大型整流变压器继电保护配置探讨

黄应龙



设备及自动化

大型整流变压器继电保护配置探讨

黄应龙

阐述了整流变压器继电保护配置原则，指出有色冶金系统大型整流变压器按照GB50673—2011《有色金属冶炼厂电力设计规范》配置继电保护存在的问题，结合当前微机保护发展水平，提出设计大型整流变压器主保护和后备保护的新思路，使整流变压器的保护更加完善。

有色冶金； 整流变压器； 微机保护； 主保护； 后备保护

0 前言

有色金属冶炼行业近年来在降低能耗、减少污染、提高效率方面取得了长足的发展，涌现出了不少新技术、新工艺。特别是电能消耗大的电解锌工艺，单系列电锌生产规模由过去的5万t/a发展到了15万t/a，电能消耗由4 100 kWh/t降至2 800 kWh/t以下。新工艺采用大极板技术，单系列直流电压400 V，直流电流达240 kA，使得整流变压器的功率越来越大，结构更加复杂，价格更加昂贵。而为了确保整流变压器故障时迅速切断电源，保护整流设备不受到损害，保证生产的连续性，对整流变压器的保护也有了更高的要求。

1 整流变压器继电保护配置原则

整流变压器是有色金属冶炼电解的重要设备，出现故障将对生产和安全产生重大影响，因此，整流变压器必须配置完善的继电保护。整流变压器的故障类型与电力变压器类似，GB/T14285—2006《继电保护和安全自动装置规程》中，对电力变压器继电保护要求，整流变压器的下列故障及异常运行方式应装设相应的保护装置：

(1)绕组及其引出线的相间短路和中性点直接接地的接地短路；

(2)绕组的匝间短路；

(3)外部相间短路引起的过电流；

(4)中性点直接接地电力网中外部接地短路引起的过电流及中性点过电压；

(5)过负荷；

(6)油面降低；

(7)变压器油温、绕组温度过高及邮箱压力过高产生瓦斯或冷却系统故障。

2 整流变压器继电保护现状

根据整流变压器的结构特点，GB50673—2011《有色金属冶炼厂电力设计规范》要求对整流变压器装设瓦斯保护、第一套过电流保护、第二套过电流保护、过负荷保护、单相接地短路保护。

2.1 瓦斯保护

用以反应变压器油箱内故障，即绕组的相间短路、接地短路、匝间短路和油面降低。

2.2 第一套过电流保护(瞬动过电流保护)

整流变压器和电力变压器一样，对其内部、套管及引出线的短路故障，应装设保护装置作为主保护。大型整流变压器通常采用“调压变压器+整流变压器”共油箱式组合结构，整流变压器二次侧为多绕组、大电流，很难像电力变压器那样采用差动保护作主保护，而电流速断保护灵敏度又满足不了要求，因此只能装设瞬动过电流保护替代。第一套过电流保护装设在调压变压器一次侧，按躲开变压器的励磁涌流、大于变压器的额定电流整定，且不考虑继电器的返回系数。保护动作电流按下式进行计算：

(1)

式中：Kk为可靠系数，取1.5～3；Kjx为接线系数；Keb为电流互感器变比；Ile为变压器一次侧额定电流；Idz为继电器动作电流。

保护装置的灵敏系数按下式确定：

(2)

式中Id取第二套保护用电流互感之前(即调压变二次侧)的两相短路电流值，且按调压变压器实际所在的无励磁调压段的最低调压级和在系统最小运行方式下的短路容量进行计算，KLm≥2。

2.3 第二套过电流保护(带时限过电流保护)

当整流变压器处于低电压运行状态时，整流变压器二次侧短路电流将显著减少，第一套过电流保护有可能灵敏度不够而拒绝动作。因此，必须在调压变压器与整流变压器之间设置第二套过电流保护装置，以保护整流变压器。第二套过电流保护为延时过电流保护，动作电流应按式(1)计算，但可靠系数Kk取1.1～1.5，并计算继电器返回系数，延时整定值取0.3～0.5 s,合闸后将延时取消。

保护装置的灵敏系数按式(2)计算，但式中Id对第二套保护取整流变压器二次侧一组绕组的两相短路电流，且按调压变压器实际所在的无励磁调压段的最低调压级和在系统最小运行方式下的短路容量进行计算，应满足KLm≥1.5。

2.4 过负荷保护

保护经延时作用于信号或断路器跳闸，动作电流应按第二套过电流保护整定值计算方法计算，但可靠系数Kk取1.05，延时整定值取9～10 s。

2.5 单相接地短路保护

当一次侧为中性点直接接地时，整流变压器中性点装设零序过电流保护和零序过电压保护，保护动作于断路器跳闸。

3 整流变压器继电保护存在的问题

依据目前整流变压器继电保护配置现状，对照整流变压器继电保护配置原则要求，笔者认为GB50673—2011《有色金属冶炼厂电力设计规范》对整流变压器继电保护规定存在以下问题：

(1)调压—整流变压器主保护和后备保护均存缺陷。若将第一套过电流保护看成主保护，第二套过电流保护看成后备保护，则主保护不能覆盖整个整流变压器的内部故障。而第二套过电流保护用电流互感器装设在调压变压器的二次侧或整流变压器的一次侧，不能反应调压变压器故障，因此，调压变压器没有后备保护。

(2)调压—整流变压器没有配置后备保护。若将第一套过电流保护和第二套过电流保护都看成主保护，那么调压变压器和整流变压器的主保护配置较为完整，但调压变压器和整流变压器都没有设置后备保护。

4 整流变压器继电保护的解决方案

大型整流变压器结构复杂、运行工况差，相比电力变压器更易发生故障，若继电保护配置存在缺陷，发生故障时，越级跳闸或保护存在死区拒动，导致整个整流系统事故停电或整流机组损坏，会造成巨大经济损失，特别是电解锌工序全部停电后，阴极板会反溶产生氢气，甚至酿成火灾爆炸特大事故。因此，大型整流变压器继电保护不应低于普通电力变压器继电保护的要求，然而按照GB50673—2011《有色冶炼厂电力设计规范》配置大型整流变压器继电保护存在上述明显的缺陷。针对这一缺陷，结合当前微机保护的特点，提出两种大型整流变压器继电保护配置方案。

方案一：主保护由调压变压器差动保护与第二套过电流保护组成，将第一套过电流保护作为后备保护。保护配置详见图1。

图1 方案一

大型整流变压器采用“调压变压器+整流变压器”共油箱式组合结构，整流变压器二次侧接线非常复杂，不宜设置差动保护。但调压变压器的结构类似于三绕组电力变压器，只是流过的谐波电流特别大，如果差动保护具备谐波制动和波形分析功能，完全可以克服谐波电流对差动保护产生的影响，将差动保护作为调压变压器的主保护。而微机保护的发展和普及，使这一设想成为可能。因为，微机保护增加了强大的软件功能，与传统继电器继电保护相比，具有很强的运算能力、综合分析能力和判断能力，通过软件的设计完全可以开发出满足特殊要求的调压变压器差动保护，差动保护动作整定值范围可为0.5～1.0 Ie。利用第二套过电流保护作为整流变压器的主保护，第一套过电流保护改为带时限过电流保护作为调压—整流变压器的后备保护，动作时限取0.5 s。这种保护配置方案层次分明，简单可靠，动作响应快，优先推广采用。

方案二：主保护由第一套、第二套过电流保护组成，增加第三套过电流保护作为后备保护。该方案的保护配置见图2。

第一套、第二套过电流保护共同构成“调压—整流变压器”的主保护，保护范围能覆盖“调压—整流变压器”整个内部故障，新增第三套过电流保护作为“调压—整流变压器”的后备保护，其动作值可按1.05～1.2 Ie整定。这种方式保护配置更简单，但主保护灵敏度不如差动保护，导致匝间短路故障不能反应，仅靠瓦斯保护反应匝间短路，可靠性不如方案一。而微机保护可以在工程师操作站上很方便地对保护进行在线投退、定值修改，因此，第一套过电流保护，可设置两组整定值，其中一组不考虑励磁涌流的影响，以降低整定值，提高灵敏度，机组投入正常运行后切换为该定值。对于第二套、第三套过电流保护，可按实际运行电流设置几组较低保护定值，随运行工况进行切换，确保保护可靠动作。

图2 方案二

5 结束语

GB50673—2011《有色金属冶炼厂电力设计规范》对整流变压器继电保护的规定存在缺陷，不能很好地保护大型整流变压器。因此在工程设计中，可根据当前微机保护的优点并结合整流变压器的结构特点，将差动保护改进后应用到整流变压器的保护中；也可根据整流变压器的运行工况，设置若干组保护整定值，进行在线切换，以确保大型整流机组的继电保护满足可靠性、速动性、选择性和灵敏性的要求。

[1] 熊为群，陶然.继电保护自动装置及二次回路[M].北京： 中国电力出版社, 1999.

[2] 催家佩，孟庆炎，陈永芳，等.电力系统继电保护与安全自动装置整定计算[M].北京：中国电力出版社, 1990.

[3] GB/T14285—200，继电保护和安全自动装置规程[S].

[4] GB50673—2011，有色金属冶炼厂电力设计规范[S].

日本没稀土却是储备稀土最多的国家

稀土有工业“黄金”和“维生素”之称，由于其具有优良的光电磁等物理特性，能与其他材料组成性能各异、品种繁多的新型材料，其最显著的功能就是大幅度提高其他产品的质量和性能。比如大幅度提高用于制造坦克、飞机、导弹的钢材、铝合金、镁合金、钛合金的战术性能。而且，稀土同样是电子、激光、核工业、超导等诸多高科技的润滑剂。稀土科技一旦用于军事，必然带来军事科技的跃升。从一定意义上说，美军在冷战后几次局部战争中压倒性控制，正缘于稀土科技领域的超人一等。

由于日本国内稀土资源极为贫乏，资源储备成为其保障长期资源供给的首要措施。目前，日本资源储备可分为石油、液化石油气和稀有金属三大储备，其中稀有金属储备包括稀土在内的10种必须储备的稀有金属。日本资源储备分为国家储备和民间储备两个层次，且日本对于矿产资源的民间储备体系的建立要早于国家储备体系。早在1974年，日本通产省就已出台相关政策，选定部分有条件储备的矿产资源作为战略资源进行储备。在随后的1976年，日本通过设立“特殊金属储备协会”这一社团法人，采取“政府出资、民间管理”的形式进行矿产资源的民间储备。

近年来， 由于海外国家对于稀土出口呈现出逐渐加强管控的态势，使日本国内稀土供给的稳定性存在挑战。为了降低国内稀土资源长期供给风险，日本政府在2006年发布《国家能源资源战略新规划》，将稀土、铂、铟3种稀有金属列入储备对象，即将稀有金属储备种类扩展至10种。

为了保证战时国防经济的正常运行，日本建立了规模巨大的民用和战略能源储备。日本战略石油储备达到161 d，用国际标准衡量属于“很安全”的级别。日本建立了国内60 d消费量的稀有金属储备，其中国家储备42 d，民间储备18 d。主要是镍、铬、钨、钴、钼、钒、锰等稀有金属，其进口依赖度超过90%。

日本将大量的稀土资源用于填补国家战略储备，目前，日本是世界上稀土资源储备最多的国家。

除了建立有效的储备体系外，日本还通过鼓励资源回收利用以及替代材料研发两方面政策来降低对稀土资源的进口依赖。在2001年以来出台的有关环境、资源综合利用、废弃物处理等一系列法律的基础上，日本在2010年发布的科学技术白皮书中提到要开发稀土高效回收系统、稀土替代材料，还通过设立环境废物管理研究基金优先资助稀土回收提炼研究，这项研究的核心就是从“城市矿山” 中收集和循环利用稀土资源。

“城市矿山”的开采是日本稀土资源战略近些年来的一个侧重点。“城市矿山”是对废弃的电子产品中所含有的金、铂等贵金属以及钯、铟等稀有金属的一个形象比喻，因为很多城市里那些废弃产品所含的资源总量之大 已经相当于一个“矿山”的含量。而因为在资源回收再利用技术上的飞速进步，这些“城市矿山”对于日本来说不亚于甚至超过天然矿藏。

2010年年底，日本企业从国外大量收购做精密仪器剩下的碎玻璃和工业垃圾，以从中提取稀土。国外的废玻璃为何却成了日本人眼中的宝贝？唯技术先进，别无它途。自上世纪60年代起，日本就开始在如何提高对稀土资源的利用效率上动脑筋。 1967年，日本一家公司就开发出“溶媒萃取分离法”并将其运用于工业化生产，实现了将稀土内十几种性质相近元素进行分离的产业化应用。如今，日本产业界已有近50年的稀土提取与应用的技术积累。

(长沙有色冶金设计研究院有限公司, 湖南 长沙 410011)

Discussion on configuration of relaying protection in large rectifier transformer

HUANG Ying-long

This paper pointed out the existing problems in the design of a relaying protection in a rectifier transformer according to the Code for Power Design of Non-ferrous Metals Smelters (GB50673—2011). Combined with the current level of development of microcomputer protection, new ideas for the design of main protection and backup protection of large rectifier transformer were proposed, to make the rectifier transformer protection more perfect.

nonferrous metallurgy; rectifier transformer； microcomputer protection； main protection； backup protection

黄应龙(1963—)，男，湖南益阳人，高级工程师，现任长沙有色冶金设计研究院有限公司电力室主任。

2015-- 03-- 15

TF083.2

B

1672-- 6103(2015)05-- 0040-- 04