大型整流变压器不配置差动保护的原因分析

李红钧候花莉叶志勇胡建斌

（1. 中铝国际·贵阳铝镁设计研究院有限公司，贵阳 550081；2. 深圳市中电电力技术股份有限公司，广东 深圳 518040）



大型整流变压器不配置差动保护的原因分析

李红钧1候花莉2叶志勇2胡建斌2

（1. 中铝国际·贵阳铝镁设计研究院有限公司，贵阳 550081；2. 深圳市中电电力技术股份有限公司，广东 深圳 518040）

本文阐述了变压器差动保护的原理，通过分析电力变压器差动保护的影响因素，结合大型整流变压器的特点，针对当前大型整流变压器继电保护功能配置，分析大型整流变压器不配置差动保护的原因。

整流变压器；不平衡电流；差动保护

整流变压器是的整流设备的电源变压器，多用于电化学工业，整流设备的特点是原边输入交流，而副边输出通过整流元件后输出直流。普通电源变压器的为保证输出电压值不变，随电网电源波动调压。而整流变压器不仅要像普通电源变压器一样，为弥补电网电压波动，而且还为了满足直流负载，整流变压器的阀侧电压必须能在一个较大范围内进行调整。对于不同的直流负载，电压调节的范围也不一样。

大型整流变压器作为核心设备，其继电保护的配置尤为重要。当前大部分大型整流变压器由瓦斯保护作为变压器内部故障的主保护，并没设置电流差动保护，原因分述如下。

1 变压器差动原理

变压器差动保护是变压器的主保护，其保护范围包括了各侧电流互感器以内区域，利用比较变压器各侧电流与电流向量差作为动作量的保护。理论上，正常运行或是外部故障时，流入差动保护的二次电流为零，实际上，由于各种原因影响，流入差动保护中的电流并不为零，会出现不平衡电流Iunb，从而影响差动保护正确地区分内外部故障，甚至导致差动保护的误动作。

图1　变压器纵差保护原理接线图

1.1由变压器接线方式引起的不平衡电流

110kV及以上系统的电力变压器常采用YNd11接线，正常运行时变压器低压侧相电流的相位超前高压侧相电流 30°。由于两侧相位差，造成差动保护中的不平衡电流。

1.2由电流互感器计算变比与实际选定变比不同引起的不平衡电流

实际选择的变压器各侧的电流互感器的变比和计算的的变比有误差，从而形成不平衡电流。

1.3由于改变变压器调压分接头产生的不平衡电流

有载变压器的调压就是改变变压器分接头的位置，从而改变变压器高低压侧的变比值，以达到改变低压侧电压的目的。保护的设定是按固定变压器变比或确定分接头位置进行计算，因此分接头的调整导致两侧二次电流平衡关系发生变化，其最大值为

式中，ΔU为变压器分接头引起的相对误差，一般取变压器调压范围的一半，如变压器有载调压的范围为±5%，则计算中可取0.05。

1.4由于电流互感器误差引起的不平衡电流

对于变压器来说，由于各侧的一次电流不同，选择的电流互感器的型号不同、电压等级不同、变比不同，导致各侧电流互感器的型号有可能不同，从而其特性也就产生差异，形成不平衡电流。

1.5由于变压器励磁涌流产生的不平衡电流

正常运行时，变压器的励磁电流较小，在外部故障时，由于母线和线路电压降低，励磁电流将更小，对变压器差动保护的影响可以忽略不计。

在变压器空载投入或外部故障切除后电压恢复的过程中，可能出现数值较大的励磁涌流，励磁涌流在最大时可达到额定电流的6～8倍，由于励磁涌流只在变压器的一侧（电源侧）出现，因此在差动保护二次回路中不能相互抵消，从而形成差动回路的不平衡电流，可能造成变压器差动保护的误动作。

2 整流变压器差动保护的分析

整流变压器由调压变压器（简称调变）和整流变压器（简称整变）组合而成。以12脉波整流变压器为例，单台整流变压器运行时形成12脉波，7台整流变压器并列运行通过同相逆并联形成 84脉波直流输出。调变采用3个单相多级有载调压开关进行连续调压，还可以通过整变阀侧的饱和电抗器组进行直流侧电压细调，满足负荷侧直流电压的要求。电解工业用到的调压变压器调压范围很大，调压范围可在1%～108%UT.N之间调节。

2.1整流变压器调变的特点

以某电解铝厂整流变压器为例，如图 2及表 1所示调变高压侧绕组的额定电压为 231kV，调变连接组别为YNy0接线，低压侧进行有载调压，共有6×18-1=107挡调压分接头（调压变有 6段粗调档位，在每段内还有18挡细调档位），低压侧相电压调压范围为 603～64476V，第三绕组（补偿绕组）为角形接线。

图2　调变接线原理图

表1　调变的参数

2.2整流变压器整变的特点

某电解铝项目整流变压器整变接线如图 3所示，整流变压器整变的结构为两组分裂铁心，两组绕组接线：网侧绕组均为曲折星形移相，阀侧为正反三角形同向逆并联接线。整变网侧电压即为调变低压侧输出电压，阀侧电压随着调变分接头的调节在11.5～1235.2V范围内变化。

2.3整流变压器差动保护分析

1）整流变压器之调变差动保护分析

调变的网侧电流在不同的调压档位大小不同418.9～3.9A，调变的变比在不同的调压档位变化范围很大，在3.47～385之间变化。

图3　整变接线原理图

表2　整变的参数

对于变压器的主保护配置，根据“《继电保护和安全自动装置技术规程》GB/T 14285—2006 4.3.3.2 电压在10kV以上、容量在10MVA及以上的变压器，采用纵差保护。”，上述电解铝厂整流变压器的电压等级为220kV，容量为167594kVA，按规程整流变压器的调变需配置差动保护。

调变是一个普通的电源变压器，理论上调变是可以做差动保护的，差动保护的不平衡电流也和普通电源变压器相同，其中由于调变的档位异于普通电源变压器，调变的调压范围很大 1%～108%，改变调变分接头产生的不平衡电流对差动保护的影响如下：

根据《大型发电机变压器继电保护整定计算导则》DLT 684—2012 5.1变压器差动保护 5.1.4.3纵差保护动作特性参数的计算，比率差动保护的最小动作电流的整定。最小动作电流应大于变压器正常运行时的差动不平衡电流，即

式中，Ie为变压器基准侧二次额定电流（经平衡系统调整后的变压器二次额定电流）；Krel为可靠系数，取 1.3～1.5；Kre电流互感器的比误差，10P型取0.03×2，5P型和TP型取0.01×2；ΔU为变压器调压引起的误差，取调压范围中偏离额定值的最大值（百分数）；Δm为由于电流互感器变比未完全匹配产生的误差，初设时取0.05。

上述某电解铝项目整流变压器的调变有6×18-1=107挡调压分接头（调压变有6段粗调挡位，在每段内还有 18挡细调档位），即调压的范围为1%～108%，根据公式（2）：nTA整流变基准侧（220kV）CT变比600/1；Ie变压器基准侧二次额定电流0.698A；Krel可靠系数取1.5；Kre电流互感器的比误差，5P型取0.01×2；ΔU为变压器调压引起的误差，一般取变压器调压范围的一半，这里取调压范围中偏离额定值最大值54%；Δm由于电流互感器变比未完全匹配产生的误差，初设时取0.05。

调压档位在 54%时，根据公式（4）得 Iop.min= 0.639A；调压档位在 1%时，根据公式（4）得Iop.min=0.084A。两个不同档位差动保护最小动作值相差很大，这是由于在不同档位ΔU数值差太大，使得按照额定变比或额定分接头整定计算调变的差动保护没有意义。

鉴于调变调压范围大（1%～108%），在正常运行过程中随着档位的调整，调变的变比和网侧电流均发生变化，变压器的变比变化范围为385～3.47，网侧电流变化范围为3.9～418.9A，调变变比和网侧电流变化没有规律可循，调变的差动保护只能分别根据每个不同的调压档位整定计算一个保护定值，但是目前的保护装置均无法做到同一保护装置整定几十甚至上百个差动定值；而且整流变压器在运行过程中会不断的切换档位，根据不同的调压档位来切换相应的差动保护定值也是个困难，因此整流变压器调变目前无法实现纵联差动保护，仅能采用电流电压保护。

2）整流变压器之整变差动保护分析

由于整流变压器绕组电流是非正弦的含有很多高次谐波，为了减小对电网的谐波污染，为了提高功率因数，必须提高整流设备的脉波数，这可以通过移相的方法来解决。移相的目的是使整流变压器二次绕组的同名端线电压之间有一个相位移。从而可以提高整流设备的脉波数，达到提高功率因数，减少网侧谐波电流的目的。

上述电解铝项目为7台整流变压器并联运行，脉波数为84脉波，7台整流变压器完全相同，移相角分别见表3。

表3　7台整变的移相角

由于7台整变的角度各不相同，为了满足不同的移相角，整变的连接组别不同。如果给整变配置差动保护，7台整变的差动保护装置需要根据 7台整变网、阀侧的接线方式及移相角的前移或后移值来设计差动保护参与差动电流 Iop、制动电流 Ires的电流，即需要分别设计整变差动保护二次侧电流补偿的方程。

对于大容量功率整流设备，所需的脉波数不同，并列运行的变压器台数及各台变压器的移相角度也不相同，致使整变网侧及阀侧的电流的相位差有许多不同的值。通常的保护设备都按标准模型进行算法设计，要想完成整流的差动保护，不同项目需要不同设备定制开放，造成成本大量增加及可靠性无法验证，从经济性、运行可靠性的角度考虑不设置差动保护。

由于大容量整变阀侧具有电流极大（数万安培）、动态范围宽、多路电流并列输出、空间狭小等特点，使得电流互感器无法应用于整变的阀侧，使得整变阀侧的电流无法采集。

鉴于整流变压器为了提高功率因数，减少网侧谐波电流而采取多脉波整流，而产生的接线及移相角不同，及整变阀侧电流采困难，而使得整变无法实现纵联差动保护，仅采用电流保护。

2.4整流变压器保护整定案例分析

上述电解铝项目整流变压器实际保护配置为：调变配置速断、过流保护、零序电流电压保护及非电量保护；整变配置速断、过流保护及非电量保护。

1）调变内部的各种短路及油面下降采用瓦斯保护作为主保护，瞬时动作于高压侧断路器及滤波断路器。

2）调变的绕组和引出线的相间短路及绕组匝间短路采用电流速断作为主保护，瞬时动作于高压侧断路器及滤波断路器。

动作电流整定值计算。由于无需和整流机组配合，应和滤波配合，并按躲过变压器空载合闸励磁涌流计算。上述电解铝项目共有 7台额定容量ST.N=168MVA，电压变比为 231/64.476V～0.6kV，高压侧最大额定电流 IT.N1.max=418.9A。第一段电流速断保护动作电流按式（3）计算。

式中，IT.N1.max为调变高压侧最大（调压位置最高电压时）额定电流；调变额定容量大于 100MVA，K取值为4～5，通过计算可得速断保护定值为3.15A。

3）对于区外相间短路引起的变压器过电流，采用定时限过电流保护和复合电压启动的过电流保护作为后备保护，带延时动作于高压侧断路器及滤波断路器。

由于整流变压器调变无差动保护，电流速断保护动作电流较大，过电流保护动作时间又较长（躲过变压器空载合闸励磁涌流衰减时间），所以整流变压器的调变采用复合电压启动的过电流保护作为补充，即调变采用定时限过流保护及复合电压启动的过电流保护作为后备保护。

4）整变内部的各种短路及油面下降采用瓦斯保护作为主保护，瞬时动作于高压侧断路器及滤波断路器。

5）整变采用速断、过流保护作为变压器的后备保护，瞬时动作与高压侧断路器及滤波断路器。

电流速断保护：整变的电流速断保护无需和下一级保护配合，按躲过变压器合闸励磁涌流及系统切除短路故障电压恢复时带载励磁涌流计算，并保证低压侧短路有足够的灵敏度计算，整变为二级变压器，为低电压充电合闸，系统切除短路故障电压恢复时带载励磁涌流一般不大，取

式中，It.n为整变高压侧二次额定电流。动作时间0s。

定时限过流保护：按保证低压侧短路有足够灵敏度计算，取

一般取Iop.set1=1.3It.n，动作时间0.5s。

根据上述电解铝项目的现场实际运行状况，整流变压器在没有配置差动保护的情况可以安全、可靠的运行。

3 结论

由于整流变压器的调压范围太大，运行过程中变压器的变比和网侧电流变化范围大的原因，以及整流变压器为了满足功率因数和谐波而采取多脉波整流，使得整流变压器无法实现纵联差动保护，仅采用电流电压保护。

［1］贺家李，宋从矩. 电力系统继电保护原理［M］. 北京：中国电力出版社，2004.

［2］高春如. 发电厂厂用及工业用电系统继电保护整定计算［M］. 北京：中国电力出版社，2012.

［3］GB/T 14285—2006. 继电保护和安全自动装置技术规程［S］.

［4］DLT 684—2012. 大型发电机变压器继电保护整定计算导则［S］.

［5］孟凡刚，杨世彦，杨威. 多脉波整流技术综述［J］. 电力自动化设备，2012，32（2）：9-22.

［6］康天宇，韩欣，原治安. 铝行业大容量整流电源保护综述［J］. 世界有色金属，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

李红钧（1973-），男，高级工程师，在贵阳铝镁设计研究院有限公司从事电气设计工作。