電網(wǎng)電壓升高。彭水水電站在廠內(nèi)黑啟動(dòng)成功，即廠用電已恢復(fù)，500kV母線已充電正常后，在對電網(wǎng)線路充電時(shí)，不論采取全壓充電、零起升壓或低壓充電，均將面臨過電壓的威脅。采用全電壓進(jìn)行電網(wǎng)安全恢復(fù)、充電恢復(fù)過程中產(chǎn)生的過電壓接近3倍相電壓，雖一般不會(huì)威脅絕緣，但可能會(huì)造成發(fā)電機(jī)過電壓保護(hù)和避雷器動(dòng)作。采用零起升壓恢復(fù)，雖能很好控制過電壓倍數(shù)，但時(shí)間較長，操作緩慢。而采用低電壓恢復(fù)則可以有效彌補(bǔ)以上兩種方式的不足。因此從安全和實(shí)踐角度考慮，為了控制恢復(fù)過程中過電壓的威脅，以低電壓恢復(fù)更為合理。需要注意的問題是如何確定發(fā)電機(jī)實(shí)施充電的低電壓在安全工作范圍，一般來說發(fā)電機(jī)電壓不應(yīng)低于額定值的90%。

3）輔助設(shè)備

彭水水電站水輪發(fā)電機(jī)組等輔助設(shè)備主要包括推力軸承高壓頂起裝置壓油泵、推力軸承油泵、水導(dǎo)外循環(huán)油泵、頂蓋排水泵以及技術(shù)供水系統(tǒng)電動(dòng)閥。只要3號(hào)和4號(hào)機(jī)組自用電恢復(fù)供電，兩臺(tái)機(jī)組即可進(jìn)行黑啟動(dòng)。

關(guān)于輔助設(shè)備，需要注意三個(gè)關(guān)鍵的問題。一是推力軸承高壓頂起裝置壓油泵，由于機(jī)組停機(jī)時(shí)間較長，推力軸承與鏡板之間的油膜已經(jīng)基本破壞，此時(shí)若高頂裝置壓油泵不能啟動(dòng)，機(jī)組是不能強(qiáng)行啟動(dòng)的。 二是水導(dǎo)外循環(huán)系統(tǒng)，如果機(jī)組停機(jī)2小時(shí)左右，水導(dǎo)上油箱中的油已經(jīng)基本漏至頂蓋回油箱中，此時(shí)若水導(dǎo)外循環(huán)泵故障無法啟動(dòng)，則機(jī)組也不能強(qiáng)行啟動(dòng)。三是推力油循環(huán)系統(tǒng)，推力油循環(huán)的目的只是為了油的冷卻，所以若短時(shí)油泵故障不能啟動(dòng)，是允許機(jī)組啟動(dòng)的。

4）監(jiān)控系統(tǒng)

彭水水電站監(jiān)控系統(tǒng)的上位機(jī)配置30kVA雙機(jī)并聯(lián)冗余不間斷電源系統(tǒng)一套，為主站的所有設(shè)備及其它系統(tǒng)的設(shè)備供電。監(jiān)控系統(tǒng)電源的可靠性較強(qiáng)，完全可以滿足黑啟動(dòng)成功對監(jiān)控系統(tǒng)電源的要求。

5）通訊系統(tǒng)

在系統(tǒng)事故情況下，要確保和調(diào)度的通訊暢通。日常應(yīng)加強(qiáng)對通訊設(shè)施的維護(hù)力度，對調(diào)度光纖直通電話、調(diào)度光纖交換機(jī)直通電話、電信程控電話等設(shè)備定期試驗(yàn)維護(hù)，加強(qiáng)對通訊直流蓄電池的維護(hù)和保養(yǎng)力度，確保交流故障情況下正常供電。同時(shí)應(yīng)加強(qiáng)對海事衛(wèi)星電話的管理，定期試驗(yàn)，做好記錄。

6）事故照明系統(tǒng)

確保事故照明系統(tǒng)正常工作對黑啟動(dòng)成功也至關(guān)重要。彭水水電廠設(shè)置有應(yīng)急照明系統(tǒng)EPS，正常由廠用交流供電，事故情況下轉(zhuǎn)為直流蓄電池供電，供電容量及時(shí)間均滿足事故應(yīng)急照明的要求。同時(shí)還需考慮準(zhǔn)備必要的照明用具(如應(yīng)急燈)，以保證黑啟動(dòng)能快速安全進(jìn)行。

7）直流系統(tǒng)

直流系統(tǒng)是保證黑啟動(dòng)成功的另一關(guān)鍵因素，用于保護(hù)裝置、自動(dòng)裝置、自動(dòng)控制、機(jī)組勵(lì)磁啟勵(lì)的操作電源及信號(hào)電源。直流系統(tǒng)的供電容量及時(shí)間是否能滿足黑啟動(dòng)的要求十分重要。彭水水電廠的直流系統(tǒng)分為地下廠房直流系統(tǒng)、500kV開關(guān)站直流系統(tǒng)和大壩直流系統(tǒng)三部分，每一部分均自成體系。地下廠房直流系統(tǒng)蓄電池為閥控式密封鉛酸蓄電池，容量為1200AH，放電時(shí)間10h，放電電流120A，完全滿足電廠黑啟動(dòng)的需要。

8）800kW柴油發(fā)電機(jī)

800kW柴油發(fā)電機(jī)是機(jī)組黑啟動(dòng)輔助設(shè)備運(yùn)行的電源供給設(shè)備，同時(shí)也是汛期的主要保壩電源，日常應(yīng)加強(qiáng)巡回檢查力度，定期試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)缺陷及時(shí)處理，保證柴油發(fā)電機(jī)隨時(shí)可以啟動(dòng)。

3.2.2 黑啟動(dòng)過程中的影響因素

系統(tǒng)事故廠用電源消失后，如機(jī)組處于空轉(zhuǎn)狀態(tài)，則應(yīng)嚴(yán)密監(jiān)視機(jī)組推力、水導(dǎo)瓦溫度，做好應(yīng)急事故停機(jī)準(zhǔn)備。

3號(hào)機(jī)組和4號(hào)機(jī)組自用電母線恢復(fù)后，應(yīng)逐個(gè)恢復(fù)負(fù)荷，按照高壓頂起裝置油泵油泵—推力外循環(huán)油泵—水導(dǎo)外循環(huán)油泵—調(diào)速器壓油泵—漏油泵—主變冷卻器的順序恢復(fù)（每個(gè)系統(tǒng)只恢復(fù)1臺(tái)），其它負(fù)荷暫不恢復(fù)。

在黑啟動(dòng)過程中，地下廠房直流系統(tǒng)、廠內(nèi)滲漏及檢修排水系統(tǒng)可暫不恢復(fù)，但要隨時(shí)監(jiān)視其運(yùn)行情況，集水井水位較高時(shí)可暫時(shí)手動(dòng)啟動(dòng)抽水。照明系統(tǒng)暫不恢復(fù)，低壓風(fēng)系統(tǒng)停止所有工業(yè)用氣，僅供機(jī)組制動(dòng)用氣。地下廠房廠用電源失電期間，停止地下廠房廠用電源所帶全部臨時(shí)負(fù)荷，防止柴油發(fā)電機(jī)過負(fù)荷。地下廠房橋機(jī)若已經(jīng)工作，則暫時(shí)送給其電源，等工作結(jié)束后立即切除。

3號(hào)主變壓器和4號(hào)主變壓器的冷卻電源全停保護(hù)可暫時(shí)退出，以防主變溫度過高或冷卻全停超時(shí)造成主變壓器跳閘，影響對母線及系統(tǒng)充電。線路恢復(fù)運(yùn)行后，按從高壓側(cè)遂級送電的原則送電。廠用系統(tǒng)的恢復(fù)和切換操作，可以充分利用廠用系統(tǒng)備自投功能來實(shí)現(xiàn)。

備自投裝置正確動(dòng)作，對于黑啟動(dòng)迅速成功也是十分必要的。機(jī)組帶主變升壓時(shí)盡量用零起升壓方式。緊急情況下，也可以先合上發(fā)電機(jī)出口開關(guān)，再按正常起勵(lì)方式建壓。

3.2.3 不能黑啟動(dòng)的兩種情況

在以下兩種特殊情況下，黑啟動(dòng)是無法實(shí)現(xiàn)的：

一是系統(tǒng)事故引起全廠交流全停，3號(hào)機(jī)組和4號(hào)機(jī)組同時(shí)水機(jī)事故動(dòng)作，或者3號(hào)機(jī)組和4號(hào)機(jī)組有一臺(tái)機(jī)組檢修而另一臺(tái)機(jī)組事故，此時(shí)由于沒有交流電源，機(jī)組高壓頂起裝置油泵無法啟動(dòng)，推力油漠可能會(huì)破壞，水導(dǎo)軸承可能也會(huì)受損。同時(shí)由于調(diào)速器電動(dòng)急停閥已經(jīng)動(dòng)作，導(dǎo)葉會(huì)全關(guān)到零，由于時(shí)間很短，運(yùn)行人員無法恢復(fù)信號(hào)保持機(jī)組轉(zhuǎn)速至空轉(zhuǎn)，只有純手動(dòng)幫助停機(jī)。但是停機(jī)后，由于推力軸承鏡板已經(jīng)受損，不允許再次啟動(dòng)。

二是如果緊急事故停機(jī)水機(jī)保護(hù)動(dòng)作，3號(hào)機(jī)組和4號(hào)機(jī)組快速門自動(dòng)關(guān)閉，由于沒有交流電源，快速門無法正常充水及提門，也是不能進(jìn)行黑啟動(dòng)的。

4 結(jié)語

彭水水電廠在重慶電網(wǎng)中具有十分重要的地位，是重慶電網(wǎng)重要的電源支撐點(diǎn)，長期擔(dān)任重慶電網(wǎng)的調(diào)功、調(diào)頻及事故備用任務(wù)。在系統(tǒng)事故情況下，彭水水電廠能夠及時(shí)進(jìn)行黑啟動(dòng)，對于電網(wǎng)恢復(fù)正常運(yùn)行有著十分重要的作用。彭水水電廠3號(hào)、4號(hào)機(jī)組黑啟動(dòng)功能設(shè)計(jì)完善，啟動(dòng)流程合理，調(diào)試試驗(yàn)正常，滿足重慶電網(wǎng)對黑啟動(dòng)的要求。在運(yùn)行實(shí)踐中，彭水水電廠將對黑啟動(dòng)方案不斷進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)一步提高黑啟動(dòng)的可靠性及安全性。

[1]孟敏. 彭水水電站水輪機(jī)參數(shù)選擇[J]. 水電能源科學(xué),2005, 23(6): 60-62.

[2]DL/T5164-2002 水力發(fā)電廠廠用電設(shè)計(jì)規(guī)程[S].

[3]GB12786-91 柴油發(fā)電機(jī)組通用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[S].