黑啟動電站啟動調試及繼電保護問題探討

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檢工區，江蘇 蘇州 215000)

電網“黑啟動”是指整個電網因故障崩潰停運后，系統全部停電，處于全“黑”狀態，此時通過系統中具有自啟動能力機組的啟動和外來電源，帶動無自啟動能力的機組，逐步擴大系統的恢復范圍，最終實現整個系統的恢復和正常供電。

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組作為黑啟動電源（如水電機組）給空載串聯長線路（黑啟動路徑）充電。然后單電源通過串聯長線路啟動另一臺不具有自啟動能力的機組，通過廠用變向被啟動機組的廠用負荷供電，形成單側電源帶小負荷的運行方式。廠用負荷恢復供電后，被啟動機組開始啟動，穩定運行后與另一端的電源實現兩機同期并列。并列成功，形成雙電源結構[1]。

蘇北黑啟動電站位于徐州市銅山縣境內，緊鄰新建220kV位莊變電站。工程建設2臺13 MW柴油燃料汽輪發電機組和1臺500 kW小柴油發電機。2臺燃汽輪機組出口電壓為11kV，經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燃煤機組啟動，再為其他后續電廠的啟動提供電源。黑啟動電站的1號機、2號機組可以在電網完全瓦解的情況下獨立啟動，屬于電網極端故障下的恢復用電源，長期備用，不帶基本負荷。蘇北黑啟動電站一次系統接線如圖1所示。

站內啟動調試流程分4個部分：

（1）1號機、2號機同期系統試驗及小柴油發電機（0號機）試驗。燃機首次升壓帶10kV母線電壓互感器（TV）及發電機出口TV，分別進行1號機、2號機同期系統同電源核相，確保1號機、2號機同期回路正確；1號機、2號機分別帶0號啟動變，進行小柴油發電機與400 V廠用電切換試驗；1號機帶400 V廠用電對2號機進行啟動升壓，并進行2臺燃機之間假同期試驗、互并試驗。

圖1 蘇北黑啟動電站一次系統接線

（2）1號機、2號機短路試驗和空載試驗。由小柴油發電機帶1號機、2號機進行發電機短路試驗、空載試驗、勵磁系統試驗。測試發電機短路特性、空載特性，測量發電機轉子絕緣電阻、軸電壓，滅磁時間常數、殘壓。

（3）1號機、2號機并網及帶負荷試驗。由0號主變送電至10kV母線，0號啟動變受電，由系統電源帶1號機、2號機分別啟動，進行同期并網試驗，帶負荷校驗發電機保護、0號主變差動保護、0號主變間隔母差保護。

（4）1號機、2號機滿負荷試運。由系統電源帶機組啟動并網，滿負荷運行。考驗機組滿負荷運行性能。

2 黑啟動過程中繼電保護要求

2.1 系統保護

黑啟動試驗系統與正常運行系統差異很大，保護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。在試驗系統中由于系統電源很小，短路電流也很小，因此，在黑啟動試驗過程中，繼電保護定值的設定應充分考慮系統電源問題，以盡可能保證設備安全為目的，保證在黑啟動過程中快速切除故障，而不考慮逐級配合。同時需要參與試驗的各級運行人員加強設備監視，在遇到異常情況時采取緊急措施，保證設備安全和人身安全。蘇北黑啟動試驗期間，并入試驗系統的位莊變位彭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開關母差TA短接退出220kV母差回路。彭位2611支線兩側PRS753主保護和后備保護均投入運行，PSL603保護僅后備保護投入運行。線路兩側重合閘停用，任何故障均三相跳閘不重合。位莊側啟用PSL631A過流保護，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線路保護均認為是處于TV斷線狀態而將其高頻、相間距離、接地距離、方向零序保護自動退出，僅靠位莊變2611開關TV斷線相過流/零序過流保護、PSL631電流保護切除故障。在零起升壓到70%額定電壓之后，位莊變2611開關相關保護功能均可自動恢復投入。

2.2 重合閘方式

在發電機啟動時，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，則線路在機組啟動時就會立即重合。長線路的無功功率及充電線路運行方式的不確定性等均不利于剛剛啟動的自啟動機組的穩定運行，增加了機組的無功調節壓力，給勵磁系統帶來了沖擊。若要通過輸電線向其他機組提供啟動電源時，則只能通過手動合閘。因此，在黑啟動試驗過程中重合閘方式改為停用。

2.3 發電機保護

具體要求：負序保護投入；過電壓保護投入；低電壓和低頻保護停用[2]。

一般而言，發電機升速、升壓過程中，為了確保低頻和低壓保護不誤動，發電機保護邏輯中串接了開關接點。發電機啟動過程達到額定轉速和電壓后，經同期出口開關合上后，并網狀態下低頻、低壓保護才啟用，從而有效防止低頻、低壓保護誤動跳機[3]。

而黑啟動過程中，系統全部停電，處于全“黑”狀態，發電機同期并網無從談起，只能采用無壓合閘方式合上開關，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、低壓保護動作，滅磁、跳機，無法滿足啟動要求。因此，考慮在G87發電機保護增加低頻、低壓保護投退壓板，啟動過程中退出該壓板，額定轉速和電壓后再恢復投用。

然而問題并非到此為止。2臺燃汽輪機組為美國索拉透平有限公司進口設備，索拉公司設備邏輯設計進一步提出要求：轉速大于90%額定轉速（NGP＞90%）和勵磁系統手動模式（FCR mode）情況下才允許退出低頻、低壓保護。具體設計如圖2所示。其中，增加了選擇開關（-ST）用于投/退低頻、低壓保護；在開入信號回路中，串入索拉公司閉鎖接點。正常情況下，此回路不通，保護處于投入狀態；啟動過程中，2個邏輯條件滿足 （轉速＞90%，FCR模式），索拉公司接點閉合，此時將-ST開關切至退出位置，整個回路溝通，保護退出。

按圖2設計，運行人員操作步驟：

（1）投入低頻、低壓保護壓板，啟動機組，勵磁系統置于手動模式；

（2）轉速達到90%額定轉速后，退出低頻、低壓保護壓板，合上發電機出口開關（無壓合閘）；

（3）繼續升速至額定轉速，手動模式調整電壓至額定附近。此時投入低頻、低壓保護壓板，保護恢復正常運行，同時勵磁系統切換至自動模式。

3 結束語

黑啟動過程系統的參數與正常運行時差異較大，這種運行特性的變化影響電力系統繼電保護的正確動作；繼電保護如何合理配置是黑啟動試驗過程中需要考慮和驗證的問題。在制定方案時，要結合電網的具體情況，做到技術上可行，并具有較強的可操作性。

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

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

[3]王維儉.電氣主設備繼電保護原理與應用[M].北京：中國電力出版社，2001.