江边水电站黑启动运用分析和实践

阳卫（国网四川映秀湾水力发电总厂，四川都江堰611830）



江边水电站黑启动运用分析和实践

阳卫
（国网四川映秀湾水力发电总厂，四川都江堰611830）

摘要：针对江边水电站的具体情况，明确了黑启动运用的必要性，通过对相关设备、装置和系统的详细分析，验证了黑启动条件，预测了其中的风险，在比较黑启动利用电源后确定了启动路径选择，并制定了相应的启动方案，然后结合试验实例，证明机组具备黑启动能力，最后指出了一些注意事项和改进措施。

关键词：黑启动；必要性；条件及风险；方案及试验；注意事项

1引言

所谓黑启动，是指整个系统因故障停运后,不依赖于别的网络帮助，通过系统中具有自启动能力机组的启动，带动无自启动能力的机组,逐渐扩大系统恢复范围，最终实现整个系统的恢复[1]。

黑启动的前提和关键是启动电源，与火电、核电、风电机组相比，水电机组具有容量适中、接线简单、辅助设备少、调节能力强、开机条件易满足、启动迅速的特点，是方便理想的黑启动首选电源[2]。

针对江边水电站的具体情况，本文分析了在发生全厂停电事故、厂用电消失且无外来电源支援等极端恶劣条件下，机组黑启动需要解决的两个关键技术问题：①启动条件及相关风险，特别是机组自励磁、进相能力与欠励限制分析及对励磁调节和起励方式的选择；②启动路径及相应方案，并通过试验实例及其数据分析印证，提出了注意事项和改进措施。

2江边水电站概况

江边水电站位于四川省甘孜藏族自治州九龙县，是雅砻江左岸一级支流九龙河“一库五级”的最后一级电站，装机容量3×110 MW，水库总库容110.9万m3，调节库容68.5万m3，引水式，具有日调节性能。

发电机出口侧采用单元接线，220 kV侧接线为单母线接线，通过220 kV江九线接入九龙500 kV变电站后送入四川电网。因电站投产后导致了里伍矿区自备石门坎电站无水发电而关停，按补偿协议从1号主变、2号主变低压侧各引一回电源互锁后经4号主变升压，通过35 kV江里线为矿区和附近7个乡镇供电。主接线简图见图1。

图1　江边水电站主接线简图

厂用电系统采用10 kV、400 V两级电压供电。其中，10 kV系统有两段母线，外来10 kV备用电源接于10 kVⅠ段母线。400 V系统分为公用、自用、照明、营地、调压井及坝区6大系统，分别各有两段母线。另外，在公用400 VⅠ段及坝区400 VⅠ段、Ⅱ段母线分别接有1台560 kW及500 kW、320 kW的柴油发电机组。厂用电接线简图见图2。

图2　江边水电站厂用电接线简图

3黑启动的必要性分析

江边水电站远离负荷中心，通过一回220 kV线路接于九龙500 kV变电站，输送电通道位于地质条件复杂而艰险的高山峡谷之中；10 kV备用电源来自九龙县地方电网，可靠性差。电站发生与主网解列的可能性相对较大，而一旦发生事故与主网解列，就可能无法从外界获得电源。

厂房采用地下式布置，厂房渗水源主要是地下水、引水隧洞及尾水隧洞内水外渗以及雅砻江的渗漏水，漏水量较大，而机组技术供水泵、渗漏排水泵、检修排水泵动力屏和水泵又都布置在蜗壳下层，厂用电中断后容易发生水淹厂房事故，并可能由此导致恶性循环，引发灾难性的后果。

全厂消防取水由消防泵完成，经加压泵加压后供给消防给水系统，厂用电一中断，就面临着消防水源中断的危险。

九龙河流域的洪水形成突然，一次洪水过程往往要历时5 d～10 d[3]。由于流域内各电站从属于不同业主，在洪水过程中，作为最末一级的江边水电站将长时间承受无法预知的叠加和累积流量效应影响，自九龙县城和上游各电站倾泻而下的大量泥沙和悬移质也将被冲刷入库，一旦电源中断，后果极其严重。

电站同时承担着为里伍矿区和附近7个乡镇的供电任务，一旦中断供电，不仅对里伍矿区的安全生产构成严重威胁，而且会给供区社会稳定和经济发展带来严重影响。

因此，对江边水电站黑启动运用进行系统分析，并据此制定出具有较强针对性及操作性的试验方案和应急预案，具有十分重要和迫切的现实意义。

4黑启动条件及风险分析

4.1条件分析

（1）水轮发电机组

3台发电机推力轴承采用弹性金属塑料瓦，停机后风洞温度能保持在5℃～10℃，具备冷热条件下均能立即启动的能力[4]，根据运行参数率定试验，机组停机后的最短开机时间为零。

发电机带空载线路时，不发生自励磁的理论判据是发电机额定容量大于线路充电功率与发电机等值同步电抗的乘积[5]。江边水电站发电机额定容量122.2 MVA，主变额定容量125 MVA，220 kV江九线长24.353km，经计算发电机等值同步电抗1.0668p.u.，线路充电功率3.882 6 Mvar，机组带220 kV江九线运行不会产生自励磁。

水电机组在空充线路或带轻负荷运行时，发电机需要吸收线路无功进入进相运行[6]。

如2006年12月12日自一里水电站65 MW机组对148 km长220 kV线路零起升压至发电机额定电压时，220kV母线电压237kV，机组进相19.96Mvar；2008年5月22日黑河塘水电站43MW机组对227km 长220 kV线路（45 km处开关站带高抗）零起升压至发电机额定电压时，220 kV母线电压238 kV，线路末端电压243 kV，机组进相10 Mvar。

如果进相深度达到了励磁调节器欠励限制动作值，就会引起励磁增加--电压增加--线路容性无功增加--低励限制继续动作的正反馈过程，最后导致过电压，因此黑启动过程中应放开或退出励磁欠励限制功能[7]43。

江边水电站单机容量远大于上述两个电站的单机容量，3台机组均具备进相运行能力，单机最大进相容量35 Mvar，进相能力更强，拆除发电机出口断路器辅助接点至调节器外部线即不满足欠励限制的有效条件。

（2）直流系统

直流220 V系统为双母线接线，采用母线分段运行方式，两段母线分别采用独立的充电装置和蓄电池供电，馈出网络呈射线状，供全厂保护、操作、控制、信号、起励以及事故照明等直流负荷。

两组大容量阀控式密封铅酸蓄电池从德国HOPPECKE公司进口，容量2×1000 Ah，事故放电时间不少于2 h，满足黑启动的要求。

（3）水轮机进水球阀及装置

球阀操作和控制电磁阀均由直流220 V电源供电，不会因交流电源消失导致误关闭，除检修、机组过速停机或在停机过程中剪断销剪断外，正常情况下处于全开状态。

油压操作回路基本无渗漏，通过自动控制装置能够保证压油罐的油压、油位处于正常范围内。当电源中断后，压油罐的存油足以保证球阀开、关一次。

（4）水轮机调节系统及装置

调节系统具有自动和手动两种运行方式，电气柜及机械柜均采用交、直流220 V双电源供电方式，操作和控制电磁阀均由直流220 V电源供电，不会因交流电源消失影响正常运行。

油压装置基本无渗漏，通过自动控制装置能够保证压油罐的油压、油位处于正常范围内。

按照设计要求和厂家技术保证，压油罐容积能够满足油压在工作油压的下限，油泵不启动的情况下，接力器完成3个全行程的动作后，油压仍高于事故低油压。

（5）励磁系统及装置

励磁系统采用静止可控硅整流自并励方式，互为备用的两套调节器均采用交、直流220 V双电源供电方式，灭磁开关操作电源分别来自直流220 V两段母线，不受交流电源影响。

按照设计要求和厂家技术保证，励磁风机停运后，励磁装置可以起励建压，可控硅整流装置在额定工况下，能够继续运行2 h（实际现场规程规定不超过30 min）。

调节器有恒机端电压、恒励磁电流控制模式。黑启动时应采用恒机端电压控制模式，特别是对线路充电时，可以利用其自身的负反馈调节特性抵消线路的助磁效应[7]42。

调节器还具有“软起励”功能。当软起励开始后，电压给定值由25 %起，每20 ms增一个步长，自动增加电压给定值使发电机电压逐渐上升到预置空载额定值[8]。

因此，当确认全厂停电和厂用电消失是由于外部原因引起，厂用电启动路径一次设备无故障时，厂内黑启动完全可以采取“软起励”方式对机组起励建压，相比手动按击增励操作的零起升压方式，采用“软起励”建压将大大压缩操作时间。

而对线路的充电则应该根据调度的命令进行，在完成厂内黑启动后，一般还是应该采用由另一台机组对线路零起升压的方式进行。

（6）继电保护装置

全厂继电保护装置及断路器操作电源均采用直流220 V电源供电，柜内交流220 V电源仅为打印机、照明、加热器等供电，继电保护装置不受交流电源中断的影响。

（7）主变及其冷却器全停

3台主变均是强油循环水冷变压器，切除全部冷却器时，在额定负载下允许运行时间不小于20min，当油面温度尚未达到75℃，允许上升到75℃，但冷却器全停的最长允许时间不得超过1 h[9]。为顺利实现黑启动，应注意监视主变顶层油温和冷却器全停时间。

（8）计算机监控系统

计算机监控系统分为站控层和现地控制单元LCU。

站控层采用两套工业级UPS电源装置冗余并机运行供电，UPS电源装置的直流220 V进线电源分别来自直流220 V两段母线，容量大，可靠性高。LCU采用交、直流220 V双电源供电方式。

（9）热工保护装置

机组安装了一套“纯机械”过速保护装置，测温测速制动柜数字式温度保护仪表、电气测速装置、齿盘测速装置及自动化元件柜上“电气+齿盘”测速装置、导叶主令控制器电源均由直流220 V供电。

另外，由直流220 V电源供电的在线状态监测装置还采用了键相转速，在开机过程中也可以作为转速监视的依据。

（10）水库

水库是日调节水库，在大坝右岸挡水坝段分别设置一个1.5 m×1.2 m的溢流管和Φ1.2 m生态流量泄放管，按规定汛期水位较正常蓄水位下降6.5 m运行，水库具有一定的调蓄能力。

大坝LCU、泄洪闸和冲沙闸均配置有不少于1 h供电的UPS装置，泄洪闸和冲沙闸均可以远程控制。2台柴油发电机为泄洪闸和冲沙闸的应急电源。进水口闸门在全开位置，不存在因电源切换误关闭的风险。

4.2风险分析

（1）环境及人员问题

由于是地下厂房，工作照明消失后，只有事故照明和应急电筒为人员提供照明。在进行黑启动时，特殊的环境氛围难免造成操作人员精神紧张和心理焦虑，存在着发生误操作的可能性，有一定的风险。

（2）直流系统

交流电源消失后，直流电及事故照明改由蓄电池供电，虽然蓄电池事故放电时间较长，但由于进行起励操作、断路器储能电机启动和事故照明投入时，会造成端电压瞬间波动较大，黑启动存在着失败的可能，有一定的风险。

（3）机组过速问题

当电网全部停电，造成3台机组过速、球阀关闭的极端情况，机组不具备立即进行黑启动的条件，必须经过速检查无异常后才能启动机组，在此过程中调速器及球阀油压装置油压和油位均会有下降的情况，有一定的风险。

（4）柴油发电机问题

柴油发电机是全站黑启动的保安电源，油箱容量能够满足发电机连续满负荷运行10 h以上。只要按规定检查维护，每周定期进行启停试验，随时保证柴油储量，成功启动并投入的可能性较高。

（5）励磁系统及装置问题

起励加压后，可控硅将通过电流，温度将逐渐上升。但机组从起励正常，到恢复厂用电供电，正常时间不会超过15 min，远小于规定要求。

厂用电由主变低压侧取得，黑启动时应在机组“空转”状态下合上出口断路器，再对主变升压正常后才能启动厂用电系统。基于起励条件，在合上出口断路器之前，必须拆除出口断路器辅助接点至调节器外部线，才能保证机组起励、逆变灭磁功能有效和欠励限制功能无效，有一定的操作风险。

（6）球阀油压装置油泵问题

球阀油压装置油泵由交流电动机驱动，如果球阀恰好是关闭的，纯粹利用压油罐残压开启球阀对人员心理有一定影响，有一定的操作风险。

（7）水轮机调节系统及装置

调速器以出口断路器状态为判据决定控制模式。在机组带厂用电或小网孤立运行时，应将调速器置于频率模式下运行[10]。

因此，必须在合上出口断路器之前，拆除出口断路器辅助接点至调速器电气柜外部线，有一定的操作风险。

（8）技术供水

技术供水由供水泵提供，然后经交流电源驱动电动阀后供给各冷却器，机组停机时，电动阀处于关闭状态。交流电中断后，在无冷却水的情况下强行开机，各轴承瓦温、油温及空冷器温度将会上升，存在着温度过高的危险，风险较大。

（9）空载线路三相合闸的操作过电压

操作过电压的研究表明，在黑启动过程中启动各段线路时，母线、线路末端和线路上的最大统计过电压都满足三相合闸统计过电压不高于2.0 p.u.的要求，在黑启动过程中空载线路三相合闸不存在操作过电压的问题[5]50。

因此，对35 kV江里线、220 kV江九线的启动操作可以根据具体情况采取零起升压或全电压三相合闸的方式进行。

5利用电源及启动路径分析

5.1可利用电源

黑启动可利用电源有1台容量560 kW的厂房公用柴油发电机组和直流220 V电源系统。

5.2厂内黑启动路径

根据黑启动可利用电源，黑启动路径有两条，分别如下：

（1）启动柴油发电机→启动厂用电→启动机组→将厂用电改由机组供电→恢复对里伍矿区供电或按调度命令对220 kV线路送电；

（2）启动机组→启动厂用电→将厂用电改由机组供电→恢复对里伍矿区供电或按调度命令对220 kV线路送电。

5.3黑启动路径选择

显而易见，第一条启动路径具有速度快、风险小、安全性高的特点，第二条启动路径则涉及到球阀可能无法通过压油罐残压开启、机组无冷却水运行、励磁功率柜无风机运行、调速器及球阀油压装置低油压等诸多风险。

因此，柴油发电机应作为黑启动首选利用电源，第一条启动路径则作为黑启动首选方案。

6黑启动方案

6.1先期处置

当发生全站停电事故后，运维人员应立即开展先期处置，主要包括对主要设备的重点检查并作好黑启动的准备工作。重点检查的顺序是机组状态、厂用电跳闸情况、继电保护及自动装置动作情况等。

基于黑启动后机组是一个容量小而且薄弱的简单系统，先期处置应包括下列内容：

（1）退出调速器“一次调频”、“网频跟踪”功能，拆除出口断路器辅助接点至调速器电气柜外部线；

（2）退出励磁调节器“系统电压跟踪”功能，保持PSS功能投入，拆除出口断路器辅助接点至调节器外部线；

（3）拉开220 kV线路、主变高压侧及13.8 kVⅥ段、35 kVⅠ段上所有断路器；

（4）将10 kV备用电源断路器拉至“试验”位置，拉开10 kV母线、400 V母线进线断路器和联络断路器；

（5）高厂变高压侧断路器是负荷断路器，应保持在合闸状态，便于黑启动时由机组直接施压至高厂变，减少厂用电恢复时间；

（6）将3台机组调速器油泵、技术供水泵、球阀油泵及公用的渗漏排水泵、中压气机、低压气机的控制开关全部切除。

6.2直流220 V系统为启动电源的操作程序

（1）手动开启冷却水电动阀，将机组手动启动，转速正常后切回自动；

（2）在机组LCU上以手准方式将出口断路器合闸，避开就地合闸的风险和闭锁条件；

（3）采用“软起励”方式对机组、主变及高厂变起励升压至额定值，然后从高压到低压逐级恢复厂用电系统；

（4）依次恢复13.8 kVⅥ段、35 kVⅠ段送电，根据地调命令对35 kV江里线送电，恢复对里伍矿区的供电；

（5）根据省调命令，最好启动另一台机组，停用220 kV江九线重合闸，以“软起励”方式对机组、主变起励建压，然后对220 kV母线、220 kV江九线合闸充电，或以零起升压方式对机组、主变、220 kV母线及220 kV江九线建压。

6.3柴油发电机为启动电源的操作程序

（1）拉开高厂变高压侧断路器；（2）启动柴油发电机，恢复400 V厂用电系统；（3）将机组自动启动空转，同样在机组LCU上采用手准方式将出口断路器合闸；（4）仍采用软起励方式对机组及主变起励建压；（5）将厂用电倒为机组供电，并以同样方式恢复对35 kV江里线、220 kV江九线送电。

7黑启动试验

7.1 2号机带厂用电和里伍矿区实例

×年×月×日，由于220 kV江九线砍树清障，江边水电站在220 kV江九线251开关处与系统解列，由2号机带厂用电和里伍矿区运行8 h，运行数据对比情况见表1。

表1　2号机带厂用电及里伍矿区对比运行数据

7.2 1号机黑启动试验实例

×年×月×日，利用直流220 V系统作为启动电源，选择1号机作为黑启动机组，与1号主变1T、2号高厂变12T、10 kVⅡ段母线、2号公用变及1号机自用变组成黑启动系统。

试验要求1号主变处于冷备用，2号高厂变高压侧断路器5开关在合闸状态，10 kVⅡ段母线、2号公用变及1号机自用变处于热备用，调速器油压装置、球阀油压装置保持随机的状态，球阀在关闭状态。

从手动开机，以“软起励”方式起励建压，到厂用电投入，实际启动过程用时大约11 min，相关试验数据（温度值为该类型同一测点的前后最高值）见表2。

表2　1号机黑启动过程相关技术数据

从试验情况来看，即使励磁可控硅停风、轴承冷却器停水20 min，设备温度的上升幅度也并不大，能够满足黑启动的要求。

但同时也发现，调速器和球阀压油罐的油压、油位均有不同幅度下降。因此，有必要事先确定一个黑启动初始压力值，以便合理选择机组，并在操作中及时对压油罐进行手动补气增压，防止发生事故低油压造成启动失败。

8黑启动注意事项

（1）注意对3台机组球阀、调速器油压装置运行情况的掌握，尽量选择压油罐油位、油压相对较高，油泵启动周期相对较长和调速器运行稳定的机组进行黑启动；

（2）启动前拉开220 kV系统所有断路器、厂用电400 V母线进线及联络断路器，高厂变高压侧断路器保持在合闸状态，由机组对其和主变一起起励建压，压缩操作时间；

（3）开机及恢复厂用电过程中应严格监视和控制机组转速，监视各部轴承温度，发现危及机组安全的异常情况立即停机；

（4）开机及恢复厂用电过程中可以采用手动补气的方法维持油压装置油压在事故低油压之上运行，但要注意防止管路进气；

（5）根据负荷重要情况及轻重缓急依序恢复厂用电系统正常运行，一般情况下先恢复技术供水泵、球阀油压装置、调速器油压装置、励磁风机、主变冷却器及渗漏排水泵运行；

（6）恢复技术供水泵、球阀油泵、调速器油泵及渗漏排水泵运行时，应逐一启动运行正常，防止集中启动造成断路器跳闸；

（7）用柴油发电机带厂用电时，为防止大容量水泵启动时造成对柴油发电机的冲击，对容量90 kW的技术供水泵可采用先关闭出口阀后空载启动，对容量75 kW的渗漏排水泵则可根据渗漏井积水情况来决定，最好在机组带上厂用电后再启动；

（8）及时恢复坝区电源，保证坝区供电正常；

（9）对220 kV江九线、35 kV江里线恢复送电要取得调度同意，防止盲目送电扩大事故。

9结语

江边水电站已经投产，通过系统和深入的黑启动运用分析和总结，不但能进一步完善黑启动预案，使其更具有针对性和操作性，而且能显著提高运维人员的实际操作能力。

黑启动涉及面广，全过程需要大量的人为操作，为适应现场“无人值班”（少人值守）的管理模式，下一步需要在计算机监控系统中，针对黑启动条件和方式（如开机条件、参数限制值及保护闭锁等），研究增加黑启动流程，实现黑启动的自动化。

同时，通过分析还发现部分系统的现有设计也还有值得改进的地方，如至调速器电气柜和励磁调节器的“出口断路器辅助接点”可以由硬接线接入改由经压板接入，以方便运行人员的操作和消除拆接线的风险，这些应在下一步加以解决。

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作者简介：阳卫（1968-），男，高级工程师，从事水电站生产运行及维护管理工作。

收稿日期：2015-10-15

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2016.03.010

中图分类号：TM272.2

文献标识码：B

文章编号：1672-5387（2016）03-0029-06