淺談黑麋峰機組背靠背（BTB）調試經驗和體會

陳海波 楊 暉

（湖南五凌電力有限公司 長沙市 410002）

1 概 述

黑麋峰抽水蓄能電廠位于長沙市望城縣橋驛鎮，緊鄰湖南電網負荷中心長、株、潭地區。電廠樞紐建筑物由上水庫、輸水系統、地下廠房系統、下水庫、地面開關站及中控樓副廠房等建筑物組成。電廠廠房為洞內式布置，所有機電設備都安裝在淹沒深度-50 m的地下廠房內，輸水發電系統上游引水采用一洞兩機，下游尾水采用一洞一機布置方式。

電廠上水庫位于黑麋峰山麓西側，庫盆由五家沖、易家沖和長沖山間谷地構成，主要建筑物包括兩座主壩和兩座副壩，總庫容996.5萬m3，蓄能發電庫容842.4萬m3，正常蓄水位400.00 m，死水位376.5 m。下水庫位于楊橋東側湖溪沖沖溝內，于沖谷口修建大壩，主要建筑物包括大壩和泄洪洞，正常蓄水位為103.70 m，死水位65 m，總庫容為 959.3萬m3，調節庫容843.8萬m3。

電廠安裝4臺單機容量為300 MW單級立軸混流可逆式機組，總裝機容量為1 200 MW，設計年發電量16.06億kW·h，年抽水耗用低谷電量21.41億kW·h，年發電利用小時數1 338 h，年抽水利用小時數1 732 h。電廠主接線采用2機1變擴大單元及單母線接線型式，500 kV設備選用全封閉組合電器GIS，分地上GIS、地下GIS兩部分，兩者之間采用500 kV干式高壓電纜連接，以一回出線500 kV黑沙線一級電壓接入湖南電網500 kV沙坪變電站，輸電距離16.42 km，另預留1回500 kV備用出線。黑麋峰為日調節純抽水蓄能電廠，設計日發電小時數（1～5）h，日抽水小時數（1～7）h，主要承擔湖南及華中電網的調峰、填谷、調頻、調相及緊急事故備用。

可逆式機組主要有發電、發電調相、抽水、抽水調相和靜止五種運行工況，其中又有多達11種相互間的工況轉換過程?？赡媸綑C組發電工況啟動與常規水電機組一樣，而水泵工況采用靜止變頻啟動（SFC）為主，同步背靠背（BTB）啟動為輔的啟動方式。背靠背（BTB）啟動是以一臺機組作為拖動機拖動另外一臺機組（被拖機）至水泵調相工況并網的啟動模式簡稱。BTB啟動前先將拖動機與被拖機通過啟動母線作為電氣軸連接在一起；然后拖動機開輔機、開球閥，被拖機開輔機、壓水；接著兩臺機加上適當的恒定勵磁電流；最后拖動機開導葉，其定子繞組上感應出（0～50）Hz的低頻電壓經啟動母線施加于被拖機組，在被拖機組上產生啟動轉矩，使被拖機隨拖動機組同步旋轉，隨著拖動機導葉逐漸開大，兩臺機的轉速和機端電壓逐漸上升到額定值；當轉速大于95%時投入同期裝置將被拖機并入電網，然后拖動機自動停機備用。BTB啟動過程中電氣軸的連接如圖1（1＃機拖2＃機）。

圖1 BTB啟動過程中電氣軸的連接

2 技術參數

2.1 水泵水輪機參數

型式∶單級立軸混流可逆式水泵水輪機；型號：HLNTPLJ-502；轉輪直徑：5.02 m；額定轉速：300 r/min；穩態飛逸轉速：465 r/min；安裝高程：15.00 m；吸出高度：-50 m；旋轉方向：水輪機工況為俯視逆時針，水泵工況為俯視順時針。

水輪機工況：最大毛水頭335 m；最小毛水頭272.8 m；額定流量115.9m3/s；額定水頭295m；額定出力：306.1MW。

水泵工況：最大揚程337.6 m；最小揚程276.2 m；極限揚程266 m；最大抽水流量104.7 m3/s；電動工況額定效率93.24%；最大入力316.3 MW；發電工況額定效率89.53%。

2.2 電動發電機參數

型式：三相、立軸、半傘式、密閉循環空冷、可逆式同步電機；型號：SFD300-20/700；定子接線形式：4 Y；定轉子間氣隙 33.5 mm；額定頻率：50 Hz；額定電壓：18 kV；額定轉速：300 r/min；空載勵磁電流：930 A；空載勵磁電壓（40℃）：130 V； 最大勵磁電流：1 770 A； 最大勵磁電壓（130℃）：320 V。

工況見附表。

附表 電動發動機工況

3 BTB啟動中存在的技術難題及解決辦法

BTB拖動過程中需要兩臺機組同時啟動，拖動機組發電工況流程（逆時針旋轉），被拖機組水泵調相工況流程（順時針旋轉），其控制流程復雜，兩臺機LCU間需進行動態聯動配合控制，使拖動機與被拖機始終保持同步，一旦配合失敗，將可能導致BTB啟動不成功或設備損壞事故。BTB調試存在如下技術難題：

（1）在BTB 啟動前期階段（f=0～20 Hz），兩臺機定子繞組上將流過低頻電流，如果此階段中任何一臺機組發生故障，拖動機出口開關應瞬時跳閘，但頻率越低，開關開斷故障低頻電流的能力越差，跳閘時機選擇不當將可能導致開關爆炸，同時切斷故障電流的時間越長，對機組的損害就越嚴重，可能導致機組報廢的嚴重后果。通過計算，機組在頻率為20 Hz以下時產生的最大短路電流為20 kA，而機組出口斷路器GCB為ABB產HECPS-3 S型，其開斷能力在 （45～65）Hz間為 100 kA，（20～45）Hz間為 65 kA，20 Hz以下不具備開斷能力，因此如何制定斷路器跳閘邏輯是保證機組及斷路器安全穩定運行的關鍵。

解決辦法：為保證設備安全，確定BTB事故跳閘流程為退勵磁、關導葉、跳GCB，同時在GCB跳閘回路中增加一個20 Hz以下延時10 s跳閘的硬回路。即在BTB啟動過程中，當任何一臺機組發生故障時，首先退勵磁，當勵磁退出后，若此時機組頻率在20 Hz以下，則延時10 s跳拖動機出口斷路器GCB；若頻率已升至20 Hz以上，則在勵磁退出后立即跳GCB。

（2）BTB啟動，對拖動機而言是一個“勢能→機械能→電能”的過程，而對被拖機而言是一個“電能→機械能”的過程。兩臺機在啟動過程中要保持同步運轉，因此合理選擇拖動機導葉開啟開度及導葉開啟速率，是保證機組能否拖動及拖動后兩臺機組能否同步運轉的關鍵。

解決辦法：經過計算，給定拖動機調速器導葉的開啟規律為：開啟開度4.6%，開啟速率0.1°/s，開限11%。即先將拖動機導葉開度開到4.6%，然后再按0.1°/s的速率加開到11%。經后續調試證明，此導葉開啟規律可行，兩臺機能順利啟動并平穩同步運行。

（3）大型發電機中性點都是接地的，在BTB啟動過程中，因兩臺機要同步運轉，為了避免發電機定子接地保護誤動，需將拖動機的中性點刀閘斷開，而當被拖機并網后，拖動機自動轉入停機流程，當其轉速下降到60%ne時投入電氣制動。在拖動機停機過程中發電機中性點刀閘需要合閘，若選在退出勵磁前恢復中性點，在合刀閘的過程中機組發生故障，中性點將流過故障電流，可能燒損中性點刀閘；而選在勵磁退出后恢復中性點，則有可能在中性點刀閘還沒合到位的情況下，由于投入電氣制動的機組又帶上了勵磁，而此時機組又發生故障，則同樣會燒損中性點刀閘。

解決辦法：為確保設備安全，確定拖動機的BTB停機流程為：停機過程中轉速下降至15%ne時投機械制動，不投電氣制動，當轉速為0后再合中性點刀閘。停機時不投電氣制動，雖停機時間會延長，但不存在損壞設備的安全隱患。

（4）BTB是由拖動機拖動被拖機旋轉，因此拖動機總是早于被拖動機啟動，這兩者之間就存在一個轉差問題，轉差率定值太小，將可能導致拖動過程中由于轉差率超標而跳機；而轉差率定值太大，又有可能導致被拖機組并不上網。

解決辦法：通過計算，機組轉差率大于2%時，延時2 s跳機。

（5）BTB拖動過程中，短時將在啟動母線上通過近6 000 A的啟動電流，而啟動母線額定通流能力2 000 A，啟動母線能否承受啟動電流是BTB啟動中需考慮的問題。

解決辦法：經計算得出啟動母線在1 min內耐受6 000 A電流時，其溫升不到5 K。而在BTB啟動過程中，啟動母線通過最大電流的時間遠遠不到1 min，啟動母線完全可以承受。在后續調試過程中，監測到最大啟動電流為5 200 A，歷時約2 s。

（6）機組發電工況啟動過程中，不開非同步導葉時機組轉速上升不到100%ne，而在70%ne時開啟非同步導葉后，機組轉速將在12 s內快速上升至100%ne，轉速上升速率太快，被拖機能否同步跟上或是否需要改變非同步導葉控制流程是BTB調試前需解決的問題。

解決辦法：主機廠家計算確認，在BTB啟動過程中需投入非同步導葉，其投入時機與正常發電模式投入一致，即轉速大于70%投入，若投入后被拖機跟不上，則根據現場試驗情況再行調整。在后續調試過程中發現，在投入非同步導葉后，被拖機能同步跟上拖動機，沒有出現失步現象。

（7）在BTB程序中，拖動機開機流程是先發退機械制動令退風閘，再發開拖動機球閥令，最后開導葉。由于導葉漏水量較大，球閥開啟后機組會蠕動，而拖動機的蠕動是否會影響BTB啟動是調試前需解決的問題。

解決辦法：主機廠家確認拖動機的蠕動不會影響BTB啟動，不考慮改變風閘投退邏輯，若有影響則根據現場試驗情況再行調整。在后續調試過程中發現，拖動機的蠕動沒有影響BTB啟動。

4 背靠背（BTB）流程

背靠背（BTB）流程見圖2。

5 調試過程及問題處理

經與廠家、設計、監理等多方協調，為確保BTB調試過程中設備安全，黑麋峰電廠整個BTB調試分四個階段進行：

第一階段：走自動流程到啟動勵磁，然后按急停按鈕檢驗停機程序是否正確。

第二階段：走自動流程到開啟拖動機導葉升速，然后模擬轉差事故檢驗事故停機程序是否正確。

第三階段：走自動流程到開啟拖動機導葉升速，按急停按鈕檢驗事故停機程序是否正確。

第四階段：走自動流程直到并網，檢驗整個程序是否正確。

黑麋峰BTB真機調試從11月15日15∶15開始，到11月22日22∶47 2＃機BTB拖1＃機水泵調相工況并網成功，整個過程歷時8天7小時，除去未進行任何調試的18，19，21日，BTB調試成功耗時僅5天，較其他蓄能電廠調試時間大大縮短。調試工作整體進展順利，主要出現和解決了以下問題：

第1天：采用2＃機拖1＃機方式進行BTB調試，當日開機調試10次均不成功，第1～4次原因為程序時間配合不當；第5次原因為兩臺機勵磁投入時間配合不當；第6次原因為導葉延時10 s關閉裝置動作；第7次原因為調速器主配定位故障；第9次原因為調速器主配反饋故障；第10次原因為調速器緊急停機電磁閥未復歸；第8次調試當2＃機轉速升至6.1%ne時，1＃機轉速才上升至4%ne時，轉差率大于2%動作事故停機。處理辦法：對流程配合時間進行了優化調整，更換了2＃機液壓回路比例閥組，同時主機廠家將轉差率定值由2%修改為5%跳機。停機時機組轉速曲線如圖3。

圖2 背靠背流程

圖3 停機時機組轉速曲線

第2天：仍采用2＃機拖1＃機方式進行BTB調試，當日開機調試3次。第1次啟動到2＃機轉速9.4%ne、1＃機轉速6.8%ne時事故停機，檢查原因為2＃機送至1＃機的轉速信號中斷所致，緊固接線后信號傳送正常。因機組已能正常啟動，指揮部決定第2次啟動到機組轉速升至60%ne左右時人為緊急停機，以檢查兩臺機的停機程序是否正常。采用自動方式開機，本次開機兩臺機啟動正常，同步運行狀態很好，當轉速上升至58%ne時現場急機，1＃機停機回水時發現水車室聲音異常，檢查結果為BTB程序中未設計1＃機轉速大于20%ne后開啟蝸殼壓力釋放閥，已在BTB增加了轉速大于20%后開蝸殼壓力釋放閥步序。程序修改后準備第3次開機進行并網試驗，當程序執行到開啟2＃機導葉進行升速時，2＃機調速器主配拒動事故停機，現場監視人員發現8014刀閘有拉弧現象，進一步檢查發現8014刀閘觸頭已燒損，查監控記錄顯示8014刀閘早于802開關10 s跳開。因8014觸頭燒損，2＃機拖1＃機調試工作暫停。刀閘早于開關跳閘原因系在BTB模式下未設計開關與刀閘的閉鎖回路所致，現已按設計要求，增加了相關閉鎖回路，只有在開關斷開后，刀閘才可以拉開，經后續試驗證實，開關與刀閘的分閘步序動作正常。

此次調試過程中保護裝置監測到的數據顯示，在機組起動瞬間，定子電流最大值達1 620 A，而在平穩拖動過程中電流最大值為900 A，呈轉速上升電壓上升電流下降的趨勢，在拖到轉速58%ne后急停調試時，定子電流最大值達5 200 A，歷時約2 s。

第3天：改為1＃機拖2＃機進行BTB調試，當日開機調試5次，前2次由于2＃機壓水不成功導致開機失敗，究其原因是2＃機壓水液壓閥節流孔為3 mm，1＃機為2.5 mm，該閥開關速度比1＃機要快，但程序中設定的壓水時間為該閥全開后保持2 s就關閉，將壓水保持時間調整為4 s后，開機調試正常；第3次調試當程序執行到合801開關時，現場開關不合，檢查系1＃主變低壓側TV二次側接線脫落，閉鎖同期裝置無壓合801開關，恢復接線后正常。第4次調試時BTB程序執行正常，當執行到開啟1＃機導葉時，當時導葉開度5%，水車室已有較大的水流聲，但機組沒有轉動，分析是1＃機拖2＃機時啟動力矩要大，導葉開啟開度不夠所致，經主機廠家確認，將1＃機調速器BTB啟動時開啟開度由4.6%調整為5.5%，開啟速率及開限維持不變。第5次調試時1＃機拖2＃機順利啟動，兩臺機同步運轉正常，當機組轉速升至58%ne時，人為手動緊急停機，停機程序執行正常，本次開機轉速曲線如圖4。

圖4 第3天開機轉速曲線

第4天：進行1＃機拖2＃機升速至100%ne背靠背試驗，當日開機調試2次，第1次調試，當拖動機轉速升至70%ne后，非同步導葉未投入，雖調速器自動調節加大導葉開度，但機組轉速僅能升至91%ne，檢查非同步導葉控制流程，發現沒有拖動機工況轉速大于70%ne后投入命令，立即對非同步導葉控制流程進行了修改，增加了拖動機工況轉速大于70%ne后投入非同步導葉命令；第2次調試解開了802開關合閘回路，程序執行后兩臺機啟動正常，當拖動機轉速大于70%ne后，非同步導葉投入，機組轉速穩步上升，95%ne后同期裝置啟動自動進行頻率及電壓調整，現場監視到同期裝置已發出802開關合閘令，在802開關合閘令發出后801開關立即自行跳開。原先擔憂的非同步導葉投入后由于拖動機轉速上升太快被拖機會失步的現象沒有出現。

第5天：8014刀閘觸頭更換完畢后，指揮部決定開1＃機并網（2＃機拖1＃機）。當日開機調試2次，第1次機組順利啟動，平穩同步升速到95%ne，同期裝置發出801開關合閘令，801開關卻沒有合上，此時802開關已跳閘。查看801開關同期合閘回路，除有同期裝置的合閘令外，還串有LCU自帶的同期檢定命令，只有兩者同時滿足時，開關才能同期合閘，同時在BTB啟動過程中，當被拖機同期裝置發出合閘令后，其命令同時被用來跳拖動機開關，此次801未合上，系LCU自帶的同期檢定條件未滿足所致，經設計同意，為確保被拖機開關能同期合閘，已解開被拖機同期裝置合閘令跳拖動機出口開關回路，主機廠家要求的被拖機開關合閘后立即跳拖動機開關由另外2條回路實現。22∶47發令自動開1＃機水泵調相工況運行，BTB程序執行順利，22∶52 1＃機出口801開關同期合閘、同時802開關自動跳開，1＃機水泵調相工況并網正常，2＃機自動停機正常，至此，BTB調試圓滿結束。

6 結語

在電廠及各參建單位的共同努力下，黑麋峰電廠機組BTB調試取得了圓滿成功，整個調試過程進展順利，調試中出現的問題也得到了妥善的解決，黑麋峰機組BTB啟動調試成功，為后續機組的調試及其他蓄能電廠BTB調試積累了寶貴經驗。