整流機(jī)組調(diào)壓變壓器差動(dòng)保護(hù)研究與應(yīng)用

胡兵，郭曉，陳實(shí)，行武，王哲

(南京國電南自電網(wǎng)自動(dòng)化有限公司，南京 211153)

整流機(jī)組調(diào)壓變壓器差動(dòng)保護(hù)研究與應(yīng)用

胡兵，郭曉，陳實(shí)，行武，王哲

(南京國電南自電網(wǎng)自動(dòng)化有限公司，南京 211153)

分析了整流機(jī)組調(diào)壓變壓器現(xiàn)有保護(hù)配置存在的不足以及配置差動(dòng)保護(hù)的必要性。提出了調(diào)壓變壓器差動(dòng)保護(hù)的解決方案，重點(diǎn)闡述了基于擋位跟蹤的調(diào)壓變壓器差動(dòng)保護(hù)的基本原理。針對(duì)擋位采集可能出現(xiàn)的異常，提出了多種擋位校驗(yàn)方法，當(dāng)擋位校驗(yàn)錯(cuò)誤時(shí)切換到高定值差動(dòng)保護(hù)模式，確保差動(dòng)保護(hù)的可靠性。

調(diào)壓變壓器；整流變壓器；差動(dòng)保護(hù)；擋位

1 整流機(jī)組調(diào)壓變壓器特點(diǎn)

在金屬冶煉及化工行業(yè)中，高壓調(diào)壓整流變壓器組被大量應(yīng)用于調(diào)節(jié)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(jī)組調(diào)壓變壓器有以下幾個(gè)特點(diǎn)：(1)調(diào)壓范圍大，由于電解槽在焙燒、啟停、正常運(yùn)行時(shí)對(duì)序列電流的需求不同[3]，因此需要通過調(diào)壓變壓器進(jìn)行大范圍的調(diào)壓，最大范圍可達(dá)額定電壓的5%～105%；(2)調(diào)壓頻率高，在電解過程中，電網(wǎng)電壓的波動(dòng)以及電解槽的陽極效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致序列電流偏離設(shè)定值，當(dāng)偏離程度超出自飽和電抗器調(diào)節(jié)范圍時(shí)，只能由調(diào)壓變壓器進(jìn)行調(diào)壓；(3)有載自動(dòng)調(diào)壓，電解工藝通常配置自動(dòng)穩(wěn)流裝置[4]，能夠根據(jù)序列電流與設(shè)置值的偏差自動(dòng)調(diào)節(jié)自飽和電抗器的控制繞組和調(diào)壓變壓器的分接頭。

圖1 電解工藝供電原理

變壓器差動(dòng)保護(hù)在計(jì)算差流時(shí)，需要根據(jù)變壓器變比及各側(cè)電流互感器(CT)變比進(jìn)行電流的折算，即乘以平衡系數(shù)。調(diào)壓變壓器的大范圍調(diào)壓特點(diǎn)，給差流平衡系數(shù)的計(jì)算帶來困難[5]，致使其差動(dòng)保護(hù)一直未能得到有效解決[6-7]。目前，整流機(jī)組調(diào)壓變壓器普遍未配置差動(dòng)保護(hù)，僅配置過流保護(hù)，因此在保護(hù)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(yè)的發(fā)展，整流機(jī)組調(diào)壓變壓器容量及電壓等級(jí)不斷升高，配置差動(dòng)保護(hù)的需求也變得日益迫切。

2 調(diào)壓整流變壓器現(xiàn)有保護(hù)配置及其不足

在電解行業(yè)中，調(diào)壓變壓器通常以調(diào)壓整流變壓器組的形式出現(xiàn)，由1臺(tái)調(diào)壓變壓器帶2臺(tái)整流變壓器，兩者經(jīng)有載調(diào)壓開關(guān)相連接，如圖2所示。

圖2 調(diào)壓整流變壓器組原理

2.1 調(diào)壓整流變壓器現(xiàn)有保護(hù)配置

目前，調(diào)壓整流變壓器除配置反映變壓器內(nèi)部故障的瓦斯保護(hù)作為主保護(hù)外，還配置速斷過流保護(hù)、限時(shí)過流保護(hù)、第3繞組過流保護(hù)以及過負(fù)荷保護(hù)等。

(1)速斷過流保護(hù)。保護(hù)電流取自調(diào)壓變壓器高壓側(cè)開關(guān)電流互感器CT1，速斷過流的整定值按躲過調(diào)壓變壓器的勵(lì)磁涌流進(jìn)行整定，同時(shí)兼顧高壓側(cè)內(nèi)部故障時(shí)的靈敏度，取變壓器額定電流Ie的2～3倍。作為調(diào)壓變壓器區(qū)內(nèi)故障的主保護(hù)，速斷過流保護(hù)瞬時(shí)動(dòng)作跳開變壓器高壓側(cè)斷路器。

(2)限時(shí)過流保護(hù)。保護(hù)電流取自整流變壓器的一次側(cè)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(shí)的勵(lì)磁涌流，設(shè)定0.3～0.5 s的時(shí)限，或在高壓側(cè)斷路器合閘0.3～0.5 s后將此保護(hù)投入，不帶時(shí)限。

(3)第3繞組過流保護(hù)。第3繞組為調(diào)壓變壓器三角繞組(低壓側(cè))，一般接濾波補(bǔ)償設(shè)備，其電流速斷保護(hù)定值按能可靠保護(hù)第3繞組出線短路故障，同時(shí)對(duì)濾波補(bǔ)償側(cè)末端故障有靈敏度的原則整定，并且無延時(shí)跳開濾波裝置斷路器。

(4)過負(fù)荷保護(hù)。避免變壓器長時(shí)間運(yùn)行于過負(fù)荷狀態(tài)下，同時(shí)作為整個(gè)變壓器組的總后備，過負(fù)荷保護(hù)延時(shí)跳高壓側(cè)斷路器或動(dòng)作于信號(hào)。

2.2 現(xiàn)有保護(hù)配置存在的不足

調(diào)壓整流變壓器由于缺少差動(dòng)保護(hù)，目前的保護(hù)配置在可靠性、速動(dòng)性、選擇性及靈敏度方面均存在不足。

(1)可靠性問題。調(diào)壓變壓器速斷過流保護(hù)在變壓器空投時(shí)容易誤動(dòng)，變壓器空投時(shí)勵(lì)磁涌流峰值最大可達(dá)7～8倍額定電流，因此速斷過流保護(hù)無法可靠躲過變壓器勵(lì)磁涌流。

(2)速動(dòng)性問題。除調(diào)壓變壓器高壓側(cè)速斷過流外，其他過流保護(hù)均帶延時(shí)，因此對(duì)于調(diào)壓變壓器內(nèi)部及中、低壓側(cè)故障，保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間較長，對(duì)變壓器的安全穩(wěn)定極為不利。

(3)選擇性問題。高壓側(cè)速斷過流保護(hù)與第3繞組過流保護(hù)定值存在配合問題。高壓側(cè)速斷過流保護(hù)不經(jīng)延時(shí)，當(dāng)?shù)?繞組濾波補(bǔ)償側(cè)發(fā)生短路故障時(shí)，可能導(dǎo)致調(diào)壓變壓器高壓側(cè)速斷過流保護(hù)越級(jí)跳閘，造成保護(hù)失去選擇性。

(4)靈敏度問題。過流保護(hù)對(duì)于變壓器匝間短路及區(qū)內(nèi)高阻接地故障靈敏度低，另外，當(dāng)調(diào)壓變壓器運(yùn)行于低擋位時(shí)，中壓側(cè)短路故障電流較低，過流保護(hù)由于靈敏度不足可能拒動(dòng)。

現(xiàn)有保護(hù)配置存在上述缺陷的根本原因在于缺少差動(dòng)保護(hù)。差動(dòng)保護(hù)不僅可以快速靈敏地反映變壓器區(qū)內(nèi)故障，而且具有勵(lì)磁涌流識(shí)別及閉鎖功能，能夠避免變壓器空投時(shí)勵(lì)磁涌流引起的保護(hù)誤動(dòng)。

3 調(diào)壓變壓器差動(dòng)保護(hù)方案研究

調(diào)壓變壓器差動(dòng)保護(hù)的難點(diǎn)在變壓器變比變化范圍大，采用固定變比計(jì)算差流的常規(guī)差動(dòng)保護(hù)會(huì)因平衡系數(shù)不匹配而產(chǎn)生較大的差流，造成保護(hù)誤動(dòng)。有兩種解決方案：方案1，抬高差動(dòng)保護(hù)定值，躲過調(diào)壓變壓器正常運(yùn)行時(shí)的最大差流；方案2，跟蹤變壓器運(yùn)行擋位并調(diào)整平衡系數(shù)，避免因平衡系數(shù)與實(shí)際不匹配引起的差流。

3.1 高定值差動(dòng)保護(hù)

由于變壓器高、中、低各側(cè)電壓等級(jí)和CT變比不同，計(jì)算差流時(shí)需要對(duì)各側(cè)電流進(jìn)行折算，通常將差流折算到高壓側(cè)，各側(cè)平衡系數(shù)為

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

調(diào)壓變壓器與普通電力變壓器的主要區(qū)別在于其中壓側(cè)額定電壓隨著運(yùn)行擋位變化，變化范圍可達(dá)中壓側(cè)最高額定電壓的5%～105%。如果將調(diào)壓變壓器按照普通電力變壓器看待，即中壓側(cè)平衡系數(shù)按固定的額定電壓進(jìn)行計(jì)算，則變壓器在不同擋位運(yùn)行時(shí)將產(chǎn)生不平衡差流?？紤]變壓器滿負(fù)荷運(yùn)行情況，若中壓側(cè)額定電壓取最大值，則引起的最大差流為Ie；若中壓側(cè)額定電壓取中間值(中間擋位對(duì)應(yīng)的額定值)，則引起的最大差流為0.5Ie：顯然，后者產(chǎn)生的差流最小，更為合理。

如果取0.8Ie作為差動(dòng)保護(hù)定值門檻，當(dāng)調(diào)壓變壓器正常運(yùn)行時(shí)，無論其處于何種運(yùn)行擋位，產(chǎn)生的差流均不會(huì)超過差動(dòng)定值，即差動(dòng)保護(hù)不會(huì)誤動(dòng)。故障時(shí)的情況分為以下幾種。

(1)調(diào)壓變壓器區(qū)內(nèi)故障，除輕微匝間及高阻接地故障靈敏度低之外，其他區(qū)內(nèi)故障差動(dòng)保護(hù)均能夠可靠動(dòng)作。

(2)整流變壓器故障，此時(shí)差流為高、中壓側(cè)穿越性電流引起的不平衡電流，由于中壓側(cè)平衡系數(shù)存在偏差，可能產(chǎn)生較大的差流而導(dǎo)致差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作?？紤]到調(diào)壓變壓器與整流變壓器作為一個(gè)整體，此時(shí)差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作切除變壓器組視為正確動(dòng)作行為。

(3)第3繞組濾波補(bǔ)償側(cè)故障，此時(shí)調(diào)壓變壓器高、中壓側(cè)流過穿越性電流，差流平衡，差動(dòng)保護(hù)可靠不動(dòng)作，確保了選擇性。

調(diào)壓變壓器高定值差動(dòng)保護(hù)的不足之處在于靈敏度低，對(duì)于區(qū)內(nèi)輕微匝間及高阻接地故障可能拒動(dòng)，為此，本文提出基于擋位跟蹤的變壓器差動(dòng)保護(hù)。

3.2 基于擋位跟蹤的變壓器差動(dòng)保護(hù)

對(duì)于不同的運(yùn)行擋位，調(diào)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(diào)壓整流變壓器為例，其額定參數(shù)見表1。

表1 ZHSFPTB 型變壓器額定參數(shù)

由表1可以看出，調(diào)壓變壓器中壓側(cè)額定電壓與運(yùn)行擋位存在確定關(guān)系，因此，通過實(shí)時(shí)采集變壓器的運(yùn)行擋位，并根據(jù)擋位計(jì)算中壓側(cè)額定電壓和平衡系數(shù)，從而確保差流計(jì)算的準(zhǔn)確性，這是基于擋位跟蹤的變壓器差動(dòng)保護(hù)的基本原理。

式中：Umax.m為調(diào)壓變中壓側(cè)最高額定電壓；nmax為變壓器最高運(yùn)行擋位；n為變壓器當(dāng)前運(yùn)行擋位； ΔU為調(diào)擋級(jí)差電壓。

擋位跟蹤實(shí)現(xiàn)了調(diào)壓變壓器向普通電力變壓器的轉(zhuǎn)變，其差動(dòng)定值可按普通電力變壓器差動(dòng)保護(hù)整定規(guī)程整定[8]，動(dòng)作特性曲線如圖3所示(圖中：Ih.set為差動(dòng)速斷定值；Il.set為差動(dòng)保護(hù)最小動(dòng)作門檻，取(0.3～0.5)Ie；K1為比例制動(dòng)系數(shù)1；K2為比例制動(dòng)系數(shù)2)。

圖3 差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作特性曲線

調(diào)壓變壓器正常運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的差流極小，但在調(diào)壓過程中，由于擋位采集滯后于一次系統(tǒng)調(diào)壓，勢(shì)必存在采集擋位與變壓器實(shí)際運(yùn)行擋位不一致的過程?？紤]到變壓器按照升降擋的方式進(jìn)行調(diào)壓[9]，操作機(jī)構(gòu)單次僅能完成1擋的升降，而整流用調(diào)壓變壓器設(shè)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(huì)給差動(dòng)保護(hù)造成影響。

基于擋位跟蹤的變壓器差動(dòng)保護(hù)的關(guān)鍵在于準(zhǔn)確采集變壓器運(yùn)行擋位，一旦擋位數(shù)據(jù)錯(cuò)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(dǎo)致差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)，因此有必要對(duì)擋位的有效性進(jìn)行校驗(yàn)。

4 變壓器擋位有效性校驗(yàn)方法

擋位的輸出環(huán)節(jié)包括有載調(diào)壓開關(guān)和擋位變送器。有載調(diào)壓開關(guān)是變壓器調(diào)壓的操作機(jī)構(gòu)，一方面它接收自動(dòng)裝置的升降擋指令并執(zhí)行調(diào)擋操作，另一方面指示當(dāng)前運(yùn)行擋位并閉合對(duì)應(yīng)的輔助觸點(diǎn)供擋位變送器采集。擋位變送器是連接有載調(diào)壓開關(guān)與差動(dòng)保護(hù)的橋梁，它提取變壓器當(dāng)前運(yùn)行的抽頭位置并將其轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的模擬量或數(shù)字量供自動(dòng)裝置采集[12]。

有載調(diào)壓開關(guān)和擋位變送器在實(shí)際運(yùn)行過程中發(fā)生的故障有多種類型，其中對(duì)基于擋位跟蹤的變壓器差動(dòng)保護(hù)產(chǎn)生的影響主要有以下幾類。

(1)有載調(diào)壓開關(guān)滑擋，調(diào)壓時(shí)如果操作機(jī)構(gòu)出現(xiàn)失靈，致使電機(jī)持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，會(huì)導(dǎo)致調(diào)壓開關(guān)在短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)多級(jí)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(jī)，輸出的數(shù)據(jù)始終不變，無法正確反映變壓器運(yùn)行擋位。

(4)擋位變送器異常，輸出的數(shù)據(jù)隨機(jī)跳變，與變壓器實(shí)際運(yùn)行擋位不一致。

為了防止差動(dòng)保護(hù)因擋位錯(cuò)誤而誤動(dòng)，本文提出以下幾種擋位校驗(yàn)方法。

4.1 電壓校驗(yàn)法

電壓校驗(yàn)法是通過校驗(yàn)中壓側(cè)電壓來判別當(dāng)前采集到的擋位是否可信。根據(jù)變壓器高壓側(cè)電壓以及運(yùn)行擋位可計(jì)算中壓側(cè)理論電壓值，在變壓器正常運(yùn)行時(shí)，該理論值與變壓器中壓側(cè)電壓實(shí)際值應(yīng)基本一致，如果二者偏差超過設(shè)定范圍，則認(rèn)為變壓器擋位存在異常，即

式中：Uh，Um分別為高、中壓側(cè)電壓二次采樣值；Utm為當(dāng)前擋位對(duì)應(yīng)的中壓側(cè)電壓理論值；Uset為電壓校驗(yàn)允許誤差，可取2倍調(diào)擋級(jí)差電壓。電壓校驗(yàn)法是校驗(yàn)擋位行之有效的方法，可以應(yīng)對(duì)擋位變送器的所有異常情況。

考慮到變壓器區(qū)內(nèi)故障時(shí)電壓校驗(yàn)法容易誤判，因此電壓校驗(yàn)應(yīng)經(jīng)適當(dāng)?shù)难訒r(shí)，僅在擋位發(fā)生變化時(shí)進(jìn)行快速的電壓校驗(yàn)。

4.2 差流校驗(yàn)法

調(diào)壓整流變壓器作為終端變壓器，其中、低壓側(cè)可能不配置電壓互感器，此時(shí)電壓校驗(yàn)無法使用，只能通過差流來校驗(yàn)擋位的有效性。變壓器正常運(yùn)行時(shí)，如果擋位正常，基于該擋位計(jì)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(lì)磁電流引起的不平衡電流，其數(shù)值很小。如果變送器輸出的擋位與變壓器實(shí)際擋位不一致，可能引起較大差流。因此，在變壓器擋位發(fā)生變化時(shí)校驗(yàn)差流，如果差流超出校驗(yàn)門檻，則認(rèn)為擋位存在異常。

另外，考慮到當(dāng)變壓器輕載運(yùn)行時(shí)，差流校驗(yàn)的靈敏度比較低，即使出現(xiàn)較大的擋位不一致，引起的差流也不會(huì)超過差流校驗(yàn)門檻。為此，除在擋位發(fā)生變化時(shí)校驗(yàn)差流外，正常運(yùn)行時(shí)應(yīng)實(shí)時(shí)校驗(yàn)差流，當(dāng)差流長時(shí)間超過校驗(yàn)門檻時(shí)，則視為擋位異常。

4.3 擋位雙通道采集一致性校驗(yàn)法

借鑒繼電保護(hù)模擬量雙AD采樣的成功經(jīng)驗(yàn)，基于擋位跟蹤的調(diào)壓變壓器差動(dòng)保護(hù)可考慮采用擋位雙通道采集方式，即配置2個(gè)擋位變送器，分別接入差動(dòng)保護(hù)的擋位采集回路，如圖4所示。當(dāng)2個(gè)回路采集到的擋位信息不一致時(shí)，判別為擋位異常，如此可提高變壓器運(yùn)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(dòng)保護(hù)誤動(dòng)作。

圖4 擋位雙通道采集一致性校驗(yàn)

有載調(diào)壓開關(guān)正常情況下單次只能執(zhí)行1擋的升降操作，執(zhí)行時(shí)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(shù)據(jù)存在異常；另外，有載調(diào)壓開關(guān)正常情況下不應(yīng)出現(xiàn)零擋位，因此當(dāng)采集擋位為零時(shí)，則判為擋位異常。

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

5 結(jié)束語

由于調(diào)壓范圍大，調(diào)壓變壓器差動(dòng)保護(hù)在實(shí)現(xiàn)上存在一定困難，僅配置過流保護(hù)，在保護(hù)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(diào)壓變壓器差動(dòng)保護(hù)，其基本思路是根據(jù)變壓器運(yùn)行擋位計(jì)算調(diào)壓變壓器低壓側(cè)額定電壓，從而將調(diào)壓變壓器轉(zhuǎn)換為常規(guī)電力變壓器處理?？紤]到有載調(diào)壓開關(guān)及擋位變送器故障可能導(dǎo)致采集的擋位與變壓器實(shí)際運(yùn)行擋位不一致，本文提出了多種擋位校驗(yàn)方法，當(dāng)擋位校驗(yàn)錯(cuò)誤時(shí)抬高差動(dòng)保護(hù)定值以確?？尚行浴Ａ硗?，即使不進(jìn)行擋位跟蹤，而采用高定值變壓器差動(dòng)保護(hù)，也可以很大限度彌補(bǔ)調(diào)壓整流變壓器現(xiàn)有保護(hù)配置的不足?；趽跷桓櫟恼{(diào)壓變壓器差動(dòng)保護(hù)裝置已在重慶某大型鋁電解廠投運(yùn)，并且可靠運(yùn)行，其運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)可為繼電保護(hù)學(xué)者提供參考。

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(本文責(zé)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(hù)研究與開發(fā)工作(E-mail:bing-hu@sac-china.com)。