曹文杰，劉曉鷹，程廣蕾

(天津電氣科學研究院有限公司，天津市 300180)

巴基斯坦薩特帕諾水電項目的黑啟動方案

曹文杰，劉曉鷹，程廣蕾

(天津電氣科學研究院有限公司，天津市 300180)

摘要：電力系統(tǒng)穩(wěn)定是電網(wǎng)安全運行的保證，由于故障會造成電網(wǎng)大面積停電，因此根據(jù)電網(wǎng)的結構和水輪發(fā)電機組的特點，建立有序、可靠的黑啟動方案是必要的。水輪發(fā)電機組黑啟動的任務是：對內(nèi)恢復廠用電源，對外配合電網(wǎng)調(diào)度恢復電網(wǎng)系統(tǒng)。結合巴基斯坦薩特帕諾水電項目工程，討論了孤網(wǎng)運行系統(tǒng)的黑啟動方案。圖3幅。

關鍵詞：水電站；水輪發(fā)電機組；黑啟動；孤網(wǎng)

0引言

黑啟動[1]是指整個電力系統(tǒng)因故障停運后，在無法依靠其他電網(wǎng)送電恢復的條件下，通過系統(tǒng)中具有自啟動能力機組的啟動，帶動無自啟動能力的發(fā)電機組，并逐漸擴大系統(tǒng)恢復的范圍，最終實現(xiàn)整個系統(tǒng)的恢復[2]。水電站的黑啟動[3]是指在沒有廠用交流電源的情況下，僅利用電站內(nèi)蓄電池組儲蓄的直流電能和液壓系統(tǒng)存儲的液壓能量，完成機組的自啟動，對內(nèi)恢復廠用電源，對外可以配合電網(wǎng)調(diào)度，恢復電網(wǎng)的運行。

1項目背景

為緩解巴基斯坦SKARDU地區(qū)的電力危機及解決該地區(qū)的農(nóng)業(yè)灌溉問題，巴基斯坦WAPDA(水力電力發(fā)展署)于2003年投資興建了薩特帕諾大壩項目。該項目主要分為3個部分：壩區(qū)的建設；2座梯級水電站、66 kV升壓站和網(wǎng)站；灌溉系統(tǒng)。中國機械對外經(jīng)濟技術合作總公司中標該項目的第二標段，即2座梯級水電站、66 kV升壓站、11/66 kV輸電線路和66 kV網(wǎng)站的機電設備的設計、供貨、安裝和調(diào)試任務。筆者所在公司作為該項目的主要分包商，負責此項目的設計、輔助設備的供貨、現(xiàn)場調(diào)試及試運行。

薩特帕諾水電項目為梯級水電項目，位于巴基斯坦北方區(qū)SKARDU市薩特帕諾湖的下游，距市中心約5 km，平均海拔超過2 500 m。該項目以發(fā)電為主，總裝機容量為13.6 MW(2×2.4 MW+2×4.4 MW)；66 kV出線一回送至66 kV網(wǎng)站(見圖1)。此水電項目主要承擔整個SKARDU地區(qū)的電力供應任務。

從整個項目的電氣主結線圖上可以看出，此項目為典型的孤網(wǎng)系統(tǒng)：4臺水輪發(fā)電機組經(jīng)66 kV升壓站和66 kV網(wǎng)站后，送至當?shù)仉娋W(wǎng)公司的各個配電系統(tǒng)。

由于該項目集發(fā)電、輸電和變電于一身，因此要求4臺水輪發(fā)電機組都必須具有黑啟動能力。

2黑啟動的關鍵設備

2.1　調(diào)速系統(tǒng)

水輪機調(diào)速系統(tǒng)的關鍵是在失去廠用電時，保證水輪機導葉開啟的操作油壓在正常范圍。因此，黑啟動機組調(diào)速系統(tǒng)的油壓裝置必須保證機組在開機過程中可能發(fā)生最不利運行情況下的緊急及正常停機，即導葉接力器至少全開和全關一次。

圖1電氣主結線圖

在正常情況下，油壓裝置的油壓可以保證機組進行一次正常自啟動，同時需要注意油壓裝置內(nèi)的油氣比例。必要時，通過手動補氣，使油壓裝置內(nèi)的油位保持在正常范圍。

2.2　勵磁系統(tǒng)

(1)功率柜冷卻風機電源問題。黑啟動時，廠用電完全中斷，而功率柜風機電源取自廠用交流電源，因此風機不能正常運行。該項目的勵磁系統(tǒng)在設計階段已考慮此問題，功率柜可保證在風機停運的情況下至少正常運行30 min。

(2)長線路充電的容升效應。為避免出現(xiàn)線路過電壓，啟動路徑中電壓轉(zhuǎn)換的次數(shù)應盡量少。電壓轉(zhuǎn)換次數(shù)的增加將直接影響黑啟動初始階段線路充電過程中是否會造成電壓越限，同時還會增加電壓損耗。

2.3　直流系統(tǒng)

直流系統(tǒng)是黑啟動過程中的惟一電源，是電站的繼電保護、操作控制、勵磁、調(diào)速、事故照明等設備正常運行的前提，因此直流系統(tǒng)的穩(wěn)定運行是黑啟動過程中的重中之重。

2.4　潤滑油系統(tǒng)

必須保證黑啟動機組潤滑油的供應。該項目的每臺機組均具有獨立的潤滑油系統(tǒng)(見圖2)，主要包括重力油箱、回油箱、油冷卻器等設備。

重力油箱中的潤滑油量必須能保證機組完成一次開機過程中可能發(fā)生最不利運行情況下的緊急及正常停機。

圖2潤滑油系統(tǒng)示意

3黑啟動方案

該項目的正常運行方式為：1號和2號機組分別經(jīng)主變升壓至11 kV后，經(jīng)雙回11 kV輸電線路與3號和4號機組并列運行。后在66 kV升壓站經(jīng)主變升至66 kV，通過66 kV輸電線路送至66 kV網(wǎng)站。在66 kV網(wǎng)站經(jīng)降壓變壓器降壓至11 kV，經(jīng)11 kV饋線斷路器送至SKARDU市區(qū)各個供電變壓器。

正常運行時，由于系統(tǒng)或線路故障造成機組甩負荷自動跳開線路側的斷路器，而機組繼續(xù)處于運行狀態(tài)，廠用電不會受到影響，即不存在黑啟動問題；只需按照正常的操作流程重新送電即可。若由于系統(tǒng)或線路故障造成整個系統(tǒng)癱瘓，即4臺機組全部停機；此時廠用交流電源已消失，操作人員在確認機組無異常情況后，第一臺啟動的機組必須嚴格按照黑啟動有關的注意事項進行。

3.1　黑啟動有關的注意事項

(1)確認故障導致66 kV母線電壓消失。若線路斷路器沒有跳開，按照操作規(guī)程規(guī)定，黑啟動前應依次跳開線路開關，避免黑啟動機組帶線路和主變壓器進行零起升壓。

(2)確認黑啟動的機組。檢查事故停機后的機組及其輔助設備，應處于正常狀態(tài)。孤網(wǎng)系統(tǒng)中一般造成事故停機的主要原因是分配電系統(tǒng)的短路。如果事故停機由于其他原因引起，必須仔細查明原因并處理后，方可開機。同時，還應確認待啟動機組調(diào)速系統(tǒng)的油壓和潤滑油系統(tǒng)重力油箱內(nèi)的油位等滿足機組黑啟動的條件。

3.2　黑啟動的操作步驟

(1)檢查并確認黑啟動機組是否滿足啟動要求(調(diào)速系統(tǒng)油壓裝置內(nèi)的油壓和油位，重力油箱內(nèi)的油位，保護裝置運行正常)。

圖3黑啟動流程示意

(2)檢查并確認黑啟動機組是否與系統(tǒng)隔離(相關的斷路器必須處在斷開位置)，且66 kV網(wǎng)站所有饋線斷路器處于斷開位置。

(3)打開黑啟動機組的主進水閥。

(4)打開潤滑油管路的供油閥。

(5)潤滑油流量平穩(wěn)后，退出接力器鎖定及剎車。啟動調(diào)速器，使黑啟動機組的轉(zhuǎn)速升至額定轉(zhuǎn)速。

(6)機組達到95%額定轉(zhuǎn)速后，勵磁系統(tǒng)應在AVR方式下采用殘壓起勵或直流起勵。

(7)待發(fā)電機升至額定機端電壓后，閉合發(fā)電機出口斷路器。

(8)閉合廠用變壓器的斷路器，恢復電站自用電/廠用電供應。

(9)閉合11/66 kV主變壓器低壓側斷路器，給主變壓器充電。

(10)閉合11/66 kV主變壓器高壓側斷路器，恢復對66 kV線路的供電，送電至66 kV網(wǎng)站。

(11)依次閉合66 kV網(wǎng)站的66/11 kV主變壓器高、低壓側斷路器，11 kV饋線斷路器，逐步恢復對用戶的供電(見圖3)。

4結語

(1)加強設備的維護工作。定期檢查設備，保證各個設備完好。

(2)加強運行、檢修人員的技術培訓工作。運行、檢修人員的技術水平直接影響到設備的運行質(zhì)量，應強化操作人員在機組事故停機情況下的應變能力和問題處理能力。

(3)首臺機組黑啟動成功后，應立即恢復廠用電的供應，及時恢復其他機組黑啟動的能力。

(4)系統(tǒng)恢復供電后，網(wǎng)站運行人員應注意負荷的分配情況。系統(tǒng)所帶的負荷不大于實際運行機組額定容量的75%；不大于調(diào)頻機組額定容量的5%的突變負載，發(fā)生時間間隔大于2 min；不大于調(diào)頻機組額定容量的15%的突變負載，發(fā)生時間間隔大于20 min。

(5)自動化元件。此項目的部分自動化元件的供電電源為AC 230 V，需更換為DC 220 V或DC 24 V。機組黑啟動過程中，由于廠用電消失，部分自動化元件不能正常工作，因此不能啟用自動化開機流程。

(6)直流系統(tǒng)。作為黑啟動過程中的惟一電源，直流系統(tǒng)在設備更新?lián)Q代時，最好更換為雙電池組(熱備用)。

(7)潤滑油系統(tǒng)的油泵。油泵選配的電機為交流電機，為保證機組黑啟動的順利進行，應在潤滑油系統(tǒng)中增加1臺相同容量的直流電機。

參考文獻：

[1]陳國慶.大型水力發(fā)電廠黑啟動研究[J].電力系統(tǒng)自動化，2003(10)：95_97.

[2]熊慧敏，房鑫炎，等.電力系統(tǒng)全網(wǎng)停電后的恢復——黑啟動綜述[J].電力系統(tǒng)及其自動化學報，1999(3)：12_17.

[3]王洪楠.水電廠黑啟動功能的意義及應注意的問題[J].西北水電，2010(5)：63_64.

[4]NB/T 42034—2014，孤網(wǎng)運行的小水電機組設計導則[S].

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責任編輯吳昊

作者簡介：曹文杰(1979-)，男，工程師，主要從事水電站電氣設計工作。E_mail:cwj0807@163.com

收稿日期：2015-08-20