東西關電廠作為南充遂寧電網黑啟動電源點的可行性分析

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;2.四川大學電氣信息學院，四川 成都 610065)

0 引言

東西關水電廠位于四川省武勝縣境內的嘉陵江上，是一座以發電為主，兼顧航運、灌溉的綜合性水利樞紐。電站裝設4臺45 MW的軸流轉槳式機組，年發電量為9.55×108kWh，采用河床式廠房布置形式，按無人值班設計，設計水頭17 m，年平均運行水頭21.6 m，計算機監控系統、調速器電柜、勵磁系統及自動化元件等自動化系統設備采用瑞典ABB公司設備，水輪機及其輔助設備由施耐德公司提供。電站水庫庫容21×107m3，調節庫容165×106m3，水庫正常蓄水位248.50 m，汛期最低運行水位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。

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

圖1 東西關水電站的電氣主接線圖

當發生大面積停電的重大系統事故時，若無任何黑啟動措施，則會使停電時間延長，造成國民經濟重大損失。黑啟動是電力系統安全運行的重要措施之一，黑啟動是指機組在無外界幫助下，停運后能快速恢復發電，并通過輸電線給其他機組提供廠用電，使其他機組恢復發電運行，最終恢復整個系統，其目標是在最短時間內使系統恢復帶負荷能力［1］。系統恢復的順利與否關鍵在于啟動電源即黑啟動機組。機組黑啟動時啟動條件較為惡劣，因此，具有黑啟動能力的機組應具備特殊的要求［2］。下面簡要介紹了東西關水電站機組作為南充遂寧電網黑啟動機組的特殊要求，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組自啟動能力的優劣，以及它們對黑啟動效果的影響，最后通過試驗驗證了東西關電廠作為南充遂寧電網黑啟動電源的可行性。

1 黑啟動過程中的關鍵問題

1.1 勵磁起勵電源

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

1.2 調速系統和球閥液壓操作動力

機組壓油系統是提供機組液壓操作動力的裝置［3］。調速系統的油壓裝置一般能滿足機組在運行中可能發生的最不利運行情況的需要，即首先甩去額定負荷，導葉接力器全關1次，然后擺動若干次(按進行1次全關閉考慮)，接著機組又并入電網帶上額定負荷，導葉全開1次(對轉漿式水輪機其輪葉接力器也相應動作)。故在正常情況下，油壓裝置的油壓可以保證機組進行一次正常自啟動，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。東西關水電站壓油系統油壓是自動控制，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。機組調速器為交、直流220 V同時供電，交、直流電源可實現自動切換，調速器調節功能齊全，調節響應迅速，大大減少了調速器在機組啟動以及停機備用時的耗油量。調速系統電氣裝置采用微機自動調節，調節參數整定好，調節靈活，控制部分均具有頻率自動跟蹤功能，可實現機組空載以及孤立運行時的頻率調節，能很好適應各種運行情況。調速系統能滿足機組“黑啟動”的要求。

1.3 機組導軸承發熱潤滑與主變壓器冷卻

東西關水電站發電機有推力、上導、下導三大軸承，其中推力和下導共用一個油槽。上導、推力和下導均利用電機的自泵式油循環系統作用使油進行外循環，外部加裝冷卻器;水導采用強迫油外循環水冷。在柴油發電機不可用時，水導軸承油泵不能運行使油循環，機組各軸承沒有冷卻水，機組軸承運行條件變差，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，機組的軸承能夠在沒有冷卻水的情況下運行15 min而不發生損壞 ，而東西關水電站機組正常啟動時間只有3 min，可以在機組開啟成功后帶廠用電負荷。黑啟動時直流注油泵投入運行，高壓油通過軸瓦中心孔射出 ，在推力瓦與鏡板間強制形成潤滑油膜。主變壓器冷卻方式是強迫油循環水冷。在柴油發電機不可用時，則利用主變壓器自身的允許溫升能力，待機組開啟成功帶廠用電后，冷卻主變壓器。

1.4 監控系統

監控系統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實現自動切換，正常承載負荷，保證監控系統在黑啟動過程中正常運行。

1.5 照明和通訊、自動化系統

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、移動通訊相結合，設有專用的通訊用蓄電池組，確保通訊系統可靠，滿足黑啟動期間的需要。機組監控系統、機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行。

2 不同型式水電機組自啟動能力

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

2.1 水輪機的類型

水輪機是將水能轉變為旋轉機械能的動力設備，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。水流以輻向從四周進入轉輪，而以軸向流出轉輪的水輪機稱為混流式水輪機。這種水輪機的適用水頭范圍為30～700 m。由于其適用水頭范圍廣，且結構簡單、運行穩定、效率高，是目前應用最廣泛的一種水輪機。水輪機的水流在進入轉輪時，流向與主軸中心線平行，水流經過轉輪后又沿軸向流出的水輪機稱為軸流式水輪機。軸流式水輪機又可分為定槳式和轉槳式兩種，其適用水頭范圍分別為3～50 m和3～80 m。當水輪機的主軸成水平或傾斜布置，裝置在流道中，使水流直貫轉輪，這種水輪機稱為貫流式水輪機，貫流式水輪機過流能力較好，適用水頭范圍2 ～30 m［5］。

2.2 自保能力

機型的不同，自保能力也不一樣［6］。如混流式機組可以自流排水;由于軸流轉槳式機組水導軸承安裝高程相對較低，軸流轉槳式機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，機組臥式布置。因此，盡管機組流道開挖深度較常規立式機組淺，但不能自流排除，因而采用水泵排水。所以對于軸流轉槳式和貫流式機組來說，在黑啟動時，當廠用電消失時間長，頂蓋排水受阻，一旦水位超過水導轉動油盆，則其完全失去自保能力。

2.3 適應負荷變化能力

混流式水輪機其葉片固定，轉輪葉片不可調，出力依靠導水葉來調節，在偏離最優工況時效率會下降，不適合負荷變化較大的電站。軸流式水輪機以轉槳式應用最多，因其葉片可隨水頭和導葉開度變化而協聯轉動的特點，其平均效率比混流式水輪機高，適合于負荷變化大、水頭相對較低的電站。貫流式水輪機的轉輪與軸流轉槳式相同，只是流道形式有區別，因此在黑啟動期間，可能出現負荷變化較大的情況下，宜采用軸流轉槳式水電機組作為黑啟動的電源。一般來說，水電機組相對火電機組來說，負荷調節速率快，適應范圍廣，抗干擾能力強，均具有較強的適應負荷變化能力(貫流式機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，水電站水輪機通常在固定的轉速下運轉，水頭的變化也比較緩慢，但機組負荷則是經常變化的。為表示水輪機工作在固定的轉速和水頭下的特性而繪制的曲線，即為水輪機工作特性曲線［7］，如圖2所示為各類型水輪機工作特性曲線。

圖2 各類型水輪機工作特性曲線比較

從曲線1可以看出，曲線末端呈彎鉤形，當水輪機出力達到最大值后，若再加大導葉開度增加過流量，由于此時水輪機內水流條件惡化、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。在實際運行中不允許出現這種情況，因此混流式水輪機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、貫流式水輪機工作特性曲線的特點是高效區域比較寬，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，需要快速恢復負荷的情況下，高效率區間較寬、出力不受5%限制的機組更加適合作為黑啟動的電源。

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

3 東西關水電站黑啟動方案

3.1 黑啟動原則

黑啟動過程中應該遵循化整為零、分片啟動，先主后次、有序供電，由下到上、按級恢復，快穩兼顧、可靠擴展的原則有序地進行電力系統的重構。確認系統故障導致大面積停電或廠用電全部消失后，應在權限范圍內自行斷開有關設備開關，做好黑啟動準備，取得調度同意后，選擇油壓裝置中油壓較高、頂蓋漏水較小、自啟動能力好、能實現自動開機的機組做“黑啟動”機組，盡快開機恢復廠用電，廠用電恢復后，提起電站閘門，防止水庫上水，并在調度的安排下逐步向系統恢復送電。

3.2 前期性能試驗

為全面檢驗機組黑啟動預案中各項操作的實際效果，了解機組黑啟動狀態下開機的可行性，進行了以下分項試驗。

1)模擬機組黑啟動時，勵磁風機停運后可控硅溫度上升和報警試驗。

2)模擬機組黑啟動時，機組事故低油壓試驗。

3)油壓裝置的油壓和油位特征值的確定。

4)機組推力軸承及各導軸承油溫和瓦溫測試。

5)直流系統。

6)計算機監控系統。

3.3 試驗一般步驟

1)檢查確認機組符合黑啟動的相關條件，確認油位、油壓、勵磁、直流系統、UPS電源均滿足黑啟動試驗條件。

2)檢查確認機組與系統隔離(相關的短路器和隔離開關在斷開狀態)。

3)投入主變壓器中性點隔離開關。

4)投入機組冷卻水系統。

5)手動拔出機組鎖錠，手動撤除機組制動閘。

6)將調速器切手動，手動將導葉打開至空載開度，監視機組轉速達到額定轉速并穩定運行 ，再將調速器切回自動。

7)投入機組勵磁系統，手動起勵，監視發電機機端電壓正常。

8)投入廠用變壓器，逐步恢復廠用系統。

9)對外恢復電網供電:可采用全電壓向系統充電、零起升壓這2種方式，具體方式在內部已經恢復廠用電的基礎上由電網調度員調度，并按照其調令執行。

3.4 仿真黑啟動機組帶空載長線路過電壓

黑啟動過程中可能會出現空載長線過電壓［8，9］，將會對設備的絕緣造成一定的危害，因此有必要在黑啟動試驗前，對機組帶空載長線路過電壓進行仿真研究。當東西關電廠機組空載情況下對110 kV關任線線路充電時，仿真波形如圖3、4、5所示。

由上述仿真結果可見，當東西關電廠單機帶40 km 110 kV空線時，由于空載線路對地電容的影響，發電機相當于帶了一定的容性負荷，由此致使在合閘瞬間發電機出口電壓、線路末端電壓都達到最大，其中機端相電壓瞬時值接近15 kV，最大值達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備的絕緣具有一定的危害。發電機出口電壓并沒有因助磁作用而相互繼續增大或產生波動，因此在此情況下該機組沒有發生自勵磁。發電機端線電壓有效值最大約10.73 kV，遠小于發電機過電壓定值1.3UN，穩定后發電機進相無功穩定于1.51 Mvar，遠低于低勵限制20 Mvar，發電機仍然具有較大的無功調節能力［10］。

3.5 試驗結果

根據上述試驗方案，對東西關電廠進行了黑啟動試驗，并記錄下了試驗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、電流以及電網頻率都在正常范圍內波動，表明了黑啟動方案的正確性。

圖3 機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 機端線電壓有效值變化曲線

圖6 東西關水電站黑啟動試驗110 kV母線電壓電流波形圖

4 結論

介紹了東西關電廠黑啟動方案的理論依據和實施過程，并且分析了不同類型的水電機組作為黑啟動電源的優劣，為運行人員選擇黑啟動電源提供了理論依據。運用PSCAD對黑啟動過程中的發電機帶空載長線的過電壓進行了仿真，仿真驗證了黑啟動方案的可行性。最后通過黑啟動試驗的成功，說明東西關電廠可以作為南充遂寧電網的黑啟動電源點。

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