黑啟動電站啟動調(diào)試及繼電保護(hù)問題探討

馬長征，沈飛飛

(1.江蘇省電力公司檢修分公司，江蘇 南京 211102；2.蘇州供電公司配電運(yùn)檢工區(qū)，江蘇 蘇州 215000)

電網(wǎng)“黑啟動”是指整個電網(wǎng)因故障崩潰停運(yùn)后，系統(tǒng)全部停電，處于全“黑”狀態(tài)，此時通過系統(tǒng)中具有自啟動能力機(jī)組的啟動和外來電源，帶動無自啟動能力的機(jī)組，逐步擴(kuò)大系統(tǒng)的恢復(fù)范圍，最終實(shí)現(xiàn)整個系統(tǒng)的恢復(fù)和正常供電。

1 黑啟動及其一般過程

典型的黑啟動方案是由一臺自啟動機(jī)組作為黑啟動電源（如水電機(jī)組）給空載串聯(lián)長線路（黑啟動路徑）充電。然后單電源通過串聯(lián)長線路啟動另一臺不具有自啟動能力的機(jī)組，通過廠用變向被啟動機(jī)組的廠用負(fù)荷供電，形成單側(cè)電源帶小負(fù)荷的運(yùn)行方式。廠用負(fù)荷恢復(fù)供電后，被啟動機(jī)組開始啟動，穩(wěn)定運(yùn)行后與另一端的電源實(shí)現(xiàn)兩機(jī)同期并列。并列成功，形成雙電源結(jié)構(gòu)[1]。

蘇北黑啟動電站位于徐州市銅山縣境內(nèi)，緊鄰新建220kV位莊變電站。工程建設(shè)2臺13 MW柴油燃料汽輪發(fā)電機(jī)組和1臺500 kW小柴油發(fā)電機(jī)。2臺燃汽輪機(jī)組出口電壓為11kV，經(jīng)1臺40 MV·A升壓變壓器升壓后接入位莊變電站220kV母線，再經(jīng)位莊－彭城電廠的架空線路送入彭城電廠。其主要功能是在整個電網(wǎng)崩潰的極端條件下，為彭城電廠提供1路220kV啟動電源，以確保該廠的1臺300 MW燃煤機(jī)組啟動，再為其他后續(xù)電廠的啟動提供電源。黑啟動電站的1號機(jī)、2號機(jī)組可以在電網(wǎng)完全瓦解的情況下獨(dú)立啟動，屬于電網(wǎng)極端故障下的恢復(fù)用電源，長期備用，不帶基本負(fù)荷。蘇北黑啟動電站一次系統(tǒng)接線如圖1所示。

站內(nèi)啟動調(diào)試流程分4個部分：

（1）1號機(jī)、2號機(jī)同期系統(tǒng)試驗(yàn)及小柴油發(fā)電機(jī)（0號機(jī)）試驗(yàn)。燃機(jī)首次升壓帶10kV母線電壓互感器（TV）及發(fā)電機(jī)出口TV，分別進(jìn)行1號機(jī)、2號機(jī)同期系統(tǒng)同電源核相，確保1號機(jī)、2號機(jī)同期回路正確；1號機(jī)、2號機(jī)分別帶0號啟動變，進(jìn)行小柴油發(fā)電機(jī)與400 V廠用電切換試驗(yàn)；1號機(jī)帶400 V廠用電對2號機(jī)進(jìn)行啟動升壓，并進(jìn)行2臺燃機(jī)之間假同期試驗(yàn)、互并試驗(yàn)。

圖1 蘇北黑啟動電站一次系統(tǒng)接線

（2）1號機(jī)、2號機(jī)短路試驗(yàn)和空載試驗(yàn)。由小柴油發(fā)電機(jī)帶1號機(jī)、2號機(jī)進(jìn)行發(fā)電機(jī)短路試驗(yàn)、空載試驗(yàn)、勵磁系統(tǒng)試驗(yàn)。測試發(fā)電機(jī)短路特性、空載特性，測量發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子絕緣電阻、軸電壓，滅磁時間常數(shù)、殘壓。

（3）1號機(jī)、2號機(jī)并網(wǎng)及帶負(fù)荷試驗(yàn)。由0號主變送電至10kV母線，0號啟動變受電，由系統(tǒng)電源帶1號機(jī)、2號機(jī)分別啟動，進(jìn)行同期并網(wǎng)試驗(yàn)，帶負(fù)荷校驗(yàn)發(fā)電機(jī)保護(hù)、0號主變差動保護(hù)、0號主變間隔母差保護(hù)。

（4）1號機(jī)、2號機(jī)滿負(fù)荷試運(yùn)。由系統(tǒng)電源帶機(jī)組啟動并網(wǎng)，滿負(fù)荷運(yùn)行?？简?yàn)機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行性能。

2 黑啟動過程中繼電保護(hù)要求

2.1 系統(tǒng)保護(hù)

黑啟動試驗(yàn)系統(tǒng)與正常運(yùn)行系統(tǒng)差異很大，保護(hù)裝置有其固有的動作特性，特別是在啟動電流及精工電流上有較高的要求。在試驗(yàn)系統(tǒng)中由于系統(tǒng)電源很小，短路電流也很小，因此，在黑啟動試驗(yàn)過程中，繼電保護(hù)定值的設(shè)定應(yīng)充分考慮系統(tǒng)電源問題，以盡可能保證設(shè)備安全為目的，保證在黑啟動過程中快速切除故障，而不考慮逐級配合。同時需要參與試驗(yàn)的各級運(yùn)行人員加強(qiáng)設(shè)備監(jiān)視，在遇到異常情況時采取緊急措施，保證設(shè)備安全和人身安全。蘇北黑啟動試驗(yàn)期間，并入試驗(yàn)系統(tǒng)的位莊變位彭2611、0號主變2000、彭城電廠彭位支線2611、01號啟動變4001、2號主變4602開關(guān)母差TA短接退出220kV母差回路。彭位2611支線兩側(cè)PRS753主保護(hù)和后備保護(hù)均投入運(yùn)行，PSL603保護(hù)僅后備保護(hù)投入運(yùn)行。線路兩側(cè)重合閘停用，任何故障均三相跳閘不重合。位莊側(cè)啟用PSL631A過流保護(hù)，定值相電流值120 A，時間0.5 s（不帶方向）。

由于在零起升壓到70%額定電壓之前，220kV線路保護(hù)均認(rèn)為是處于TV斷線狀態(tài)而將其高頻、相間距離、接地距離、方向零序保護(hù)自動退出，僅靠位莊變2611開關(guān)TV斷線相過流/零序過流保護(hù)、PSL631電流保護(hù)切除故障。在零起升壓到70%額定電壓之后，位莊變2611開關(guān)相關(guān)保護(hù)功能均可自動恢復(fù)投入。

2.2 重合閘方式

在發(fā)電機(jī)啟動時，若與之相連的線路重合閘方式選擇為檢測母線有電線路無電重合，則線路在機(jī)組啟動時就會立即重合。長線路的無功功率及充電線路運(yùn)行方式的不確定性等均不利于剛剛啟動的自啟動機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行，增加了機(jī)組的無功調(diào)節(jié)壓力，給勵磁系統(tǒng)帶來了沖擊。若要通過輸電線向其他機(jī)組提供啟動電源時，則只能通過手動合閘。因此，在黑啟動試驗(yàn)過程中重合閘方式改為停用。

2.3 發(fā)電機(jī)保護(hù)

具體要求：負(fù)序保護(hù)投入；過電壓保護(hù)投入；低電壓和低頻保護(hù)停用[2]。

一般而言，發(fā)電機(jī)升速、升壓過程中，為了確保低頻和低壓保護(hù)不誤動，發(fā)電機(jī)保護(hù)邏輯中串接了開關(guān)接點(diǎn)。發(fā)電機(jī)啟動過程達(dá)到額定轉(zhuǎn)速和電壓后，經(jīng)同期出口開關(guān)合上后，并網(wǎng)狀態(tài)下低頻、低壓保護(hù)才啟用，從而有效防止低頻、低壓保護(hù)誤動跳機(jī)[3]。

而黑啟動過程中，系統(tǒng)全部停電，處于全“黑”狀態(tài)，發(fā)電機(jī)同期并網(wǎng)無從談起，只能采用無壓合閘方式合上開關(guān)，帶主變升壓至額定，外送電源。此時，升速、升壓過程就會引起低頻、低壓保護(hù)動作，滅磁、跳機(jī)，無法滿足啟動要求。因此，考慮在G87發(fā)電機(jī)保護(hù)增加低頻、低壓保護(hù)投退壓板，啟動過程中退出該壓板，額定轉(zhuǎn)速和電壓后再恢復(fù)投用。

然而問題并非到此為止。2臺燃汽輪機(jī)組為美國索拉透平有限公司進(jìn)口設(shè)備，索拉公司設(shè)備邏輯設(shè)計進(jìn)一步提出要求：轉(zhuǎn)速大于90%額定轉(zhuǎn)速（NGP＞90%）和勵磁系統(tǒng)手動模式（FCR mode）情況下才允許退出低頻、低壓保護(hù)。具體設(shè)計如圖2所示。其中，增加了選擇開關(guān)（-ST）用于投/退低頻、低壓保護(hù)；在開入信號回路中，串入索拉公司閉鎖接點(diǎn)。正常情況下，此回路不通，保護(hù)處于投入狀態(tài)；啟動過程中，2個邏輯條件滿足 （轉(zhuǎn)速＞90%，F(xiàn)CR模式），索拉公司接點(diǎn)閉合，此時將-ST開關(guān)切至退出位置，整個回路溝通，保護(hù)退出。

按圖2設(shè)計，運(yùn)行人員操作步驟：

（1）投入低頻、低壓保護(hù)壓板，啟動機(jī)組，勵磁系統(tǒng)置于手動模式；

（2）轉(zhuǎn)速達(dá)到90%額定轉(zhuǎn)速后，退出低頻、低壓保護(hù)壓板，合上發(fā)電機(jī)出口開關(guān)（無壓合閘）；

（3）繼續(xù)升速至額定轉(zhuǎn)速，手動模式調(diào)整電壓至額定附近。此時投入低頻、低壓保護(hù)壓板，保護(hù)恢復(fù)正常運(yùn)行，同時勵磁系統(tǒng)切換至自動模式。

3 結(jié)束語

黑啟動過程系統(tǒng)的參數(shù)與正常運(yùn)行時差異較大，這種運(yùn)行特性的變化影響電力系統(tǒng)繼電保護(hù)的正確動作；繼電保護(hù)如何合理配置是黑啟動試驗(yàn)過程中需要考慮和驗(yàn)證的問題。在制定方案時，要結(jié)合電網(wǎng)的具體情況，做到技術(shù)上可行，并具有較強(qiáng)的可操作性。

[1]劉映尚，張碧華，周云海.黑啟動過程中繼電保護(hù)和安全自動裝置的特性和運(yùn)行[J].中國電力，2005，38(5).

[2]賀家李，宋從矩.電力系統(tǒng)繼電保護(hù)[M].北京：中國電力出版社，1994.

[3]王維儉.電氣主設(shè)備繼電保護(hù)原理與應(yīng)用[M].北京：中國電力出版社，2001.