贵州电力系统黑启动深入研究项目Word格式.docx

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1.3本项目由贵州电力调度通讯局（下称调通局）和贵州大学联合研究完成。

　　由调通局提供本项目研究中的相关参数，由贵州大学进行具体分析计算，并给出相应的研究报告

2．项目研究内容

2.1贵州电网黑启动方案简介

随着“西电东送”、“黔电送粤”战略的实施，贵州电网进入了一个飞速发展的时期。

电网的装机容量及变、送电能力都有了大幅度的增加，电网结构日趋合理，但也变得更加复杂，大面积停电的风险也在增加。

尽管针对电网的薄弱环节及可能的故障都采取了各种各样保障电网安全稳定的技术措施，但电网发生超过校核水平的严重故障仍可能演变成全网的灾难性事故。

因此，从2004年起针对贵州电网的实际情况，并随着电网网架的变化，编制了贵州电网黑启动方案。

贵州电网黑启动方案的编制为电网瓦解事故发生后，快速恢复电网运行，缩短停电时间，减少损失，提供了有力的保障。

黑启动电源一般是水电机组，往往远离负荷中心，需要经过长距离高压线路才能接入系统。

在黑启动初期，由于系统稳定性较差，容易出现电磁暂态过程：

在黑启动初期，给空载或轻载线路充电时，由于空载或轻载线路电容效应会引起工频电压升高、由于断路器操作引起空载线路合闸过电压、以及空载线路合闸后，由于长线路上显著的电容效应，容易引发发电机自励磁现象。

这些过电压对设备及其安全运行都会造成重大影响，因此在制定黑启动方案时需对发电机自励磁、工频过电压和操作过电压进行校核。

贵州电网黑启动方案根据自身网架特点，按照分区启动的原则进行编制。

2.2黑启动过程中的自励磁问题和过电压问题

2.2.1发电机自励磁的物理过程及实用判据

在黑启动机组空载带长线路启动其他机组时，相当于带一个容性负荷。

容性负荷电流会加强电机的磁场，起助磁作用。

甚至在无励磁的情况下，使发电机的端电压上升，这种现象称为发电机的自励磁，会产生自励磁过电压。

电力系统中，水轮发电机在正常同步运行情况下，其电抗在Xd～Xq之间呈周期性变化，即每一个电周期内，电抗将变化两个周期；

另一方面，无论是凸极机还是隐极机，当它们处于异步工作状态，或者处于定子磁通变动时的同步工作状态时，电抗将在X’d～Xq之间呈周期性变动，变化频率均为工频的二倍。

此时，如果发电机带有空载线路，其容抗参数与发电机感抗配合得当，就可能在这电感参数自动变化的振荡回路中激发起参数共振过电压。

即使发电机励磁电流很小，甚至为零，发电机的端电压和电流幅值亦会急剧上升。

将电机在同步时引起的参数谐振称为同步自激，在异步工作时发生的自激称为异步自激。

自励磁实质是工频参数谐振，供给自励磁的能量来源是水轮机或汽轮机。

设电机两端的外电路由等值的工频容抗Xc和损耗电阻R串联组成。

经联解同步电机方程和我电路方程，可近似求得不稳定的边界曲线，如图1所示。

此曲线表明了发生自励磁区域，在参数范围内的Xc、R参数，将会产生自励磁。

半圆曲线I的范围为自励磁的同步区；

范围II为异步区，其实线和虚线部分分别表示无阻尼绕组和有阻尼组时的自励磁区域。

图1：

自励磁边界曲线

若电机经升压变压器连至空载线路，电机电抗和变压器漏抗分别用标么值Xd%、Xq%和Xb%表示，并设电机和变压器的容量为SF，线路自然功率为Pn，额定线电压为Ue，则同步和异步自励磁的条件分别为：

代入已知条件参数的条件分别为

同步自励磁的过电压和过电流上升速度很慢，一般可采用自动励磁调节装置可消除，而异步自励磁的上升速度极快，自动调节励磁装置来不及加以消除，因此这种过电压较为危险。

显然，对于凸极机，同步和异步自励磁均可能发生；

隐极机的Xd=Xq，故只能发生异步自励磁。

在本报告中，黑启动电源均为水轮发电机，只考虑是否发生异步自励磁作为校验自励磁的准则。

当发电机以额定转速合闸于空载长线时，由于发电机的残压E0加在空载线路的容抗Xc上，电容电流起助磁作用，使发电机的电压不断升高，直至与空载特性曲线交于Us。

如图2所示。

图2：

自励磁的建立过程

图中直线为机组充电特性。

当与曲线相切时，相当于Xc=Xd，此时为临界状态；

当充电特性与曲线无交点时，相当于Xc＞Xd，不会产生自励磁；

当充电特性与曲线相交时，相当于Xc＜Xd，将产生自励磁，于是可得发电机自励磁实用判据：

方法一：

阻抗比较法

发电机经升压变压器连至空载线路，需将变压器漏抗XT考虑进去，即

　　　　　　　　Xc＞Xd＋XT

时，不产生危险的自励磁。

考虑频率、变比及所取参数的误差，一般取安全系数C＝1.2。

即

Xc＞C（Xd+XT）

时不产生自励磁。

方法二：

容量比较法

当自励磁时，If=0,E=0，则有Ic=UN/Xd=UN/Xd，取发电机本身容量Se为基准值，则发电机充电容量为:

P=UNIc=UN2/=k（因取UN=1,则1/Xd=k），式中k为短路比，发电机充电能力的实际值为kSe。

因此，只要发电机的容量Se乘以发电机的短路比k大于线路的充电容量Qc，系统不会发生自励磁。

kSe>

Qc

在本报告中，采用阻抗比较法进行判断。

2.2.2黑启动过程中的过电压问题

黑启动过程中需考虑的过电压有如下几种：

工频过电压、空载线路合闸过电压、谐振过电压。

在黑启动过程中的电网，经常会遇到的操作是将空载线路合闸于电源。

空载线路合闸会在线路和母线上产生过电压，根据电路暂稳态过程可分为操作过电压和工频过电压。

操作过电压是指合闸中，具有分布电感和对地电容的线路充电中的过渡过程引起的瞬时过电压，操作过电压作用时间很短，大约在0.1秒内，但幅值高，其计算属于电磁暂态计算的范畴；

工频过电压是指线路完成充电后，由于空载线路的电容效应产生的稳态过电压，其存在时间长。

过电压原理简单分析如下：

如图3所示，空载线路可用一“T”型等效电路来代替，在断路器DL合闸后，电源通过电感L向电容C充电，可用下式表示：

图3：

空载线路合闸等值电路

（a）等值电路　　　　（b）简化等值电路

设合闸时，t=0,uc=（0），

另设U（t）=Uφcosωt,解上述方程可得电容上的电压为：

式中，ω为交流系统角频率，为振荡角频率，τ为衰减时间常数。

由上式可知线路电容上的操作过电压是衰减的，其最大值等于2Uφ。

实际上，空载合闸起始时，很难保证线路电容上的残余负荷均被泄放掉，即线路上仍有残余电压（uc（0）≠0），此时线路电容上的电压又可表示为:

上式中，A=1－uc（0）/Uφ，其值在0～2之间。

因此实际操作过程中，如线路上有残余电荷（如重合闸时），在合闸相位合适时，操作过电压最大可达3Uφ。

线路进入稳态以后，可将距离输电线路看作一个双端口网络，线路的首、末端电压、电流在相位关系可表示为（首端定义为1，末端定义为2）：

式中，

为线路的波阻抗，l为线路长度，

为线路单位长度的相位系数，L0、C0为线路单位长度的电感和对地电容。

经推导，可得线路末端电压为：

由上式可知，当电源容量有限时，Xs＞0，有工频过电压U2＞Uφ存在。

在黑启动过程中，存在大量的单端供电系统，因此必须考虑工频电压升高，且应按最严重的情况下发生工频电压升高进行计算。

故在本报告中，取最小运行方式时进行计算。

　　由于送端电源实际上是一个含发电机、主变压器和厂用负荷的复杂电源，难以用一个理想电压源来代替，发电机励磁系统的调节能力、主变绕组的电磁特性、负荷的动态效应等因素对过电压的计算都会造成影响。

此外空载线路工频过电压对发电厂的影响也难以用基本原理来精确分析，因此，在本报告中仍是用依赖于有详细数学模型的电磁暂态仿真程序进行仿真计算。

2.3典型黑启动恢复路径

根据贵州电网黑启动方案分区编制的特点，各区域电网内的黑启动电源的典型启动路径，以及部分电厂的厂用电恢复路径如下所示。

2.3.1分区黑启动电源的典型路径

2.3.1.1洪家渡电厂为黑启动电源的恢复路径

（1）洪家渡电厂机组自启动。

（2）通过220kV洪站Ⅰ、Ⅱ回线对站街变220kV母线送电。

⑥

（3）220kV东站线对东风电厂220kVⅠ母送电；

通过220kV站清Ⅰ、Ⅱ回线对清镇电厂220kV母线送电；

通过220kV站凤Ⅰ、Ⅱ回线对金阳变220kV母线送电；

（4）清镇电厂220kV母线带电正常后

通过220kV清筑Ⅰ、Ⅱ回线对筑东变220kV母线送电；

通过220kV清南Ⅰ、Ⅱ回线对南郊变220kV母线送电；

（5）筑东变220kV母线带电正常后

通过220kV贵筑Ⅰ、Ⅱ回线对贵阳电厂220kV母线送电，并通知贵阳电厂自行恢复厂用电；

通过220kV岩筑Ⅰ、Ⅱ回线对青岩变220kV母线送电；

恢复220kV筑凤Ⅰ、Ⅱ回线的合环运行方式。

（6）青岩变220kV母线带电正常后

通过220kV岩湾Ⅰ、Ⅱ回线对湾塘变220kV母线送电；

通过青岩变#2主变与主网同期并列。

恢复220kV岩南线的合环运行方式。

2.3.1.2东风电厂为黑启动电源的恢复路径

（1）东风电厂单机自启动成功后

通过220kV东干Ⅰ、Ⅱ回线对贵阳变220kV母线送电；

⑦

（2）贵阳变220kV母线带电后

通过220kV索干Ⅰ、Ⅱ回线对索风营电厂220kV母线送电；

通过220kV干鸡Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ回线对鸡场变220kV母线送电；

通过220kV干铝Ⅰ、Ⅱ回线对三电解220kV母线送电；

通过220kV干铝Ⅲ、Ⅳ回线对四电解220kV母线送电；

通过220kV干乌线对乌当变220kV母线送电；

（3）鸡场变220kV母线带电正常后

通过220kV鸡铝Ⅰ、Ⅱ回线对二电解220kV母线送电；

通过220kV鸡阳Ⅰ、Ⅱ回线对开阳变220kV母线送电；

市北地调恢复红枫电厂厂用电，并将红枫电厂并入系统；

（4）开阳变220kV母线带电正常后

通过220kV江阳Ⅰ、Ⅱ回线对乌江老厂220kV母线送电；

（5）乌江老厂220kV母线带电正常后

通过220kV江扎线对扎佐变220kV母线送电；

（6）扎佐变220kV母线带电正常后

通过220kV烽扎Ⅱ回线对息烽变220kV母线送电；

2.3.1.3乌江老厂为黑启动电源的恢复路径

（1）乌江老厂单机自启动成功

通过220kV江扎线线对扎佐变220kV母线送电；

通过220kV江阳Ⅰ、Ⅱ回线对开阳变220kV母线送电；

（2）扎佐变220kV母线带电正常后

③

（3）开阳变220kV母线带电正常后

通过220kV鸡阳Ⅰ、Ⅱ回线对鸡场变220kV母线送电；

（4）待鸡场变220kV母线带电正常后

通过220kV干鸡Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ回线对贵阳变220kV母线送电；

（3）贵阳变220kV母线带电后

通过220kV东干Ⅰ、Ⅱ回线对东风电厂220kVⅡ、Ⅲ母送电；

2.3.1.4乌江新厂为黑启