大型整流變壓器不配置差動(dòng)保護(hù)的原因分析

李紅鈞候花莉葉志勇胡建斌

（1. 中鋁國際·貴陽鋁鎂設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴陽 550081；2. 深圳市中電電力技術(shù)股份有限公司，廣東 深圳 518040）

?

大型整流變壓器不配置差動(dòng)保護(hù)的原因分析

李紅鈞1候花莉2葉志勇2胡建斌2

（1. 中鋁國際·貴陽鋁鎂設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴陽 550081；2. 深圳市中電電力技術(shù)股份有限公司，廣東 深圳 518040）

本文闡述了變壓器差動(dòng)保護(hù)的原理，通過分析電力變壓器差動(dòng)保護(hù)的影響因素，結(jié)合大型整流變壓器的特點(diǎn)，針對(duì)當(dāng)前大型整流變壓器繼電保護(hù)功能配置，分析大型整流變壓器不配置差動(dòng)保護(hù)的原因。

整流變壓器；不平衡電流；差動(dòng)保護(hù)

整流變壓器是的整流設(shè)備的電源變壓器，多用于電化學(xué)工業(yè)，整流設(shè)備的特點(diǎn)是原邊輸入交流，而副邊輸出通過整流元件后輸出直流。普通電源變壓器的為保證輸出電壓值不變，隨電網(wǎng)電源波動(dòng)調(diào)壓。而整流變壓器不僅要像普通電源變壓器一樣，為彌補(bǔ)電網(wǎng)電壓波動(dòng)，而且還為了滿足直流負(fù)載，整流變壓器的閥側(cè)電壓必須能在一個(gè)較大范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)整。對(duì)于不同的直流負(fù)載，電壓調(diào)節(jié)的范圍也不一樣。

大型整流變壓器作為核心設(shè)備，其繼電保護(hù)的配置尤為重要。當(dāng)前大部分大型整流變壓器由瓦斯保護(hù)作為變壓器內(nèi)部故障的主保護(hù)，并沒設(shè)置電流差動(dòng)保護(hù)，原因分述如下。

1 變壓器差動(dòng)原理

變壓器差動(dòng)保護(hù)是變壓器的主保護(hù)，其保護(hù)范圍包括了各側(cè)電流互感器以內(nèi)區(qū)域，利用比較變壓器各側(cè)電流與電流向量差作為動(dòng)作量的保護(hù)。理論上，正常運(yùn)行或是外部故障時(shí)，流入差動(dòng)保護(hù)的二次電流為零，實(shí)際上，由于各種原因影響，流入差動(dòng)保護(hù)中的電流并不為零，會(huì)出現(xiàn)不平衡電流Iunb，從而影響差動(dòng)保護(hù)正確地區(qū)分內(nèi)外部故障，甚至導(dǎo)致差動(dòng)保護(hù)的誤動(dòng)作。

圖1　變壓器縱差保護(hù)原理接線圖

1.1由變壓器接線方式引起的不平衡電流

110kV及以上系統(tǒng)的電力變壓器常采用YNd11接線，正常運(yùn)行時(shí)變壓器低壓側(cè)相電流的相位超前高壓側(cè)相電流 30°。由于兩側(cè)相位差，造成差動(dòng)保護(hù)中的不平衡電流。

1.2由電流互感器計(jì)算變比與實(shí)際選定變比不同引起的不平衡電流

實(shí)際選擇的變壓器各側(cè)的電流互感器的變比和計(jì)算的的變比有誤差，從而形成不平衡電流。

1.3由于改變變壓器調(diào)壓分接頭產(chǎn)生的不平衡電流

有載變壓器的調(diào)壓就是改變變壓器分接頭的位置，從而改變變壓器高低壓側(cè)的變比值，以達(dá)到改變低壓側(cè)電壓的目的。保護(hù)的設(shè)定是按固定變壓器變比或確定分接頭位置進(jìn)行計(jì)算，因此分接頭的調(diào)整導(dǎo)致兩側(cè)二次電流平衡關(guān)系發(fā)生變化，其最大值為

式中，ΔU為變壓器分接頭引起的相對(duì)誤差，一般取變壓器調(diào)壓范圍的一半，如變壓器有載調(diào)壓的范圍為±5%，則計(jì)算中可取0.05。

1.4由于電流互感器誤差引起的不平衡電流

對(duì)于變壓器來說，由于各側(cè)的一次電流不同，選擇的電流互感器的型號(hào)不同、電壓等級(jí)不同、變比不同，導(dǎo)致各側(cè)電流互感器的型號(hào)有可能不同，從而其特性也就產(chǎn)生差異，形成不平衡電流。

1.5由于變壓器勵(lì)磁涌流產(chǎn)生的不平衡電流

正常運(yùn)行時(shí)，變壓器的勵(lì)磁電流較小，在外部故障時(shí)，由于母線和線路電壓降低，勵(lì)磁電流將更小，對(duì)變壓器差動(dòng)保護(hù)的影響可以忽略不計(jì)。

在變壓器空載投入或外部故障切除后電壓恢復(fù)的過程中，可能出現(xiàn)數(shù)值較大的勵(lì)磁涌流，勵(lì)磁涌流在最大時(shí)可達(dá)到額定電流的6～8倍，由于勵(lì)磁涌流只在變壓器的一側(cè)（電源側(cè)）出現(xiàn)，因此在差動(dòng)保護(hù)二次回路中不能相互抵消，從而形成差動(dòng)回路的不平衡電流，可能造成變壓器差動(dòng)保護(hù)的誤動(dòng)作。

2 整流變壓器差動(dòng)保護(hù)的分析

整流變壓器由調(diào)壓變壓器（簡稱調(diào)變）和整流變壓器（簡稱整變）組合而成。以12脈波整流變壓器為例，單臺(tái)整流變壓器運(yùn)行時(shí)形成12脈波，7臺(tái)整流變壓器并列運(yùn)行通過同相逆并聯(lián)形成 84脈波直流輸出。調(diào)變采用3個(gè)單相多級(jí)有載調(diào)壓開關(guān)進(jìn)行連續(xù)調(diào)壓，還可以通過整變閥側(cè)的飽和電抗器組進(jìn)行直流側(cè)電壓細(xì)調(diào)，滿足負(fù)荷側(cè)直流電壓的要求。電解工業(yè)用到的調(diào)壓變壓器調(diào)壓范圍很大，調(diào)壓范圍可在1%～108%UT.N之間調(diào)節(jié)。

2.1整流變壓器調(diào)變的特點(diǎn)

以某電解鋁廠整流變壓器為例，如圖 2及表 1所示調(diào)變高壓側(cè)繞組的額定電壓為 231kV，調(diào)變連接組別為YNy0接線，低壓側(cè)進(jìn)行有載調(diào)壓，共有6×18-1=107擋調(diào)壓分接頭（調(diào)壓變有 6段粗調(diào)檔位，在每段內(nèi)還有18擋細(xì)調(diào)檔位），低壓側(cè)相電壓調(diào)壓范圍為 603～64476V，第三繞組（補(bǔ)償繞組）為角形接線。

圖2　調(diào)變接線原理圖

表1　調(diào)變的參數(shù)

2.2整流變壓器整變的特點(diǎn)

某電解鋁項(xiàng)目整流變壓器整變接線如圖 3所示，整流變壓器整變的結(jié)構(gòu)為兩組分裂鐵心，兩組繞組接線：網(wǎng)側(cè)繞組均為曲折星形移相，閥側(cè)為正反三角形同向逆并聯(lián)接線。整變網(wǎng)側(cè)電壓即為調(diào)變低壓側(cè)輸出電壓，閥側(cè)電壓隨著調(diào)變分接頭的調(diào)節(jié)在11.5～1235.2V范圍內(nèi)變化。

2.3整流變壓器差動(dòng)保護(hù)分析

1）整流變壓器之調(diào)變差動(dòng)保護(hù)分析

調(diào)變的網(wǎng)側(cè)電流在不同的調(diào)壓檔位大小不同418.9～3.9A，調(diào)變的變比在不同的調(diào)壓檔位變化范圍很大，在3.47～385之間變化。

圖3　整變接線原理圖

表2　整變的參數(shù)

對(duì)于變壓器的主保護(hù)配置，根據(jù)“《繼電保護(hù)和安全自動(dòng)裝置技術(shù)規(guī)程》GB/T 14285—2006 4.3.3.2 電壓在10kV以上、容量在10MVA及以上的變壓器，采用縱差保護(hù)。”，上述電解鋁廠整流變壓器的電壓等級(jí)為220kV，容量為167594kVA，按規(guī)程整流變壓器的調(diào)變需配置差動(dòng)保護(hù)。

調(diào)變是一個(gè)普通的電源變壓器，理論上調(diào)變是可以做差動(dòng)保護(hù)的，差動(dòng)保護(hù)的不平衡電流也和普通電源變壓器相同，其中由于調(diào)變的檔位異于普通電源變壓器，調(diào)變的調(diào)壓范圍很大 1%～108%，改變調(diào)變分接頭產(chǎn)生的不平衡電流對(duì)差動(dòng)保護(hù)的影響如下：

根據(jù)《大型發(fā)電機(jī)變壓器繼電保護(hù)整定計(jì)算導(dǎo)則》DLT 684—2012 5.1變壓器差動(dòng)保護(hù) 5.1.4.3縱差保護(hù)動(dòng)作特性參數(shù)的計(jì)算，比率差動(dòng)保護(hù)的最小動(dòng)作電流的整定。最小動(dòng)作電流應(yīng)大于變壓器正常運(yùn)行時(shí)的差動(dòng)不平衡電流，即

式中，Ie為變壓器基準(zhǔn)側(cè)二次額定電流（經(jīng)平衡系統(tǒng)調(diào)整后的變壓器二次額定電流）；Krel為可靠系數(shù)，取 1.3～1.5；Kre電流互感器的比誤差，10P型取0.03×2，5P型和TP型取0.01×2；ΔU為變壓器調(diào)壓引起的誤差，取調(diào)壓范圍中偏離額定值的最大值（百分?jǐn)?shù)）；Δm為由于電流互感器變比未完全匹配產(chǎn)生的誤差，初設(shè)時(shí)取0.05。

上述某電解鋁項(xiàng)目整流變壓器的調(diào)變有6×18-1=107擋調(diào)壓分接頭（調(diào)壓變有6段粗調(diào)擋位，在每段內(nèi)還有 18擋細(xì)調(diào)檔位），即調(diào)壓的范圍為1%～108%，根據(jù)公式（2）：nTA整流變基準(zhǔn)側(cè)（220kV）CT變比600/1；Ie變壓器基準(zhǔn)側(cè)二次額定電流0.698A；Krel可靠系數(shù)取1.5；Kre電流互感器的比誤差，5P型取0.01×2；ΔU為變壓器調(diào)壓引起的誤差，一般取變壓器調(diào)壓范圍的一半，這里取調(diào)壓范圍中偏離額定值最大值54%；Δm由于電流互感器變比未完全匹配產(chǎn)生的誤差，初設(shè)時(shí)取0.05。

調(diào)壓檔位在 54%時(shí)，根據(jù)公式（4）得 Iop.min= 0.639A；調(diào)壓檔位在 1%時(shí)，根據(jù)公式（4）得Iop.min=0.084A。兩個(gè)不同檔位差動(dòng)保護(hù)最小動(dòng)作值相差很大，這是由于在不同檔位ΔU數(shù)值差太大，使得按照額定變比或額定分接頭整定計(jì)算調(diào)變的差動(dòng)保護(hù)沒有意義。

鑒于調(diào)變調(diào)壓范圍大（1%～108%），在正常運(yùn)行過程中隨著檔位的調(diào)整，調(diào)變的變比和網(wǎng)側(cè)電流均發(fā)生變化，變壓器的變比變化范圍為385～3.47，網(wǎng)側(cè)電流變化范圍為3.9～418.9A，調(diào)變變比和網(wǎng)側(cè)電流變化沒有規(guī)律可循，調(diào)變的差動(dòng)保護(hù)只能分別根據(jù)每個(gè)不同的調(diào)壓檔位整定計(jì)算一個(gè)保護(hù)定值，但是目前的保護(hù)裝置均無法做到同一保護(hù)裝置整定幾十甚至上百個(gè)差動(dòng)定值；而且整流變壓器在運(yùn)行過程中會(huì)不斷的切換檔位，根據(jù)不同的調(diào)壓檔位來切換相應(yīng)的差動(dòng)保護(hù)定值也是個(gè)困難，因此整流變壓器調(diào)變目前無法實(shí)現(xiàn)縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)，僅能采用電流電壓保護(hù)。

2）整流變壓器之整變差動(dòng)保護(hù)分析

由于整流變壓器繞組電流是非正弦的含有很多高次諧波，為了減小對(duì)電網(wǎng)的諧波污染，為了提高功率因數(shù)，必須提高整流設(shè)備的脈波數(shù)，這可以通過移相的方法來解決。移相的目的是使整流變壓器二次繞組的同名端線電壓之間有一個(gè)相位移。從而可以提高整流設(shè)備的脈波數(shù)，達(dá)到提高功率因數(shù)，減少網(wǎng)側(cè)諧波電流的目的。

上述電解鋁項(xiàng)目為7臺(tái)整流變壓器并聯(lián)運(yùn)行，脈波數(shù)為84脈波，7臺(tái)整流變壓器完全相同，移相角分別見表3。

表3　7臺(tái)整變的移相角

由于7臺(tái)整變的角度各不相同，為了滿足不同的移相角，整變的連接組別不同。如果給整變配置差動(dòng)保護(hù)，7臺(tái)整變的差動(dòng)保護(hù)裝置需要根據(jù) 7臺(tái)整變網(wǎng)、閥側(cè)的接線方式及移相角的前移或后移值來設(shè)計(jì)差動(dòng)保護(hù)參與差動(dòng)電流 Iop、制動(dòng)電流 Ires的電流，即需要分別設(shè)計(jì)整變差動(dòng)保護(hù)二次側(cè)電流補(bǔ)償?shù)姆匠獭?/p>

對(duì)于大容量功率整流設(shè)備，所需的脈波數(shù)不同，并列運(yùn)行的變壓器臺(tái)數(shù)及各臺(tái)變壓器的移相角度也不相同，致使整變網(wǎng)側(cè)及閥側(cè)的電流的相位差有許多不同的值。通常的保護(hù)設(shè)備都按標(biāo)準(zhǔn)模型進(jìn)行算法設(shè)計(jì)，要想完成整流的差動(dòng)保護(hù)，不同項(xiàng)目需要不同設(shè)備定制開放，造成成本大量增加及可靠性無法驗(yàn)證，從經(jīng)濟(jì)性、運(yùn)行可靠性的角度考慮不設(shè)置差動(dòng)保護(hù)。

由于大容量整變閥側(cè)具有電流極大（數(shù)萬安培）、動(dòng)態(tài)范圍寬、多路電流并列輸出、空間狹小等特點(diǎn)，使得電流互感器無法應(yīng)用于整變的閥側(cè)，使得整變閥側(cè)的電流無法采集。

鑒于整流變壓器為了提高功率因數(shù)，減少網(wǎng)側(cè)諧波電流而采取多脈波整流，而產(chǎn)生的接線及移相角不同，及整變閥側(cè)電流采困難，而使得整變無法實(shí)現(xiàn)縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)，僅采用電流保護(hù)。

2.4整流變壓器保護(hù)整定案例分析

上述電解鋁項(xiàng)目整流變壓器實(shí)際保護(hù)配置為：調(diào)變配置速斷、過流保護(hù)、零序電流電壓保護(hù)及非電量保護(hù)；整變配置速斷、過流保護(hù)及非電量保護(hù)。

1）調(diào)變內(nèi)部的各種短路及油面下降采用瓦斯保護(hù)作為主保護(hù)，瞬時(shí)動(dòng)作于高壓側(cè)斷路器及濾波斷路器。

2）調(diào)變的繞組和引出線的相間短路及繞組匝間短路采用電流速斷作為主保護(hù)，瞬時(shí)動(dòng)作于高壓側(cè)斷路器及濾波斷路器。

動(dòng)作電流整定值計(jì)算。由于無需和整流機(jī)組配合，應(yīng)和濾波配合，并按躲過變壓器空載合閘勵(lì)磁涌流計(jì)算。上述電解鋁項(xiàng)目共有 7臺(tái)額定容量ST.N=168MVA，電壓變比為 231/64.476V～0.6kV，高壓側(cè)最大額定電流 IT.N1.max=418.9A。第一段電流速斷保護(hù)動(dòng)作電流按式（3）計(jì)算。

式中，IT.N1.max為調(diào)變高壓側(cè)最大（調(diào)壓位置最高電壓時(shí)）額定電流；調(diào)變額定容量大于 100MVA，K取值為4～5，通過計(jì)算可得速斷保護(hù)定值為3.15A。

3）對(duì)于區(qū)外相間短路引起的變壓器過電流，采用定時(shí)限過電流保護(hù)和復(fù)合電壓啟動(dòng)的過電流保護(hù)作為后備保護(hù)，帶延時(shí)動(dòng)作于高壓側(cè)斷路器及濾波斷路器。

由于整流變壓器調(diào)變無差動(dòng)保護(hù)，電流速斷保護(hù)動(dòng)作電流較大，過電流保護(hù)動(dòng)作時(shí)間又較長（躲過變壓器空載合閘勵(lì)磁涌流衰減時(shí)間），所以整流變壓器的調(diào)變采用復(fù)合電壓啟動(dòng)的過電流保護(hù)作為補(bǔ)充，即調(diào)變采用定時(shí)限過流保護(hù)及復(fù)合電壓啟動(dòng)的過電流保護(hù)作為后備保護(hù)。

4）整變內(nèi)部的各種短路及油面下降采用瓦斯保護(hù)作為主保護(hù)，瞬時(shí)動(dòng)作于高壓側(cè)斷路器及濾波斷路器。

5）整變采用速斷、過流保護(hù)作為變壓器的后備保護(hù)，瞬時(shí)動(dòng)作與高壓側(cè)斷路器及濾波斷路器。

電流速斷保護(hù)：整變的電流速斷保護(hù)無需和下一級(jí)保護(hù)配合，按躲過變壓器合閘勵(lì)磁涌流及系統(tǒng)切除短路故障電壓恢復(fù)時(shí)帶載勵(lì)磁涌流計(jì)算，并保證低壓側(cè)短路有足夠的靈敏度計(jì)算，整變?yōu)槎?jí)變壓器，為低電壓充電合閘，系統(tǒng)切除短路故障電壓恢復(fù)時(shí)帶載勵(lì)磁涌流一般不大，取

式中，It.n為整變高壓側(cè)二次額定電流。動(dòng)作時(shí)間0s。

定時(shí)限過流保護(hù)：按保證低壓側(cè)短路有足夠靈敏度計(jì)算，取

一般取Iop.set1=1.3It.n，動(dòng)作時(shí)間0.5s。

根據(jù)上述電解鋁項(xiàng)目的現(xiàn)場實(shí)際運(yùn)行狀況，整流變壓器在沒有配置差動(dòng)保護(hù)的情況可以安全、可靠的運(yùn)行。

3 結(jié)論

由于整流變壓器的調(diào)壓范圍太大，運(yùn)行過程中變壓器的變比和網(wǎng)側(cè)電流變化范圍大的原因，以及整流變壓器為了滿足功率因數(shù)和諧波而采取多脈波整流，使得整流變壓器無法實(shí)現(xiàn)縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)，僅采用電流電壓保護(hù)。

［1］賀家李，宋從矩. 電力系統(tǒng)繼電保護(hù)原理［M］. 北京：中國電力出版社，2004.

［2］高春如. 發(fā)電廠廠用及工業(yè)用電系統(tǒng)繼電保護(hù)整定計(jì)算［M］. 北京：中國電力出版社，2012.

［3］GB/T 14285—2006. 繼電保護(hù)和安全自動(dòng)裝置技術(shù)規(guī)程［S］.

［4］DLT 684—2012. 大型發(fā)電機(jī)變壓器繼電保護(hù)整定計(jì)算導(dǎo)則［S］.

［5］孟凡剛，楊世彥，楊威. 多脈波整流技術(shù)綜述［J］. 電力自動(dòng)化設(shè)備，2012，32（2）：9-22.

［6］康天宇，韓欣，原治安. 鋁行業(yè)大容量整流電源保護(hù)綜述［J］. 世界有色金屬，2007（3）：17-19.

The Reason for the Differential Protection of the Large Rectifier Transformer is not Configured

Li Hongjun1Hou Huali2Ye Zhiyong2Hu Jianbin2
（1. CHALIECO/GAMI Guiyang Aluminium Magnesium Design & Research Institute，Guiyang 550081；2. Ceiec Electric Technology Inc.，Shenzhen，Guangdong 518040）

The principle of transformer differential protection is described in this paper. Factor to influence the setting of Rectifier Transformer Differential Protection is analysed，and giving the reason of no configuring Differential Protection for Rectifier Transformer.

rectifier transformer； unbalanced current； differential protection

李紅鈞（1973-），男，高級(jí)工程師，在貴陽鋁鎂設(shè)計(jì)研究院有限公司從事電氣設(shè)計(jì)工作。