电网黑启动恢复过程中空载合闸过电压分析

杨济同,赵 毅,杨 斌，戴 青

(1.国网辽宁供电公司 铁岭分公司，辽宁 铁岭 112000； 2.沈阳工程学院 电力学院，辽宁 沈阳 110136；3.国网辽宁省电力有限公司 沈阳供电公司，辽宁 沈阳 110003)



电网黑启动恢复过程中空载合闸过电压分析

杨济同1,赵 毅2,杨 斌3，戴 青3

(1.国网辽宁供电公司 铁岭分公司，辽宁 铁岭 112000； 2.沈阳工程学院 电力学院，辽宁 沈阳 110136；3.国网辽宁省电力有限公司 沈阳供电公司，辽宁 沈阳 110003)

大面积停电的系统自恢复即称为黑启动，对黑启动方案的研究是维持电网稳定，衡量电网完善程度的一个标志。完整的黑启动方案需要经过多项校验才能形成，而空载过电压是校验方案中比较重要的一个。通过分析辽宁电网黑启动恢复中的过电压问题，建立仿真模型，应用ETAP软件进行仿真校验，最终提出了相应的解决方案。

黑启动；空载过电压；输电线路；电容效应

随着社会经济的不断发展，电力需求越来越大，对电力行业的依赖和要求越来越高，也因此带来了许多潜在的威胁。最近几年来，包括美国、加拿大、俄罗斯相继发生大停电事故的给整个社会带来了巨大的经济损失，同时也给人们的日常生活带来了很大的影响。在电网大面积停电的情况下，迅速恢复供电是十分重要的，在恢复供电时需要考虑多种问题，只有安全有效的合理启动才能保证之后的运行能够可靠顺利。

在启动方案制定初期首要考虑的是启动路线的问题，一般黑启动电源都是远离恢复负荷的中心，通常需要运用较长距离的输电线路连接全网，在启动初期空充线路时，往往受到线路电容效应的影响引起工频过电压升高，断路器元件动作，更重要的是会引起机组进相问题，这些都会对发电机组及全网的安全运行造成很大的影响，所以在制定黑启动方案时，需要对空充线路的过电压问题及发电机机组进相问题进行校验。

首先对过电压的机理进行分析，建立空载过电压的仿真模型，应用ETAP软件进行仿真，并根据启动的实际路径为例，校验过电压问题对发电机组及线路的影响，来制定合理的启动方案。

1 黑启动案例分析

黑启动路径的选择原则：

1)应能在尽量短的时间内以最少的操作步骤恢复供电;

2)应尽量减少不同电压等级的变换;

3)应距离下一个电源点最近，以尽快恢复本地区电网的主力电厂，建立相对稳定的供电系统;

4)应便于主网架的恢复。

根据辽宁电网的实际情况选择太平哨水电厂为黑启动启动电源并最终带动全网进行恢复，具体路线如下。

2 空载过电压的具体分析原则

在黑启动过程中由于被启动机组的发电厂一般为火力发电厂，地理位置上的距离使得输电线路较长，因此往往会造成电容-电感元件之间的能量转换，而这个转换往往是强阻尼、振荡性的过渡过程，即引起过电压。

在研究黑启动过程时，往往将线路简化为如下所示。

e(t)为对称的三相电压源，Zs为电源的内阻抗，x0为1个数值非常小的电感元件(可以视为变压器的漏抗)，x1、x2为2条参数不同的输电线路，k1、k2代表2个断路器，b1、b2代表被充电的母线。

因为空载合闸过电压的能量是由本身产生的，因此过电压的幅值与系统的额定电压存在一定的倍数关系，且与系统的结构、设备特性有关，要以系统的最高运行相电压的幅值Uphm为基准来计算过电压幅值的倍数.根据国内外的实测统计数据和运行经验，500 kV的直接接地系统操作过电压倍数不应超过2.0，同时需要满足电力行业标准，《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》对工频过电压限制的要求。

图1 黑启动路线

图2 空载线路合闸充电

3 启动模型的建立及具体参数

太平湾发电厂的发电机组具体参数如表1所示。

表1 发电机组具体参数

变压器具体参数如表2所示。

表2 变压器具体参数

母线电压具体参数如表3所示。

表3 母线电压具体参数 kV

由于线路较长及复杂性，线路参数对于发电机组进相会造成很大影响，线路参数如表4所示。

4 算例分析

采用电力系统分析程序ETAP作为分析工具，针对丹东金山热电厂工频过电压及进相的问题仿真。

丹东太平哨电厂黑启动过程中线路分别充电至宽甸、凤城、丹东北、丹东金山热电厂。其中，太平哨厂用负荷按有功负荷1.422 MW、功率因数0.8计算。机端电压按1.0 pu控制，太平哨升压变在0位置。此时线路空载充电至各母线电压情况如下所示。

表4 输电线路具体参数

图3 空充线路至宽甸线

当太平哨厂启动后充电至220 kV宽甸变时，线路末端宽甸变母线电压达到1.078 7 pu。此时机组需进相运行并吸收无功14.1 MVar，各母线电压均在正常范围内。

图4 空充线路至凤城线

线路充电至220 kV凤城变电站时，线路空载情况如图4所示。

充电至220 kV凤城变电站时，凤城变电站母线电压达到1.137 3 pu，此时机组需进相运行并吸收无功33.1 MVar。

线路充电至丹东北变电站时，线路空载电压情况如图5所示。

充电至220 kV丹东北变电站时，丹东北变电站母线电压达到1.297 9 pu。此时机组进相运行并吸收无功82.8 MVar。

充电至丹东金山热电时，丹东金山热电母线电压达到1.307 pu。此时机组需进相并吸收无功84 MVar。

图5 空充线路至丹东金山220线

图6 空充线路至丹东金山热电

当不改变机端电压和主变分接头位置，充电至丹东金山热电厂时，由于线路较长，线路充电功率使得线路末端电压较高，丹东金山热电母线电压最高达到1.31 pu。因此有必要通过调节机端电压及主变分接头方式使得各母线电压在正常范围内。

可以通过调节机端电压及变压器分接头来调节机组进相及母线电压如表5所示。

由表5可知，将升压变分接头位置分别调至到-5%时，继续调整发电机机端电压至0.9 pu时，充电至线路末端丹东金山热电厂时电压为1.077 pu，此时太平哨机组需进相58.4 MVar。

4.1 无功进相问题

线路空载运行时母线电压水平保持正常，但受线路对地电容的影响，系统将向太平哨电厂倒送无功，所以太平哨电厂应具备一定的进相能力，通过各种方式下无功进相情况计算分析可知：虽然通过调整机端电压和分接头的方式能够降低一部分无功进相，但太平哨发电厂需要具备充裕的无功进相能力，通过计算无功进相得出结论启动丹东金山热电厂前太平哨电厂的无功进相能力应大于84 MVar,才能够保证黑启动无功进相的需要。各种方式下机组进相情况如下表5、6所示。

表5 升压变位置为-5%，机端电压0.90pu各母线电压及进相单位

表6 不同机端电压下机组进相数值

采用变压器分接头位置为-5%，机端电压为0.95 pu方案时，太平哨充电至丹东金山热电时需进相64.7MVar，发电机的进相能力不同，应当使机组运行保持一定的稳定储备，不能超出机组进相极限。若储备为10%，机组应具备70 MVar的进相能力。

4.2 空载过电压分析

校验采用电力系统电磁暂态仿真分析程序ETAP作为分析工具，开展太平哨厂启动丹东金山热电厂空载合闸过电压仿真计算，采用直接空充方式充电至各段母线空载合闸分析。

图7 各母线空充时各电压曲线

4.3 初步恢复下的稳定计算

系统初步恢复后，网架结构比较薄弱，整个系统容量较小，容易受到干扰引发稳定问题，因此分别采用了单相接地短路及三相短路故障来进行考察。

当系统充电至金山热电厂并带金山热电厂厂用负荷后，单相接地故障时系统稳定。

当金山热电厂至丹东北220 kV母线金山侧母线故障时，故障曲线如图8所示。

由图8可见，当金山热电厂至丹东北220 kV母线金山侧母线故障时，系统中母线电压分别下降，但母线4电压仍在其他母线电压之上，满足当线路发生故障时，距离故障线路越远，受到影响越小，当故障消除时，线路各电压仍恢复正常水平。

当宽甸至太平哨路线太平哨电厂侧母线发生故障时，故障曲线如图9所示。

由图8、9可见，当宽甸至太平哨路线太平哨电厂侧母线发生故障时，系统中母线电压分别下降，但母线4电压仍在其他母线电压之上，满足当线路发生故障时，距离故障线路越远，受到影响越小，当故障消除时，线路各电压仍恢复正常水平。

图8 金山侧母线故障时各母线电压曲线

图9 太平哨厂母线电压故障时各母线电压曲线

5 结 论

以上的计算仿真结果表明，辽宁电网在黑启动过程中对输电线路进行合闸操作时存在过电压现象，在同期合闸的情况下，各条母线电压均不会超过系统过电压的标准值，合闸后各段母线电压均满足中华人民共和国电力行业标准《交流电气装置的过电压保护和

绝缘配合》(DL/T 620-1997)的规定要求。

太平哨升压变应尽可能，同时适当降低机端电压。根据检验，当采用主变分接头位置为-5%，机端电压为0.9 pu的方式时，线路末端丹东金山热电220 kV母线电压为1.081 5 pu，太平哨充电至金山热电时需进相64.7 MVar,发电机的进相能力不同，应使机组运行保持一定的稳定储备，不能超出机组进相极限。应当考虑10%储备，因此建议太平哨水电机组进相应具备70 MVar的进相能力。

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(责任编辑 佟金锴 校对 张 凯)

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

杨济同(1991-)，男，辽宁铁岭人。

赵 毅(1982-)，男，辽宁沈阳人，讲师，硕士。

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

TM73

A

1673-1603(2015)03-0255-05