電網(wǎng)黑啟動恢復過程中空載合閘過電壓分析

楊濟同,趙 毅,楊 斌，戴 青

(1.國網(wǎng)遼寧供電公司 鐵嶺分公司，遼寧 鐵嶺 112000； 2.沈陽工程學院 電力學院，遼寧 沈陽 110136；3.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司 沈陽供電公司，遼寧 沈陽 110003)

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電網(wǎng)黑啟動恢復過程中空載合閘過電壓分析

楊濟同1,趙 毅2,楊 斌3，戴 青3

(1.國網(wǎng)遼寧供電公司 鐵嶺分公司，遼寧 鐵嶺 112000； 2.沈陽工程學院 電力學院，遼寧 沈陽 110136；3.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司 沈陽供電公司，遼寧 沈陽 110003)

大面積停電的系統(tǒng)自恢復即稱為黑啟動，對黑啟動方案的研究是維持電網(wǎng)穩(wěn)定，衡量電網(wǎng)完善程度的一個標志。完整的黑啟動方案需要經(jīng)過多項校驗才能形成，而空載過電壓是校驗方案中比較重要的一個。通過分析遼寧電網(wǎng)黑啟動恢復中的過電壓問題，建立仿真模型，應用ETAP軟件進行仿真校驗，最終提出了相應的解決方案。

黑啟動；空載過電壓；輸電線路；電容效應

隨著社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，電力需求越來越大，對電力行業(yè)的依賴和要求越來越高，也因此帶來了許多潛在的威脅。最近幾年來，包括美國、加拿大、俄羅斯相繼發(fā)生大停電事故的給整個社會帶來了巨大的經(jīng)濟損失，同時也給人們的日常生活帶來了很大的影響。在電網(wǎng)大面積停電的情況下，迅速恢復供電是十分重要的，在恢復供電時需要考慮多種問題，只有安全有效的合理啟動才能保證之后的運行能夠可靠順利。

在啟動方案制定初期首要考慮的是啟動路線的問題，一般黑啟動電源都是遠離恢復負荷的中心，通常需要運用較長距離的輸電線路連接全網(wǎng)，在啟動初期空充線路時，往往受到線路電容效應的影響引起工頻過電壓升高，斷路器元件動作，更重要的是會引起機組進相問題，這些都會對發(fā)電機組及全網(wǎng)的安全運行造成很大的影響，所以在制定黑啟動方案時，需要對空充線路的過電壓問題及發(fā)電機機組進相問題進行校驗。

首先對過電壓的機理進行分析，建立空載過電壓的仿真模型，應用ETAP軟件進行仿真，并根據(jù)啟動的實際路徑為例，校驗過電壓問題對發(fā)電機組及線路的影響，來制定合理的啟動方案。

1 黑啟動案例分析

黑啟動路徑的選擇原則：

1)應能在盡量短的時間內(nèi)以最少的操作步驟恢復供電;

2)應盡量減少不同電壓等級的變換;

3)應距離下一個電源點最近，以盡快恢復本地區(qū)電網(wǎng)的主力電廠，建立相對穩(wěn)定的供電系統(tǒng);

4)應便于主網(wǎng)架的恢復。

根據(jù)遼寧電網(wǎng)的實際情況選擇太平哨水電廠為黑啟動啟動電源并最終帶動全網(wǎng)進行恢復，具體路線如下。

2 空載過電壓的具體分析原則

在黑啟動過程中由于被啟動機組的發(fā)電廠一般為火力發(fā)電廠，地理位置上的距離使得輸電線路較長，因此往往會造成電容-電感元件之間的能量轉(zhuǎn)換，而這個轉(zhuǎn)換往往是強阻尼、振蕩性的過渡過程，即引起過電壓。

在研究黑啟動過程時，往往將線路簡化為如下所示。

e(t)為對稱的三相電壓源，Zs為電源的內(nèi)阻抗，x0為1個數(shù)值非常小的電感元件(可以視為變壓器的漏抗)，x1、x2為2條參數(shù)不同的輸電線路，k1、k2代表2個斷路器，b1、b2代表被充電的母線。

因為空載合閘過電壓的能量是由本身產(chǎn)生的，因此過電壓的幅值與系統(tǒng)的額定電壓存在一定的倍數(shù)關(guān)系，且與系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、設備特性有關(guān)，要以系統(tǒng)的最高運行相電壓的幅值Uphm為基準來計算過電壓幅值的倍數(shù).根據(jù)國內(nèi)外的實測統(tǒng)計數(shù)據(jù)和運行經(jīng)驗，500 kV的直接接地系統(tǒng)操作過電壓倍數(shù)不應超過2.0，同時需要滿足電力行業(yè)標準，《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合》對工頻過電壓限制的要求。

圖1 黑啟動路線

圖2 空載線路合閘充電

3 啟動模型的建立及具體參數(shù)

太平灣發(fā)電廠的發(fā)電機組具體參數(shù)如表1所示。

表1 發(fā)電機組具體參數(shù)

變壓器具體參數(shù)如表2所示。

表2 變壓器具體參數(shù)

母線電壓具體參數(shù)如表3所示。

表3 母線電壓具體參數(shù) kV

由于線路較長及復雜性，線路參數(shù)對于發(fā)電機組進相會造成很大影響，線路參數(shù)如表4所示。

4 算例分析

采用電力系統(tǒng)分析程序ETAP作為分析工具，針對丹東金山熱電廠工頻過電壓及進相的問題仿真。

丹東太平哨電廠黑啟動過程中線路分別充電至寬甸、鳳城、丹東北、丹東金山熱電廠。其中，太平哨廠用負荷按有功負荷1.422 MW、功率因數(shù)0.8計算。機端電壓按1.0 pu控制，太平哨升壓變在0位置。此時線路空載充電至各母線電壓情況如下所示。

表4 輸電線路具體參數(shù)

圖3 空充線路至寬甸線

當太平哨廠啟動后充電至220 kV寬甸變時，線路末端寬甸變母線電壓達到1.078 7 pu。此時機組需進相運行并吸收無功14.1 MVar，各母線電壓均在正常范圍內(nèi)。

圖4 空充線路至鳳城線

線路充電至220 kV鳳城變電站時，線路空載情況如圖4所示。

充電至220 kV鳳城變電站時，鳳城變電站母線電壓達到1.137 3 pu，此時機組需進相運行并吸收無功33.1 MVar。

線路充電至丹東北變電站時，線路空載電壓情況如圖5所示。

充電至220 kV丹東北變電站時，丹東北變電站母線電壓達到1.297 9 pu。此時機組進相運行并吸收無功82.8 MVar。

充電至丹東金山熱電時，丹東金山熱電母線電壓達到1.307 pu。此時機組需進相并吸收無功84 MVar。

圖5 空充線路至丹東金山220線

圖6 空充線路至丹東金山熱電

當不改變機端電壓和主變分接頭位置，充電至丹東金山熱電廠時，由于線路較長，線路充電功率使得線路末端電壓較高，丹東金山熱電母線電壓最高達到1.31 pu。因此有必要通過調(diào)節(jié)機端電壓及主變分接頭方式使得各母線電壓在正常范圍內(nèi)。

可以通過調(diào)節(jié)機端電壓及變壓器分接頭來調(diào)節(jié)機組進相及母線電壓如表5所示。

由表5可知，將升壓變分接頭位置分別調(diào)至到-5%時，繼續(xù)調(diào)整發(fā)電機機端電壓至0.9 pu時，充電至線路末端丹東金山熱電廠時電壓為1.077 pu，此時太平哨機組需進相58.4 MVar。

4.1 無功進相問題

線路空載運行時母線電壓水平保持正常，但受線路對地電容的影響，系統(tǒng)將向太平哨電廠倒送無功，所以太平哨電廠應具備一定的進相能力，通過各種方式下無功進相情況計算分析可知：雖然通過調(diào)整機端電壓和分接頭的方式能夠降低一部分無功進相，但太平哨發(fā)電廠需要具備充裕的無功進相能力，通過計算無功進相得出結(jié)論啟動丹東金山熱電廠前太平哨電廠的無功進相能力應大于84 MVar,才能夠保證黑啟動無功進相的需要。各種方式下機組進相情況如下表5、6所示。

表5 升壓變位置為-5%，機端電壓0.90pu各母線電壓及進相單位

表6 不同機端電壓下機組進相數(shù)值

采用變壓器分接頭位置為-5%，機端電壓為0.95 pu方案時，太平哨充電至丹東金山熱電時需進相64.7MVar，發(fā)電機的進相能力不同，應當使機組運行保持一定的穩(wěn)定儲備，不能超出機組進相極限。若儲備為10%，機組應具備70 MVar的進相能力。

4.2 空載過電壓分析

校驗采用電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)仿真分析程序ETAP作為分析工具，開展太平哨廠啟動丹東金山熱電廠空載合閘過電壓仿真計算，采用直接空充方式充電至各段母線空載合閘分析。

圖7 各母線空充時各電壓曲線

4.3 初步恢復下的穩(wěn)定計算

系統(tǒng)初步恢復后，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)比較薄弱，整個系統(tǒng)容量較小，容易受到干擾引發(fā)穩(wěn)定問題，因此分別采用了單相接地短路及三相短路故障來進行考察。

當系統(tǒng)充電至金山熱電廠并帶金山熱電廠廠用負荷后，單相接地故障時系統(tǒng)穩(wěn)定。

當金山熱電廠至丹東北220 kV母線金山側(cè)母線故障時，故障曲線如圖8所示。

由圖8可見，當金山熱電廠至丹東北220 kV母線金山側(cè)母線故障時，系統(tǒng)中母線電壓分別下降，但母線4電壓仍在其他母線電壓之上，滿足當線路發(fā)生故障時，距離故障線路越遠，受到影響越小，當故障消除時，線路各電壓仍恢復正常水平。

當寬甸至太平哨路線太平哨電廠側(cè)母線發(fā)生故障時，故障曲線如圖9所示。

由圖8、9可見，當寬甸至太平哨路線太平哨電廠側(cè)母線發(fā)生故障時，系統(tǒng)中母線電壓分別下降，但母線4電壓仍在其他母線電壓之上，滿足當線路發(fā)生故障時，距離故障線路越遠，受到影響越小，當故障消除時，線路各電壓仍恢復正常水平。

圖8 金山側(cè)母線故障時各母線電壓曲線

圖9 太平哨廠母線電壓故障時各母線電壓曲線

5 結(jié) 論

以上的計算仿真結(jié)果表明，遼寧電網(wǎng)在黑啟動過程中對輸電線路進行合閘操作時存在過電壓現(xiàn)象，在同期合閘的情況下，各條母線電壓均不會超過系統(tǒng)過電壓的標準值，合閘后各段母線電壓均滿足中華人民共和國電力行業(yè)標準《交流電氣裝置的過電壓保護和

絕緣配合》(DL/T 620-1997)的規(guī)定要求。

太平哨升壓變應盡可能，同時適當降低機端電壓。根據(jù)檢驗，當采用主變分接頭位置為-5%，機端電壓為0.9 pu的方式時，線路末端丹東金山熱電220 kV母線電壓為1.081 5 pu，太平哨充電至金山熱電時需進相64.7 MVar,發(fā)電機的進相能力不同，應使機組運行保持一定的穩(wěn)定儲備，不能超出機組進相極限。應當考慮10%儲備，因此建議太平哨水電機組進相應具備70 MVar的進相能力。

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(責任編輯 佟金鍇 校對 張 凱)

Analysis on No-load Switching Overvoltage at Power Grid Black Start Restoration

YANG Ji-tong1,ZHAO Yi2,YANG Bin3,DAI Qin3

(1.State Grid Tieling Electric Power Supply Compang,State Grid Compang,Tieling 112000,Liaoning Province;2.School of Electrical Engineering,Shenyang Institute of Engineering,Shenyang 110136,Liaoning Province;3.State Grid Shenyang Electric Power Supply Compang,State Grid Compang,Shenyang 110003,Liaoning Province)

The black start means the system self-recovery after large area blackout.The research of black start schemes is to maintain the stability and perfection of the power grid.The integral black start scheme needs a number of checks to form,and the no-load voltage is one important factor in the checked scheme.Based on the analysis on the overvoltage appeared in black start recovery of the Liaoning Power Grid,simulation model was established.The corresponding solution was put forward according to the simulation with ETAP software.

black start;no load overvoltage;transmission line;capacitance effect

2014-06-03

楊濟同(1991-)，男，遼寧鐵嶺人。

趙 毅(1982-)，男，遼寧沈陽人，講師，碩士。

10.13888/j.cnki.jsie(ns).2015.03.014

TM73

A

1673-1603(2015)03-0255-05