整流變壓器的繼電保護(hù)設(shè)計(jì)

韋奇

（中冶華天工程技術(shù)有限公司自動(dòng)化所，安徽馬鞍山243002）

整流變壓器的繼電保護(hù)設(shè)計(jì)

韋奇

（中冶華天工程技術(shù)有限公司自動(dòng)化所，安徽馬鞍山243002）

介紹了整流變壓器發(fā)生的故障以及對整流變壓器的保護(hù)措施。并以中天鋼鐵集團(tuán)高線車間整流變壓器為例，介紹了采用西門子7SJ68系列微機(jī)總保裝置對其整流變壓器進(jìn)行的繼電保護(hù)設(shè)計(jì)方法。

整流變壓器主保護(hù)后備保護(hù)輔助保護(hù)微機(jī)總保

整流變壓器的繼電保護(hù)是當(dāng)整流變壓器內(nèi)部或者外部發(fā)生故障時(shí)，根據(jù)整流變壓器電流、電壓、油溫以及油壓等發(fā)生的變化來發(fā)現(xiàn)、判斷整流變壓器的故障范圍和性質(zhì)，繼電保護(hù)裝置作出相應(yīng)的反應(yīng)和處理。對整流變壓器繼電保護(hù)應(yīng)配置主保護(hù)、后備保護(hù)以及輔助保護(hù)。其中：主保護(hù)包括電流速斷保護(hù)和重瓦斯保護(hù)；后備保護(hù)包括過電流保護(hù)；輔助保護(hù)包括過負(fù)荷保護(hù)、輕瓦斯保護(hù)和溫度保護(hù)。中天鋼鐵集團(tuán)公司高線工程整個(gè)車間共由10臺整流變壓器給軋線變頻調(diào)速裝置供電，且軋線變頻調(diào)速裝置分別采用日本TMEIC公司和德國西門子原裝進(jìn)口變頻調(diào)速裝置，而這些變頻調(diào)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(diào)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(jī)總保裝置對整流變壓器繼電保護(hù)設(shè)計(jì)，投產(chǎn)后運(yùn)行效果非常好。

1 整流變壓器的主保護(hù)

對于小容量的整流變壓器一般不設(shè)電流差動(dòng)保護(hù)，通常由電流速斷保護(hù)和重瓦斯保護(hù)作為主保護(hù)；而對于10 000 kVA及以上的整流變壓器，按電力變壓器設(shè)計(jì)規(guī)范，為了保護(hù)變壓器內(nèi)部以及引出線和絕緣套管的相間短路，應(yīng)設(shè)電流差動(dòng)保護(hù)。由于整流變壓器內(nèi)部接線以及變壓器二次側(cè)至變頻調(diào)速裝置之間接線都比較復(fù)雜，故裝設(shè)差動(dòng)保護(hù)比較困難，通常只能用電流速斷保護(hù)代替電流差動(dòng)保護(hù)作為整流變壓器主保護(hù)。

1.1 電流速斷保護(hù)

通常整流變壓器過流保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間不小于0.5 s，為了使故障變壓器迅速地從系統(tǒng)中切除，應(yīng)增設(shè)電流速斷保護(hù)。電流速斷保護(hù)為瞬動(dòng)電流保護(hù)，整定原則有兩條。

（1）應(yīng)避開整流變壓器外部三相短路時(shí)流過保護(hù)裝置的最大短路電流，其整定值計(jì)算公式為：

（2）應(yīng)躲過變壓器的勵(lì)磁涌流，其整定值計(jì)算公式為：

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

繼電保護(hù)動(dòng)作電流Idzj應(yīng)取以上兩個(gè)計(jì)算公式的最大值。

電流速斷保護(hù)裝置靈敏系數(shù)按系統(tǒng)最小運(yùn)行方式下保護(hù)安裝處兩相短路時(shí)流過保護(hù)裝置的最小短路電流校驗(yàn)，其靈敏系數(shù)計(jì)算公式為：

電流速斷保護(hù)動(dòng)作時(shí)限取零秒。

1.2 重瓦斯保護(hù)

通常大于400 kVA戶內(nèi)整流變壓器都應(yīng)裝設(shè)瓦斯保護(hù)。瓦斯繼電保護(hù)的主要元件是瓦斯繼電器，它裝設(shè)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(shí)，瓦斯繼電器的容器（包括其中的上下開口油杯）內(nèi)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(shí)上下兩隊(duì)觸點(diǎn)都是斷開的。當(dāng)變壓器油箱內(nèi)部發(fā)生嚴(yán)重故障時(shí)，如油箱內(nèi)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(guān)接觸不良或?qū)Ь€焊接不良等，由故障產(chǎn)生的氣體很多，帶動(dòng)油流迅猛地由變壓器油箱通過聯(lián)通管進(jìn)入油枕。這大量的油氣混合體在經(jīng)過瓦斯繼電器時(shí)，沖擊擋板，使下油杯下降。這時(shí)下觸點(diǎn)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(nèi)的油也慢慢流盡。先是瓦斯繼電器的上油杯下降，上觸點(diǎn)接通，發(fā)生報(bào)警信號；接著其下油杯下降，下觸點(diǎn)接通跳閘回路，使斷路器跳閘，同時(shí)發(fā)出跳閘信號［2］。

重瓦斯保護(hù)作為整流變壓器的主保護(hù)，它可以反映整流變壓器內(nèi)部的所有故障。重瓦斯保護(hù)動(dòng)作迅速、靈敏、可靠而且結(jié)構(gòu)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(hù)配合作為整流變壓器的主保護(hù)。

重瓦斯保護(hù)動(dòng)作時(shí)限取零秒。

2 整流變壓器的后備保護(hù)

過電流保護(hù)是整流變壓器電流速斷保護(hù)和重瓦斯保護(hù)的后備保護(hù)，是外部線路短路而引起過電流的后備保護(hù)，保護(hù)動(dòng)作后將整流變壓器高壓側(cè)斷路器斷開。過電流保護(hù)整定原則為應(yīng)避開可能出現(xiàn)的最大過負(fù)荷電流，其整定值計(jì)算公式為：

在大型的國際性活動(dòng)籌備期間，在具備條件的情況下，志愿者英語服務(wù)能力的培訓(xùn)也可以通過開設(shè)課程的形式開展。具體課程建議包括活動(dòng)英文資料習(xí)得課程、跨文化交際課程、簡易ESP運(yùn)用課程、口譯能力提升課程等。通過課程的開設(shè)，系統(tǒng)化地對重大國際型活動(dòng)志愿者的英語服務(wù)能力進(jìn)行培訓(xùn)和提升，保證志愿者英語語言服務(wù)的國際化水準(zhǔn)。

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

過電流保護(hù)裝置靈敏系數(shù)按系統(tǒng)最小運(yùn)行方式時(shí)二次側(cè)二相短路穿越電流校驗(yàn)，其靈敏系數(shù)計(jì)算公式為：

式中：Kmxd為相對靈敏系數(shù)，當(dāng)變壓器星形側(cè)兩相短路時(shí)取值為1，當(dāng)變壓器三角側(cè)兩相短路時(shí)取值為0.87；I(3)d2min為系統(tǒng)最小運(yùn)行方式下二次側(cè)三相短路時(shí)流過保護(hù)裝置的最小短路電流。電流速斷保護(hù)裝置靈敏系數(shù)不小于1.5［1］。

過電流保護(hù)動(dòng)作時(shí)限應(yīng)與下一級保護(hù)動(dòng)作時(shí)限相配合，即比相鄰元件保護(hù)的最大動(dòng)作時(shí)限大一個(gè)時(shí)限階梯△t，一般動(dòng)作時(shí)限取0.5～0.7 s。

3 整流變壓器的輔助保護(hù)

3.1 過負(fù)荷保護(hù)

高線車間生產(chǎn)線電氣設(shè)備用電負(fù)荷比較穩(wěn)定，一般整流變壓器不會(huì)出現(xiàn)過負(fù)荷情況。但生產(chǎn)線有時(shí)出現(xiàn)坯料低溫軋制這種情況，就有可能出現(xiàn)整流變壓器過負(fù)荷，因此要設(shè)置過負(fù)荷保護(hù)。過負(fù)荷保護(hù)整定原則為應(yīng)避開變壓器額定電流，其整定值計(jì)算公式為：

過電流保護(hù)動(dòng)作時(shí)限應(yīng)避開允許的短時(shí)工作過負(fù)荷（如軋機(jī)咬鋼等）時(shí)間，一般定時(shí)限取9～15 s。

3.2 輕瓦斯保護(hù)

當(dāng)變壓器油箱內(nèi)部發(fā)生輕微故障時(shí)，由故障產(chǎn)生的少量氣體慢慢升起，進(jìn)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(zhuǎn)軸的另一端平衡錘的力矩而降落，此時(shí)上觸點(diǎn)接通報(bào)警回路，發(fā)出報(bào)警光信號，這稱之為“輕瓦斯動(dòng)作”。當(dāng)繼電保護(hù)裝置發(fā)出報(bào)警信號時(shí)，表示整流變壓器運(yùn)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(jìn)入油箱；由于漏油或溫度下降引起油面下降；由于油箱內(nèi)的輕微故障產(chǎn)生少量氣體；輕瓦斯回路絕緣損壞或發(fā)生接地等故障［2］。

輕瓦斯保護(hù)動(dòng)作時(shí)限取4 s。

3.3 溫度保護(hù)

整流變壓器出現(xiàn)過負(fù)荷、內(nèi)部短路故障以及變壓器環(huán)境溫度過高時(shí)，變壓器本體溫度升高超過整定值，則發(fā)出超溫報(bào)警信號或跳閘命令。整流變壓器的溫度保護(hù)整定值通常取85℃，超過85℃時(shí)電接點(diǎn)溫度表觸點(diǎn)閉合，發(fā)出超溫報(bào)警信號［3］。

4 采用微機(jī)總保裝置的繼電保護(hù)設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的電磁式繼電保護(hù)裝置在變壓器保護(hù)中存在很多弊端，如繼電裝置空間占地大，繼電保護(hù)精度差以及維護(hù)工作量大等。因此，對中天鋼鐵集團(tuán)公司高線工程車間整流變壓器繼電保護(hù)裝置采用西門子7SJ68系列微機(jī)總保裝置，該裝置具有體積小、功能強(qiáng)以及保護(hù)靈敏度高等特點(diǎn)。其保護(hù)功能主要有：差動(dòng)保護(hù)、電流速斷保護(hù)、定時(shí)限過電流保護(hù)、過負(fù)荷保護(hù)、零序過電流保護(hù)、瓦斯以及溫度保護(hù)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(yuǎn)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(nèi)置通信程序，可通過PROFIBUS-DP或MODBUS RTU等網(wǎng)絡(luò)與車間變電所綜合自動(dòng)化系統(tǒng)相聯(lián)，支持遙控、遙測和遙信等。

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

（1）7SJ68系列微機(jī)總保裝置對整流變壓器的有電量保護(hù)主要采用瞬時(shí)電流速斷保護(hù)和定時(shí)限過電流保護(hù)以相互配合的兩段式過電流保護(hù)。第一段為瞬時(shí)電流速斷保護(hù)，作為整流變壓器主保護(hù)；第二段為定時(shí)限過電流保護(hù)，作為整流變壓器后備保護(hù)。對整流變壓器的非電量保護(hù)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(jī)總保裝置，然后微機(jī)總保裝置根據(jù)現(xiàn)場采集的信號決定分閘或者發(fā)出報(bào)警信號。

（2）7SJ68系列微機(jī)總保裝置不但對精軋機(jī)組整流變壓器進(jìn)行有效的保護(hù)，而且對精軋機(jī)組變頻調(diào)速裝置也有很好的保護(hù)。精軋機(jī)組軋線變頻調(diào)速裝置由日本TMEIC公司供貨，而日本TMEIC公司設(shè)計(jì)給精軋機(jī)組變頻調(diào)速裝置供電方案采用由整流變壓器二次側(cè)用電纜直接聯(lián)接到變頻調(diào)速裝置進(jìn)線端，而中間線路不設(shè)斷路器保護(hù)變頻調(diào)速裝置?；谶@種供電方案，如果分合整流變壓器一次側(cè)高壓斷路器，可能對精軋機(jī)組軋線變頻調(diào)速裝置產(chǎn)生如下影響：如果變頻調(diào)速裝置沒有完成對調(diào)速裝置電容預(yù)充電時(shí)，整流變壓器一次側(cè)高壓斷路器合閘會(huì)對調(diào)速裝置電容產(chǎn)生瞬時(shí)沖擊電流，而瞬時(shí)沖擊電流很大可能會(huì)燒壞調(diào)速裝置快熔或整流單元；由于變頻調(diào)速裝置進(jìn)線端不設(shè)斷路器，如果出現(xiàn)整流變壓器一次側(cè)高壓斷路器合閘而變頻調(diào)速裝置側(cè)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(diào)速裝置側(cè)發(fā)生過電流或者緊急故障時(shí)，需要分閘保護(hù)變頻調(diào)速裝置，而變頻調(diào)速裝置進(jìn)線端不設(shè)斷路器保護(hù)，這樣就有可能燒毀變頻調(diào)速裝置。

圖1 整流變壓器微機(jī)保護(hù)原理圖

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

圖中：SA為試驗(yàn)合閘按鈕；KK為控制開關(guān)（自復(fù)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(diǎn)；S8為手車試驗(yàn)位置輔助開關(guān)；S9為手車工作位置輔助開關(guān)；S1為高壓斷路器儲(chǔ)能機(jī)構(gòu)微動(dòng)開關(guān)；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(jié)語

中天高線工程高線車間整流變壓器采用以上繼電保護(hù)設(shè)計(jì)方法后，自投產(chǎn)以來整流變壓器運(yùn)行穩(wěn)定可靠，沒有發(fā)生越級跳閘和保護(hù)誤動(dòng)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(yè)電力設(shè)計(jì)手冊［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，1996.

［2］劉介才，編.工廠供電［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2008.

［3］耿慶魯.大功率整流變壓器的繼電保護(hù)［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(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究，工程師。Tel：0555-2629554，E-mail: weiqizdh@126.com