整流機組調壓變壓器差動保護研究與應用

胡兵，郭曉，陳實，行武，王哲

(南京國電南自電網自動化有限公司，南京 211153)

整流機組調壓變壓器差動保護研究與應用

胡兵，郭曉，陳實，行武，王哲

(南京國電南自電網自動化有限公司，南京 211153)

分析了整流機組調壓變壓器現有保護配置存在的不足以及配置差動保護的必要性。提出了調壓變壓器差動保護的解決方案，重點闡述了基于擋位跟蹤的調壓變壓器差動保護的基本原理。針對擋位采集可能出現的異常，提出了多種擋位校驗方法，當擋位校驗錯誤時切換到高定值差動保護模式，確保差動保護的可靠性。

調壓變壓器；整流變壓器；差動保護；擋位

1 整流機組調壓變壓器特點

在金屬冶煉及化工行業中，高壓調壓整流變壓器組被大量應用于調節電解槽的序列電流[1-2]，如圖1所示。與普通電力變壓器相比，整流機組調壓變壓器有以下幾個特點：(1)調壓范圍大，由于電解槽在焙燒、啟停、正常運行時對序列電流的需求不同[3]，因此需要通過調壓變壓器進行大范圍的調壓，最大范圍可達額定電壓的5%～105%；(2)調壓頻率高，在電解過程中，電網電壓的波動以及電解槽的陽極效應會導致序列電流偏離設定值，當偏離程度超出自飽和電抗器調節范圍時，只能由調壓變壓器進行調壓；(3)有載自動調壓，電解工藝通常配置自動穩流裝置[4]，能夠根據序列電流與設置值的偏差自動調節自飽和電抗器的控制繞組和調壓變壓器的分接頭。

圖1 電解工藝供電原理

變壓器差動保護在計算差流時，需要根據變壓器變比及各側電流互感器(CT)變比進行電流的折算，即乘以平衡系數。調壓變壓器的大范圍調壓特點，給差流平衡系數的計算帶來困難[5]，致使其差動保護一直未能得到有效解決[6-7]。目前，整流機組調壓變壓器普遍未配置差動保護，僅配置過流保護，因此在保護的靈敏度、可靠性和快速性等方面均存在不足。隨著電解工業的發展，整流機組調壓變壓器容量及電壓等級不斷升高，配置差動保護的需求也變得日益迫切。

2 調壓整流變壓器現有保護配置及其不足

在電解行業中，調壓變壓器通常以調壓整流變壓器組的形式出現，由1臺調壓變壓器帶2臺整流變壓器，兩者經有載調壓開關相連接，如圖2所示。

圖2 調壓整流變壓器組原理

2.1 調壓整流變壓器現有保護配置

目前，調壓整流變壓器除配置反映變壓器內部故障的瓦斯保護作為主保護外，還配置速斷過流保護、限時過流保護、第3繞組過流保護以及過負荷保護等。

(1)速斷過流保護。保護電流取自調壓變壓器高壓側開關電流互感器CT1，速斷過流的整定值按躲過調壓變壓器的勵磁涌流進行整定，同時兼顧高壓側內部故障時的靈敏度，取變壓器額定電流Ie的2～3倍。作為調壓變壓器區內故障的主保護，速斷過流保護瞬時動作跳開變壓器高壓側斷路器。

(2)限時過流保護。保護電流取自整流變壓器的一次側套管電流互感器CT3和CT4，其整定值取整流變壓器額定電流的1.3～1.5倍。為躲過變壓器空投時的勵磁涌流，設定0.3～0.5 s的時限，或在高壓側斷路器合閘0.3～0.5 s后將此保護投入，不帶時限。

(3)第3繞組過流保護。第3繞組為調壓變壓器三角繞組(低壓側)，一般接濾波補償設備，其電流速斷保護定值按能可靠保護第3繞組出線短路故障，同時對濾波補償側末端故障有靈敏度的原則整定，并且無延時跳開濾波裝置斷路器。

(4)過負荷保護。避免變壓器長時間運行于過負荷狀態下，同時作為整個變壓器組的總后備，過負荷保護延時跳高壓側斷路器或動作于信號。

2.2 現有保護配置存在的不足

調壓整流變壓器由于缺少差動保護，目前的保護配置在可靠性、速動性、選擇性及靈敏度方面均存在不足。

(1)可靠性問題。調壓變壓器速斷過流保護在變壓器空投時容易誤動，變壓器空投時勵磁涌流峰值最大可達7～8倍額定電流，因此速斷過流保護無法可靠躲過變壓器勵磁涌流。

(2)速動性問題。除調壓變壓器高壓側速斷過流外，其他過流保護均帶延時，因此對于調壓變壓器內部及中、低壓側故障，保護的動作時間較長，對變壓器的安全穩定極為不利。

(3)選擇性問題。高壓側速斷過流保護與第3繞組過流保護定值存在配合問題。高壓側速斷過流保護不經延時，當第3繞組濾波補償側發生短路故障時，可能導致調壓變壓器高壓側速斷過流保護越級跳閘，造成保護失去選擇性。

(4)靈敏度問題。過流保護對于變壓器匝間短路及區內高阻接地故障靈敏度低，另外，當調壓變壓器運行于低擋位時，中壓側短路故障電流較低，過流保護由于靈敏度不足可能拒動。

現有保護配置存在上述缺陷的根本原因在于缺少差動保護。差動保護不僅可以快速靈敏地反映變壓器區內故障，而且具有勵磁涌流識別及閉鎖功能，能夠避免變壓器空投時勵磁涌流引起的保護誤動。

3 調壓變壓器差動保護方案研究

調壓變壓器差動保護的難點在變壓器變比變化范圍大，采用固定變比計算差流的常規差動保護會因平衡系數不匹配而產生較大的差流，造成保護誤動。有兩種解決方案：方案1，抬高差動保護定值，躲過調壓變壓器正常運行時的最大差流；方案2，跟蹤變壓器運行擋位并調整平衡系數，避免因平衡系數與實際不匹配引起的差流。

3.1 高定值差動保護

由于變壓器高、中、低各側電壓等級和CT變比不同，計算差流時需要對各側電流進行折算，通常將差流折算到高壓側，各側平衡系數為

式中：Ueh，Uem，Uel分別為變壓器高、中、低壓側額定電壓；Kh，Km，Kl分別為變壓器高、中、低壓側CT變比；kh，km，kl分別變壓器高、中、低壓側平衡系數；Ih，Im，Il分別為變壓器高、中、低壓側二次電流(相位補償后電流)；Id為差動電流；Ir為制動電流。

調壓變壓器與普通電力變壓器的主要區別在于其中壓側額定電壓隨著運行擋位變化，變化范圍可達中壓側最高額定電壓的5%～105%。如果將調壓變壓器按照普通電力變壓器看待，即中壓側平衡系數按固定的額定電壓進行計算，則變壓器在不同擋位運行時將產生不平衡差流。考慮變壓器滿負荷運行情況，若中壓側額定電壓取最大值，則引起的最大差流為Ie；若中壓側額定電壓取中間值(中間擋位對應的額定值)，則引起的最大差流為0.5Ie：顯然，后者產生的差流最小，更為合理。

如果取0.8Ie作為差動保護定值門檻，當調壓變壓器正常運行時，無論其處于何種運行擋位，產生的差流均不會超過差動定值，即差動保護不會誤動。故障時的情況分為以下幾種。

(1)調壓變壓器區內故障，除輕微匝間及高阻接地故障靈敏度低之外，其他區內故障差動保護均能夠可靠動作。

(2)整流變壓器故障，此時差流為高、中壓側穿越性電流引起的不平衡電流，由于中壓側平衡系數存在偏差，可能產生較大的差流而導致差動保護動作。考慮到調壓變壓器與整流變壓器作為一個整體，此時差動保護動作切除變壓器組視為正確動作行為。

(3)第3繞組濾波補償側故障，此時調壓變壓器高、中壓側流過穿越性電流，差流平衡，差動保護可靠不動作，確保了選擇性。

調壓變壓器高定值差動保護的不足之處在于靈敏度低，對于區內輕微匝間及高阻接地故障可能拒動，為此，本文提出基于擋位跟蹤的變壓器差動保護。

3.2 基于擋位跟蹤的變壓器差動保護

對于不同的運行擋位，調壓變壓器的額定容量、額定電壓及額定電流也隨之改變，以西電ZHSFPTB型有載調壓整流變壓器為例，其額定參數見表1。

表1 ZHSFPTB 型變壓器額定參數

由表1可以看出，調壓變壓器中壓側額定電壓與運行擋位存在確定關系，因此，通過實時采集變壓器的運行擋位，并根據擋位計算中壓側額定電壓和平衡系數，從而確保差流計算的準確性，這是基于擋位跟蹤的變壓器差動保護的基本原理。

式中：Umax.m為調壓變中壓側最高額定電壓；nmax為變壓器最高運行擋位；n為變壓器當前運行擋位； ΔU為調擋級差電壓。

擋位跟蹤實現了調壓變壓器向普通電力變壓器的轉變，其差動定值可按普通電力變壓器差動保護整定規程整定[8]，動作特性曲線如圖3所示(圖中：Ih.set為差動速斷定值；Il.set為差動保護最小動作門檻，取(0.3～0.5)Ie；K1為比例制動系數1；K2為比例制動系數2)。

圖3 差動保護動作特性曲線

調壓變壓器正常運行時產生的差流極小，但在調壓過程中，由于擋位采集滯后于一次系統調壓，勢必存在采集擋位與變壓器實際運行擋位不一致的過程。考慮到變壓器按照升降擋的方式進行調壓[9]，操作機構單次僅能完成1擋的升降，而整流用調壓變壓器設置的擋位通常在30擋以上[10-11]，因此1擋誤差引起的差流很小(不大于0.03Ie)，不會給差動保護造成影響。

基于擋位跟蹤的變壓器差動保護的關鍵在于準確采集變壓器運行擋位，一旦擋位數據錯誤，例如擋位變送器異常，在定值整定較低的情況下可能直接導致差動保護誤動，因此有必要對擋位的有效性進行校驗。

4 變壓器擋位有效性校驗方法

擋位的輸出環節包括有載調壓開關和擋位變送器。有載調壓開關是變壓器調壓的操作機構，一方面它接收自動裝置的升降擋指令并執行調擋操作，另一方面指示當前運行擋位并閉合對應的輔助觸點供擋位變送器采集。擋位變送器是連接有載調壓開關與差動保護的橋梁，它提取變壓器當前運行的抽頭位置并將其轉換為相應的模擬量或數字量供自動裝置采集[12]。

有載調壓開關和擋位變送器在實際運行過程中發生的故障有多種類型，其中對基于擋位跟蹤的變壓器差動保護產生的影響主要有以下幾類。

(1)有載調壓開關滑擋，調壓時如果操作機構出現失靈，致使電機持續運轉，會導致調壓開關在短時間內出現多級擋位變化，即為滑擋[13-14]。

(2)擋位變送器失電，擋位輸出為0。

(3)擋位變送器死機，輸出的數據始終不變，無法正確反映變壓器運行擋位。

(4)擋位變送器異常，輸出的數據隨機跳變，與變壓器實際運行擋位不一致。

為了防止差動保護因擋位錯誤而誤動，本文提出以下幾種擋位校驗方法。

4.1 電壓校驗法

電壓校驗法是通過校驗中壓側電壓來判別當前采集到的擋位是否可信。根據變壓器高壓側電壓以及運行擋位可計算中壓側理論電壓值，在變壓器正常運行時，該理論值與變壓器中壓側電壓實際值應基本一致，如果二者偏差超過設定范圍，則認為變壓器擋位存在異常，即

式中：Uh，Um分別為高、中壓側電壓二次采樣值；Utm為當前擋位對應的中壓側電壓理論值；Uset為電壓校驗允許誤差，可取2倍調擋級差電壓。電壓校驗法是校驗擋位行之有效的方法，可以應對擋位變送器的所有異常情況。

考慮到變壓器區內故障時電壓校驗法容易誤判，因此電壓校驗應經適當的延時，僅在擋位發生變化時進行快速的電壓校驗。

4.2 差流校驗法

調壓整流變壓器作為終端變壓器，其中、低壓側可能不配置電壓互感器，此時電壓校驗無法使用，只能通過差流來校驗擋位的有效性。變壓器正常運行時，如果擋位正常，基于該擋位計算出的差流主要為互感器傳變誤差、模擬量采集誤差以及變壓器勵磁電流引起的不平衡電流，其數值很小。如果變送器輸出的擋位與變壓器實際擋位不一致，可能引起較大差流。因此，在變壓器擋位發生變化時校驗差流，如果差流超出校驗門檻，則認為擋位存在異常。

另外，考慮到當變壓器輕載運行時，差流校驗的靈敏度比較低，即使出現較大的擋位不一致，引起的差流也不會超過差流校驗門檻。為此，除在擋位發生變化時校驗差流外，正常運行時應實時校驗差流，當差流長時間超過校驗門檻時，則視為擋位異常。

4.3 擋位雙通道采集一致性校驗法

借鑒繼電保護模擬量雙AD采樣的成功經驗，基于擋位跟蹤的調壓變壓器差動保護可考慮采用擋位雙通道采集方式，即配置2個擋位變送器，分別接入差動保護的擋位采集回路，如圖4所示。當2個回路采集到的擋位信息不一致時，判別為擋位異常，如此可提高變壓器運行擋位采集的可靠性，避免因單一擋位變送器故障而造成差動保護誤動作。

圖4 擋位雙通道采集一致性校驗

有載調壓開關正常情況下單次只能執行1擋的升降操作，執行時間需5 s左右，因此如果單次擋位變化超過1擋，可視為擋位數據存在異常；另外，有載調壓開關正常情況下不應出現零擋位，因此當采集擋位為零時，則判為擋位異常。

擋位異常時有2種處理方式：一是閉鎖差動保護，二是抬高差動保護定值，即切換為高定值差動保護。采用閉鎖差動保護的方式，將導致調壓變壓器失去主保護，存在安全隱患，而抬高差動保護定值僅僅降低了保護的靈敏度，其可靠性得到了保證，顯然是更優的選擇。為此，基于擋位跟蹤的調壓變壓器差動保護在擋位異常時切換為高定值差動保護。

5 結束語

由于調壓范圍大，調壓變壓器差動保護在實現上存在一定困難，僅配置過流保護，在保護的可靠性、選擇性和靈敏度方面均存在不足。本文提出的基于擋位跟蹤的調壓變壓器差動保護，其基本思路是根據變壓器運行擋位計算調壓變壓器低壓側額定電壓，從而將調壓變壓器轉換為常規電力變壓器處理。考慮到有載調壓開關及擋位變送器故障可能導致采集的擋位與變壓器實際運行擋位不一致，本文提出了多種擋位校驗方法，當擋位校驗錯誤時抬高差動保護定值以確保可行性。另外，即使不進行擋位跟蹤，而采用高定值變壓器差動保護，也可以很大限度彌補調壓整流變壓器現有保護配置的不足。基于擋位跟蹤的調壓變壓器差動保護裝置已在重慶某大型鋁電解廠投運，并且可靠運行，其運行經驗可為繼電保護學者提供參考。

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(本文責編：劉芳)

2016-10-12；

2016-11-02

TM 773

A

1674-1951(2017)01-0014-04

胡兵(1984—)，男，江西新余人，工程師，從事繼電保護研究與開發工作(E-mail:bing-hu@sac-china.com)。