水电站黑启动的研究与实践

卢文，谭云昭，刘林

（1. 三峡大学 电气与新能源学院，湖北 宜昌 443002；2. 重庆大唐国际彭水水电开发有限公司，重庆 404100）

近年来，随着“西电东送”工程的深入，电力系统稳定性得到了很大提高，但是遇到严重突发性故障时仍有可能引发系统的连锁反应，最终导致系统大面积停电。因此，对黑启动的研究尤为必要。本文主要分析了某水电厂黑启动过程，并提出这一水电站黑启动过程中需要改进注意的一些事项[1-3]。

1 黑启动的概述要求

所谓黑启动，是指整个系统因故障停运后，系统全部停电（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。黑启动是在黑网或丢失外部电力的情况下恢复电站供电的过程，其作为紧急方案用来恢复区域电网供电。电网的大面积黑电事故使电网对电厂的黑启动能力日益重视。

由于电网对黑启动机组的启动时间、加载限制和辅助系统上的额外要求，不是所有的机型都适合黑启动。黑启动要求水电站装机容量足够大，机组调节性能够好，电气接线上具有双回以上接线，地理位置尽量不要处于电网末端。只有符合这样子条件的水电站才具有黑启动的资格。而本文中所研究的水电站是所在电网的黑启动备用电源，担负着电网事故情况下的黑启动[4-7]。

2 该水电站黑启动的目的

本文研究的水电厂的500 kV电压等级主接线为单元接线方式，正常运行时为Ⅰ、Ⅲ合母运行，通过两回出线将功率送往电网，其中1～4号主变压器通过厂用高压变压器分别带Ⅰ—Ⅳ母10 kV厂用电母线，Ⅴ母通过位于Ⅲ母的馈线开关供电，Ⅵ母通过位于Ⅳ母的另一编号的馈线开关供电，Ⅷ母通过位于Ⅲ母的开关供电。各10 kV母线通过厂用低压变压器将电压输送至各400 V母线。

机组正常运行时，发电机可直接将电压送往厂用电10 kV母线。当机组全停时，该厂厂用电将由一、二两回出线反送电，经由主变将500 kV电压等级降至厂用电所需电压等级，保证厂用电正常稳定运行。若遇到系统大范围故障时，该厂一、二回出线跳闸，导致发电的机组过电压保护动作，跳机组出口断路器，导致全厂失电，线路冲击合闸不成功，则此时应启动黑启动流程。

水轮发电机组正常运行时应有各类辅机同时运行，保证机组各轴承瓦温在合理范围内。这些辅机由厂用电400 V电压等级母线直接供电，如若全厂失电，厂用电10 kV及400 V相应断电，水轮发电机的辅机无法运行。而水电站运行规程中规定，禁止在辅机无法运行时开启机组，所以黑启动的目的就是在厂用电失去时，利用柴油发电机将重要辅机带电，使水轮发电机满足开机条件并开机，逐级恢复厂用电同时逐级恢复电网。

3 该水电站黑启动方法

3.1 水电站黑启动实验前期准备

水电站黑起动实验前需要做如下准备步骤：

1）将2号机组1、2、3号压油泵控制方式置“切”；

2）将2号机组自动补气装置控制方式置“切”；

3）记录压力油罐压力由自动启动值（5.8 MPa）降到事故低油压值（4.78 MPa）所用时间、相应压力时油罐液位值，监视油位不能低于200 mm；

4）恢复压油泵及自动补气装置运行，调整压力油罐压力及油位至正常；

5）复归事故低油压动作信号。

6）检查10 kV柴油发电机组完好、油料充足，具备启动条件；

7）2号机组停机；

8）1/2号机组自用电Ⅱ段停电。断开1/2号机组自用电Ⅱ段所有负荷开关。

9）断开1/2号机组自用电Ⅰ段有关2号机组的所有自用电源。

3.2 黑启动具体操作分析

黑启动之前要断开全厂所有500 kV，10 kV，400 V开关及发电机出口开关。此次黑启动采用10 kVⅧ母所带的柴油发电机，该柴油发电机额定电压等级为10 kV级别，可以直接将电压输送至10 kVⅧ母上，通过母联开关302开关将Ⅲ母带电。因为柴油发电机容量有限，不可能同时带起全场所有辅机，故在Ⅲ母带电之前要做好Ⅲ母的隔离工作，将所有馈线开关断开（10 kV母联开关在正常运行时即为断开热备用），将Ⅲ母电压通过场低变32B送往1号、2号机组自用电400 V Ⅲ段母线上，再将2号机组相应辅机空开合上，使2号机组满足开机条件，2号机组由停机—空转，无压合2号机组出口开关之后手动建压。当2号机组建压成功且出口开关在合闸态，从主接线中可知2号厂高变12B此时带电，合上112开关则10 kV Ⅲ母带电，合上10 kV Ⅲ母、Ⅰ母联络201开关，10 kV Ⅱ母带电，此时全厂厂用电可由10 kV Ⅰ母、Ⅲ母全部带起，将1号、2号机组自用电400 Ⅵ段所有负荷开关合上，便可断开由柴油发电机带起的1号、2号机组自用电400 V Ⅲ母进线开关，从而停止柴油发电机运行，全厂厂用电已恢复正常，黑启动成功。图1为黑启动过程接线示意图。

3.3 黑启动中可能存在的问题

从水电站水机保护中得知，调速器压油罐事故低油压是取正常启泵油压以下的某一值，在机组正常运行时，压油罐压力降低至事故低油压则启动水机保护流程，机组解列、事故停机。而在黑启动过程中，由于时间较长，压油罐压力缓慢下降，而此时压油泵又处于失电状态，无法将压力打至额定压力，则可能导致事故低油压水机保护动作，机组无法正常开机。所以在恢复1号、2号厂用电Ⅲ段的时候，要监视压油泵将油罐压力打至正常压力后，复归机组事故信号，方可正常开机。

在2号机组建压时，本文采取的是2号机组由停机—空转，无压合出口开关，再进行手动建压的流程，是因为电厂监控流程对于空转和空载的定义都有“出口开关在断开”这一判据，若直接下令机组停机—空载，则2号机组出口开关在断开，而出口开关合闸分为同期合闸（采用同期装置，判断开关两侧电压幅值、相角、频率进行合闸）、无压合闸（判断开关两侧均无电压），此时出口开关只有发电机一侧带电压，不满足上述两种情况，无法合闸，所以在建压之前先无压合闸，再采取手动建压。

由于2号发电机出口开关在合闸态，从电气连接上2号机组与2号主变为连接状态，在手动建压时若直接将电压升至额定电压，则主变低压侧感应出很强的励磁电流，可能会造成主变过励磁保护动作，断开出口开关，导致升压失败。故应手动退出发电机失磁保护连片，退出励磁调节器软启励装置，手动缓慢建压至额定值。

图1 黑启动过程接线示意图Fig. 1 Black startup wiring diagram

4 黑启动的意义及影响

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、厂用电少，启动速度快等优点，故成为黑启动电源的首选。机组具有黑启动功能不仅是电站在全厂失电情况下安全生产自救的必要措施，也是电网发展的需要。

在电网大面积停电后，采取电网黑启动措施，将大大减少电网停电时间，尽快恢复电网的正常运行，利用黑启动电厂自启动开启的机组并到电网，电网所属机组逐级并网，使断电的电网供电范围逐渐减小，最终达到恢复电网的目的[8-10]。

[1] 熊惠敏，房鑫炎，郁惟慵，等.电力系统全网停电后的恢复——黑启动综述[J]. 电力系统及其自动化学报，1999（3）: 12-17.XIONG Huimin，FANG Xinyan，YU Weiyong，et al.Power system recovery after cut-Black start review[J]. Proceedings of the Electric Power System and Its Automation，1999（3）: 12-17（in Chinese）.

[2] 周卫杰. 电网安全与水电站黑启动[J]. 电力安全技术，2004（9）: 48-50.ZHOU Weijie. Black start power grid security and hydropower station[J]. Electric Power Security Technology，2004（9）: 48-50（in Chinese）.

[3] 陈国庆. 大型水力发电厂黑启动研究[J]. 电力系统自动化，2003（10）: 24-26.CHEN Guoqing. Large hydroelectric plant black start study[J]. Automation of Electric Power Systems，2003（10）:24-26（in Chinese）.

[4] 林汉伟. 飞来峡水电厂机组黑启动技术可行性的探讨[J].广东水利水电，1999（5）: 21-23.LIN Hanwei. The feasibility study of Feilaixia hydropower unit black start technology[J]. Guangdong Water Conservancy and Hydropower，1999（5）: 21-23（in Chinese）.

[5] 程刚. 葛洲坝二江电厂机组黑启动实践与分析[J]. 中国电力，2002（11）: 42-46.CHENG Gang.Black start practice and analysis of Gezhouba river power plant unit 2[J]. China Power，2002（11）: 42-46（in Chinese）.

[6] 陈湘匀. 广州蓄能水电厂作为广东电网黑启动电源的可行方案[J]. 电力系统自动化，2001（13）: 42-44.CHEN Xiangyun. Feasible solution of Guangzhou pumped storage power plant in Guangdong power grid black-start power supply[J]. Automation of Electric Power Systems，2001（13）: 42-44（in Chinese）.

[7] 吴涛，郭嘉阳，李华伟. 华北电网利用十三陵抽水蓄能电厂水电机组进行黑启动的试验研究[J]. 电网技术，2001（3）: 56-58.WU Tao，GUO Jiayang，LI Huawei. Grid black start experiment research in the Ming tombs pumped storage power plant used by North China power[J]. The Grid Technology，2001（3）: 56-58（in Chinese）.

[8] 姜国华，吴诗铭，黎家金，等.平班水电站运用“黑启动”的可行性[J]. 西南民族大学学报（自然科学版），2004，（5）: 662-665.JIANG Guohua，WU Shiming，LI Jiajin，et al. The feasibility of using black start class hydropower station[J].Journal of Southwest University for Nationalities（Natural Science Edition），2004（5）: 662-665（in Chinese）.

[9] 王兵. 黑启动在大源渡水电站的应用[J]. 湖南电力，2002（2）: 21-23.WANG Bin. Black start in the application of dayuandu hydropower station[J]. Hunan Electric Power，2002（2）:21-23（in Chinese）.

[10] 张悦. 山西电网黑启动方案研究[J]. 山西电力，2004（6）:9-11.ZHANG Yue. Black-start scheme research of Shanxi power grid[J]. Shanxi Electric Power，2004（6）: 9-11（in Chinese）.