整流机组调压变压器差动保护研究与应用

胡兵，郭晓，陈实，行武，王哲

(南京国电南自电网自动化有限公司，南京 211153)

整流机组调压变压器差动保护研究与应用

胡兵，郭晓，陈实，行武，王哲

(南京国电南自电网自动化有限公司，南京 211153)

分析了整流机组调压变压器现有保护配置存在的不足以及配置差动保护的必要性。提出了调压变压器差动保护的解决方案，重点阐述了基于挡位跟踪的调压变压器差动保护的基本原理。针对挡位采集可能出现的异常，提出了多种挡位校验方法，当挡位校验错误时切换到高定值差动保护模式，确保差动保护的可靠性。

调压变压器；整流变压器；差动保护；挡位

1 整流机组调压变压器特点

在金属冶炼及化工行业中，高压调压整流变压器组被大量应用于调节电解槽的序列电流[1-2]，如图1所示。与普通电力变压器相比，整流机组调压变压器有以下几个特点：(1)调压范围大，由于电解槽在焙烧、启停、正常运行时对序列电流的需求不同[3]，因此需要通过调压变压器进行大范围的调压，最大范围可达额定电压的5%～105%；(2)调压频率高，在电解过程中，电网电压的波动以及电解槽的阳极效应会导致序列电流偏离设定值，当偏离程度超出自饱和电抗器调节范围时，只能由调压变压器进行调压；(3)有载自动调压，电解工艺通常配置自动稳流装置[4]，能够根据序列电流与设置值的偏差自动调节自饱和电抗器的控制绕组和调压变压器的分接头。

图1 电解工艺供电原理

变压器差动保护在计算差流时，需要根据变压器变比及各侧电流互感器(CT)变比进行电流的折算，即乘以平衡系数。调压变压器的大范围调压特点，给差流平衡系数的计算带来困难[5]，致使其差动保护一直未能得到有效解决[6-7]。目前，整流机组调压变压器普遍未配置差动保护，仅配置过流保护，因此在保护的灵敏度、可靠性和快速性等方面均存在不足。随着电解工业的发展，整流机组调压变压器容量及电压等级不断升高，配置差动保护的需求也变得日益迫切。

2 调压整流变压器现有保护配置及其不足

在电解行业中，调压变压器通常以调压整流变压器组的形式出现，由1台调压变压器带2台整流变压器，两者经有载调压开关相连接，如图2所示。

图2 调压整流变压器组原理

2.1 调压整流变压器现有保护配置

目前，调压整流变压器除配置反映变压器内部故障的瓦斯保护作为主保护外，还配置速断过流保护、限时过流保护、第3绕组过流保护以及过负荷保护等。

(1)速断过流保护。保护电流取自调压变压器高压侧开关电流互感器CT1，速断过流的整定值按躲过调压变压器的励磁涌流进行整定，同时兼顾高压侧内部故障时的灵敏度，取变压器额定电流Ie的2～3倍。作为调压变压器区内故障的主保护，速断过流保护瞬时动作跳开变压器高压侧断路器。

(2)限时过流保护。保护电流取自整流变压器的一次侧套管电流互感器CT3和CT4，其整定值取整流变压器额定电流的1.3～1.5倍。为躲过变压器空投时的励磁涌流，设定0.3～0.5 s的时限，或在高压侧断路器合闸0.3～0.5 s后将此保护投入，不带时限。

(3)第3绕组过流保护。第3绕组为调压变压器三角绕组(低压侧)，一般接滤波补偿设备，其电流速断保护定值按能可靠保护第3绕组出线短路故障，同时对滤波补偿侧末端故障有灵敏度的原则整定，并且无延时跳开滤波装置断路器。

(4)过负荷保护。避免变压器长时间运行于过负荷状态下，同时作为整个变压器组的总后备，过负荷保护延时跳高压侧断路器或动作于信号。

2.2 现有保护配置存在的不足

调压整流变压器由于缺少差动保护，目前的保护配置在可靠性、速动性、选择性及灵敏度方面均存在不足。

(1)可靠性问题。调压变压器速断过流保护在变压器空投时容易误动，变压器空投时励磁涌流峰值最大可达7～8倍额定电流，因此速断过流保护无法可靠躲过变压器励磁涌流。

(2)速动性问题。除调压变压器高压侧速断过流外，其他过流保护均带延时，因此对于调压变压器内部及中、低压侧故障，保护的动作时间较长，对变压器的安全稳定极为不利。

(3)选择性问题。高压侧速断过流保护与第3绕组过流保护定值存在配合问题。高压侧速断过流保护不经延时，当第3绕组滤波补偿侧发生短路故障时，可能导致调压变压器高压侧速断过流保护越级跳闸，造成保护失去选择性。

(4)灵敏度问题。过流保护对于变压器匝间短路及区内高阻接地故障灵敏度低，另外，当调压变压器运行于低挡位时，中压侧短路故障电流较低，过流保护由于灵敏度不足可能拒动。

现有保护配置存在上述缺陷的根本原因在于缺少差动保护。差动保护不仅可以快速灵敏地反映变压器区内故障，而且具有励磁涌流识别及闭锁功能，能够避免变压器空投时励磁涌流引起的保护误动。

3 调压变压器差动保护方案研究

调压变压器差动保护的难点在变压器变比变化范围大，采用固定变比计算差流的常规差动保护会因平衡系数不匹配而产生较大的差流，造成保护误动。有两种解决方案：方案1，抬高差动保护定值，躲过调压变压器正常运行时的最大差流；方案2，跟踪变压器运行挡位并调整平衡系数，避免因平衡系数与实际不匹配引起的差流。

3.1 高定值差动保护

由于变压器高、中、低各侧电压等级和CT变比不同，计算差流时需要对各侧电流进行折算，通常将差流折算到高压侧，各侧平衡系数为

式中：Ueh，Uem，Uel分别为变压器高、中、低压侧额定电压；Kh，Km，Kl分别为变压器高、中、低压侧CT变比；kh，km，kl分别变压器高、中、低压侧平衡系数；Ih，Im，Il分别为变压器高、中、低压侧二次电流(相位补偿后电流)；Id为差动电流；Ir为制动电流。

调压变压器与普通电力变压器的主要区别在于其中压侧额定电压随着运行挡位变化，变化范围可达中压侧最高额定电压的5%～105%。如果将调压变压器按照普通电力变压器看待，即中压侧平衡系数按固定的额定电压进行计算，则变压器在不同挡位运行时将产生不平衡差流。考虑变压器满负荷运行情况，若中压侧额定电压取最大值，则引起的最大差流为Ie；若中压侧额定电压取中间值(中间挡位对应的额定值)，则引起的最大差流为0.5Ie：显然，后者产生的差流最小，更为合理。

如果取0.8Ie作为差动保护定值门槛，当调压变压器正常运行时，无论其处于何种运行挡位，产生的差流均不会超过差动定值，即差动保护不会误动。故障时的情况分为以下几种。

(1)调压变压器区内故障，除轻微匝间及高阻接地故障灵敏度低之外，其他区内故障差动保护均能够可靠动作。

(2)整流变压器故障，此时差流为高、中压侧穿越性电流引起的不平衡电流，由于中压侧平衡系数存在偏差，可能产生较大的差流而导致差动保护动作。考虑到调压变压器与整流变压器作为一个整体，此时差动保护动作切除变压器组视为正确动作行为。

(3)第3绕组滤波补偿侧故障，此时调压变压器高、中压侧流过穿越性电流，差流平衡，差动保护可靠不动作，确保了选择性。

调压变压器高定值差动保护的不足之处在于灵敏度低，对于区内轻微匝间及高阻接地故障可能拒动，为此，本文提出基于挡位跟踪的变压器差动保护。

3.2 基于挡位跟踪的变压器差动保护

对于不同的运行挡位，调压变压器的额定容量、额定电压及额定电流也随之改变，以西电ZHSFPTB型有载调压整流变压器为例，其额定参数见表1。

表1 ZHSFPTB 型变压器额定参数

由表1可以看出，调压变压器中压侧额定电压与运行挡位存在确定关系，因此，通过实时采集变压器的运行挡位，并根据挡位计算中压侧额定电压和平衡系数，从而确保差流计算的准确性，这是基于挡位跟踪的变压器差动保护的基本原理。

式中：Umax.m为调压变中压侧最高额定电压；nmax为变压器最高运行挡位；n为变压器当前运行挡位； ΔU为调挡级差电压。

挡位跟踪实现了调压变压器向普通电力变压器的转变，其差动定值可按普通电力变压器差动保护整定规程整定[8]，动作特性曲线如图3所示(图中：Ih.set为差动速断定值；Il.set为差动保护最小动作门槛，取(0.3～0.5)Ie；K1为比例制动系数1；K2为比例制动系数2)。

图3 差动保护动作特性曲线

调压变压器正常运行时产生的差流极小，但在调压过程中，由于挡位采集滞后于一次系统调压，势必存在采集挡位与变压器实际运行挡位不一致的过程。考虑到变压器按照升降挡的方式进行调压[9]，操作机构单次仅能完成1挡的升降，而整流用调压变压器设置的挡位通常在30挡以上[10-11]，因此1挡误差引起的差流很小(不大于0.03Ie)，不会给差动保护造成影响。

基于挡位跟踪的变压器差动保护的关键在于准确采集变压器运行挡位，一旦挡位数据错误，例如挡位变送器异常，在定值整定较低的情况下可能直接导致差动保护误动，因此有必要对挡位的有效性进行校验。

4 变压器挡位有效性校验方法

挡位的输出环节包括有载调压开关和挡位变送器。有载调压开关是变压器调压的操作机构，一方面它接收自动装置的升降挡指令并执行调挡操作，另一方面指示当前运行挡位并闭合对应的辅助触点供挡位变送器采集。挡位变送器是连接有载调压开关与差动保护的桥梁，它提取变压器当前运行的抽头位置并将其转换为相应的模拟量或数字量供自动装置采集[12]。

有载调压开关和挡位变送器在实际运行过程中发生的故障有多种类型，其中对基于挡位跟踪的变压器差动保护产生的影响主要有以下几类。

(1)有载调压开关滑挡，调压时如果操作机构出现失灵，致使电机持续运转，会导致调压开关在短时间内出现多级挡位变化，即为滑挡[13-14]。

(2)挡位变送器失电，挡位输出为0。

(3)挡位变送器死机，输出的数据始终不变，无法正确反映变压器运行挡位。

(4)挡位变送器异常，输出的数据随机跳变，与变压器实际运行挡位不一致。

为了防止差动保护因挡位错误而误动，本文提出以下几种挡位校验方法。

4.1 电压校验法

电压校验法是通过校验中压侧电压来判别当前采集到的挡位是否可信。根据变压器高压侧电压以及运行挡位可计算中压侧理论电压值，在变压器正常运行时，该理论值与变压器中压侧电压实际值应基本一致，如果二者偏差超过设定范围，则认为变压器挡位存在异常，即

式中：Uh，Um分别为高、中压侧电压二次采样值；Utm为当前挡位对应的中压侧电压理论值；Uset为电压校验允许误差，可取2倍调挡级差电压。电压校验法是校验挡位行之有效的方法，可以应对挡位变送器的所有异常情况。

考虑到变压器区内故障时电压校验法容易误判，因此电压校验应经适当的延时，仅在挡位发生变化时进行快速的电压校验。

4.2 差流校验法

调压整流变压器作为终端变压器，其中、低压侧可能不配置电压互感器，此时电压校验无法使用，只能通过差流来校验挡位的有效性。变压器正常运行时，如果挡位正常，基于该挡位计算出的差流主要为互感器传变误差、模拟量采集误差以及变压器励磁电流引起的不平衡电流，其数值很小。如果变送器输出的挡位与变压器实际挡位不一致，可能引起较大差流。因此，在变压器挡位发生变化时校验差流，如果差流超出校验门槛，则认为挡位存在异常。

另外，考虑到当变压器轻载运行时，差流校验的灵敏度比较低，即使出现较大的挡位不一致，引起的差流也不会超过差流校验门槛。为此，除在挡位发生变化时校验差流外，正常运行时应实时校验差流，当差流长时间超过校验门槛时，则视为挡位异常。

4.3 挡位双通道采集一致性校验法

借鉴继电保护模拟量双AD采样的成功经验，基于挡位跟踪的调压变压器差动保护可考虑采用挡位双通道采集方式，即配置2个挡位变送器，分别接入差动保护的挡位采集回路，如图4所示。当2个回路采集到的挡位信息不一致时，判别为挡位异常，如此可提高变压器运行挡位采集的可靠性，避免因单一挡位变送器故障而造成差动保护误动作。

图4 挡位双通道采集一致性校验

有载调压开关正常情况下单次只能执行1挡的升降操作，执行时间需5 s左右，因此如果单次挡位变化超过1挡，可视为挡位数据存在异常；另外，有载调压开关正常情况下不应出现零挡位，因此当采集挡位为零时，则判为挡位异常。

挡位异常时有2种处理方式：一是闭锁差动保护，二是抬高差动保护定值，即切换为高定值差动保护。采用闭锁差动保护的方式，将导致调压变压器失去主保护，存在安全隐患，而抬高差动保护定值仅仅降低了保护的灵敏度，其可靠性得到了保证，显然是更优的选择。为此，基于挡位跟踪的调压变压器差动保护在挡位异常时切换为高定值差动保护。

5 结束语

由于调压范围大，调压变压器差动保护在实现上存在一定困难，仅配置过流保护，在保护的可靠性、选择性和灵敏度方面均存在不足。本文提出的基于挡位跟踪的调压变压器差动保护，其基本思路是根据变压器运行挡位计算调压变压器低压侧额定电压，从而将调压变压器转换为常规电力变压器处理。考虑到有载调压开关及挡位变送器故障可能导致采集的挡位与变压器实际运行挡位不一致，本文提出了多种挡位校验方法，当挡位校验错误时抬高差动保护定值以确保可行性。另外，即使不进行挡位跟踪，而采用高定值变压器差动保护，也可以很大限度弥补调压整流变压器现有保护配置的不足。基于挡位跟踪的调压变压器差动保护装置已在重庆某大型铝电解厂投运，并且可靠运行，其运行经验可为继电保护学者提供参考。

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(本文责编：刘芳)

2016-10-12；

2016-11-02

TM 773

A

1674-1951(2017)01-0014-04

胡兵(1984—)，男，江西新余人，工程师，从事继电保护研究与开发工作(E-mail:bing-hu@sac-china.com)。