黑啟動(dòng)過程中繼電保護(hù)遇到的新問題探索
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摘要:本文介紹了當(dāng)一個(gè)龐大的電力系統(tǒng)發(fā)生崩潰后系統(tǒng)的恢復(fù)過程，從安全的角度出發(fā)，有必要制定地方性的黑啟動(dòng)計(jì)劃，而在220kV及以上電壓等級(jí)的電網(wǎng)中，輸電線路的主保護(hù)為各種不同原理的縱聯(lián)保護(hù)，并以零序電流和距離保護(hù)作為后備保護(hù)。黑啟動(dòng)過程中，線路保護(hù)會(huì)遇到一些特殊的問題。
論文關(guān)鍵詞：黑啟動(dòng),系統(tǒng)癱瘓,系統(tǒng)恢復(fù),繼電保護(hù),零序電流保護(hù)
所謂黑啟動(dòng)（Black-start），是指整個(gè)系統(tǒng)因故障停運(yùn)后，不依賴別的網(wǎng)絡(luò)的幫助，通過系統(tǒng)中具有自起動(dòng)能力機(jī)組的起動(dòng)，帶動(dòng)無起動(dòng)能力的機(jī)組，逐漸擴(kuò)大系統(tǒng)恢復(fù)范圍，最終實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的恢復(fù)。
隨著電力建設(shè)和電力市場(chǎng)的發(fā)展，電力系統(tǒng)的安全及穩(wěn)定運(yùn)行的越發(fā)重要。而因?yàn)榧夹g(shù)、管理，及電力系統(tǒng)的擴(kuò)大等因素，使電力系統(tǒng)發(fā)生災(zāi)變的可能性相當(dāng)大。當(dāng)系統(tǒng)全停后得不到迅速的恢復(fù)，就會(huì)造成嚴(yán)重的損失。局部電網(wǎng)的某些個(gè)別問題，若處理不當(dāng)其影響將波及鄰近的廣大地域，并可能引發(fā)惡性連鎖反應(yīng)，最終釀成大面積停電的重大系統(tǒng)故障。如1977年8月的東京地區(qū)的停電；1996年美國西部電網(wǎng)連續(xù)兩次發(fā)生大面積停電事故；1996年8月3日馬來西亞國家電網(wǎng)發(fā)生全國性大面積停電事故；2003年8月14日美國加拿大地區(qū)大面積停電。在當(dāng)時(shí)環(huán)境條件下，無任何黑啟動(dòng)措施使得停電時(shí)間延長，造成國民經(jīng)濟(jì)嚴(yán)重?fù)p失。
2．黑啟動(dòng)過程中繼電保護(hù)遇到的新問題
在220kV及以上電壓等級(jí)的電網(wǎng)中，輸電線路的主保護(hù)為各種不同原理的縱聯(lián)保護(hù)，并以零序電流和距離保護(hù)作為后備保護(hù)。黑啟動(dòng)過程中，線路保護(hù)會(huì)遇到一些特殊的問題，現(xiàn)分析如下：
在黑啟動(dòng)的過程中，系統(tǒng)的容量和規(guī)模是逐步擴(kuò)大的。黑啟動(dòng)初期，系統(tǒng)只是一個(gè)很小的孤立系統(tǒng)，運(yùn)行方式也會(huì)隨著黑啟動(dòng)的進(jìn)行變化，主要經(jīng)過以下3個(gè)運(yùn)行方式：
1) 單側(cè)電源帶空載串聯(lián)長線運(yùn)行；
2) 單側(cè)電源經(jīng)串聯(lián)線路帶被啟動(dòng)機(jī)組的廠用負(fù)荷運(yùn)行；
3) 通過串聯(lián)線路相連的雙側(cè)電源方式。
黑啟動(dòng)的過程中，系統(tǒng)的容量很小，短路水平遠(yuǎn)不如正常系統(tǒng)；特別是在單電源的運(yùn)行方式下，作為高壓輸電線路的主保護(hù)－縱聯(lián)方向保護(hù)在發(fā)生故障時(shí)難以保障區(qū)內(nèi)故障時(shí)的可靠性，因此必須合理整定零序電流和距離保護(hù)以適應(yīng)黑啟動(dòng)的要求。為保證黑啟動(dòng)的順利實(shí)施，避免在黑啟動(dòng)過程中發(fā)生故障時(shí)由于保護(hù)拒動(dòng)的原因而造成電力設(shè)備的損害，繼電保護(hù)的方案必須經(jīng)重新計(jì)算校驗(yàn)，以滿足黑啟動(dòng)過程中電力設(shè)備的安全需要。
3．算例的分析
出于簡化保護(hù)配置的考慮，可以將AB，BC，CD三段線路作為一條長線路來考慮整定。繼電保護(hù)主要重新整定QF1處的保護(hù)定值。所以在設(shè)計(jì)程序的時(shí)候主要考慮的是QF1隨著系統(tǒng)的運(yùn)行方式變化而相應(yīng)地改變其保護(hù)的整定值。
圖1 系統(tǒng)接線圖
已知參數(shù)：UB=220KV SB=1000MVA ST3=100MVA
G1：XG1=0.296
G2：XG2=0.13143
T1：XT1(1)=XT1(2)= XT1(0)=0.2462
T2：XT2(1)=XT2(2)=XT2(0)=0.0664
TB：XTB(1)=XTB(2)=XTB(0)=1.0
L1：XL1(1)=XL1(2)=0.2537 XL1(0)=0.8106
L2：XL2(1)=XL2(2)=0.1441 XL2(0)=0.4333
L3：XL3(1)=XL3(2)=0.133 XL3(0)=0.4732
3.1分析黑啟動(dòng)過程的運(yùn)行方式
在上述的系統(tǒng)接線圖1中，G1是起動(dòng)電源，通過由三段輸電線組成的長輸電線送起動(dòng)功率至機(jī)組G2，這是一個(gè)很典型的黑啟動(dòng)方案。從G1開始給輸電線路充電到G2恢復(fù)發(fā)電運(yùn)行，整個(gè)黑啟動(dòng)過程大概可以分為以下三個(gè)階段：
（1） QF0，QF1，QF2閉合，QF3，QF4斷開，G1只帶著由L1，L2，L3組成的輸電線路運(yùn)行。自啟動(dòng)機(jī)組發(fā)出的啟動(dòng)功率需經(jīng)超高壓輸電線路送出，線路空載充電會(huì)釋放大量的無功功率，因此要求啟動(dòng)動(dòng)機(jī)組G1具有吸收無功功率的能力。
圖2 運(yùn)行方式一
（2） QF4也閉合，備用變壓器投入運(yùn)行，即由G1，輸電線路，T3組成的系統(tǒng)。備用變壓器投入運(yùn)行，為被啟動(dòng)機(jī)組G2提供廠用電。
圖3 運(yùn)行方式二
�。�3） QF3閉合，G2得到G1的啟動(dòng)功率后逐步恢復(fù)運(yùn)行，然后經(jīng)準(zhǔn)同期并列，由單電源的小系統(tǒng)變成雙電源的系統(tǒng)。
圖4 運(yùn)行方式三
3.2 短路電流的計(jì)算
分析在上述的每一種運(yùn)行方式下，在母線D和T3低壓母線分別發(fā)生單相接地短路f(1)和兩相接地短路f(1,1)
圖5 分析短路情況
經(jīng)計(jì)算可得不同情況下的短路電流及流過保護(hù)的3倍零序電流：如下表1所示：
表1 D母線及T3低壓側(cè)母線短路計(jì)算表
短路點(diǎn)
D母線（220千伏）短路
備用變壓器T3低壓側(cè)母線短路
短路
方式
運(yùn)行
方式
單相接地短路
f(1)
f(1)時(shí)流過保護(hù)的3倍零序電流
兩相接地短路
f(1,1)
f(1,1)時(shí)流過保護(hù)的3倍零序電流
單相接地短路
f(1)
f(1)時(shí)流過保護(hù)的3倍零序電流
兩相接地短路
f(1,1)
f(1,1)時(shí)流過保護(hù)的3倍零序電流
運(yùn)行方式一
1832.11
1832.11
2161.46
1505.86
運(yùn)行方式二
2680.64
904.61
2563.21
1059.45
1058.99
1058.99
1149.46
941.13
運(yùn)行方式三
19088.07
586.76
18456.13
804.31
1247.22
40.80
1230.23
42.07
注：表中電流單位為：A
3.3整定結(jié)果
根據(jù)以上的分析及計(jì)算，可得零序電流保護(hù)的整定：
a) 零序電流保護(hù)Ⅰ段整定，按躲過方式三下的末端短路時(shí)流過保護(hù)的最大零序電流整定IDZⅠ≥Kk3I0max得：
IDZⅠ=1.3*804.31=1045.60A
tⅠ=0s
b) 零序電流保護(hù)Ⅱ段整定，按保障方式三下末端短路時(shí)達(dá)到規(guī)定的靈敏度整定（這樣做可能難以保障方式二下的靈敏度，但是在方式二下靠近線路末端故障時(shí)，流過啟備變的零序電流相對(duì)較大，故障時(shí)啟備變保護(hù)動(dòng)作跳閘后，流過線路保護(hù)的零序電流會(huì)明顯增大，這樣可以由保護(hù)的Ⅱ段，甚至Ｉ段跳開線路）IDZⅢ=3I0min/Klm得：
IDZⅡ=3*I0min/1.4= 419.11A
tⅡ=0.5s;
Klm=1.4
c) 零序電流保護(hù)Ⅲ段整定，按躲過啟備變空投的勵(lì)磁涌流整定：
IDZⅢ》0.5*Ie
其中Ie為啟備變高壓側(cè)額定電流：
Ie=ST3/(1.732*UB)=262.36Ａ
IDZⅢ=0.5*Ie=131.18
III段的時(shí)間要長一些，也是基于躲過勵(lì)磁涌流的。
tⅢ=3.0s;
Klm= 0.31.
3.4討論
上述首先分析了黑啟動(dòng)的運(yùn)行方式，了解了與正常運(yùn)行方式的區(qū)別；并通過短路電流的重新計(jì)算，可以看出短路電流較正常水平大為減少，如果繼電保護(hù)的整定值在黑啟動(dòng)過程中不調(diào)整過來，繼電保護(hù)裝置就會(huì)失效，不能保護(hù)線路和裝置，就會(huì)造成不但黑啟動(dòng)不成功，反而造成設(shè)備燒損，更加延誤系統(tǒng)的恢復(fù)。
本文設(shè)計(jì)的程序簡單明了，本例考慮的情況比較簡單，線路并不復(fù)雜，但能反映黑啟動(dòng)的基本動(dòng)作過程，能進(jìn)行短路電流的計(jì)算，根據(jù)公式進(jìn)行零序電流保護(hù)的重新整定。
4．結(jié)論
因?yàn)樵诤趩?dòng)過程中，主要操作集中在起動(dòng)電源和被起動(dòng)機(jī)組兩端，制定黑啟動(dòng)方案時(shí)，根據(jù)以上原則，考慮完全不操作兩端之間的保護(hù)裝置，把兩端之間的線路當(dāng)作一回線來計(jì)算，整條線路的保護(hù)由起動(dòng)電源側(cè)的保護(hù)來承擔(dān)。這樣，可避免系統(tǒng)全停事故發(fā)生后，與兩端之間的供電局聯(lián)系不上，省去該供電局讓人去變電站改變保護(hù)定值的時(shí)間，可為系統(tǒng)的恢復(fù)爭(zhēng)取寶貴的時(shí)間。
總結(jié)制定繼電保護(hù)方案的基本原則包括：
�。�1） 這種小網(wǎng)系統(tǒng)顯然是在繼電保護(hù)整定計(jì)算時(shí)未考慮過的運(yùn)行方式，必須重新計(jì)算這種方式下的短路電流，重新整定零序電流保護(hù)，保證在黑啟動(dòng)過程中發(fā)生故障時(shí)保護(hù)具有靈敏度，保護(hù)裝置不拒動(dòng)。
�。�2） 盡可能地保證在黑啟動(dòng)過程中，所有電氣設(shè)備的保護(hù)都能有一定的靈敏度，以避免造成不但黑啟動(dòng)不成功，反而造成設(shè)備燒損，更加延誤系統(tǒng)的恢復(fù)。
�。�3） 黑啟動(dòng)過程的繼電保護(hù)方案，必須便于在今后一旦全停時(shí)能快速實(shí)施。
（4） 考慮到黑啟動(dòng)中，通信自動(dòng)化等往往也不暢通，因此，應(yīng)盡量使繼電保護(hù)的操作減少，尤其是對(duì)于不在市區(qū)的供電局所屬變電站，應(yīng)盡量不操作或只進(jìn)行值班員就能進(jìn)行的操作，以免讓變電分局保護(hù)班人員趕到現(xiàn)場(chǎng)而耽誤時(shí)間，或與供電局聯(lián)系不上而影響整個(gè)黑啟動(dòng)過程。
�。�5） 每種典型黑啟動(dòng)方案，其繼電保護(hù)方案宜以作為啟動(dòng)電源的水電廠為分類，保存于水電廠。當(dāng)系統(tǒng)全停后，各水電廠在接到調(diào)度指令后，能迅速根據(jù)所保存的典型黑啟動(dòng)的繼電保護(hù)方案予以實(shí)施。
本文雖然沒有考慮線路較復(fù)雜的黑啟動(dòng)保護(hù)整定的情況，但是從中可以得出黑啟動(dòng)過程跟正常的運(yùn)行方式的巨大區(qū)別，黑啟動(dòng)過程的主要特點(diǎn)是單側(cè)電源的小系統(tǒng)電網(wǎng)，系統(tǒng)容量很小，短路水平教正常時(shí)大為減少，因此在設(shè)計(jì)黑啟動(dòng)方案時(shí)，主要是防止保護(hù)拒動(dòng)。所以應(yīng)重新整定零序電流保護(hù)的值，使之在黑啟動(dòng)過程中發(fā)生故障時(shí)能動(dòng)作，應(yīng)針對(duì)不同的黑啟動(dòng)方案計(jì)算該種方式下的短路電流，并調(diào)整繼電保護(hù)的整定值（主要是電源側(cè)的整定值）。特別要注意將零序電流保護(hù)的值改小，使保護(hù)能可靠啟動(dòng)。
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