胡兵，郭曉，陳實，行武，王哲

(南京國電南自電網(wǎng)自動化有限公司，南京 211153)

整流機組調(diào)壓變壓器差動保護研究與應(yīng)用

胡兵，郭曉，陳實，行武，王哲

(南京國電南自電網(wǎng)自動化有限公司，南京 211153)

分析了整流機組調(diào)壓變壓器現(xiàn)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(diào)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(diào)壓變壓器差動保護的基本原理。針對擋位采集可能出現(xiàn)的異常，提出了多種擋位校驗方法，當(dāng)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(diào)壓變壓器；整流變壓器；差動保護；擋位

1 整流機組調(diào)壓變壓器特點

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，整流機組調(diào)壓變壓器有以下幾個特點：(1)調(diào)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(diào)壓變壓器進行大范圍的調(diào)壓，最大范圍可達額定電壓的5%～105%；(2)調(diào)壓頻率高，在電解過程中，電網(wǎng)電壓的波動以及電解槽的陽極效應(yīng)會導(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，只能由調(diào)壓變壓器進行調(diào)壓；(3)有載自動調(diào)壓，電解工藝通常配置自動穩(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

變壓器差動保護在計算差流時，需要根據(jù)變壓器變比及各側(cè)電流互感器(CT)變比進行電流的折算，即乘以平衡系數(shù)。調(diào)壓變壓器的大范圍調(diào)壓特點，給差流平衡系數(shù)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(diào)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(yè)的發(fā)展，整流機組調(diào)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(diào)壓整流變壓器現(xiàn)有保護配置及其不足

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臺調(diào)壓變壓器帶2臺整流變壓器，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(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)壓變壓器的勵磁涌流進行整定，同時兼顧高壓側(cè)內(nèi)部故障時的靈敏度，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，速斷過流保護瞬時動作跳開變壓器高壓側(cè)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(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的勵磁涌流，設(shè)定0.3～0.5 s的時限，或在高壓側(cè)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(diào)壓變壓器三角繞組(低壓側(cè))，一般接濾波補償設(shè)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(cè)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(tài)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(cè)斷路器或動作于信號。

2.2 現(xiàn)有保護配置存在的不足

調(diào)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(diào)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(diào)壓變壓器高壓側(cè)速斷過流外，其他過流保護均帶延時，因此對于調(diào)壓變壓器內(nèi)部及中、低壓側(cè)故障，保護的動作時間較長，對變壓器的安全穩(wěn)定極為不利。

(3)選擇性問題。高壓側(cè)速斷過流保護與第3繞組過流保護定值存在配合問題。高壓側(cè)速斷過流保護不經(jīng)延時，當(dāng)?shù)?繞組濾波補償側(cè)發(fā)生短路故障時，可能導(dǎo)致調(diào)壓變壓器高壓側(cè)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(qū)內(nèi)高阻接地故障靈敏度低，另外，當(dāng)調(diào)壓變壓器運行于低擋位時，中壓側(cè)短路故障電流較低，過流保護由于靈敏度不足可能拒動。

現(xiàn)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(qū)內(nèi)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(diào)壓變壓器差動保護方案研究

調(diào)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(guī)差動保護會因平衡系數(shù)不匹配而產(chǎn)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(diào)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(diào)整平衡系數(shù)，避免因平衡系數(shù)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(cè)電壓等級和CT變比不同，計算差流時需要對各側(cè)電流進行折算，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(相位補償后電流)；Id為差動電流；Ir為制動電流。

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)額定電壓隨著運行擋位變化，變化范圍可達中壓側(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行計算，則變壓器在不同擋位運行時將產(chǎn)生不平衡差流?？紤]變壓器滿負荷運行情況，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作為差動保護定值門檻，當(dāng)調(diào)壓變壓器正常運行時，無論其處于何種運行擋位，產(chǎn)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(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(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)致差動保護動作?？紤]到調(diào)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(cè)故障，此時調(diào)壓變壓器高、中壓側(cè)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(diào)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(qū)內(nèi)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(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)額定電壓與運行擋位存在確定關(guān)系，因此，通過實時采集變壓器的運行擋位，并根據(jù)擋位計算中壓側(cè)額定電壓和平衡系數(shù)，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(diào)壓變中壓側(cè)最高額定電壓；nmax為變壓器最高運行擋位；n為變壓器當(dāng)前運行擋位； ΔU為調(diào)擋級差電壓。

擋位跟蹤實現(xiàn)了調(diào)壓變壓器向普通電力變壓器的轉(zhuǎn)變，其差動定值可按普通電力變壓器差動保護整定規(guī)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(shù)1；K2為比例制動系數(shù)2)。

圖3 差動保護動作特性曲線

調(diào)壓變壓器正常運行時產(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，勢必存在采集擋位與變壓器實際運行擋位不一致的過程?？紤]到變壓器按照升降擋的方式進行調(diào)壓[9]，操作機構(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(guān)鍵在于準確采集變壓器運行擋位，一旦擋位數(shù)據(jù)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(dǎo)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(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)壓的操作機構(gòu)，一方面它接收自動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)前運行擋位并閉合對應(yīng)的輔助觸點供擋位變送器采集。擋位變送器是連接有載調(diào)壓開關(guān)與差動保護的橋梁，它提取變壓器當(dāng)前運行的抽頭位置并將其轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的模擬量或數(shù)字量供自動裝置采集[12]。

有載調(diào)壓開關(guān)和擋位變送器在實際運行過程中發(fā)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(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)壓時如果操作機構(gòu)出現(xiàn)失靈，致使電機持續(xù)運轉(zhuǎn)，會導(dǎo)致調(diào)壓開關(guān)在短時間內(nèi)出現(xiàn)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(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)電壓以及運行擋位可計算中壓側(cè)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(cè)電壓實際值應(yīng)基本一致，如果二者偏差超過設(shè)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(cè)電壓二次采樣值；Utm為當(dāng)前擋位對應(yīng)的中壓側(cè)電壓理論值；Uset為電壓校驗允許誤差，可取2倍調(diào)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(yīng)對擋位變送器的所有異常情況。

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

4.2 差流校驗法

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(shù)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(fā)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(dāng)變壓器輕載運行時，差流校驗的靈敏度比較低，即使出現(xiàn)較大的擋位不一致，引起的差流也不會超過差流校驗門檻。為此，除在擋位發(fā)生變化時校驗差流外，正常運行時應(yīng)實時校驗差流，當(dāng)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(jīng)驗，基于擋位跟蹤的調(diào)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(dāng)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(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，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(dǎo)致調(diào)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(yōu)的選擇。為此，基于擋位跟蹤的調(diào)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(jié)束語

由于調(diào)壓范圍大，調(diào)壓變壓器差動保護在實現(xiàn)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(diào)壓變壓器差動保護，其基本思路是根據(jù)變壓器運行擋位計算調(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際運行擋位不一致，本文提出了多種擋位校驗方法，當(dāng)擋位校驗錯誤時抬高差動保護定值以確?？尚行浴Ａ硗?，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(diào)壓整流變壓器現(xiàn)有保護配置的不足?；趽跷桓櫟恼{(diào)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(jīng)驗可為繼電保護學(xué)者提供參考。

[1]易梅生，胡玉建，朱志勇．220 kV有載調(diào)壓整流變壓器技術(shù)方案[J]．變壓器，2005，42(3)：13-17．

[2]楊冬生．鋁電解整流供電系統(tǒng)的應(yīng)用和展望[J]．輕金屬，2008(3)：29-31.

[3]劉皓明，黃海萍，高元，等．考慮有載調(diào)壓變壓器的電解鋁穩(wěn)流控制及其能效分析[J]．電力需求側(cè)管理，2013，15(3)：34-37．

[4]付新民，李建勇，郭莉莉．?dāng)?shù)字式穩(wěn)流控制在鋁電解整流系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]．有色設(shè)備，2004(5)：25-28．

[5]李巖軍，周春霞，肖遠清．特高壓有載調(diào)壓變壓器差動保護特性分析[J]．中國電力，2014，47(9)：119-148．

[6]郭奇峰，劉仕文．差動保護在大型電解變上的應(yīng)用[J]．四川有色金屬，2008(4)：37-39．

[7]姚晴林，李瑞生，劉星．電爐變壓器成套保護裝置研制[J]．電力系統(tǒng)自動化，2012，36(17)：95-102，118．

[8]220 kV～750 kV電網(wǎng)繼電保護裝置運行整定規(guī)程：DL/T 559—2007 [S]．

[9]張德明．變壓器分接開關(guān)選型與使用[M]．北京：中國電力出版社，2003．

[10]郭艷星．110 kV直降式整流裝置有載調(diào)壓開關(guān)的選擇[J]．中國氯堿，2008(8)：1-3．

[11]陳敬佳，李曉明．電力變壓器有載調(diào)壓技術(shù)的新進展[J]．華北電力技術(shù)，2001(10)：52-54．

[12]韓衛(wèi)民，陳笑雁．有載調(diào)壓變壓器擋位顯示轉(zhuǎn)換[J]．繼電器，2003，31(S1)：48-49．

[13]王恒昌．有載調(diào)壓分接開關(guān)的事故分析及防護[J]．氯堿工業(yè)，2004(1)：7-10，15．

[14]張綺文，周德輝．變壓器有載調(diào)壓開關(guān)常見故障分析[J]．華東電力，1993，21(3)：48-49．

(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，從事繼電保護研究與開發(fā)工作(E-mail:bing-hu@sac-china.com)。