彭水水电站黑启动设计方案探讨

张虎飞，王 兵

（重庆大唐国际彭水水电开发有限公司发电部，重庆 409600）

黑启动是系统由于故障停运后而全部停电(不排除孤立小电网仍维持运行)，处于全“黑”状态，不依赖别的网络帮助，通过系统中具有自启动能力的发电机组启动，带动无自启动能力的发电机组，逐渐扩大系统恢复范围，最终实现整个系统的恢复。电力系统的黑启动主要分为电网黑启动和水电站黑启动两个层面。

水电站的黑启动是指在无厂用交流电的情况下，仅仅利用电厂储存的两种能量——直流系统蓄电池储存的电能量和液压系统储存的液压能量，完成机组自启动，对内恢复厂用电，对外配合电网调度恢复电网运行。机组具有黑启动功能不仅是水电站在全厂交流失电情况下恢复安全生产的必要条件，也是电网安全稳定的需要。

彭水水电站是乌江干流上的梯级电站之一，位于乌江干流下游、重庆市彭水县城区上游11km处。电站总装机容量1750MW，保证出力371MW，多年平均发电量63.51亿kWh，是重庆电网具有年调节性能、规模超过百万千瓦的大型水电站，在电网中主要承担调峰和事故备用任务。彭水水电站厂用电系统设计完善，一般情况下不易发生全厂交流失压事故，但是当电网发生故障及运行方式变化时，也有可能造成全厂交流失压。由于彭水水电站在重庆市电力系统中的重要作用，对其进行黑启动方面的研究就显得十分必要。本文结合彭水水电站厂用电系统以及重庆电网的特点，探讨水电站黑启动的设计方案。

1 厂用电系统

彭水水电站电气主系统为双母线接线，通过水张一、二两回线路接入重庆电网。10kV系统共8段，地下厂房Ⅰ至Ⅳ段分别从1～4号主变低压侧经过4台厂高变获得主供电源，大坝Ⅴ、Ⅵ段分别从地下厂房Ⅱ、Ⅳ段获得主供电源，营地10kV变电站Ⅶ、Ⅷ段分别从地下厂房Ⅲ段、大坝Ⅴ段获得主供电源。

400V系统共分为1号公用电、2号公用电、1/2号机组自用电、3/4号机组自用电、5号机组自用电、500k V开关站用电、照明用电、进水口用电、泄洪坝段用电、船闸用电、升船机用电、尾水用电各两段，正常为分段运行。厂用电源分为两级，第一级为在4台主变的低压侧取厂用10k V电源，第二级为泄洪坝段400V用电二段II母 800kW柴油发电机。柴油发电机作为厂内交流电源全停后的应急电源，主要有两方面的作用，即汛期保坝电源和厂内黑启动电源，这是不可替代的。柴油发电机设置在400V泄洪坝用电二段。从泄洪坝用电二段上引一路400V电缆至3、4号机组自用电，作为3、4号机组黑启动的交流电源；引另一路电缆至地下厂房2号公用电系统，作为检修、渗漏排水及直流系统的动力电源。

2 水电站黑启动的基本原则

电网系统黑启动的关键是电源点的启动。水轮发电机组与火电、核电机组相比，具有辅助设备简单、厂用负荷少、启动速度快等优点，同时具备良好的调频和调压能力，因此，水电站是黑启动电源的首选。水电站黑启动的基本原则：

在黑启动前，应确认系统确实处于全停状态，断开系统所有联络线开关及发电机并网开关。

当机组黑启动成功后，在对线路充电前，应降低机端电压，励磁系统、调速系统均切至自动方式，机端电压应比额定电压低0.5～1k V，防止系统电压过高。在一台机组黑启动成功后，应至少再启动一台机组，以保证厂用系统有相互独立的两个电源，以保证厂用系统的安全可靠。在电网黑启动工作中，除了要考虑电气方面的问题外，应注意在黑启动情况下水库调度方案，综合考虑水库的应用。

在黑启动过程中，应尽可能采用自动准同期装置进行同期并列。应首先考虑恢复水电厂厂用电源、火电厂的厂用电源、保坝电源以及市调、地调等调度部门的供电电源，对重要用户，如政府机关、电信及移动通讯等也应尽快恢复。应控制水电站水位，保证下游用水，并根据电网恢复过程随时调整。启动过程中应保证电网频率稳定和电压稳定，发电机组的负荷及开机方式应根据负荷恢复过程中的变化情况随时调整。黑启动期间，各应确保统一指挥、统一调度、统一协调、严肃纪律，将事故损失减少到最小。

遵循上述基本原则，提出水电站黑启动的主要步骤如下：

1）检查水张一、二线路跳闸，电压、频率为零，确认500kV母线和本厂交流已全部失压。

2）手动操作帮助需要停机的机组正常停机。

3）厂用电系统倒换运行方式。

4）启动柴油发电机组，送电至3号机组和4号机组自用电，依次将机组主要辅助设备送电，并根据实际情况确定是否需要送电至400V 2号公用电系统。

5）断开500kV所有开关。

6）机组自动开机至空转，进行零起升压，或先合上发电机出口开关，按正常方式起励建压。

7）进行厂用电系统倒换操作。

8）再开启一台机组带厂用电系统，保证厂用电系统有两个相互独立的电源。

9）合上3号主变或4号主变高压侧开关，检查500kV母线充电正常。

10）降低母线电压，依调令合上线路开关，检查对线路充电正常或由对侧充电，本侧同期并列。

11）合上500kV其它开关，对母线及其它主变充电。

12）系统全面恢复。

3 水电站黑启动的条件及影响因素

3.1 水电站黑启动的主要条件

结合彭水水电站的电气主系统、厂用电系统以及重庆电网的特点，分析在以下条件下彭水水电厂会进行黑启动：

1）同杆并架的500kV水张一、二线同时故障跳闸、1～4号机组全部停机。

2）500kV母差失灵保护动作，切除500kV全部元件，或张家坝变电站500k V双母线故障，同时1～4号运行机组过压或过速保护动作停机。

3）10kV厂用系统故障，保护动作不正确。

3.2 水电站黑启动的影响因素分析

3.2.1 设备方面的影响因素

1）调速系统

水电站黑启动能否成功的关键因素是在失去厂用交流电时能否维持调速系统的操作油压。在正常情况下，油压装置的油压可以保证机组进行一次正常自启动，但需要注意压油槽的油气比例保持1∶2，同时压油槽油位不能低于操作最低油位。

彭水水电站调速系统为PFWT-250-6.3-STA RS微机调速器，压油槽额定压力为6.3MPa，设计最小操作油压为4.0MPa，完全满足黑启动条件下的导叶操作油压的要求。

2）励磁系统

励磁系统在黑启动时应注意两个问题。

一是励磁风机电源问题，在黑启动时由于没有厂用交流电源，励磁风机将不能运行，受功率柜温度限制，励磁系统可能无法长时间运行。彭水水电站设计励磁风机有两路电源，一路来自400V机组自用电，另一路来自励磁调节系统的辅助变压器。两路电源同时供电，通过切换回路只有一路直接作用于励磁风机。正常情况下400V机组自用电作为主供电源，若机组自用电故障，则自动切换至备用辅助变压器供电。但是经过运行发现，辅助变压器输出并不太稳定，所以目前已将辅助变压器供电回路断开，在400V机组自用电另一段重新接引一路励磁风机电源。只要400V3号、4号机组自用电供电正常，则励磁风机即可正常运行。

二是在黑启动进程中，如果必须对空载或轻载长输电线路充电时，由于分布电容影响，会造成电网电压升高。彭水水电站在厂内黑启动成功，即厂用电已恢复，500kV母线已充电正常后，在对电网线路充电时，不论采取全压充电、零起升压或低压充电，均将面临过电压的威胁。采用全电压进行电网安全恢复、充电恢复过程中产生的过电压接近3倍相电压，虽一般不会威胁绝缘，但可能会造成发电机过电压保护和避雷器动作。采用零起升压恢复，虽能很好控制过电压倍数，但时间较长，操作缓慢。而采用低电压恢复则可以有效弥补以上两种方式的不足。因此从安全和实践角度考虑，为了控制恢复过程中过电压的威胁，以低电压恢复更为合理。需要注意的问题是如何确定发电机实施充电的低电压在安全工作范围，一般来说发电机电压不应低于额定值的90%。

3）辅助设备

彭水水电站水轮发电机组等辅助设备主要包括推力轴承高压顶起装置压油泵、推力轴承油泵、水导外循环油泵、顶盖排水泵以及技术供水系统电动阀。只要3号和4号机组自用电恢复供电，两台机组即可进行黑启动。

关于辅助设备，需要注意三个关键的问题。一是推力轴承高压顶起装置压油泵，由于机组停机时间较长，推力轴承与镜板之间的油膜已经基本破坏，此时若高顶装置压油泵不能启动，机组是不能强行启动的。 二是水导外循环系统，如果机组停机2小时左右，水导上油箱中的油已经基本漏至顶盖回油箱中，此时若水导外循环泵故障无法启动，则机组也不能强行启动。三是推力油循环系统，推力油循环的目的只是为了油的冷却，所以若短时油泵故障不能启动，是允许机组启动的。

4）监控系统

彭水水电站监控系统的上位机配置30kVA双机并联冗余不间断电源系统一套，为主站的所有设备及其它系统的设备供电。监控系统电源的可靠性较强，完全可以满足黑启动成功对监控系统电源的要求。

5）通讯系统

在系统事故情况下，要确保和调度的通讯畅通。日常应加强对通讯设施的维护力度，对调度光纤直通电话、调度光纤交换机直通电话、电信程控电话等设备定期试验维护，加强对通讯直流蓄电池的维护和保养力度，确保交流故障情况下正常供电。同时应加强对海事卫星电话的管理，定期试验，做好记录。

6）事故照明系统

确保事故照明系统正常工作对黑启动成功也至关重要。彭水水电厂设置有应急照明系统EPS，正常由厂用交流供电，事故情况下转为直流蓄电池供电，供电容量及时间均满足事故应急照明的要求。同时还需考虑准备必要的照明用具(如应急灯)，以保证黑启动能快速安全进行。

7）直流系统

直流系统是保证黑启动成功的另一关键因素，用于保护装置、自动装置、自动控制、机组励磁启励的操作电源及信号电源。直流系统的供电容量及时间是否能满足黑启动的要求十分重要。彭水水电厂的直流系统分为地下厂房直流系统、500kV开关站直流系统和大坝直流系统三部分，每一部分均自成体系。地下厂房直流系统蓄电池为阀控式密封铅酸蓄电池，容量为1200AH，放电时间10h，放电电流120A，完全满足电厂黑启动的需要。

8）800kW柴油发电机

800kW柴油发电机是机组黑启动辅助设备运行的电源供给设备，同时也是汛期的主要保坝电源，日常应加强巡回检查力度，定期试验，发现缺陷及时处理，保证柴油发电机随时可以启动。

3.2.2 黑启动过程中的影响因素

系统事故厂用电源消失后，如机组处于空转状态，则应严密监视机组推力、水导瓦温度，做好应急事故停机准备。

3号机组和4号机组自用电母线恢复后，应逐个恢复负荷，按照高压顶起装置油泵油泵—推力外循环油泵—水导外循环油泵—调速器压油泵—漏油泵—主变冷却器的顺序恢复（每个系统只恢复1台），其它负荷暂不恢复。

在黑启动过程中，地下厂房直流系统、厂内渗漏及检修排水系统可暂不恢复，但要随时监视其运行情况，集水井水位较高时可暂时手动启动抽水。照明系统暂不恢复，低压风系统停止所有工业用气，仅供机组制动用气。地下厂房厂用电源失电期间，停止地下厂房厂用电源所带全部临时负荷，防止柴油发电机过负荷。地下厂房桥机若已经工作，则暂时送给其电源，等工作结束后立即切除。

3号主变压器和4号主变压器的冷却电源全停保护可暂时退出，以防主变温度过高或冷却全停超时造成主变压器跳闸，影响对母线及系统充电。线路恢复运行后，按从高压侧遂级送电的原则送电。厂用系统的恢复和切换操作，可以充分利用厂用系统备自投功能来实现。

备自投装置正确动作，对于黑启动迅速成功也是十分必要的。机组带主变升压时尽量用零起升压方式。紧急情况下，也可以先合上发电机出口开关，再按正常起励方式建压。

3.2.3 不能黑启动的两种情况

在以下两种特殊情况下，黑启动是无法实现的：

一是系统事故引起全厂交流全停，3号机组和4号机组同时水机事故动作，或者3号机组和4号机组有一台机组检修而另一台机组事故，此时由于没有交流电源，机组高压顶起装置油泵无法启动，推力油漠可能会破坏，水导轴承可能也会受损。同时由于调速器电动急停阀已经动作，导叶会全关到零，由于时间很短，运行人员无法恢复信号保持机组转速至空转，只有纯手动帮助停机。但是停机后，由于推力轴承镜板已经受损，不允许再次启动。

二是如果紧急事故停机水机保护动作，3号机组和4号机组快速门自动关闭，由于没有交流电源，快速门无法正常充水及提门，也是不能进行黑启动的。

4 结语

彭水水电厂在重庆电网中具有十分重要的地位，是重庆电网重要的电源支撑点，长期担任重庆电网的调功、调频及事故备用任务。在系统事故情况下，彭水水电厂能够及时进行黑启动，对于电网恢复正常运行有着十分重要的作用。彭水水电厂3号、4号机组黑启动功能设计完善，启动流程合理，调试试验正常，满足重庆电网对黑启动的要求。在运行实践中，彭水水电厂将对黑启动方案不断进行优化，进一步提高黑启动的可靠性及安全性。

[1]孟敏. 彭水水电站水轮机参数选择[J]. 水电能源科学,2005, 23(6): 60-62.

[2]DL/T5164-2002 水力发电厂厂用电设计规程[S].

[3]GB12786-91 柴油发电机组通用技术标准[S].