整流變壓器的繼電保護設計

韋奇

（中冶華天工程技術有限公司自動化所，安徽馬鞍山243002）

整流變壓器的繼電保護設計

韋奇

（中冶華天工程技術有限公司自動化所，安徽馬鞍山243002）

介紹了整流變壓器發生的故障以及對整流變壓器的保護措施。并以中天鋼鐵集團高線車間整流變壓器為例，介紹了采用西門子7SJ68系列微機總保裝置對其整流變壓器進行的繼電保護設計方法。

整流變壓器主保護后備保護輔助保護微機總保

整流變壓器的繼電保護是當整流變壓器內部或者外部發生故障時，根據整流變壓器電流、電壓、油溫以及油壓等發生的變化來發現、判斷整流變壓器的故障范圍和性質，繼電保護裝置作出相應的反應和處理。對整流變壓器繼電保護應配置主保護、后備保護以及輔助保護。其中：主保護包括電流速斷保護和重瓦斯保護；后備保護包括過電流保護；輔助保護包括過負荷保護、輕瓦斯保護和溫度保護。中天鋼鐵集團公司高線工程整個車間共由10臺整流變壓器給軋線變頻調速裝置供電，且軋線變頻調速裝置分別采用日本TMEIC公司和德國西門子原裝進口變頻調速裝置，而這些變頻調速裝置對整流變壓器的供電可靠性要求非常高。為了滿足變頻調速裝置對整流變壓器的供電要求，本工程采用西門子7SJ68系列微機總保裝置對整流變壓器繼電保護設計，投產后運行效果非常好。

1 整流變壓器的主保護

對于小容量的整流變壓器一般不設電流差動保護，通常由電流速斷保護和重瓦斯保護作為主保護；而對于10 000 kVA及以上的整流變壓器，按電力變壓器設計規范，為了保護變壓器內部以及引出線和絕緣套管的相間短路，應設電流差動保護。由于整流變壓器內部接線以及變壓器二次側至變頻調速裝置之間接線都比較復雜，故裝設差動保護比較困難，通常只能用電流速斷保護代替電流差動保護作為整流變壓器主保護。

1.1 電流速斷保護

通常整流變壓器過流保護的動作時間不小于0.5 s，為了使故障變壓器迅速地從系統中切除，應增設電流速斷保護。電流速斷保護為瞬動電流保護，整定原則有兩條。

（1）應避開整流變壓器外部三相短路時流過保護裝置的最大短路電流，其整定值計算公式為：

（2）應躲過變壓器的勵磁涌流，其整定值計算公式為：

式中：Kk為可靠系數，一般取值為1.2；Kjx為接線系數，接于相電流時為1.0,接于相電流差時為為電流互感器變流比；I(3)d2max為變壓器二次側三相短路時流過保護裝置的最大短路電流；Ieb為變壓器額定電流［1］。

繼電保護動作電流Idzj應取以上兩個計算公式的最大值。

電流速斷保護裝置靈敏系數按系統最小運行方式下保護安裝處兩相短路時流過保護裝置的最小短路電流校驗，其靈敏系數計算公式為：

電流速斷保護動作時限取零秒。

1.2 重瓦斯保護

通常大于400 kVA戶內整流變壓器都應裝設瓦斯保護。瓦斯繼電保護的主要元件是瓦斯繼電器，它裝設在整流變壓器的油箱與油枕之間的連通管上。在整流變壓器正常工作時，瓦斯繼電器的容器（包括其中的上下開口油杯）內都是充滿油的；而上下油杯因各自平衡錘的作用而升起，此時上下兩隊觸點都是斷開的。當變壓器油箱內部發生嚴重故障時，如油箱內的多相短路、組匝間短路、繞組與鐵芯或與外殼間的短路、鐵芯故障、油面下降或漏油、分接開關接觸不良或導線焊接不良等，由故障產生的氣體很多，帶動油流迅猛地由變壓器油箱通過聯通管進入油枕。這大量的油氣混合體在經過瓦斯繼電器時，沖擊擋板，使下油杯下降。這時下觸點接通跳閘回路，使斷路器跳閘［2］。

如果變壓器油箱漏油，使得瓦斯繼電器容器內的油也慢慢流盡。先是瓦斯繼電器的上油杯下降，上觸點接通，發生報警信號；接著其下油杯下降，下觸點接通跳閘回路，使斷路器跳閘，同時發出跳閘信號［2］。

重瓦斯保護作為整流變壓器的主保護，它可以反映整流變壓器內部的所有故障。重瓦斯保護動作迅速、靈敏、可靠而且結構簡單，但是不能反映變壓器外部線路的故障，所以通常和電流速斷保護配合作為整流變壓器的主保護。

重瓦斯保護動作時限取零秒。

2 整流變壓器的后備保護

過電流保護是整流變壓器電流速斷保護和重瓦斯保護的后備保護，是外部線路短路而引起過電流的后備保護，保護動作后將整流變壓器高壓側斷路器斷開。過電流保護整定原則為應避開可能出現的最大過負荷電流，其整定值計算公式為：

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式中：Kf為繼電器返回系數，取0.85；Kgh為過負荷系數，一般取值為2［1］。

過電流保護裝置靈敏系數按系統最小運行方式時二次側二相短路穿越電流校驗，其靈敏系數計算公式為：

式中：Kmxd為相對靈敏系數，當變壓器星形側兩相短路時取值為1，當變壓器三角側兩相短路時取值為0.87；I(3)d2min為系統最小運行方式下二次側三相短路時流過保護裝置的最小短路電流。電流速斷保護裝置靈敏系數不小于1.5［1］。

過電流保護動作時限應與下一級保護動作時限相配合，即比相鄰元件保護的最大動作時限大一個時限階梯△t，一般動作時限取0.5～0.7 s。

3 整流變壓器的輔助保護

3.1 過負荷保護

高線車間生產線電氣設備用電負荷比較穩定，一般整流變壓器不會出現過負荷情況。但生產線有時出現坯料低溫軋制這種情況，就有可能出現整流變壓器過負荷，因此要設置過負荷保護。過負荷保護整定原則為應避開變壓器額定電流，其整定值計算公式為：

過電流保護動作時限應避開允許的短時工作過負荷（如軋機咬鋼等）時間，一般定時限取9～15 s。

3.2 輕瓦斯保護

當變壓器油箱內部發生輕微故障時，由故障產生的少量氣體慢慢升起，進入瓦斯繼電器的容器，并由上而下地排除其中的油，使油面下降，上油杯因其中盛有殘余的油而使其力矩大于轉軸的另一端平衡錘的力矩而降落，此時上觸點接通報警回路，發出報警光信號，這稱之為“輕瓦斯動作”。當繼電保護裝置發出報警信號時，表示整流變壓器運行異常，其原因主要有：在整流變壓器的加油、濾油或換油過程中有空氣進入油箱；由于漏油或溫度下降引起油面下降；由于油箱內的輕微故障產生少量氣體；輕瓦斯回路絕緣損壞或發生接地等故障［2］。

輕瓦斯保護動作時限取4 s。

3.3 溫度保護

整流變壓器出現過負荷、內部短路故障以及變壓器環境溫度過高時，變壓器本體溫度升高超過整定值，則發出超溫報警信號或跳閘命令。整流變壓器的溫度保護整定值通常取85℃，超過85℃時電接點溫度表觸點閉合，發出超溫報警信號［3］。

4 采用微機總保裝置的繼電保護設計

傳統的電磁式繼電保護裝置在變壓器保護中存在很多弊端，如繼電裝置空間占地大，繼電保護精度差以及維護工作量大等。因此，對中天鋼鐵集團公司高線工程車間整流變壓器繼電保護裝置采用西門子7SJ68系列微機總保裝置，該裝置具有體積小、功能強以及保護靈敏度高等特點。其保護功能主要有：差動保護、電流速斷保護、定時限過電流保護、過負荷保護、零序過電流保護、瓦斯以及溫度保護等。其測量功能主要有：檢測電流、電壓、有功功率、無功功率以及功率因素等。其控制功能主要有：可以完成本地以及遠程通信控制高壓斷路器分合閘功能。其通信功能主要有：該裝置配有PROFIBUS-DP以及MODBUS RTU等通訊接口，裝置內置通信程序，可通過PROFIBUS-DP或MODBUS RTU等網絡與車間變電所綜合自動化系統相聯，支持遙控、遙測和遙信等。

中天鋼鐵集團公司高線工程車間每臺整流變壓器設一臺西門子7SJ68系列微機總保裝置，其中給精軋機組變頻調速裝置供電的整流變壓器容量最大，且變頻調速裝置對整流變壓器供電可靠性要求最為嚴格。以下為采用7SJ68系列微機總保裝置的整流變壓器繼電保護的設計方法（以精軋機組整流變壓器為例）。

（1）7SJ68系列微機總保裝置對整流變壓器的有電量保護主要采用瞬時電流速斷保護和定時限過電流保護以相互配合的兩段式過電流保護。第一段為瞬時電流速斷保護，作為整流變壓器主保護；第二段為定時限過電流保護，作為整流變壓器后備保護。對整流變壓器的非電量保護主要指從整流變壓器本體引來的瓦斯信號和溫度信號送至微機總保裝置，然后微機總保裝置根據現場采集的信號決定分閘或者發出報警信號。

（2）7SJ68系列微機總保裝置不但對精軋機組整流變壓器進行有效的保護，而且對精軋機組變頻調速裝置也有很好的保護。精軋機組軋線變頻調速裝置由日本TMEIC公司供貨，而日本TMEIC公司設計給精軋機組變頻調速裝置供電方案采用由整流變壓器二次側用電纜直接聯接到變頻調速裝置進線端，而中間線路不設斷路器保護變頻調速裝置。基于這種供電方案，如果分合整流變壓器一次側高壓斷路器，可能對精軋機組軋線變頻調速裝置產生如下影響：如果變頻調速裝置沒有完成對調速裝置電容預充電時，整流變壓器一次側高壓斷路器合閘會對調速裝置電容產生瞬時沖擊電流，而瞬時沖擊電流很大可能會燒壞調速裝置快熔或整流單元；由于變頻調速裝置進線端不設斷路器，如果出現整流變壓器一次側高壓斷路器合閘而變頻調速裝置側有操作人員在操作或者檢修這種情況，勢必造成人員傷亡；如果變頻調速裝置側發生過電流或者緊急故障時，需要分閘保護變頻調速裝置，而變頻調速裝置進線端不設斷路器保護，這樣就有可能燒毀變頻調速裝置。

圖1 整流變壓器微機保護原理圖

（3）基于以上出現的問題，為了有效保護人員以及變頻調速裝置安全，從整流變壓器微機保護原理（見圖1）出發采取了以下措施：在合閘回路上串一個由變頻調速裝置送來的準備好的信號接點K1，也就是說變頻調速裝置只有完成對調速裝置電容預充電等所有準備好操作后，變頻調速裝置準備好信號接點K1閉合，這樣高壓斷路器合閘才有效；為了解決變頻調速裝置側發生過電流或緊急故障而沒有得到有效的保護這種情況，采取的方法是當變頻調速裝置側發生過電流或緊急故障時整流變壓器一次側高壓斷路器直接分閘，在分閘回路上并聯一個由變頻調速裝置發出的分閘指令K2；從圖1可知，整流變壓器一次側高壓斷路器在分合閘時會把分合閘信號KA1和KA2發給變頻調速裝置，從而使變頻調速裝置根據高壓斷路器分合閘情況提前采取必要的措施以保護變頻調速裝置。

圖中：SA為試驗合閘按鈕；KK為控制開關（自復位）；HQ為高壓斷路器合閘線圈；TQ為高壓斷路器分閘線圈；QF為高壓斷路器輔助觸點；S8為手車試驗位置輔助開關；S9為手車工作位置輔助開關；S1為高壓斷路器儲能機構微動開關；HG為綠色信號燈；HR為紅色信號燈；1～3XB為連接片；KA1,2為中間繼電器。

5 結語

中天高線工程高線車間整流變壓器采用以上繼電保護設計方法后，自投產以來整流變壓器運行穩定可靠，沒有發生越級跳閘和保護誤動作等事故，提高了供電的可靠性，取得了很好的效益。

［1］陳延鏢，編.鋼鐵企業電力設計手冊［M］.北京：冶金工業出版社，1996.

［2］劉介才，編.工廠供電［M］.北京:機械工業出版社,2008.

［3］耿慶魯.大功率整流變壓器的繼電保護［J］.中國氯堿,2007（6）:27-28.

（編輯：胡玉香）

Abstract：The trouble of rectification transformer and its protection measures were introduced.And Taking the rectification transformer for high speed strand rod mill of Zhongtian Iron&Steel Group as an example,relay protection for its rectification transformer was designed according to microcomputer general protection of siemens 7SJ68 series.

Key words:rectification transformer,main protection,spare protection,assistant protection, microcomputer general protection

The Design of Relay Protection for Rectification Transformer

WEI Qi
（Automatic Institute,Huatian Engineering and Technology Corporation,MCC,Ma′anshan 243002,China）

TM422

A

2010－12－06

1672-1152（2011）01-0039-03

韋奇（1976-），男，主要從事冶金供配電及自動化系統設計研究，工程師。Tel：0555-2629554，E-mail: weiqizdh@126.com