所谓黑启动，是指整个系统因故障停运后，系统全部停电，处于全黑状态，不依赖别的网络帮助，通过启动系统中具有自启动能力的发电机组，带动无自启动能力的发电机组，逐渐扩大系统恢复范围，最终实现整个系统的恢复。 黑启动的作用和意义 水电厂和火电厂相比，具有辅助设备简单、厂用电少、启动速度快等优点，理所当然成为黑启动电源的首选。水电站的黑启动是指在无厂用交流电的情况下，仅仅利用电厂储存的两种能量——直流系统蓄电池储存的电能量和液压系统储存的液压能量，完成机组自启动，对内恢复厂用电，对外配合电网调度恢复电网运行。机组具有黑启动功能不仅是电厂在全厂失电情况下安全生产自救的必要措施，也是电网发展的需要。 漫湾电厂一期工程装设了2号至6号五台水轮发电机组，单机容量容量为250MW；二期投产了一台单机容量为300MW的1号水轮发电机组；8号机为一台单机容量为120MW的水轮发电机组；全厂总装机容量为1670MW。主接线采用发电机—变压器单元接线方式，500kV系统为3/2接线方式，由漫昆Ⅰ、Ⅱ回线连接至昆明草铺变电站；220kV系统采用双母线接线方式，共有和漫下Ⅰ回线、漫丁Ⅰ回线和漫新Ⅰ回线三回出线。 漫湾电厂机组具有辅机少、启动快、负荷及电压调整方便的特点，在云南电网承担主要的调峰、调频及事故备用的重要作用。 漫湾电厂直流系统 漫湾电厂直流系统由220V直流系统、48V直流系统、事故照明和UPS电源组成。220V系统和48V系统分别设有两组蓄电池，220V充电装置共设三套，48V充电装置共设二套。计算机监控系统UPS共有4台，正常情况下，充电机对电池进行浮充充电。当发生电网事故本厂机组解列停机，交流电源故障消失时，事故照明直流电源自动投入，保证厂房照明供电。同时，因UPS系统主路市电消失，UPS自动无间断地切换到电池工作模式，由电池通过逆变器输出交流电向负载供电，市电恢复后系统自动无间断地恢复到正常工作模式。UPS系统电池模式见图1。
当电厂机组自用电消失后，可由直流系统向部分重要负荷短时供电。因此，当漫湾水电厂全部机组与系统解列，发生电网事故后，工作人员必须沉着冷静，争分夺秒在直流系统可靠供电时间内完成黑启动任务。 黑启动过程中应注意的问题 过电压及自励磁问题 黑启动过程中，发电机对空载线路充电，其容性参数与发电机感抗满足系统参数谐振条件时（即线路容抗小于或等于发电机、变压器感抗）就可能引起参数共振，此时发电机励磁电流很小，甚至为零，在发电机剩磁和电容电流助磁作用下，发电机机端电压和电流幅值会急剧上升，这种现象称为发电机自励磁。当发电厂单机经升压变压器带空载长线时，线路等值阻抗大于发电机与变压器阻抗之和，考虑频率、变比及所取参数的误差，加入安全系数，得出发电机不发生自励磁的判据为：Xc>1.2(Xd+Xt)，式中Xc为线路等值容抗;Xd为发电机感抗;Xt为变压器漏抗。 负荷调整和频率电压控制 由于黑启动是一个单机带厂用电负荷的简单系统过渡成为一个机组接带部分负荷的系统，因而负荷的调整应引起注意。为了使启动电源能在最低负荷水平下稳定运行，并保持电压有合适的水平，开始时需要及时适当地接通一定容量的负荷，然后再增加少量负荷，允许接入的最大负荷量，不应使系统频率较接入前下降0.5Hz。国外的经验为每一次增加的负荷不应超过发电容量5%，以保证运行频率在合理的允许范围内，维持有功平衡。在黑启动过程中，无功功率平衡也是一个很重要的问题，应控制无功负荷大小，防止在对线路充电时，末端电压过高，而带上负荷后，末端电压又过低的情况发生。可以采取一定的措施，如带负荷前将发电机进相运行于低电压水平、只对单回线路进行充电、在变电站投补偿装置等。 继电保护的配合 电站黑启动过程中，应充分考虑继电保护系统问题，以保证在黑启动过程中快速切除故障，同时不应使保护系统误动作，错误信号或误跳闸从而使黑启动失败或延长黑启动时间。黑启动过程中继电保护的作用是减轻或消除启动过程中发生的故障对电力设备的损害和确保系统稳定运行。为确保黑启动试验过程中设备的安全，在试验过程中，对继电保护的要求:一是参与试验的元件和线路保护投入运行按照恢复情况合理调整保护配置;二是机组启动前检查发变组保护、高压厂用变、励磁变保护按要求正常投入；三是重合闸应退出运行;四是过电压保护必须及时投入。 机组调速系统 水电厂黑启动的关键是在失去厂用交流电时能否维持控制水轮机导叶开启的调速系统的操作油压。机组调速器油压应按最不利工况考虑，即在紧急停机甩负荷时，调速系统剩余油压应能至少保证接力器至全关位置1次，并摆动若干次且可以全关1次，然后机组接入电网带上负荷，接力器全开1次。同时应注意油压槽的油气比例，压油槽中油位不应低于最低操作油位。在此基础上仍然要求具备保证机组事故停机的油压，黑启动机组启动过程中应保证机组发生事故时能够停机。 直流系统 直流系统是黑启动时唯一的电源，是电站的继电保护、操作、控制、励磁、调速器、通讯、事故照明等运行的前提条件。应考虑直流系统的供电时间是否能满足黑启动的要求，同时在黑启动过程中应合理安排各直流用电负荷，保证只有与黑启动过程有关的设备的用电。只要合理控制事故照明的用电负荷，保证中控室等重要地点的照明，直流母线端电压下降幅度一般不应超过允许值。 黑启动机组在启动过程中，只能使用直流电源，因此凡是有交直流供电的设备，日常运行方式中都应投入直流方式运行，如励磁的起励方式应采用直流方式;逆变电源在交直流切换时逆变管容易过载烧损，则应改为直流逆变为常用方式。 监控系统 监控系统可由UPS供电，故应经常检查UPS的可靠性，黑启动时应尽可能地延长UPS的供电时间，确保监控系统使黑启动成功。 公用系统 公用系统在黑启动过程中应注意的问题是应确保在整个过程中所有系统不影响机组的启动。黑启动过程中应注意顶盖排水的水位不应超过允许值，否则会使水进入水导油盆造成油混水比例过高，故在黑启动之前应检查排水系统的运行情况，检查射流泵运行正常，以便在失电情况下能及时有效的排水。应随时检查机组的推力瓦、导轴承的温升情况，注意不使温升超过极限允许值。机组在停机过程中要求在转速低于一定值时应投入气动制动。但在黑启动过程中应考虑此时低压气系统失去交流电源，因此应考虑机组是否能惰性停机。 一次电气设备 黑启动过程中，应注意电气一次设备应处于正确位置和状态。根据原能源部的规定，100MW的机组出口断路器的隔离开关应处于分闸位置，这样做的目的是防止误上电损坏设备。 危险点分析 失去厂用电后 主设备的运行监视功能及必要的操作功能必需具备。机组水机保护、发变组保护、高压厂变保护投入正常，自动化元件、自动装置正常。同时必须考虑到机组的黑启动是在一种非正常状态下的紧急启动方式，在机组的机械保护、电气保护方面应充分考虑其对机组黑启动的影响，必要时需闭锁一些保护并降低机组启动的要求，使机组能够快速安全启动。 辅助设备的工作状态应不影响主设备的安全，主要辅助设备的状态必须能进行监视，辅助设备的操作应能不受交流厂用电消失的影响。水电站大坝备有应急电源(紧急备用柴油发电机组)，防止在系统事故情况下由于闸门不能提起而造成漫坝事故，同时也为机组黑启动提供了必要条件。在电网瓦解后确认不能从系统恢复厂用电时，应尽快考虑由机组黑启动提供厂用电，确保厂房、机组水导不受水浸，不损坏包括计算机监控系统在内的二次系统。机组黑启动预案的启动应做到迅速及时，避免厂用电消失时间过长后油压装置压力大量损失，导致机组无法进行黑启动。 机组启动过程中维护负责人安排专人监视主变、发电机、推力外循环、调速器油压装置、筒阀油压装置、顶盖排水系统、励磁系统等设备的运行状况，值守人员应加强对相关运行设备的检查和监视。 当失去交流电源时 全厂直流系统依靠蓄电池供电，黑启动的成功与否直接受厂用直流系统、UPS直流系统的影响。若按正常情况计算，蓄电池组能满足启动条件;但若电厂交流电失电时间过久时，电池的容量可能下降，从而致使无法满足黑启动要求。因此，应对压油装置进行蓄能能力分析，准确掌握计算机监控系统UPS电源在断电情况下可连续工作的时间长度。对启动过程中的耗油量进行优化，应尽量减少耗油量，提高其安全裕度。同时，必须加强蓄电池的定期维护工作。试验前应根据电厂实际直流系统负载计算出蓄电池正常供电的时间长度。 厂用电通信中断时 厂内通信系统经失去作用时，应在中控室给值班人员配备手持对讲机等无线通信设备，同时应注意信号盲区;由于此时交通电梯已经停止使用，故而应事先检查关键交通走廊、楼梯等的情况，确保交通顺畅;还应注意厂区内消防，由于此时全厂失电，消防系统可能瘫痪，在平时应定期检查重点部位的消防准备工作。 系统全停电事故对每一个运行值班人员来说，都极少遇到。为使工作人员能够在发生事故时的紧张气氛中，在短时间内作出准确判断，下达正确而可行的操作命令，应增加员工对黑启动的实战演练，开展有针对性的实际操作能力培训。 漫湾电厂黑启动试验 漫湾电厂机组黑启动成功的必备条件 机组停机备用，无检修工作，进水口闸门开启； 机组筒阀油压装置和调速油压装置油位、油压维持在正常范围，在油泵电机无法启动的情况下，能满足手动启动机组的要求； 励磁系统直流电源供电正常，具备直流启励功能； 220V直流系统由蓄电池供电正常，电池容量满足全厂控制设备（断路器）操作要求。 机组自启动方案（主用方案） 主要步骤 检查确认机组符合黑启动的条件； 检查确认机组与系统隔离； 现地手动操作合上主变高压侧隔离刀闸以及GCB，建立发电机-变压器组零起升压通道； 建立黑启动机组带厂用10kV系统和400V自用电通道； 安排人员通过机组温度盘监视机组各部轴承温度； 手动开启筒阀； 将调速器切手动，打开导叶开度至空载开度，调整机组转速至额定转速； 手动起励，调节励磁缓慢将机组机端电压升至额定值； 检查机组400V自用电进线三相电压及自用电母线电压正常，恢复机组400V自用电； 检查机组筒阀、调速器油压装置运行正常，检查推力外循环、励磁风机、主变冷却器等设备运行正常； 全面检查机组主辅设备运行正常； 逐步恢复全厂厂用电正常； 汇报集控（或电网调度），按集控命令逐一恢复设备正常方式运行，并做好与系统并网的准备。 黑启动启用自备柴油发电机方案（备用方案） 目前漫湾电厂已安装两台坝区泄洪设施备用柴油发电机（250kVA）。在系统（电网）瓦解，机组不能自启动的情况下，开启柴油发电机组，将电源从厂坝区转移400V厂用电，提供机组启动电源。机组启动后恢复厂用电系统，经500kV漫昆Ⅰ回线作为系统“黑启动”电源。 结语 黑启动是水电站非常重要的一项功能。员工应事先掌握黑启动预案，熟悉相关设备的运行情况以及参数要求，还应加强运行人员的培训，做到临危不乱，不断提高应对危机的能力。黑启动预案必须充分考虑操作人员的心理因素，日常工作中则应注意训练操作人员培养良好而一致的习惯，避免因思维方式差别导致黑启动中误操作事件发生。 |
