光照電廠1號機組黑啟動試驗探索與實踐

黃光敏 諶洪江

【摘 要】對光照電廠在進行1號機黑啟動試驗過程中可能發生的機組自勵磁，線路過電壓等異常情況進行分析，同時介紹了光照電廠1號機組黑啟試驗的主要方法，通過試驗數據論證了光照電廠1號機組在電網發生事故的情況下，具備帶電網黑啟動的能力。

【關鍵詞】黑啟動；自勵磁；工頻過電壓；零起升壓；充電

1、背景

近年來，世界范圍內發生了多起電力系統大停電事故，造成巨大經濟損失和社會影響。2003年，美加大停電事故共計損失負荷61800MW，美國8個州和加拿大安大略省5000萬用戶受到影響。2006年，歐洲西部發生大停電事故，西歐8個國家1000萬人受到影響。2009年，巴西大停電事故影響人口約5000萬，損失負荷24436MW，約占巴西電網全部負荷的40%。2012年，印度連續兩天發生大停電事故，造成全國10.4億人失去電力供應，包括首都新德里在內的22個邦受到影響。2013年，泰國、越南相繼發生大停電事故，造成泰國南部14個省停電、越南損失近全國一半的負荷。不斷發生的大停電事故表明，雖然電網安全穩定控制理論及技術在不斷發展、電網控制手段在不斷進步，但是電網大面積停電風險依然存在。

如何在系統大面積停電后快速安全地完成系統的重建，已經成為電力系統急需解決的問題。因此作為電力系統安全一運行的重要措施之一，建設黑啟動電源，制定切實可行的黑啟動預案，可以使電網各級人員在電網大面積停電情況下，臨危不亂，在黑啟動及系統恢復的過程中有章可循，做到穩定、可靠地啟動黑啟動電源、建立黑啟動目標網架、重建電網500kV主網架，及時恢復負荷，縮短停電時間，最大限度減少電網大停電所造成的影響。

2、黑啟動概念以及水電廠黑啟動的特點

水電機組黑啟動，是指在發生電網事故且廠用交流動力電源消失的情況下，利用水電機組的蓄能特性及水電站的事故備用電源，完成機組的自啟動、發電機機端建壓、恢復廠用動力電源，并配合電網調度逐步恢復電網送電的過程。水電機組具有黑啟動功能，不僅是發電廠在失電情況下安全生產自救的必要措施，也是電力系統故障后迅速恢復供電的重要安全保障。

光照電廠是貴州黔源電力股份有限公司控股開發的貴州北盤江干流茅口以下的“龍頭”電廠。光照電廠水庫具有不完全多年調節性能，正常蓄水位為745m，相應庫容為31.35億m3，調節庫容為20.37億m3。電廠共有四臺機組單機容量260MW，總裝機容量1040MW設計多年平均發電量為27.54億kWh，以發電為主，屬于南網總調直調電廠，電廠通過I回500kV光換線送至興仁換流站。

按照中國南方電網電力調度控制中心與光照電廠簽訂的《光照電廠1號發電機組黑啟動技術協議》，在電網發生事故且電廠失去廠用動力電源的情況下，為了檢驗水輪發電機組的自啟動能力，檢驗機組恢復廠用動力電源并快速向電網送電的能力，光照電廠將對1號機組進行黑啟動試驗，以檢驗1號機組是否符合《光照電廠1號發電機組黑啟動技術協議》的要求。光照電廠1號機組是南網總調在貴州區域首臺指定的建設具備黑啟動功能的直調機組。

3、黑啟動試驗過程需要注意的幾個關鍵性問題

3.1機組帶長距離空載線路可能發生自勵磁現象

發電機帶空載長線路自勵磁問題實質上是一種參數諧振現象。同步發電機的自勵磁現象是指無勵磁發電機在過大的電容性負荷下電壓自發上升的現象，建立的電壓值可能很高。當發電機空載帶長線路時，相當于帶了一個容性負載，如果發電機有剩磁，則機端會有一個幅值較小的電壓，此電壓加在容性負載上，系統將產生容性電流，該容性電流對發電機產生助磁效應。隨著勵磁電流增大，機端電壓增高，系統中的容性電流也將增大，助磁效應增強，機端電壓又將上升。如此反復，機端電壓將越來越高，但由于實際存在磁路的飽和特性，所以機端電壓不會無限增大，而會穩定在某個定值，即最后有一個穩態結果。該電壓和線路長度與發電機參數有關，當發電機參數一定時，線路越長，電壓越高，甚至會達到非常大的數值，危及系統及設備的安全運行。

光照電廠黑啟動機組帶空載長線路運行不能發生自勵磁的條件為：

其中：為黑啟動線路等效容性阻抗，為黑啟動機組直軸同步阻抗，為黑啟動機組出口主變阻抗。光照電廠500kV光換線的長度為69km。v

計算過程如下：

依據計算結果可知，光照電廠機組黑啟動帶光換線空載運行不會發生自勵磁。

3.2黑啟動過程中電容效應影引起線路末端工頻過電壓

當機組黑啟動成功后，對空載線路進行合閘送電時，由于長距離線路存在分布對地電容，線路中將流過容性電流，這將會引起線路末端工頻過電壓。

空載長線路的沿線電壓表達式為：

由于光換線總長度為69km，通過上式計算出，光換線末端工頻過電壓值為變壓器高壓側出口電壓值的1.0026倍，因而不會發生工頻過電壓。

3.3黑啟動過程中機組輔助設備必須具備的條件

根據南方電網黑啟動機組技術協議所要求，光照電廠機組主要輔助設備均滿足以下必備條件：

（1）調速器、筒閥油壓裝置：

a.調速器、筒閥油壓裝置控制系統工作電源須按照交直流雙路供電方式配置。

b.調速器、筒閥油壓裝置所儲備的液壓應滿足黑啟動操作能力，并保證機組安全停機。

（2）調速器、筒閥控制系統：

a.調速器、、筒閥控制柜工作電源須按照交直流雙路供電方式配置。

b.調速器、筒閥控制系統應能保證在黑啟動過程中可靠操作并穩定運行。

（3）勵磁裝置：

a.勵磁裝置控制柜工作電源須按照交直流雙路供電方式配置。

b.在機組黑啟動過程中，勵磁裝置能可靠啟勵。

c.勵磁裝置能保證機組黑啟動過程中及廠用電恢復后的穩定運行。

d.在機組黑啟動開始至廠用電恢復前，勵磁風機停運不會影響勵磁裝置的工作。

（4）保護系統：

繼電保護系統和水機保護系統應能按要求投入，并滿足機組黑啟動的要求。

（5）計算機監控系統：

計算機監控系統已配備UPS不間斷供應電源，確實在廠用交流電消失的情況下，整個監控系統和自動化監視元件在機組黑啟動過程中能正常工作。

（6）技術供水系統：

a.技術供水控制柜工作電源須按照交直流雙重供電方式配置。技術供水閥應優先考慮直流電源或液壓操作。

b.在機組黑啟動過程中，技術供水系統應在不需要廠用電的情況下，滿足機組要求。

3.4廠用電負荷統計

光照電廠進行黑啟動試驗過程中，黑啟動機組的負荷全部由廠內的應急柴油發電機組負責供給，柴油發電機所帶負荷分為Ⅰ類負荷和Ⅱ類負荷。其中Ⅰ類負荷是指黑啟動中必須啟動的負荷，Ⅱ類負荷是指黑啟動中可以不啟動的負荷。根據機組黑啟動的范圍，對黑啟動廠用電負荷進行統計，詳見表1所示。對應急柴油發電機的參數進行核實，詳見表2。

通過表1可知：在黑啟動范圍內，Ⅰ類負荷值合計為：（148.15）kW；Ⅱ類負荷值合計為：（346）kW；兩類負荷總和為：（494.15）kW。通過表2可知，應急柴油發電機的額定有功功率為1090kW，完全滿足黑啟動范圍內的負荷需求。

4、光照電廠1號機組黑啟動試驗方法

4.1試驗范圍

本次黑啟動試驗的機組及高壓設備為：光照電廠1號發變組、500kV光換線。

本次黑啟動試驗的廠用電設備為：10kV廠用電Ⅰ、Ⅱ段，400V自用電I段、Ⅲ段，10kV壩區I段、400V壩區I段、壩區Ⅲ段，壩柴油發電機組。

4.2根據機組黑啟動試驗相關要求及調度批復的試驗方案，1號機組的黑啟動試驗主要步驟如下：

（1）1號機組黑啟動試驗設備隔離；

（2）柴油發電機帶1號機組自用電源；

（3）手動啟動1號機組試驗；

（4）1號機組帶500kV光換線零起升壓試驗：

（5）1號機組帶500kV光換線充電試驗；

4.3 1號機組黑啟動試驗設備隔離

為了模擬黑啟動的現場條件，光照電廠運行操作人員按照提前制定的1號機黑啟動操作方案，將500kV光換線（電廠唯一的出線）停電并轉冷備用，將參與本次黑啟動試驗范的光照電廠1號發變組、500kV母線、500kV光換線等高壓設備進行隔離，對10kV廠用電I、Ⅱ段，400V自用電Ⅰ段、Ⅲ段，10kV壩區Ⅰ段、400V壩區Ⅰ段、壩區Ⅲ段進行隔離。斷開10kVⅠ段與V段聯絡開關050，人為操作1號機組段交流電源全消失，模擬全廠失壓的情影。

4.4柴油發電機帶1號機組自用電源

開啟柴油發電機帶10kV廠用電Ⅱ段、Ⅰ段運行，為1號機組提供事故情況下的交流動力電源。

4.5 1號機組帶500kV光換線零起升壓試驗

手動開啟1號機組到空轉，機組運行穩定后切為“自動”運行方式，并將調速器切“遠方/自動”。經測試，機組各部位振動、擺度、壓力、流量、瓦溫正常，機組油壓裝置油位及油壓正常，輔助系統運行正常，頂蓋排水正常。

將1號發變組帶500kV光換線零起升壓至15%Ue。經檢查運行正常后，依次以10%IJe機端電壓為步長逐步升壓，每步間隔1分鐘。當升壓至99%Ue時，500kV光換線對側電壓最高值（Ua）為549kV，帶線路零起升壓結束。

由測試結果可知：光照電廠1號機組帶500kV光換線路零起升壓運行基本正常，與理論計算結果一致：沒有發生自勵磁。空載光換線電容效應引起末端工頻過電壓值較小，沒有發生過電壓，滿足試驗方案的要求。在整個零起升壓試驗過程中，勵磁系統運行正常，機端電壓正常，主變壓器運行正常，光換線充電正常，光換線對側電壓正常，各部位電壓值穩定。測試結果詳見表3：

4.6 1號機組帶500kV光換線充電試驗

對500kV光換線依次進行50%Ue、75%Ue、100%Ue充電試驗。 1號機組帶1號主變零起升壓至50%Ue，500kV光換線無壓，合上5002開關對500kV光換線充電，測試1號機組頻率擺動值，記錄# 1機組勵磁電流值、勵磁電壓值，合5002開關后500kV 光換線兩側電壓值。測試完成后，將# 1機機端電壓降至0kV，斷開500kV光換線5002 開關。重復以上驟，分別進行75%Ue、100%Ue充電試驗。

由測試結果可知：在整個充電試驗過程中，勵磁系統運行正常，機端電壓正常，主變壓器運行正常，光換線充電正常，光換線對側電壓正常，未出現過電壓現象。同時檢查1號機組、1號主變壓器及各輔助系統運行正常，機組油壓裝置的油溫、油位及油壓正常，頂蓋排水正常。測試結果詳見表4：

5、試驗結論

5.1光照電廠 1機組的黑啟動試驗，是依據國家技術規程、《南方區域發電廠輔助服務管理實施細則》及《光照電廠1號發電機組黑啟動技術協議》的要求進行的。1號機組在自啟動運行、機端建壓、帶線路零起升壓、帶線路充電等過程中，能夠按照要求變換工況，并在各種孤網條件下穩定運行。 光照電廠1號機組滿足B類黑啟動方式。

5.2本次黑啟動試驗選定的調速器孤網運行參數，能夠滿足機組黑啟動及孤網運行的要求，試驗中機組頻率的擺動值比較小，滿足系統要求。

5.3光照電廠的1號機組黑啟動試驗給同類型的電廠開展黑啟動試驗提供參考。

參考文獻：

[1]石良.惠州抽水蓄能電站黑啟動電源實施方案研究，《華南理工大學》，2010.

[2]韋宏華.巖灘水電站黑啟動的研究《第十八屆電工理論學術年會論文集》，2006.

[3]《南方區域發電廠輔助服務管理實施細則》

[4]《光照電廠1號發電機組黑啟動技術協議》

作者簡介：

黃光敏（1986），男，本科，助理工程師，現主要從事水電廠運行維護管理工作。

諶洪江（1971），男，大專，工程師，現主要從事水電廠運行維護管理工作。