紫坪铺水电站黑启动探讨

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【摘要】本文根据紫坪铺电站5.12汶川地震黑启动过程，对水电站黑启动的必要性和黑启动过程进行了全面分析。并针对此次黑启动的不足，对黑启动预案进行了改进和探讨。

【关键词】黑启动；电源；电网；故障

1慨况

紫坪铺电站位于四川省成都市西北60余公里的岷江上游，都江堰市紫坪铺镇。系岷江上游干流六级开发的第五级电站。紫坪铺电站是以灌溉和供水为主，兼有发电、防洪、环境保护、旅游等综合效益的大型水利枢纽工程。正常蓄水位877.00m，汛限水位850.00m，死水位817.00m，水库总库容11.12亿m3，正常水位库容9.98亿m3。汶川5.12大地震发生后，紫坪铺电站距地震中心仅17公里，出线设备损坏，线路断线跳闸，4台机组被迫停机。厂用电备用电源也因地震而停运。通信全部中断，电站瞬间失去与电力系统的所有联系，坝区防汛电源中断，泄水设施因地震受损短时无法开启，下游供水告急，在此情况下，电站立即启动《紫坪铺电厂黑启动保厂用电预案》，在1个小时28分内成功恢复了全站用电并保证了下游供水，但毕竟黑启动操作在发生特大地震且余震不断的特殊条件下进行，操作人员难以抑制恐惧紧张心理，所以在实际操作时产生了较多不合理环节，延长了操作时间。本文以此次黑启动为例，对水电站黑启动进行分析、总结，阐明水电站黑启动在电网事故中的重要作用。

2黑启动对电站自身的必要性

紫坪铺电站设计送出线仅一回即500KV紫景线，无论何原因造成紫景线停运，则紫坪铺的电力送出通道即被中断，那么4台厂高变因主变停电而均不能提供厂用电。而其他电站一般设计有多回输出线路，则可以从不同线路取得厂用电源，相比较而言，紫坪铺厂用电要薄弱许多。紫坪铺电站厂用电备用电源设计考虑了两路电源，但由于种种原因，最终投入运行的仅有一路，该电源为乡镇终端变电所，在电能质量控制上显然要差于枢纽变电所，而且该变电所为无人值班变电所，导致线路因故停电不可能在短时间内恢复。此外该变电所电源与厂用电主用电源均来自成都电网，如果成都电网发生大面积故障，则很可能导致紫坪铺电站同时失去主用与备用厂用电源。

3黑启动对电网的必要性

四川电网的主要负荷集中在成都电网，而成都电网内电源相比供电负荷严重不足，为较典型的受端电网系统，而紫坪铺电站直接接入成都电网负荷中心，是成都电网负荷中心唯一的大容量水电调峰电源。如果成都电网运行中发生大面积停电事故甚至系统瓦解，在短时无法从其它电网供电的情况下，只能利用网内具有自启动能力的机组作为启动电源带动无自启动能力机组运行逐步恢复电网供电，即“黑启动”恢复电网，而黑启动电源中水电机组相比火电、核电有辅机少、机组启停迅速、调节性能好等优点，一般作为为黑启动电源的首选，而紫坪铺电站又处在负荷中心，黑启动中的机组自励磁问题、工频过电压、暂态过电压情况将明显好于其它远距离水电机组，因此从上述两方面原因来看，对成都电网来说，紫坪铺机组如果具备较强的黑启动能力，则无疑是电网黑启动电源的首选。

紫坪铺电站黑启动能力分析与试验

（1）调速器液压能量消耗试验。紫坪铺电站调速器为双通道双比例阀结构，主配压阀设计、安装精度较高，油压装置运行中耗油量极小，故在试验中可不考虑调速器的渗漏消耗，仅考虑操作消耗。紫坪铺电站油压装置额定油压为4.0MPa，额定油位为100CM正常运行范围为压力3.6至3.8MPa、油位80-100CM，事故低油压为2.8MPa，事故低油位30CM，经试验电站操作导水叶的液压消耗为：完成一次开机和关机压力下降值为0.4MPa，油位下降10CM，试验证明：从正常油压降至事故低油压可开、关机操作2轮；从正常油位降至事故低油位可开关机操作5轮。如果从高压气罐补充部分压力，则油压装置压力下降程度将有所减缓，至少在不补气的情况下可提供2轮次开关机操作。

（2）直流充放电试验。紫坪铺电站厂用主直流系统配备有两组1000AH蓄电池，电站2007年蓄电池核容试验表明在电站两组蓄电池按0.1C（100A）的放电率放电6h直流母线电压均能保持在209V以上，满足直流负荷对电压DC220V±5%的要求。另外据电站直流负荷实测每组蓄电池最大运行负荷约为30A，远小于100A的放电电流，表明两组蓄电池按最大负荷运行至少能提供6h的直流电能供应，完全满足黑启动对直流的要求。

（3）励磁停冷却风试验。紫坪铺电站励磁系统为广科所EXC9000三通道励磁控制系统，该系统SCR设计为：在空载励磁电流740A下可停风运行2h，在额定励磁电流1380A下可停风运行30min。为验证SCR实际温升，紫坪铺电站进行了空载状态下停风试验，停风30min后，绝对温度为33℃，根据厂家资料SCR允许最高温度为120℃，所以对黑启动空载建压要求来说，SCR有足够的裕度，可以保证SCR安全运行。

（4）机组有功、无功调节模式的切换问题。由于黑启动机组启动成功后处在孤网模式下带小负荷运行，机组的运行工况与空载运行工况接近，而默认情况下，机组出口断路器合闸并有电流，则频率、电压调节器认为机组已并网，自动切换至并网调节模式，在并网调节模式下，因调节参数发生较大变化，且在并网模式下参与一次调频和PSS，所以与孤网运行模式不匹配，导致频率、电压调节品质的恶化。紫坪铺电站在黑启动试验时曾对空载模式、并网模式分别进行了测试，结果并网模式下频率、电压品质远差于空载模式。因此要保证频率、电压稳定，必须将调节器置于空载模式下运行，这就需要解开决定调节参数的相关端子，如调速器需解开网频端子、出口断路器并网端子，励磁调节器要解开出口断路器并网端子，以保持调速器按额定频率50Hz、额定机端电压13.8kV进行调节，达到空载模式下的调节品质。

（5）保护系统相关连片视情况作相应调整，按传统电厂经验退出失磁保护、误上电保护等，新的微机保护已经能自动判别机组状态并能可靠保护，误动机率很低，可不退出保护。

（6）机组出口断路器的合闸问题。机组出口断路器在常规下只能同期并网，显然在黑启动时不能同期合闸，而手动合闸又因五防闭锁无法实现，因此必须解开相关端子或强制闭锁回路相关继电器方能实现合闸。

4黑启动过程分析

此次黑启动是在突发事件下真正意义上的黑启动，在启动过程中，有许多突发因素是事先在预案编制和演练过程中未考虑到的，这些因素在恢复过程中严重影响到了黑启动的顺利实施。此次黑启动操作过程用时1小时28分，远远超过了紫坪铺电站黑启动试验时的操作时间7分7秒。主要原因应是以下几个方面：

（1）人员心理紧张是导致操作时间延长的最主要因素。此次发生的8级地震是电厂所有人员都从未经历的，地震后现场及中控室一片狼籍，而且在操作过程中余震不断，加之主厂房很多盘柜因失电刺耳的报警声不绝于耳，种种因素加剧了操作人员的紧张心理，并在短时间内难以平抑。导致准备操作工具不充分、操作时技术动作变形、无效操作增多等，降低了操作效率，延长了操作时间。

（2）操作人员应急响应能力还需进一步提高。电站虽每年都进行反事故演习，但毕竟都是在模拟事故状态下演习，而且演习前已经做好充分的准备，演习人员并不紧张，通过此次地震黑启动可看出在实战操作与演习有着天壤之别，建议电厂以后在条件许可的情况下多举行实战演习，真正提高参战人员的应变能力与处置能力。

（3）应急工器具准备上有待完善。从紫坪铺电站黑启动操作看出，要完成黑启动全部操作，需要在操作前准备一系列应急与操作工器具，但电站明显在应急工器具的准备上不够充分，建议加紧配备应急操作工具包，以缩短突况下工器具的准备时间，为提高操作效率、快速恢复受损系统争取时间。

总的来说，黑启动的恢复过程，不是简单的技术问题，在需要进行黑启动操作时往往是如此次发生大地震的极端情况，恢复操作不能按照预案或运行规程等顺利进行，会遇到各种难以预料的问题，更重要的是处理和指挥人员的专业素质和敬业精神，只有良好的专业素质才能在突发问题时冷静处理，不致束手无策，只有良好的敬业精神，才能在事故发生时，电站领导和运行人员在危急关头第一时间赶到现场主动处理，赢得黑启动所需的宝贵时间。

5黑启动建议

紫坪铺电站在5.12汶川大地震后黑启动的成功，为各种抢修设备提供了可靠的电源保障，为电厂迅速展开生产自救创造了积极条件。同时，更重要的是为大坝泄洪闸门的开启创造了条件，保障了整个大坝的安全。成功地完成了特大自然灾害发生后的安全供水和电厂安全运行的重任，避免了下游断流和水淹厂房，意义重大。此次黑启动对紫坪铺电站运行人员的事故处理是一次大考验，虽然成功恢复厂用电，但从整个恢复过程来看，紫坪铺电站的黑启动预案需要进一步进行完善，使预案更加优化和适用，建议进行以下改进：

（1）联合设备厂家研究开发黑启动流程，在黑启动条件判断中解除相关闭锁条件，由监控系统在直流供电方式下执行黑启动流程，并发令至频率、电压调节器切换至黑启动调节参数，减少人工操作环节，将大大提高执行效率，缩短停电时间。

（2）对频率调节器、励磁调节器进行计算与试验，确定孤网运行参数，作为黑启动模式下的调节参数。减少解除相关端子所需时间以及误操作风险。

（3）由于黑启动机组为非正常运行方式，鉴于水电站自动化水平较高、日常值班人员较少，为了在事故情况下有效实现黑启动，同时又不扩大事故，有条件的水电站应在全厂计算机监控系统中，针对机组的黑启动条件和方式（包括开机条件、参数限制值及保护闭锁等），增加机组的黑启动流程

（4）将黑启动中的操作元件改造成直流供电或直流双路供电，紫坪铺电站机组技术供水总阀为交流电机阀门，如改造成直流电机，则可加入监控黑启动流程，自动开启冷却水，减少手动操作时间。

（5）计算机监控系统中停机流程中对辅助设备的限制不够合理，需在辅助设备全部关闭后停机流程才退出，影响重新开机的时间，建议对该流程进行改进。

作者简介：

黄涛（1979—），男，四川乐至人，工程师，学士，从事水电厂技术生产工作。