黑启动电站启动调试及继电保护问题探讨

马长征，沈飞飞

(1.江苏省电力公司检修分公司，江苏 南京 211102；2.苏州供电公司配电运检工区，江苏 苏州 215000)

电网“黑启动”是指整个电网因故障崩溃停运后，系统全部停电，处于全“黑”状态，此时通过系统中具有自启动能力机组的启动和外来电源，带动无自启动能力的机组，逐步扩大系统的恢复范围，最终实现整个系统的恢复和正常供电。

1 黑启动及其一般过程

典型的黑启动方案是由一台自启动机组作为黑启动电源（如水电机组）给空载串联长线路（黑启动路径）充电。然后单电源通过串联长线路启动另一台不具有自启动能力的机组，通过厂用变向被启动机组的厂用负荷供电，形成单侧电源带小负荷的运行方式。厂用负荷恢复供电后，被启动机组开始启动，稳定运行后与另一端的电源实现两机同期并列。并列成功，形成双电源结构[1]。

苏北黑启动电站位于徐州市铜山县境内，紧邻新建220kV位庄变电站。工程建设2台13 MW柴油燃料汽轮发电机组和1台500 kW小柴油发电机。2台燃汽轮机组出口电压为11kV，经1台40 MV·A升压变压器升压后接入位庄变电站220kV母线，再经位庄－彭城电厂的架空线路送入彭城电厂。其主要功能是在整个电网崩溃的极端条件下，为彭城电厂提供1路220kV启动电源，以确保该厂的1台300 MW燃煤机组启动，再为其他后续电厂的启动提供电源。黑启动电站的1号机、2号机组可以在电网完全瓦解的情况下独立启动，属于电网极端故障下的恢复用电源，长期备用，不带基本负荷。苏北黑启动电站一次系统接线如图1所示。

站内启动调试流程分4个部分：

（1）1号机、2号机同期系统试验及小柴油发电机（0号机）试验。燃机首次升压带10kV母线电压互感器（TV）及发电机出口TV，分别进行1号机、2号机同期系统同电源核相，确保1号机、2号机同期回路正确；1号机、2号机分别带0号启动变，进行小柴油发电机与400 V厂用电切换试验；1号机带400 V厂用电对2号机进行启动升压，并进行2台燃机之间假同期试验、互并试验。

图1 苏北黑启动电站一次系统接线

（2）1号机、2号机短路试验和空载试验。由小柴油发电机带1号机、2号机进行发电机短路试验、空载试验、励磁系统试验。测试发电机短路特性、空载特性，测量发电机转子绝缘电阻、轴电压，灭磁时间常数、残压。

（3）1号机、2号机并网及带负荷试验。由0号主变送电至10kV母线，0号启动变受电，由系统电源带1号机、2号机分别启动，进行同期并网试验，带负荷校验发电机保护、0号主变差动保护、0号主变间隔母差保护。

（4）1号机、2号机满负荷试运。由系统电源带机组启动并网，满负荷运行。考验机组满负荷运行性能。

2 黑启动过程中继电保护要求

2.1 系统保护

黑启动试验系统与正常运行系统差异很大，保护装置有其固有的动作特性，特别是在启动电流及精工电流上有较高的要求。在试验系统中由于系统电源很小，短路电流也很小，因此，在黑启动试验过程中，继电保护定值的设定应充分考虑系统电源问题，以尽可能保证设备安全为目的，保证在黑启动过程中快速切除故障，而不考虑逐级配合。同时需要参与试验的各级运行人员加强设备监视，在遇到异常情况时采取紧急措施，保证设备安全和人身安全。苏北黑启动试验期间，并入试验系统的位庄变位彭2611、0号主变2000、彭城电厂彭位支线2611、01号启动变4001、2号主变4602开关母差TA短接退出220kV母差回路。彭位2611支线两侧PRS753主保护和后备保护均投入运行，PSL603保护仅后备保护投入运行。线路两侧重合闸停用，任何故障均三相跳闸不重合。位庄侧启用PSL631A过流保护，定值相电流值120 A，时间0.5 s（不带方向）。

由于在零起升压到70%额定电压之前，220kV线路保护均认为是处于TV断线状态而将其高频、相间距离、接地距离、方向零序保护自动退出，仅靠位庄变2611开关TV断线相过流/零序过流保护、PSL631电流保护切除故障。在零起升压到70%额定电压之后，位庄变2611开关相关保护功能均可自动恢复投入。

2.2 重合闸方式

在发电机启动时，若与之相连的线路重合闸方式选择为检测母线有电线路无电重合，则线路在机组启动时就会立即重合。长线路的无功功率及充电线路运行方式的不确定性等均不利于刚刚启动的自启动机组的稳定运行，增加了机组的无功调节压力，给励磁系统带来了冲击。若要通过输电线向其他机组提供启动电源时，则只能通过手动合闸。因此，在黑启动试验过程中重合闸方式改为停用。

2.3 发电机保护

具体要求：负序保护投入；过电压保护投入；低电压和低频保护停用[2]。

一般而言，发电机升速、升压过程中，为了确保低频和低压保护不误动，发电机保护逻辑中串接了开关接点。发电机启动过程达到额定转速和电压后，经同期出口开关合上后，并网状态下低频、低压保护才启用，从而有效防止低频、低压保护误动跳机[3]。

而黑启动过程中，系统全部停电，处于全“黑”状态，发电机同期并网无从谈起，只能采用无压合闸方式合上开关，带主变升压至额定，外送电源。此时，升速、升压过程就会引起低频、低压保护动作，灭磁、跳机，无法满足启动要求。因此，考虑在G87发电机保护增加低频、低压保护投退压板，启动过程中退出该压板，额定转速和电压后再恢复投用。

然而问题并非到此为止。2台燃汽轮机组为美国索拉透平有限公司进口设备，索拉公司设备逻辑设计进一步提出要求：转速大于90%额定转速（NGP＞90%）和励磁系统手动模式（FCR mode）情况下才允许退出低频、低压保护。具体设计如图2所示。其中，增加了选择开关（-ST）用于投/退低频、低压保护；在开入信号回路中，串入索拉公司闭锁接点。正常情况下，此回路不通，保护处于投入状态；启动过程中，2个逻辑条件满足 （转速＞90%，FCR模式），索拉公司接点闭合，此时将-ST开关切至退出位置，整个回路沟通，保护退出。

按图2设计，运行人员操作步骤：

（1）投入低频、低压保护压板，启动机组，励磁系统置于手动模式；

（2）转速达到90%额定转速后，退出低频、低压保护压板，合上发电机出口开关（无压合闸）；

（3）继续升速至额定转速，手动模式调整电压至额定附近。此时投入低频、低压保护压板，保护恢复正常运行，同时励磁系统切换至自动模式。

3 结束语

黑启动过程系统的参数与正常运行时差异较大，这种运行特性的变化影响电力系统继电保护的正确动作；继电保护如何合理配置是黑启动试验过程中需要考虑和验证的问题。在制定方案时，要结合电网的具体情况，做到技术上可行，并具有较强的可操作性。

[1]刘映尚，张碧华，周云海.黑启动过程中继电保护和安全自动装置的特性和运行[J].中国电力，2005，38(5).

[2]贺家李，宋从矩.电力系统继电保护[M].北京：中国电力出版社，1994.

[3]王维俭.电气主设备继电保护原理与应用[M].北京：中国电力出版社，2001.