基于電子式互感器的整流機組差動保護方案實現

姜睿智 劉 星 劉志遠 姚晴林

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基于電子式互感器的整流機組差動保護方案實現

姜睿智1劉 星1劉志遠2姚晴林1

（1. 許繼電氣股份有限公司，河南許昌 461000；2. 寧夏電力公司，銀川 750001）

本文提出一種實現整流變壓器機組差動保護方法。首先將整流機組分為一個調壓變壓器間隔、兩個整流變壓器間隔分別配置調壓變壓器差動保護裝置、整流變壓器差動保護裝置；然后針對調壓變壓器頻繁調壓且調壓范圍寬的特點，提出根據當前調壓變壓器有載調壓檔位實時計算差動保護的平衡系數方法，以及適應不同移相角度的整流變壓器二次電流補償方法；最終完善了大功率整流機組繼電保護配置，填補了整流機組差動保護的空白。

整流變壓器；電子式電流互感器；整流變壓器差動保護；平衡系數；移相

在冶金、電化學企業，一般采用大容量整流裝置供電。將35～500kV電壓等級的高壓交流電壓，經整流機組調壓降壓，經整流設備供給生產系統電壓可調、電流達數百kA的直流。每個整流機組由1個調壓變壓器、2個整流變壓器以及整流柜構成。

目前整流機組容量高達130000kVA，結構與性能均異于普通電力變壓器。由于調壓變壓器具有調壓范圍寬、調壓頻繁的特點，且整流變壓器閥側為繞組多、電流大，無法安裝常規電流互感器，因此，目前整流機組未配置差動保護，且整流機組接線復雜，無適合差動保護算法。

文獻[1-2]闡述方案實現了電爐變壓器差動保護。本文提出一種整流機組差動保護工程解決方案，并于2014年在寧夏一電解鋁廠的整流變壓器機組掛網試運行成功，填補了國內外整流變機組差動保護的空白。

1 整流機組差動保護解決方案

1.1 整流變壓器機組間隔劃分及保護配置

將1個整流機組分為調壓變壓器間隔、2個整流變壓器間隔，如圖1所示，分別配置1個調壓變壓器保護裝置、2個整流變壓器保護裝置實現整流機組差動保護。調壓變壓器差動保護裝置接入整流機組一次側、三次側、2組整流變壓器網側三相電流，調壓變壓器調壓檔位信息。整流變壓器保護裝置接入整流變壓器網側三相電流、閥側三相12組電流。

圖1 單臺整流機組保護間隔劃分示意圖

調壓變壓器保護裝置配置隨調壓變壓器檔位實時調整各側平衡系數的基于虛擬制動原理的比率差動保護、差流速斷保護、增量差動保護。

整流變壓器保護裝置配置適應不同移相角度的基于虛擬制動原理的比率差動保護、差流速斷保護、增量差動保護。

整流機組差動保護裝置接入示意圖如圖2所示。

圖2 單臺整流機組差動保護裝置接入示意圖

1.2 電氣制動過程制動電流特點

一次側和二次側（整流變網側）常規電流互感器采集電流經屏蔽電纜接入就地安裝的整流機組一次側、整流變壓器網側的合并單元智能終端集成裝置[3]（經對時服務器對時，保證各側電流同步），轉換成9-2格式電流信號經光纖接入調壓變壓器差動保護裝置，如圖3所示。

圖3 調壓變壓器差動保護電流接線示意圖

如文獻[4]所述，許繼電氣研制成功異型、對開口式電子式電流互感器，用來采集整流變壓器閥側大電流。傳感頭的小電壓信號經屏蔽電纜接入前置采集器[5]進行信號積分調理并轉換為光信號，經光纜接入合并單元[6]進行多支路信號合并接入整流變差動保護裝置。跳閘信號接入整流變壓器網側的合并單元智能終端集成裝置（經對時服務器對時，保證各側電流同步），如圖4所示。

整流變壓器兩個閥側△型繞組的電流大小相等、方向相反，其矢量和為一臺整流變壓器閥側總電流。每個閥側引線銅排測量電流接入整流變壓器保護裝置，按式（1）軟件合成閥側電流，即

2 整流變壓器機組差動保護原理

2.1 整流機組差動保護算法說明

針對整流機組作為系統末端變壓器特點，本文提出不同于常規電力變壓器制動電流計算的新算法，即

（4）

下面以變壓器縱差保護范圍內部短路為例分析新算法靈敏度。

（6）

圖4 整流變壓器差動保護電流接線示意圖

2.2 調壓變壓器差動保護隨調壓檔位實時調整平衡系數

由于電解鋁生產工藝需求調壓變壓器具有調壓范圍寬、調壓頻次高的特點，所以調壓變壓器常采用單相多級有載分接開關進行連續調節電壓。如若差動保護采用整流機組固定變比計算出的平衡系數來計算差動電流，則在調壓過程中會引起差動保護的誤動，因此，調壓變壓器的差動保護裝置必須能夠實時地根據運行檔位計算差動保護的平衡系數[7]。

調壓變壓器的保護裝置需接入調壓變壓器調壓檔位信息，根據當前運行檔位實時計算出調壓變二次側（整流變壓器網側）電壓及對應平衡系數，保證調壓變壓器差動電流計算的正確性。

1）計算網側各相繞組的電壓及B、C相相對A相的平衡系數

當前A相二次側電壓為

二次側當前B相電壓為

（8）

二次側當前C相電壓為

2）計算各側的額定電流及網側A相的平衡系數

可得調壓變壓器一次側、三次側平衡系數為

可得網側A相差動保護平衡系數為

3）計算網側各相平衡系數

網側A相差動保護平衡系數為

網側B相差動保護平衡系數為

（13）

網側C相差動保護平衡系數為

所得調壓變壓器二次側各相平衡系數代入式（3），可得隨著調壓檔位實時變化的差動電流及制動電流，提高差動電流計算準確性。

2.3 適應不同移相角度的整流變壓器二次電流補償

整流變壓器的網側繞組由主繞組和移相繞組組成，正序電流時，主繞組電壓就與網側電源電壓有相角差，稱為移相角。角度可正可負，特種變壓器制造企業定義：當主繞組電壓滯后于電源電壓（稱后移）時，為正值；當主繞組電壓超前電源電壓（稱前移）時，為負值。

常用的整流變壓器的繞組有以下3種接線方式，即Y(移)/△-11、△(移)/△-10、Y(移)/Y-12。

Y(移)/△-11整流變壓器縱差保護轉角補償方案：網側TA不轉角，閥側TA轉角。

（a）正序情況下Y(移)/△整流變壓器兩側同名相的線電流向量圖

（b）正序情況下△(移)/△整流變壓器兩側同名相的線電流向量圖

圖 5

3 結論

本文所述的方法是，在整流變壓器閥側出線銅排安裝特制異型、對開口結構電子式互感器采集整流變閥側電流，配置調壓變壓器差動保護裝置、整流變壓器差動保護裝置，從而實現了基于電子式電流互感器的整流機組的電流差動保護方案。

許繼電氣成功設計并研制本文所提調壓變壓器、整流變壓器差動保護裝置，并于2014年4月在寧夏一電解鋁廠安裝，運行良好，填補了大功率整流機組差動保護空白，完善了整流機組繼電保護配置，進一步提高了冶金、化工企業的安全生產水平。

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Differential Protection Scheme of the Rectifier Unit based on Electronic Current Transformer

Jiang Ruizhi1Liu Xing1Liu Zhiyuan2Yao QingLin1

(1. XJ Electric Company Limited, Xuchang, He’nan 461000; 2. Ningxia Provincial Power Dispatching Center, Yinchuan 750001)

A transformer unit differential protection method of rectifier is proposed in this paper. The rectifier unit consists of a voltage regulating transformer, rectifier transformer interval are respectively arranged voltage regulating transformer differential protection device, rectifier transformer differential protection device. According to the characteristics of voltage transformer frequent voltage and wide voltage regulation, according to the current transformer on load voltage regulating gear differential protection real-time calculation of the equilibrium coefficient method, is proposed to adapt to different shifting phase angle of the rectifier transformer current compensation method. The high power rectifier unit relay protection configuration is improved, fill the blank of rectifier unit differential protection.

rectifying transformer; electronic current transformer; differential protection of rectifying transformer; balance coefficient; shifting phase

姜睿智（1981-），男，工程師，主要研究方向為電力系統繼電保護。