浅谈黑麋峰机组背靠背（BTB）调试经验和体会

陈海波 杨 晖

（湖南五凌电力有限公司 长沙市 410002）

1 概 述

黑麋峰抽水蓄能电厂位于长沙市望城县桥驿镇，紧邻湖南电网负荷中心长、株、潭地区。电厂枢纽建筑物由上水库、输水系统、地下厂房系统、下水库、地面开关站及中控楼副厂房等建筑物组成。电厂厂房为洞内式布置，所有机电设备都安装在淹没深度-50 m的地下厂房内，输水发电系统上游引水采用一洞两机，下游尾水采用一洞一机布置方式。

电厂上水库位于黑麋峰山麓西侧，库盆由五家冲、易家冲和长冲山间谷地构成，主要建筑物包括两座主坝和两座副坝，总库容996.5万m3，蓄能发电库容842.4万m3，正常蓄水位400.00 m，死水位376.5 m。下水库位于杨桥东侧湖溪冲冲沟内，于冲谷口修建大坝，主要建筑物包括大坝和泄洪洞，正常蓄水位为103.70 m，死水位65 m，总库容为 959.3万m3，调节库容843.8万m3。

电厂安装4台单机容量为300 MW单级立轴混流可逆式机组，总装机容量为1 200 MW，设计年发电量16.06亿kW·h，年抽水耗用低谷电量21.41亿kW·h，年发电利用小时数1 338 h，年抽水利用小时数1 732 h。电厂主接线采用2机1变扩大单元及单母线接线型式，500 kV设备选用全封闭组合电器GIS，分地上GIS、地下GIS两部分，两者之间采用500 kV干式高压电缆连接，以一回出线500 kV黑沙线一级电压接入湖南电网500 kV沙坪变电站，输电距离16.42 km，另预留1回500 kV备用出线。黑麋峰为日调节纯抽水蓄能电厂，设计日发电小时数（1～5）h，日抽水小时数（1～7）h，主要承担湖南及华中电网的调峰、填谷、调频、调相及紧急事故备用。

可逆式机组主要有发电、发电调相、抽水、抽水调相和静止五种运行工况，其中又有多达11种相互间的工况转换过程。可逆式机组发电工况启动与常规水电机组一样，而水泵工况采用静止变频启动（SFC）为主，同步背靠背（BTB）启动为辅的启动方式。背靠背（BTB）启动是以一台机组作为拖动机拖动另外一台机组（被拖机）至水泵调相工况并网的启动模式简称。BTB启动前先将拖动机与被拖机通过启动母线作为电气轴连接在一起；然后拖动机开辅机、开球阀，被拖机开辅机、压水；接着两台机加上适当的恒定励磁电流；最后拖动机开导叶，其定子绕组上感应出（0～50）Hz的低频电压经启动母线施加于被拖机组，在被拖机组上产生启动转矩，使被拖机随拖动机组同步旋转，随着拖动机导叶逐渐开大，两台机的转速和机端电压逐渐上升到额定值；当转速大于95%时投入同期装置将被拖机并入电网，然后拖动机自动停机备用。BTB启动过程中电气轴的连接如图1（1＃机拖2＃机）。

图1 BTB启动过程中电气轴的连接

2 技术参数

2.1 水泵水轮机参数

型式∶单级立轴混流可逆式水泵水轮机；型号：HLNTPLJ-502；转轮直径：5.02 m；额定转速：300 r/min；稳态飞逸转速：465 r/min；安装高程：15.00 m；吸出高度：-50 m；旋转方向：水轮机工况为俯视逆时针，水泵工况为俯视顺时针。

水轮机工况：最大毛水头335 m；最小毛水头272.8 m；额定流量115.9m3/s；额定水头295m；额定出力：306.1MW。

水泵工况：最大扬程337.6 m；最小扬程276.2 m；极限扬程266 m；最大抽水流量104.7 m3/s；电动工况额定效率93.24%；最大入力316.3 MW；发电工况额定效率89.53%。

2.2 电动发电机参数

型式：三相、立轴、半伞式、密闭循环空冷、可逆式同步电机；型号：SFD300-20/700；定子接线形式：4 Y；定转子间气隙 33.5 mm；额定频率：50 Hz；额定电压：18 kV；额定转速：300 r/min；空载励磁电流：930 A；空载励磁电压（40℃）：130 V； 最大励磁电流：1 770 A； 最大励磁电压（130℃）：320 V。

工况见附表。

附表 电动发动机工况

3 BTB启动中存在的技术难题及解决办法

BTB拖动过程中需要两台机组同时启动，拖动机组发电工况流程（逆时针旋转），被拖机组水泵调相工况流程（顺时针旋转），其控制流程复杂，两台机LCU间需进行动态联动配合控制，使拖动机与被拖机始终保持同步，一旦配合失败，将可能导致BTB启动不成功或设备损坏事故。BTB调试存在如下技术难题：

（1）在BTB 启动前期阶段（f=0～20 Hz），两台机定子绕组上将流过低频电流，如果此阶段中任何一台机组发生故障，拖动机出口开关应瞬时跳闸，但频率越低，开关开断故障低频电流的能力越差，跳闸时机选择不当将可能导致开关爆炸，同时切断故障电流的时间越长，对机组的损害就越严重，可能导致机组报废的严重后果。通过计算，机组在频率为20 Hz以下时产生的最大短路电流为20 kA，而机组出口断路器GCB为ABB产HECPS-3 S型，其开断能力在 （45～65）Hz间为 100 kA，（20～45）Hz间为 65 kA，20 Hz以下不具备开断能力，因此如何制定断路器跳闸逻辑是保证机组及断路器安全稳定运行的关键。

解决办法：为保证设备安全，确定BTB事故跳闸流程为退励磁、关导叶、跳GCB，同时在GCB跳闸回路中增加一个20 Hz以下延时10 s跳闸的硬回路。即在BTB启动过程中，当任何一台机组发生故障时，首先退励磁，当励磁退出后，若此时机组频率在20 Hz以下，则延时10 s跳拖动机出口断路器GCB；若频率已升至20 Hz以上，则在励磁退出后立即跳GCB。

（2）BTB启动，对拖动机而言是一个“势能→机械能→电能”的过程，而对被拖机而言是一个“电能→机械能”的过程。两台机在启动过程中要保持同步运转，因此合理选择拖动机导叶开启开度及导叶开启速率，是保证机组能否拖动及拖动后两台机组能否同步运转的关键。

解决办法：经过计算，给定拖动机调速器导叶的开启规律为：开启开度4.6%，开启速率0.1°/s，开限11%。即先将拖动机导叶开度开到4.6%，然后再按0.1°/s的速率加开到11%。经后续调试证明，此导叶开启规律可行，两台机能顺利启动并平稳同步运行。

（3）大型发电机中性点都是接地的，在BTB启动过程中，因两台机要同步运转，为了避免发电机定子接地保护误动，需将拖动机的中性点刀闸断开，而当被拖机并网后，拖动机自动转入停机流程，当其转速下降到60%ne时投入电气制动。在拖动机停机过程中发电机中性点刀闸需要合闸，若选在退出励磁前恢复中性点，在合刀闸的过程中机组发生故障，中性点将流过故障电流，可能烧损中性点刀闸；而选在励磁退出后恢复中性点，则有可能在中性点刀闸还没合到位的情况下，由于投入电气制动的机组又带上了励磁，而此时机组又发生故障，则同样会烧损中性点刀闸。

解决办法：为确保设备安全，确定拖动机的BTB停机流程为：停机过程中转速下降至15%ne时投机械制动，不投电气制动，当转速为0后再合中性点刀闸。停机时不投电气制动，虽停机时间会延长，但不存在损坏设备的安全隐患。

（4）BTB是由拖动机拖动被拖机旋转，因此拖动机总是早于被拖动机启动，这两者之间就存在一个转差问题，转差率定值太小，将可能导致拖动过程中由于转差率超标而跳机；而转差率定值太大，又有可能导致被拖机组并不上网。

解决办法：通过计算，机组转差率大于2%时，延时2 s跳机。

（5）BTB拖动过程中，短时将在启动母线上通过近6 000 A的启动电流，而启动母线额定通流能力2 000 A，启动母线能否承受启动电流是BTB启动中需考虑的问题。

解决办法：经计算得出启动母线在1 min内耐受6 000 A电流时，其温升不到5 K。而在BTB启动过程中，启动母线通过最大电流的时间远远不到1 min，启动母线完全可以承受。在后续调试过程中，监测到最大启动电流为5 200 A，历时约2 s。

（6）机组发电工况启动过程中，不开非同步导叶时机组转速上升不到100%ne，而在70%ne时开启非同步导叶后，机组转速将在12 s内快速上升至100%ne，转速上升速率太快，被拖机能否同步跟上或是否需要改变非同步导叶控制流程是BTB调试前需解决的问题。

解决办法：主机厂家计算确认，在BTB启动过程中需投入非同步导叶，其投入时机与正常发电模式投入一致，即转速大于70%投入，若投入后被拖机跟不上，则根据现场试验情况再行调整。在后续调试过程中发现，在投入非同步导叶后，被拖机能同步跟上拖动机，没有出现失步现象。

（7）在BTB程序中，拖动机开机流程是先发退机械制动令退风闸，再发开拖动机球阀令，最后开导叶。由于导叶漏水量较大，球阀开启后机组会蠕动，而拖动机的蠕动是否会影响BTB启动是调试前需解决的问题。

解决办法：主机厂家确认拖动机的蠕动不会影响BTB启动，不考虑改变风闸投退逻辑，若有影响则根据现场试验情况再行调整。在后续调试过程中发现，拖动机的蠕动没有影响BTB启动。

4 背靠背（BTB）流程

背靠背（BTB）流程见图2。

5 调试过程及问题处理

经与厂家、设计、监理等多方协调，为确保BTB调试过程中设备安全，黑麋峰电厂整个BTB调试分四个阶段进行：

第一阶段：走自动流程到启动励磁，然后按急停按钮检验停机程序是否正确。

第二阶段：走自动流程到开启拖动机导叶升速，然后模拟转差事故检验事故停机程序是否正确。

第三阶段：走自动流程到开启拖动机导叶升速，按急停按钮检验事故停机程序是否正确。

第四阶段：走自动流程直到并网，检验整个程序是否正确。

黑麋峰BTB真机调试从11月15日15∶15开始，到11月22日22∶47 2＃机BTB拖1＃机水泵调相工况并网成功，整个过程历时8天7小时，除去未进行任何调试的18，19，21日，BTB调试成功耗时仅5天，较其他蓄能电厂调试时间大大缩短。调试工作整体进展顺利，主要出现和解决了以下问题：

第1天：采用2＃机拖1＃机方式进行BTB调试，当日开机调试10次均不成功，第1～4次原因为程序时间配合不当；第5次原因为两台机励磁投入时间配合不当；第6次原因为导叶延时10 s关闭装置动作；第7次原因为调速器主配定位故障；第9次原因为调速器主配反馈故障；第10次原因为调速器紧急停机电磁阀未复归；第8次调试当2＃机转速升至6.1%ne时，1＃机转速才上升至4%ne时，转差率大于2%动作事故停机。处理办法：对流程配合时间进行了优化调整，更换了2＃机液压回路比例阀组，同时主机厂家将转差率定值由2%修改为5%跳机。停机时机组转速曲线如图3。

图2 背靠背流程

图3 停机时机组转速曲线

第2天：仍采用2＃机拖1＃机方式进行BTB调试，当日开机调试3次。第1次启动到2＃机转速9.4%ne、1＃机转速6.8%ne时事故停机，检查原因为2＃机送至1＃机的转速信号中断所致，紧固接线后信号传送正常。因机组已能正常启动，指挥部决定第2次启动到机组转速升至60%ne左右时人为紧急停机，以检查两台机的停机程序是否正常。采用自动方式开机，本次开机两台机启动正常，同步运行状态很好，当转速上升至58%ne时现场急机，1＃机停机回水时发现水车室声音异常，检查结果为BTB程序中未设计1＃机转速大于20%ne后开启蜗壳压力释放阀，已在BTB增加了转速大于20%后开蜗壳压力释放阀步序。程序修改后准备第3次开机进行并网试验，当程序执行到开启2＃机导叶进行升速时，2＃机调速器主配拒动事故停机，现场监视人员发现8014刀闸有拉弧现象，进一步检查发现8014刀闸触头已烧损，查监控记录显示8014刀闸早于802开关10 s跳开。因8014触头烧损，2＃机拖1＃机调试工作暂停。刀闸早于开关跳闸原因系在BTB模式下未设计开关与刀闸的闭锁回路所致，现已按设计要求，增加了相关闭锁回路，只有在开关断开后，刀闸才可以拉开，经后续试验证实，开关与刀闸的分闸步序动作正常。

此次调试过程中保护装置监测到的数据显示，在机组起动瞬间，定子电流最大值达1 620 A，而在平稳拖动过程中电流最大值为900 A，呈转速上升电压上升电流下降的趋势，在拖到转速58%ne后急停调试时，定子电流最大值达5 200 A，历时约2 s。

第3天：改为1＃机拖2＃机进行BTB调试，当日开机调试5次，前2次由于2＃机压水不成功导致开机失败，究其原因是2＃机压水液压阀节流孔为3 mm，1＃机为2.5 mm，该阀开关速度比1＃机要快，但程序中设定的压水时间为该阀全开后保持2 s就关闭，将压水保持时间调整为4 s后，开机调试正常；第3次调试当程序执行到合801开关时，现场开关不合，检查系1＃主变低压侧TV二次侧接线脱落，闭锁同期装置无压合801开关，恢复接线后正常。第4次调试时BTB程序执行正常，当执行到开启1＃机导叶时，当时导叶开度5%，水车室已有较大的水流声，但机组没有转动，分析是1＃机拖2＃机时启动力矩要大，导叶开启开度不够所致，经主机厂家确认，将1＃机调速器BTB启动时开启开度由4.6%调整为5.5%，开启速率及开限维持不变。第5次调试时1＃机拖2＃机顺利启动，两台机同步运转正常，当机组转速升至58%ne时，人为手动紧急停机，停机程序执行正常，本次开机转速曲线如图4。

图4 第3天开机转速曲线

第4天：进行1＃机拖2＃机升速至100%ne背靠背试验，当日开机调试2次，第1次调试，当拖动机转速升至70%ne后，非同步导叶未投入，虽调速器自动调节加大导叶开度，但机组转速仅能升至91%ne，检查非同步导叶控制流程，发现没有拖动机工况转速大于70%ne后投入命令，立即对非同步导叶控制流程进行了修改，增加了拖动机工况转速大于70%ne后投入非同步导叶命令；第2次调试解开了802开关合闸回路，程序执行后两台机启动正常，当拖动机转速大于70%ne后，非同步导叶投入，机组转速稳步上升，95%ne后同期装置启动自动进行频率及电压调整，现场监视到同期装置已发出802开关合闸令，在802开关合闸令发出后801开关立即自行跳开。原先担忧的非同步导叶投入后由于拖动机转速上升太快被拖机会失步的现象没有出现。

第5天：8014刀闸触头更换完毕后，指挥部决定开1＃机并网（2＃机拖1＃机）。当日开机调试2次，第1次机组顺利启动，平稳同步升速到95%ne，同期装置发出801开关合闸令，801开关却没有合上，此时802开关已跳闸。查看801开关同期合闸回路，除有同期装置的合闸令外，还串有LCU自带的同期检定命令，只有两者同时满足时，开关才能同期合闸，同时在BTB启动过程中，当被拖机同期装置发出合闸令后，其命令同时被用来跳拖动机开关，此次801未合上，系LCU自带的同期检定条件未满足所致，经设计同意，为确保被拖机开关能同期合闸，已解开被拖机同期装置合闸令跳拖动机出口开关回路，主机厂家要求的被拖机开关合闸后立即跳拖动机开关由另外2条回路实现。22∶47发令自动开1＃机水泵调相工况运行，BTB程序执行顺利，22∶52 1＃机出口801开关同期合闸、同时802开关自动跳开，1＃机水泵调相工况并网正常，2＃机自动停机正常，至此，BTB调试圆满结束。

6 结语

在电厂及各参建单位的共同努力下，黑麋峰电厂机组BTB调试取得了圆满成功，整个调试过程进展顺利，调试中出现的问题也得到了妥善的解决，黑麋峰机组BTB启动调试成功，为后续机组的调试及其他蓄能电厂BTB调试积累了宝贵经验。