李紅鈞候花莉葉志勇胡建斌

（1. 中鋁國際·貴陽鋁鎂設計研究院有限公司，貴陽 550081；2. 深圳市中電電力技術股份有限公司，廣東 深圳 518040）

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大型整流變壓器不配置差動保護的原因分析

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（1. 中鋁國際·貴陽鋁鎂設計研究院有限公司，貴陽 550081；2. 深圳市中電電力技術股份有限公司，廣東 深圳 518040）

本文闡述了變壓器差動保護的原理，通過分析電力變壓器差動保護的影響因素，結合大型整流變壓器的特點，針對當前大型整流變壓器繼電保護功能配置，分析大型整流變壓器不配置差動保護的原因。

整流變壓器；不平衡電流；差動保護

整流變壓器是的整流設備的電源變壓器，多用于電化學工業(yè)，整流設備的特點是原邊輸入交流，而副邊輸出通過整流元件后輸出直流。普通電源變壓器的為保證輸出電壓值不變，隨電網(wǎng)電源波動調壓。而整流變壓器不僅要像普通電源變壓器一樣，為彌補電網(wǎng)電壓波動，而且還為了滿足直流負載，整流變壓器的閥側電壓必須能在一個較大范圍內進行調整。對于不同的直流負載，電壓調節(jié)的范圍也不一樣。

大型整流變壓器作為核心設備，其繼電保護的配置尤為重要。當前大部分大型整流變壓器由瓦斯保護作為變壓器內部故障的主保護，并沒設置電流差動保護，原因分述如下。

1 變壓器差動原理

變壓器差動保護是變壓器的主保護，其保護范圍包括了各側電流互感器以內區(qū)域，利用比較變壓器各側電流與電流向量差作為動作量的保護。理論上，正常運行或是外部故障時，流入差動保護的二次電流為零，實際上，由于各種原因影響，流入差動保護中的電流并不為零，會出現(xiàn)不平衡電流Iunb，從而影響差動保護正確地區(qū)分內外部故障，甚至導致差動保護的誤動作。

圖1　變壓器縱差保護原理接線圖

1.1由變壓器接線方式引起的不平衡電流

110kV及以上系統(tǒng)的電力變壓器常采用YNd11接線，正常運行時變壓器低壓側相電流的相位超前高壓側相電流 30°。由于兩側相位差，造成差動保護中的不平衡電流。

1.2由電流互感器計算變比與實際選定變比不同引起的不平衡電流

實際選擇的變壓器各側的電流互感器的變比和計算的的變比有誤差，從而形成不平衡電流。

1.3由于改變變壓器調壓分接頭產(chǎn)生的不平衡電流

有載變壓器的調壓就是改變變壓器分接頭的位置，從而改變變壓器高低壓側的變比值，以達到改變低壓側電壓的目的。保護的設定是按固定變壓器變比或確定分接頭位置進行計算，因此分接頭的調整導致兩側二次電流平衡關系發(fā)生變化，其最大值為

式中，ΔU為變壓器分接頭引起的相對誤差，一般取變壓器調壓范圍的一半，如變壓器有載調壓的范圍為±5%，則計算中可取0.05。

1.4由于電流互感器誤差引起的不平衡電流

對于變壓器來說，由于各側的一次電流不同，選擇的電流互感器的型號不同、電壓等級不同、變比不同，導致各側電流互感器的型號有可能不同，從而其特性也就產(chǎn)生差異，形成不平衡電流。

1.5由于變壓器勵磁涌流產(chǎn)生的不平衡電流

正常運行時，變壓器的勵磁電流較小，在外部故障時，由于母線和線路電壓降低，勵磁電流將更小，對變壓器差動保護的影響可以忽略不計。

在變壓器空載投入或外部故障切除后電壓恢復的過程中，可能出現(xiàn)數(shù)值較大的勵磁涌流，勵磁涌流在最大時可達到額定電流的6～8倍，由于勵磁涌流只在變壓器的一側（電源側）出現(xiàn)，因此在差動保護二次回路中不能相互抵消，從而形成差動回路的不平衡電流，可能造成變壓器差動保護的誤動作。

2 整流變壓器差動保護的分析

整流變壓器由調壓變壓器（簡稱調變）和整流變壓器（簡稱整變）組合而成。以12脈波整流變壓器為例，單臺整流變壓器運行時形成12脈波，7臺整流變壓器并列運行通過同相逆并聯(lián)形成 84脈波直流輸出。調變采用3個單相多級有載調壓開關進行連續(xù)調壓，還可以通過整變閥側的飽和電抗器組進行直流側電壓細調，滿足負荷側直流電壓的要求。電解工業(yè)用到的調壓變壓器調壓范圍很大，調壓范圍可在1%～108%UT.N之間調節(jié)。

2.1整流變壓器調變的特點

以某電解鋁廠整流變壓器為例，如圖 2及表 1所示調變高壓側繞組的額定電壓為 231kV，調變連接組別為YNy0接線，低壓側進行有載調壓，共有6×18-1=107擋調壓分接頭（調壓變有 6段粗調檔位，在每段內還有18擋細調檔位），低壓側相電壓調壓范圍為 603～64476V，第三繞組（補償繞組）為角形接線。

圖2　調變接線原理圖

表1　調變的參數(shù)

2.2整流變壓器整變的特點

某電解鋁項目整流變壓器整變接線如圖 3所示，整流變壓器整變的結構為兩組分裂鐵心，兩組繞組接線：網(wǎng)側繞組均為曲折星形移相，閥側為正反三角形同向逆并聯(lián)接線。整變網(wǎng)側電壓即為調變低壓側輸出電壓，閥側電壓隨著調變分接頭的調節(jié)在11.5～1235.2V范圍內變化。

2.3整流變壓器差動保護分析

1）整流變壓器之調變差動保護分析

調變的網(wǎng)側電流在不同的調壓檔位大小不同418.9～3.9A，調變的變比在不同的調壓檔位變化范圍很大，在3.47～385之間變化。

圖3　整變接線原理圖

表2　整變的參數(shù)

對于變壓器的主保護配置，根據(jù)“《繼電保護和安全自動裝置技術規(guī)程》GB/T 14285—2006 4.3.3.2 電壓在10kV以上、容量在10MVA及以上的變壓器，采用縱差保護?！保鲜鲭娊怃X廠整流變壓器的電壓等級為220kV，容量為167594kVA，按規(guī)程整流變壓器的調變需配置差動保護。

調變是一個普通的電源變壓器，理論上調變是可以做差動保護的，差動保護的不平衡電流也和普通電源變壓器相同，其中由于調變的檔位異于普通電源變壓器，調變的調壓范圍很大 1%～108%，改變調變分接頭產(chǎn)生的不平衡電流對差動保護的影響如下：

根據(jù)《大型發(fā)電機變壓器繼電保護整定計算導則》DLT 684—2012 5.1變壓器差動保護 5.1.4.3縱差保護動作特性參數(shù)的計算，比率差動保護的最小動作電流的整定。最小動作電流應大于變壓器正常運行時的差動不平衡電流，即

式中，Ie為變壓器基準側二次額定電流（經(jīng)平衡系統(tǒng)調整后的變壓器二次額定電流）；Krel為可靠系數(shù)，取 1.3～1.5；Kre電流互感器的比誤差，10P型取0.03×2，5P型和TP型取0.01×2；ΔU為變壓器調壓引起的誤差，取調壓范圍中偏離額定值的最大值（百分數(shù)）；Δm為由于電流互感器變比未完全匹配產(chǎn)生的誤差，初設時取0.05。

上述某電解鋁項目整流變壓器的調變有6×18-1=107擋調壓分接頭（調壓變有6段粗調擋位，在每段內還有 18擋細調檔位），即調壓的范圍為1%～108%，根據(jù)公式（2）：nTA整流變基準側（220kV）CT變比600/1；Ie變壓器基準側二次額定電流0.698A；Krel可靠系數(shù)取1.5；Kre電流互感器的比誤差，5P型取0.01×2；ΔU為變壓器調壓引起的誤差，一般取變壓器調壓范圍的一半，這里取調壓范圍中偏離額定值最大值54%；Δm由于電流互感器變比未完全匹配產(chǎn)生的誤差，初設時取0.05。

調壓檔位在 54%時，根據(jù)公式（4）得 Iop.min= 0.639A；調壓檔位在 1%時，根據(jù)公式（4）得Iop.min=0.084A。兩個不同檔位差動保護最小動作值相差很大，這是由于在不同檔位ΔU數(shù)值差太大，使得按照額定變比或額定分接頭整定計算調變的差動保護沒有意義。

鑒于調變調壓范圍大（1%～108%），在正常運行過程中隨著檔位的調整，調變的變比和網(wǎng)側電流均發(fā)生變化，變壓器的變比變化范圍為385～3.47，網(wǎng)側電流變化范圍為3.9～418.9A，調變變比和網(wǎng)側電流變化沒有規(guī)律可循，調變的差動保護只能分別根據(jù)每個不同的調壓檔位整定計算一個保護定值，但是目前的保護裝置均無法做到同一保護裝置整定幾十甚至上百個差動定值；而且整流變壓器在運行過程中會不斷的切換檔位，根據(jù)不同的調壓檔位來切換相應的差動保護定值也是個困難，因此整流變壓器調變目前無法實現(xiàn)縱聯(lián)差動保護，僅能采用電流電壓保護。

2）整流變壓器之整變差動保護分析

由于整流變壓器繞組電流是非正弦的含有很多高次諧波，為了減小對電網(wǎng)的諧波污染，為了提高功率因數(shù)，必須提高整流設備的脈波數(shù)，這可以通過移相的方法來解決。移相的目的是使整流變壓器二次繞組的同名端線電壓之間有一個相位移。從而可以提高整流設備的脈波數(shù)，達到提高功率因數(shù)，減少網(wǎng)側諧波電流的目的。

上述電解鋁項目為7臺整流變壓器并聯(lián)運行，脈波數(shù)為84脈波，7臺整流變壓器完全相同，移相角分別見表3。

表3　7臺整變的移相角

由于7臺整變的角度各不相同，為了滿足不同的移相角，整變的連接組別不同。如果給整變配置差動保護，7臺整變的差動保護裝置需要根據(jù) 7臺整變網(wǎng)、閥側的接線方式及移相角的前移或后移值來設計差動保護參與差動電流 Iop、制動電流 Ires的電流，即需要分別設計整變差動保護二次側電流補償?shù)姆匠獭?/p>

對于大容量功率整流設備，所需的脈波數(shù)不同，并列運行的變壓器臺數(shù)及各臺變壓器的移相角度也不相同，致使整變網(wǎng)側及閥側的電流的相位差有許多不同的值。通常的保護設備都按標準模型進行算法設計，要想完成整流的差動保護，不同項目需要不同設備定制開放，造成成本大量增加及可靠性無法驗證，從經(jīng)濟性、運行可靠性的角度考慮不設置差動保護。

由于大容量整變閥側具有電流極大（數(shù)萬安培）、動態(tài)范圍寬、多路電流并列輸出、空間狹小等特點，使得電流互感器無法應用于整變的閥側，使得整變閥側的電流無法采集。

鑒于整流變壓器為了提高功率因數(shù)，減少網(wǎng)側諧波電流而采取多脈波整流，而產(chǎn)生的接線及移相角不同，及整變閥側電流采困難，而使得整變無法實現(xiàn)縱聯(lián)差動保護，僅采用電流保護。

2.4整流變壓器保護整定案例分析

上述電解鋁項目整流變壓器實際保護配置為：調變配置速斷、過流保護、零序電流電壓保護及非電量保護；整變配置速斷、過流保護及非電量保護。

1）調變內部的各種短路及油面下降采用瓦斯保護作為主保護，瞬時動作于高壓側斷路器及濾波斷路器。

2）調變的繞組和引出線的相間短路及繞組匝間短路采用電流速斷作為主保護，瞬時動作于高壓側斷路器及濾波斷路器。

動作電流整定值計算。由于無需和整流機組配合，應和濾波配合，并按躲過變壓器空載合閘勵磁涌流計算。上述電解鋁項目共有 7臺額定容量ST.N=168MVA，電壓變比為 231/64.476V～0.6kV，高壓側最大額定電流 IT.N1.max=418.9A。第一段電流速斷保護動作電流按式（3）計算。

式中，IT.N1.max為調變高壓側最大（調壓位置最高電壓時）額定電流；調變額定容量大于 100MVA，K取值為4～5，通過計算可得速斷保護定值為3.15A。

3）對于區(qū)外相間短路引起的變壓器過電流，采用定時限過電流保護和復合電壓啟動的過電流保護作為后備保護，帶延時動作于高壓側斷路器及濾波斷路器。

由于整流變壓器調變無差動保護，電流速斷保護動作電流較大，過電流保護動作時間又較長（躲過變壓器空載合閘勵磁涌流衰減時間），所以整流變壓器的調變采用復合電壓啟動的過電流保護作為補充，即調變采用定時限過流保護及復合電壓啟動的過電流保護作為后備保護。

4）整變內部的各種短路及油面下降采用瓦斯保護作為主保護，瞬時動作于高壓側斷路器及濾波斷路器。

5）整變采用速斷、過流保護作為變壓器的后備保護，瞬時動作與高壓側斷路器及濾波斷路器。

電流速斷保護：整變的電流速斷保護無需和下一級保護配合，按躲過變壓器合閘勵磁涌流及系統(tǒng)切除短路故障電壓恢復時帶載勵磁涌流計算，并保證低壓側短路有足夠的靈敏度計算，整變?yōu)槎壸儔浩鳎瑸榈碗妷撼潆姾祥l，系統(tǒng)切除短路故障電壓恢復時帶載勵磁涌流一般不大，取

式中，It.n為整變高壓側二次額定電流。動作時間0s。

定時限過流保護：按保證低壓側短路有足夠靈敏度計算，取

一般取Iop.set1=1.3It.n，動作時間0.5s。

根據(jù)上述電解鋁項目的現(xiàn)場實際運行狀況，整流變壓器在沒有配置差動保護的情況可以安全、可靠的運行。

3 結論

由于整流變壓器的調壓范圍太大，運行過程中變壓器的變比和網(wǎng)側電流變化范圍大的原因，以及整流變壓器為了滿足功率因數(shù)和諧波而采取多脈波整流，使得整流變壓器無法實現(xiàn)縱聯(lián)差動保護，僅采用電流電壓保護。

［1］賀家李，宋從矩. 電力系統(tǒng)繼電保護原理［M］. 北京：中國電力出版社，2004.

［2］高春如. 發(fā)電廠廠用及工業(yè)用電系統(tǒng)繼電保護整定計算［M］. 北京：中國電力出版社，2012.

［3］GB/T 14285—2006. 繼電保護和安全自動裝置技術規(guī)程［S］.

［4］DLT 684—2012. 大型發(fā)電機變壓器繼電保護整定計算導則［S］.

［5］孟凡剛，楊世彥，楊威. 多脈波整流技術綜述［J］. 電力自動化設備，2012，32（2）：9-22.

［6］康天宇，韓欣，原治安. 鋁行業(yè)大容量整流電源保護綜述［J］. 世界有色金屬，2007（3）：17-19.

The Reason for the Differential Protection of the Large Rectifier Transformer is not Configured

Li Hongjun1Hou Huali2Ye Zhiyong2Hu Jianbin2
（1. CHALIECO/GAMI Guiyang Aluminium Magnesium Design & Research Institute，Guiyang 550081；2. Ceiec Electric Technology Inc.，Shenzhen，Guangdong 518040）

The principle of transformer differential protection is described in this paper. Factor to influence the setting of Rectifier Transformer Differential Protection is analysed，and giving the reason of no configuring Differential Protection for Rectifier Transformer.

rectifier transformer； unbalanced current； differential protection

李紅鈞（1973-），男，高級工程師，在貴陽鋁鎂設計研究院有限公司從事電氣設計工作。