巴基斯坦萨特帕诺水电项目的黑启动方案

曹文杰，刘晓鹰，程广蕾

(天津电气科学研究院有限公司，天津市 300180)

巴基斯坦萨特帕诺水电项目的黑启动方案

曹文杰，刘晓鹰，程广蕾

(天津电气科学研究院有限公司，天津市 300180)

摘要：电力系统稳定是电网安全运行的保证，由于故障会造成电网大面积停电，因此根据电网的结构和水轮发电机组的特点，建立有序、可靠的黑启动方案是必要的。水轮发电机组黑启动的任务是：对内恢复厂用电源，对外配合电网调度恢复电网系统。结合巴基斯坦萨特帕诺水电项目工程，讨论了孤网运行系统的黑启动方案。图3幅。

关键词：水电站；水轮发电机组；黑启动；孤网

0引言

黑启动[1]是指整个电力系统因故障停运后，在无法依靠其他电网送电恢复的条件下，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发电机组，并逐渐扩大系统恢复的范围，最终实现整个系统的恢复[2]。水电站的黑启动[3]是指在没有厂用交流电源的情况下，仅利用电站内蓄电池组储蓄的直流电能和液压系统存储的液压能量，完成机组的自启动，对内恢复厂用电源，对外可以配合电网调度，恢复电网的运行。

1项目背景

为缓解巴基斯坦SKARDU地区的电力危机及解决该地区的农业灌溉问题，巴基斯坦WAPDA(水力电力发展署)于2003年投资兴建了萨特帕诺大坝项目。该项目主要分为3个部分：坝区的建设；2座梯级水电站、66 kV升压站和网站；灌溉系统。中国机械对外经济技术合作总公司中标该项目的第二标段，即2座梯级水电站、66 kV升压站、11/66 kV输电线路和66 kV网站的机电设备的设计、供货、安装和调试任务。笔者所在公司作为该项目的主要分包商，负责此项目的设计、辅助设备的供货、现场调试及试运行。

萨特帕诺水电项目为梯级水电项目，位于巴基斯坦北方区SKARDU市萨特帕诺湖的下游，距市中心约5 km，平均海拔超过2 500 m。该项目以发电为主，总装机容量为13.6 MW(2×2.4 MW+2×4.4 MW)；66 kV出线一回送至66 kV网站(见图1)。此水电项目主要承担整个SKARDU地区的电力供应任务。

从整个项目的电气主结线图上可以看出，此项目为典型的孤网系统：4台水轮发电机组经66 kV升压站和66 kV网站后，送至当地电网公司的各个配电系统。

由于该项目集发电、输电和变电于一身，因此要求4台水轮发电机组都必须具有黑启动能力。

2黑启动的关键设备

2.1　调速系统

水轮机调速系统的关键是在失去厂用电时，保证水轮机导叶开启的操作油压在正常范围。因此，黑启动机组调速系统的油压装置必须保证机组在开机过程中可能发生最不利运行情况下的紧急及正常停机，即导叶接力器至少全开和全关一次。

图1电气主结线图

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，同时需要注意油压装置内的油气比例。必要时，通过手动补气，使油压装置内的油位保持在正常范围。

2.2　励磁系统

(1)功率柜冷却风机电源问题。黑启动时，厂用电完全中断，而功率柜风机电源取自厂用交流电源，因此风机不能正常运行。该项目的励磁系统在设计阶段已考虑此问题，功率柜可保证在风机停运的情况下至少正常运行30 min。

(2)长线路充电的容升效应。为避免出现线路过电压，启动路径中电压转换的次数应尽量少。电压转换次数的增加将直接影响黑启动初始阶段线路充电过程中是否会造成电压越限，同时还会增加电压损耗。

2.3　直流系统

直流系统是黑启动过程中的惟一电源，是电站的继电保护、操作控制、励磁、调速、事故照明等设备正常运行的前提，因此直流系统的稳定运行是黑启动过程中的重中之重。

2.4　润滑油系统

必须保证黑启动机组润滑油的供应。该项目的每台机组均具有独立的润滑油系统(见图2)，主要包括重力油箱、回油箱、油冷却器等设备。

重力油箱中的润滑油量必须能保证机组完成一次开机过程中可能发生最不利运行情况下的紧急及正常停机。

图2润滑油系统示意

3黑启动方案

该项目的正常运行方式为：1号和2号机组分别经主变升压至11 kV后，经双回11 kV输电线路与3号和4号机组并列运行。后在66 kV升压站经主变升至66 kV，通过66 kV输电线路送至66 kV网站。在66 kV网站经降压变压器降压至11 kV，经11 kV馈线断路器送至SKARDU市区各个供电变压器。

正常运行时，由于系统或线路故障造成机组甩负荷自动跳开线路侧的断路器，而机组继续处于运行状态，厂用电不会受到影响，即不存在黑启动问题；只需按照正常的操作流程重新送电即可。若由于系统或线路故障造成整个系统瘫痪，即4台机组全部停机；此时厂用交流电源已消失，操作人员在确认机组无异常情况后，第一台启动的机组必须严格按照黑启动有关的注意事项进行。

3.1　黑启动有关的注意事项

(1)确认故障导致66 kV母线电压消失。若线路断路器没有跳开，按照操作规程规定，黑启动前应依次跳开线路开关，避免黑启动机组带线路和主变压器进行零起升压。

(2)确认黑启动的机组。检查事故停机后的机组及其辅助设备，应处于正常状态。孤网系统中一般造成事故停机的主要原因是分配电系统的短路。如果事故停机由于其他原因引起，必须仔细查明原因并处理后，方可开机。同时，还应确认待启动机组调速系统的油压和润滑油系统重力油箱内的油位等满足机组黑启动的条件。

3.2　黑启动的操作步骤

(1)检查并确认黑启动机组是否满足启动要求(调速系统油压装置内的油压和油位，重力油箱内的油位，保护装置运行正常)。

图3黑启动流程示意

(2)检查并确认黑启动机组是否与系统隔离(相关的断路器必须处在断开位置)，且66 kV网站所有馈线断路器处于断开位置。

(3)打开黑启动机组的主进水阀。

(4)打开润滑油管路的供油阀。

(5)润滑油流量平稳后，退出接力器锁定及刹车。启动调速器，使黑启动机组的转速升至额定转速。

(6)机组达到95%额定转速后，励磁系统应在AVR方式下采用残压起励或直流起励。

(7)待发电机升至额定机端电压后，闭合发电机出口断路器。

(8)闭合厂用变压器的断路器，恢复电站自用电/厂用电供应。

(9)闭合11/66 kV主变压器低压侧断路器，给主变压器充电。

(10)闭合11/66 kV主变压器高压侧断路器，恢复对66 kV线路的供电，送电至66 kV网站。

(11)依次闭合66 kV网站的66/11 kV主变压器高、低压侧断路器，11 kV馈线断路器，逐步恢复对用户的供电(见图3)。

4结语

(1)加强设备的维护工作。定期检查设备，保证各个设备完好。

(2)加强运行、检修人员的技术培训工作。运行、检修人员的技术水平直接影响到设备的运行质量，应强化操作人员在机组事故停机情况下的应变能力和问题处理能力。

(3)首台机组黑启动成功后，应立即恢复厂用电的供应，及时恢复其他机组黑启动的能力。

(4)系统恢复供电后，网站运行人员应注意负荷的分配情况。系统所带的负荷不大于实际运行机组额定容量的75%；不大于调频机组额定容量的5%的突变负载，发生时间间隔大于2 min；不大于调频机组额定容量的15%的突变负载，发生时间间隔大于20 min。

(5)自动化元件。此项目的部分自动化元件的供电电源为AC 230 V，需更换为DC 220 V或DC 24 V。机组黑启动过程中，由于厂用电消失，部分自动化元件不能正常工作，因此不能启用自动化开机流程。

(6)直流系统。作为黑启动过程中的惟一电源，直流系统在设备更新换代时，最好更换为双电池组(热备用)。

(7)润滑油系统的油泵。油泵选配的电机为交流电机，为保证机组黑启动的顺利进行，应在润滑油系统中增加1台相同容量的直流电机。

参考文献：

[1]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)：95_97.

[2]熊慧敏，房鑫炎，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.

[3]王洪楠.水电厂黑启动功能的意义及应注意的问题[J].西北水电，2010(5)：63_64.

[4]NB/T 42034—2014，孤网运行的小水电机组设计导则[S].

■

责任编辑吴昊

作者简介：曹文杰(1979-)，男，工程师，主要从事水电站电气设计工作。E_mail:cwj0807@163.com

收稿日期：2015-08-20