袁 川，劉俊勇，張國松，吳 磊，龔 薇

(1.四川省電力公司，四川 成都 610041;2.四川大學(xué)電氣信息學(xué)院，四川 成都 610065)

0 引言

東西關(guān)水電廠位于四川省武勝縣境內(nèi)的嘉陵江上，是一座以發(fā)電為主，兼顧航運(yùn)、灌溉的綜合性水利樞紐。電站裝設(shè)4臺45 MW的軸流轉(zhuǎn)槳式機(jī)組，年發(fā)電量為9.55×108kWh，采用河床式廠房布置形式，按無人值班設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)水頭17 m，年平均運(yùn)行水頭21.6 m，計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、調(diào)速器電柜、勵磁系統(tǒng)及自動化元件等自動化系統(tǒng)設(shè)備采用瑞典ABB公司設(shè)備，水輪機(jī)及其輔助設(shè)備由施耐德公司提供。電站水庫庫容21×107m3，調(diào)節(jié)庫容165×106m3，水庫正常蓄水位248.50 m，汛期最低運(yùn)行水位241.00 m;閘壩最大泄水流量41 700 m3/s，最高洪水位259.96 m。電廠的電氣主接線圖如圖1所示。

東西關(guān)電廠電動機(jī)與主變壓器采用單元接線，機(jī)組同期和換相在主變壓器低壓側(cè)進(jìn)行。機(jī)組勵磁系統(tǒng)采用靜止可控硅自并勵系統(tǒng)，其電源分別取自各機(jī)組主變壓器低壓側(cè)，經(jīng)勵磁變壓器降壓后向其勵磁系統(tǒng)供電。廠高壓直接從主變壓器的低壓側(cè)取電，在機(jī)組停機(jī)或故障的情況下能不間斷地從系統(tǒng)倒送電，從而保證廠用電正常供電。同時，還設(shè)置一臺柴油發(fā)電機(jī)，作為全廠停電時機(jī)組黑啟動的電源和消防保安電源。

圖1 東西關(guān)水電站的電氣主接線圖

當(dāng)發(fā)生大面積停電的重大系統(tǒng)事故時，若無任何黑啟動措施，則會使停電時間延長，造成國民經(jīng)濟(jì)重大損失。黑啟動是電力系統(tǒng)安全運(yùn)行的重要措施之一，黑啟動是指機(jī)組在無外界幫助下，停運(yùn)后能快速恢復(fù)發(fā)電，并通過輸電線給其他機(jī)組提供廠用電，使其他機(jī)組恢復(fù)發(fā)電運(yùn)行，最終恢復(fù)整個系統(tǒng)，其目標(biāo)是在最短時間內(nèi)使系統(tǒng)恢復(fù)帶負(fù)荷能力［1］。系統(tǒng)恢復(fù)的順利與否關(guān)鍵在于啟動電源即黑啟動機(jī)組。機(jī)組黑啟動時啟動條件較為惡劣，因此，具有黑啟動能力的機(jī)組應(yīng)具備特殊的要求［2］。下面簡要介紹了東西關(guān)水電站機(jī)組作為南充遂寧電網(wǎng)黑啟動機(jī)組的特殊要求，以及黑啟動的一般過程和步驟，并且比較分析了不同類型的水輪機(jī)組自啟動能力的優(yōu)劣，以及它們對黑啟動效果的影響，最后通過試驗(yàn)驗(yàn)證了東西關(guān)電廠作為南充遂寧電網(wǎng)黑啟動電源的可行性。

1 黑啟動過程中的關(guān)鍵問題

1.1 勵磁起勵電源

在正常情況下，機(jī)組開機(jī)時的起勵電源取自主變壓器低壓側(cè)的勵磁變壓器，即從系統(tǒng)取電，系統(tǒng)瓦解后機(jī)組無法從電網(wǎng)取得勵磁電源，勵磁風(fēng)機(jī)將不能運(yùn)行，受功率柜溫度限制，勵磁系統(tǒng)可能無法長時間運(yùn)行。東西關(guān)水電站黑啟動時合上發(fā)電機(jī)出口開關(guān)，使勵磁變壓器連接到機(jī)端，此時采用220 V蓄電池的直流電源起勵，通過正反饋建立機(jī)端電壓，解決黑啟動時勵磁電源問題。在機(jī)端電壓建立起來后，切換成通過勵磁變壓器供勵磁電源。

1.2 調(diào)速系統(tǒng)和球閥液壓操作動力

機(jī)組壓油系統(tǒng)是提供機(jī)組液壓操作動力的裝置［3］。調(diào)速系統(tǒng)的油壓裝置一般能滿足機(jī)組在運(yùn)行中可能發(fā)生的最不利運(yùn)行情況的需要，即首先甩去額定負(fù)荷，導(dǎo)葉接力器全關(guān)1次，然后擺動若干次(按進(jìn)行1次全關(guān)閉考慮)，接著機(jī)組又并入電網(wǎng)帶上額定負(fù)荷，導(dǎo)葉全開1次(對轉(zhuǎn)漿式水輪機(jī)其輪葉接力器也相應(yīng)動作)。故在正常情況下，油壓裝置的油壓可以保證機(jī)組進(jìn)行一次正常自啟動，因此在事故前壓油罐的油壓和油位很大程度上決定黑啟動成功與否。東西關(guān)水電站壓油系統(tǒng)油壓是自動控制，每天不少于3次的巡回檢查，保證壓油罐的油氣比例在正常值，額定工作壓力為4.0 MPa，事故低油壓值為3.0 MPa。機(jī)組調(diào)速器為交、直流220 V同時供電，交、直流電源可實(shí)現(xiàn)自動切換，調(diào)速器調(diào)節(jié)功能齊全，調(diào)節(jié)響應(yīng)迅速，大大減少了調(diào)速器在機(jī)組啟動以及停機(jī)備用時的耗油量。調(diào)速系統(tǒng)電氣裝置采用微機(jī)自動調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)參數(shù)整定好，調(diào)節(jié)靈活，控制部分均具有頻率自動跟蹤功能，可實(shí)現(xiàn)機(jī)組空載以及孤立運(yùn)行時的頻率調(diào)節(jié)，能很好適應(yīng)各種運(yùn)行情況。調(diào)速系統(tǒng)能滿足機(jī)組“黑啟動”的要求。

1.3 機(jī)組導(dǎo)軸承發(fā)熱潤滑與主變壓器冷卻

東西關(guān)水電站發(fā)電機(jī)有推力、上導(dǎo)、下導(dǎo)三大軸承，其中推力和下導(dǎo)共用一個油槽。上導(dǎo)、推力和下導(dǎo)均利用電機(jī)的自泵式油循環(huán)系統(tǒng)作用使油進(jìn)行外循環(huán)，外部加裝冷卻器;水導(dǎo)采用強(qiáng)迫油外循環(huán)水冷。在柴油發(fā)電機(jī)不可用時，水導(dǎo)軸承油泵不能運(yùn)行使油循環(huán)，機(jī)組各軸承沒有冷卻水，機(jī)組軸承運(yùn)行條件變差，為確保各軸承安全，黑啟動時間不宜過長［4］。但在黑啟動情況下，機(jī)組的軸承能夠在沒有冷卻水的情況下運(yùn)行15 min而不發(fā)生損壞 ，而東西關(guān)水電站機(jī)組正常啟動時間只有3 min，可以在機(jī)組開啟成功后帶廠用電負(fù)荷。黑啟動時直流注油泵投入運(yùn)行，高壓油通過軸瓦中心孔射出 ，在推力瓦與鏡板間強(qiáng)制形成潤滑油膜。主變壓器冷卻方式是強(qiáng)迫油循環(huán)水冷。在柴油發(fā)電機(jī)不可用時，則利用主變壓器自身的允許溫升能力，待機(jī)組開啟成功帶廠用電后，冷卻主變壓器。

1.4 監(jiān)控系統(tǒng)

監(jiān)控系統(tǒng)配置專用的不間斷電源(UPS)，由交、直流同時供電。在廠用交流中斷的情況下，該UPS實(shí)現(xiàn)自動切換，正常承載負(fù)荷，保證監(jiān)控系統(tǒng)在黑啟動過程中正常運(yùn)行。

1.5 照明和通訊、自動化系統(tǒng)

對于地下廠房或者在夜間操作的水電站，要保證事故照明滿足條件，東西關(guān)電站正常時，廠房事故照明由交流和直流UPS供電，在廠用交流電源消失后220 V直流系統(tǒng)通過逆變供給仍能保證可靠供電。通訊采用程控、光纜、載波、移動通訊相結(jié)合，設(shè)有專用的通訊用蓄電池組，確保通訊系統(tǒng)可靠，滿足黑啟動期間的需要。機(jī)組監(jiān)控系統(tǒng)、機(jī)組重要裝置均采用交、直流供電或直流供電，能保證裝置的可靠運(yùn)行。

2 不同型式水電機(jī)組自啟動能力

雖然與火電、核電機(jī)組相比，水輪發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，沒有復(fù)雜的輔機(jī)系統(tǒng)，廠用電少，啟動速度快，是安全、理想、方便的電網(wǎng)安全恢復(fù)工具，但是不同類型的水電機(jī)組對黑啟動也會產(chǎn)生不同的影響，因此有必要對不同型式的水電機(jī)組自啟動能力進(jìn)行比較。這里對貫流式、混流式、軸流式3種水電機(jī)組的自啟動能力進(jìn)行比較，以便選擇出更加適合的水電機(jī)組作為黑啟動電源。

2.1 水輪機(jī)的類型

水輪機(jī)是將水能轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)機(jī)械能的動力設(shè)備，它可分為兩類:反擊式和沖擊式。這里主要討論反擊式水輪機(jī)。水流以輻向從四周進(jìn)入轉(zhuǎn)輪，而以軸向流出轉(zhuǎn)輪的水輪機(jī)稱為混流式水輪機(jī)。這種水輪機(jī)的適用水頭范圍為30～700 m。由于其適用水頭范圍廣，且結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行穩(wěn)定、效率高，是目前應(yīng)用最廣泛的一種水輪機(jī)。水輪機(jī)的水流在進(jìn)入轉(zhuǎn)輪時，流向與主軸中心線平行，水流經(jīng)過轉(zhuǎn)輪后又沿軸向流出的水輪機(jī)稱為軸流式水輪機(jī)。軸流式水輪機(jī)又可分為定槳式和轉(zhuǎn)槳式兩種，其適用水頭范圍分別為3～50 m和3～80 m。當(dāng)水輪機(jī)的主軸成水平或傾斜布置，裝置在流道中，使水流直貫轉(zhuǎn)輪，這種水輪機(jī)稱為貫流式水輪機(jī)，貫流式水輪機(jī)過流能力較好，適用水頭范圍2 ～30 m［5］。

2.2 自保能力

機(jī)型的不同，自保能力也不一樣［6］。如混流式機(jī)組可以自流排水;由于軸流轉(zhuǎn)槳式機(jī)組水導(dǎo)軸承安裝高程相對較低，軸流轉(zhuǎn)槳式機(jī)組頂蓋積水通常采用水泵排水。一般來說，貫流式水電站的廠房為河床式，機(jī)組臥式布置。因此，盡管機(jī)組流道開挖深度較常規(guī)立式機(jī)組淺，但不能自流排除，因而采用水泵排水。所以對于軸流轉(zhuǎn)槳式和貫流式機(jī)組來說，在黑啟動時，當(dāng)廠用電消失時間長，頂蓋排水受阻，一旦水位超過水導(dǎo)轉(zhuǎn)動油盆，則其完全失去自保能力。

2.3 適應(yīng)負(fù)荷變化能力

混流式水輪機(jī)其葉片固定，轉(zhuǎn)輪葉片不可調(diào)，出力依靠導(dǎo)水葉來調(diào)節(jié)，在偏離最優(yōu)工況時效率會下降，不適合負(fù)荷變化較大的電站。軸流式水輪機(jī)以轉(zhuǎn)槳式應(yīng)用最多，因其葉片可隨水頭和導(dǎo)葉開度變化而協(xié)聯(lián)轉(zhuǎn)動的特點(diǎn)，其平均效率比混流式水輪機(jī)高，適合于負(fù)荷變化大、水頭相對較低的電站。貫流式水輪機(jī)的轉(zhuǎn)輪與軸流轉(zhuǎn)槳式相同，只是流道形式有區(qū)別，因此在黑啟動期間，可能出現(xiàn)負(fù)荷變化較大的情況下，宜采用軸流轉(zhuǎn)槳式水電機(jī)組作為黑啟動的電源。一般來說，水電機(jī)組相對火電機(jī)組來說，負(fù)荷調(diào)節(jié)速率快，適應(yīng)范圍廣，抗干擾能力強(qiáng)，均具有較強(qiáng)的適應(yīng)負(fù)荷變化能力(貫流式機(jī)組不具有自啟動能力，不能作為黑啟動電源考慮)。

2.4 工作特性曲線

一般來說，水電站水輪機(jī)通常在固定的轉(zhuǎn)速下運(yùn)轉(zhuǎn)，水頭的變化也比較緩慢，但機(jī)組負(fù)荷則是經(jīng)常變化的。為表示水輪機(jī)工作在固定的轉(zhuǎn)速和水頭下的特性而繪制的曲線，即為水輪機(jī)工作特性曲線［7］，如圖2所示為各類型水輪機(jī)工作特性曲線。

圖2 各類型水輪機(jī)工作特性曲線比較

從曲線1可以看出，曲線末端呈彎鉤形，當(dāng)水輪機(jī)出力達(dá)到最大值后，若再加大導(dǎo)葉開度增加過流量，由于此時水輪機(jī)內(nèi)水流條件惡化、水力損失加大、效率降低等不利影響超過了流量增加的有利影響，出力不但不增加，反而減小。在實(shí)際運(yùn)行中不允許出現(xiàn)這種情況，因此混流式水輪機(jī)工作出力不得超過最大出力的95%。從曲線2、3可以看出軸流式、貫流式水輪機(jī)工作特性曲線的特點(diǎn)是高效區(qū)域比較寬，效率變化平緩，最大出力沒有5%的出力限制。因此在黑啟動時，需要快速恢復(fù)負(fù)荷的情況下，高效率區(qū)間較寬、出力不受5%限制的機(jī)組更加適合作為黑啟動的電源。

綜上分析，不同類型的水輪機(jī)作為黑啟動電源都有著各自的優(yōu)缺點(diǎn)，同時也可以看出東西關(guān)電廠采用的軸流轉(zhuǎn)槳式水電機(jī)組作為黑啟動電源的可行性。

3 東西關(guān)水電站黑啟動方案

3.1 黑啟動原則

黑啟動過程中應(yīng)該遵循化整為零、分片啟動，先主后次、有序供電，由下到上、按級恢復(fù)，快穩(wěn)兼顧、可靠擴(kuò)展的原則有序地進(jìn)行電力系統(tǒng)的重構(gòu)。確認(rèn)系統(tǒng)故障導(dǎo)致大面積停電或廠用電全部消失后，應(yīng)在權(quán)限范圍內(nèi)自行斷開有關(guān)設(shè)備開關(guān)，做好黑啟動準(zhǔn)備，取得調(diào)度同意后，選擇油壓裝置中油壓較高、頂蓋漏水較小、自啟動能力好、能實(shí)現(xiàn)自動開機(jī)的機(jī)組做“黑啟動”機(jī)組，盡快開機(jī)恢復(fù)廠用電，廠用電恢復(fù)后，提起電站閘門，防止水庫上水，并在調(diào)度的安排下逐步向系統(tǒng)恢復(fù)送電。

3.2 前期性能試驗(yàn)

為全面檢驗(yàn)機(jī)組黑啟動預(yù)案中各項(xiàng)操作的實(shí)際效果，了解機(jī)組黑啟動狀態(tài)下開機(jī)的可行性，進(jìn)行了以下分項(xiàng)試驗(yàn)。

1)模擬機(jī)組黑啟動時，勵磁風(fēng)機(jī)停運(yùn)后可控硅溫度上升和報(bào)警試驗(yàn)。

2)模擬機(jī)組黑啟動時，機(jī)組事故低油壓試驗(yàn)。

3)油壓裝置的油壓和油位特征值的確定。

4)機(jī)組推力軸承及各導(dǎo)軸承油溫和瓦溫測試。

5)直流系統(tǒng)。

6)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。

3.3 試驗(yàn)一般步驟

1)檢查確認(rèn)機(jī)組符合黑啟動的相關(guān)條件，確認(rèn)油位、油壓、勵磁、直流系統(tǒng)、UPS電源均滿足黑啟動試驗(yàn)條件。

2)檢查確認(rèn)機(jī)組與系統(tǒng)隔離(相關(guān)的短路器和隔離開關(guān)在斷開狀態(tài))。

3)投入主變壓器中性點(diǎn)隔離開關(guān)。

4)投入機(jī)組冷卻水系統(tǒng)。

5)手動拔出機(jī)組鎖錠，手動撤除機(jī)組制動閘。

6)將調(diào)速器切手動，手動將導(dǎo)葉打開至空載開度，監(jiān)視機(jī)組轉(zhuǎn)速達(dá)到額定轉(zhuǎn)速并穩(wěn)定運(yùn)行 ，再將調(diào)速器切回自動。

7)投入機(jī)組勵磁系統(tǒng)，手動起勵，監(jiān)視發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓正常。

8)投入廠用變壓器，逐步恢復(fù)廠用系統(tǒng)。

9)對外恢復(fù)電網(wǎng)供電:可采用全電壓向系統(tǒng)充電、零起升壓這2種方式，具體方式在內(nèi)部已經(jīng)恢復(fù)廠用電的基礎(chǔ)上由電網(wǎng)調(diào)度員調(diào)度，并按照其調(diào)令執(zhí)行。

3.4 仿真黑啟動機(jī)組帶空載長線路過電壓

黑啟動過程中可能會出現(xiàn)空載長線過電壓［8，9］，將會對設(shè)備的絕緣造成一定的危害，因此有必要在黑啟動試驗(yàn)前，對機(jī)組帶空載長線路過電壓進(jìn)行仿真研究。當(dāng)東西關(guān)電廠機(jī)組空載情況下對110 kV關(guān)任線線路充電時，仿真波形如圖3、4、5所示。

由上述仿真結(jié)果可見，當(dāng)東西關(guān)電廠單機(jī)帶40 km 110 kV空線時，由于空載線路對地電容的影響，發(fā)電機(jī)相當(dāng)于帶了一定的容性負(fù)荷，由此致使在合閘瞬間發(fā)電機(jī)出口電壓、線路末端電壓都達(dá)到最大，其中機(jī)端相電壓瞬時值接近15 kV，最大值達(dá)13.5 kV，線路終端瞬時電壓接近182 kV，但也迅速衰減為額定值，此過電壓的過程對于設(shè)備的絕緣具有一定的危害。發(fā)電機(jī)出口電壓并沒有因助磁作用而相互繼續(xù)增大或產(chǎn)生波動，因此在此情況下該機(jī)組沒有發(fā)生自勵磁。發(fā)電機(jī)端線電壓有效值最大約10.73 kV，遠(yuǎn)小于發(fā)電機(jī)過電壓定值1.3UN，穩(wěn)定后發(fā)電機(jī)進(jìn)相無功穩(wěn)定于1.51 Mvar，遠(yuǎn)低于低勵限制20 Mvar，發(fā)電機(jī)仍然具有較大的無功調(diào)節(jié)能力［10］。

3.5 試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)上述試驗(yàn)方案，對東西關(guān)電廠進(jìn)行了黑啟動試驗(yàn)，并記錄下了試驗(yàn)過程中任隆變電站的母線線電壓和線電流的波形圖，如圖6所示。

從試驗(yàn)波形圖中可以看出，在黑啟動過程中，母線電壓、電流以及電網(wǎng)頻率都在正常范圍內(nèi)波動，表明了黑啟動方案的正確性。

圖3 機(jī)端相電壓瞬時波形曲線

圖4 線路終端相電壓、電流曲線

圖5 機(jī)端線電壓有效值變化曲線

圖6 東西關(guān)水電站黑啟動試驗(yàn)110 kV母線電壓電流波形圖

4 結(jié)論

介紹了東西關(guān)電廠黑啟動方案的理論依據(jù)和實(shí)施過程，并且分析了不同類型的水電機(jī)組作為黑啟動電源的優(yōu)劣，為運(yùn)行人員選擇黑啟動電源提供了理論依據(jù)。運(yùn)用PSCAD對黑啟動過程中的發(fā)電機(jī)帶空載長線的過電壓進(jìn)行了仿真，仿真驗(yàn)證了黑啟動方案的可行性。最后通過黑啟動試驗(yàn)的成功，說明東西關(guān)電廠可以作為南充遂寧電網(wǎng)的黑啟動電源點(diǎn)。

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