基于电子式互感器的整流机组差动保护方案实现

姜睿智 刘 星 刘志远 姚晴林



基于电子式互感器的整流机组差动保护方案实现

姜睿智1刘 星1刘志远2姚晴林1

（1. 许继电气股份有限公司，河南许昌 461000；2. 宁夏电力公司，银川 750001）

本文提出一种实现整流变压器机组差动保护方法。首先将整流机组分为一个调压变压器间隔、两个整流变压器间隔分别配置调压变压器差动保护装置、整流变压器差动保护装置；然后针对调压变压器频繁调压且调压范围宽的特点，提出根据当前调压变压器有载调压档位实时计算差动保护的平衡系数方法，以及适应不同移相角度的整流变压器二次电流补偿方法；最终完善了大功率整流机组继电保护配置，填补了整流机组差动保护的空白。

整流变压器；电子式电流互感器；整流变压器差动保护；平衡系数；移相

在冶金、电化学企业，一般采用大容量整流装置供电。将35～500kV电压等级的高压交流电压，经整流机组调压降压，经整流设备供给生产系统电压可调、电流达数百kA的直流。每个整流机组由1个调压变压器、2个整流变压器以及整流柜构成。

目前整流机组容量高达130000kVA，结构与性能均异于普通电力变压器。由于调压变压器具有调压范围宽、调压频繁的特点，且整流变压器阀侧为绕组多、电流大，无法安装常规电流互感器，因此，目前整流机组未配置差动保护，且整流机组接线复杂，无适合差动保护算法。

文献[1-2]阐述方案实现了电炉变压器差动保护。本文提出一种整流机组差动保护工程解决方案，并于2014年在宁夏一电解铝厂的整流变压器机组挂网试运行成功，填补了国内外整流变机组差动保护的空白。

1 整流机组差动保护解决方案

1.1 整流变压器机组间隔划分及保护配置

将1个整流机组分为调压变压器间隔、2个整流变压器间隔，如图1所示，分别配置1个调压变压器保护装置、2个整流变压器保护装置实现整流机组差动保护。调压变压器差动保护装置接入整流机组一次侧、三次侧、2组整流变压器网侧三相电流，调压变压器调压档位信息。整流变压器保护装置接入整流变压器网侧三相电流、阀侧三相12组电流。

图1 单台整流机组保护间隔划分示意图

调压变压器保护装置配置随调压变压器档位实时调整各侧平衡系数的基于虚拟制动原理的比率差动保护、差流速断保护、增量差动保护。

整流变压器保护装置配置适应不同移相角度的基于虚拟制动原理的比率差动保护、差流速断保护、增量差动保护。

整流机组差动保护装置接入示意图如图2所示。

图2 单台整流机组差动保护装置接入示意图

1.2 电气制动过程制动电流特点

一次侧和二次侧（整流变网侧）常规电流互感器采集电流经屏蔽电缆接入就地安装的整流机组一次侧、整流变压器网侧的合并单元智能终端集成装置[3]（经对时服务器对时，保证各侧电流同步），转换成9-2格式电流信号经光纤接入调压变压器差动保护装置，如图3所示。

图3 调压变压器差动保护电流接线示意图

如文献[4]所述，许继电气研制成功异型、对开口式电子式电流互感器，用来采集整流变压器阀侧大电流。传感头的小电压信号经屏蔽电缆接入前置采集器[5]进行信号积分调理并转换为光信号，经光缆接入合并单元[6]进行多支路信号合并接入整流变差动保护装置。跳闸信号接入整流变压器网侧的合并单元智能终端集成装置（经对时服务器对时，保证各侧电流同步），如图4所示。

整流变压器两个阀侧△型绕组的电流大小相等、方向相反，其矢量和为一台整流变压器阀侧总电流。每个阀侧引线铜排测量电流接入整流变压器保护装置，按式（1）软件合成阀侧电流，即

2 整流变压器机组差动保护原理

2.1 整流机组差动保护算法说明

针对整流机组作为系统末端变压器特点，本文提出不同于常规电力变压器制动电流计算的新算法，即

（4）

下面以变压器纵差保护范围内部短路为例分析新算法灵敏度。

（6）

图4 整流变压器差动保护电流接线示意图

2.2 调压变压器差动保护随调压档位实时调整平衡系数

由于电解铝生产工艺需求调压变压器具有调压范围宽、调压频次高的特点，所以调压变压器常采用单相多级有载分接开关进行连续调节电压。如若差动保护采用整流机组固定变比计算出的平衡系数来计算差动电流，则在调压过程中会引起差动保护的误动，因此，调压变压器的差动保护装置必须能够实时地根据运行档位计算差动保护的平衡系数[7]。

调压变压器的保护装置需接入调压变压器调压档位信息，根据当前运行档位实时计算出调压变二次侧（整流变压器网侧）电压及对应平衡系数，保证调压变压器差动电流计算的正确性。

1）计算网侧各相绕组的电压及B、C相相对A相的平衡系数

当前A相二次侧电压为

二次侧当前B相电压为

（8）

二次侧当前C相电压为

2）计算各侧的额定电流及网侧A相的平衡系数

可得调压变压器一次侧、三次侧平衡系数为

可得网侧A相差动保护平衡系数为

3）计算网侧各相平衡系数

网侧A相差动保护平衡系数为

网侧B相差动保护平衡系数为

（13）

网侧C相差动保护平衡系数为

所得调压变压器二次侧各相平衡系数代入式（3），可得随着调压档位实时变化的差动电流及制动电流，提高差动电流计算准确性。

2.3 适应不同移相角度的整流变压器二次电流补偿

整流变压器的网侧绕组由主绕组和移相绕组组成，正序电流时，主绕组电压就与网侧电源电压有相角差，称为移相角。角度可正可负，特种变压器制造企业定义：当主绕组电压滞后于电源电压（称后移）时，为正值；当主绕组电压超前电源电压（称前移）时，为负值。

常用的整流变压器的绕组有以下3种接线方式，即Y(移)/△-11、△(移)/△-10、Y(移)/Y-12。

Y(移)/△-11整流变压器纵差保护转角补偿方案：网侧TA不转角，阀侧TA转角。

（a）正序情况下Y(移)/△整流变压器两侧同名相的线电流向量图

（b）正序情况下△(移)/△整流变压器两侧同名相的线电流向量图

图 5

3 结论

本文所述的方法是，在整流变压器阀侧出线铜排安装特制异型、对开口结构电子式互感器采集整流变阀侧电流，配置调压变压器差动保护装置、整流变压器差动保护装置，从而实现了基于电子式电流互感器的整流机组的电流差动保护方案。

许继电气成功设计并研制本文所提调压变压器、整流变压器差动保护装置，并于2014年4月在宁夏一电解铝厂安装，运行良好，填补了大功率整流机组差动保护空白，完善了整流机组继电保护配置，进一步提高了冶金、化工企业的安全生产水平。

[1] 姚晴林, 李瑞生, 刘星, 等. 电炉变压器成套保护装置研制[J]. 电力系统自动化, 2012, 36(17): 95-102, 118.

[2] 邓茂军, 吴起, 陈亮, 等. 基于电子式互感器的电炉变压器差动保护研究[J]. 电力系统保护与控制, 2011, 39(9): 114-118, 124.

[3] 闫志辉, 周水斌, 郑拓夫. 新一代智能站合并单元智能终端集成装置研究[J]. 电力系统保护与控制, 2014, 42(14): 117-121.

[4] 李国斌, 姜睿智, 刘星, 等. 基于电子式互感器的整流变压器阀侧大电流采集方案实现[J]. 电力系统保护与控制, 2014, 42(18): 139-143.

[5] 牟涛, 周丽娟, 周水斌, 等. 高精度电子式电流互感器采集器的设计[J]. 电力系统保护与控制, 2011, 39(20): 141-144.

[6] 赵应兵, 周水斌, 马朝阳. 基于IEC 61850-9-2的电子式互感器合并单元的研制[J]. 电力系统保护与控制, 2010, 38(6): 104-106, 110.

[7] 栗磊, 宋小会, 刘星, 等. 串变调压电炉变压器差动保护研究[J]. 电力系统保护与控制, 2014, 42(16): 118-121.

[8] 李红钧, 候花莉, 叶志勇, 等. 大型整流变压器不配置差动保护的原因分析[J]. 电气技术, 2016, 17(9): 121-125.

[9] 席亚克, 刘桂莲, 刘永欣, 等. 自耦变压器主保护配置方案研究[J]. 电气技术, 2015, 16(6): 84-88.

[10] 王建民, 王浩名, 周少静, 等. 移相整流变压器漏磁场及电磁参数的工程算法[J]. 电工技术学报, 2015, 30(1): 8-14.

[11] 廖瑞金, 王季宇, 袁媛, 等. 换流变压器下新型纤维素绝缘纸特性综述[J]. 电工技术学报, 2016, 31(10): 1-15.

[12] 栗磊. 大容量整流变压器差动保护相关问题的研究[D]. 北京: 华北电力大学, 2014.

Differential Protection Scheme of the Rectifier Unit based on Electronic Current Transformer

Jiang Ruizhi1Liu Xing1Liu Zhiyuan2Yao QingLin1

(1. XJ Electric Company Limited, Xuchang, He’nan 461000; 2. Ningxia Provincial Power Dispatching Center, Yinchuan 750001)

A transformer unit differential protection method of rectifier is proposed in this paper. The rectifier unit consists of a voltage regulating transformer, rectifier transformer interval are respectively arranged voltage regulating transformer differential protection device, rectifier transformer differential protection device. According to the characteristics of voltage transformer frequent voltage and wide voltage regulation, according to the current transformer on load voltage regulating gear differential protection real-time calculation of the equilibrium coefficient method, is proposed to adapt to different shifting phase angle of the rectifier transformer current compensation method. The high power rectifier unit relay protection configuration is improved, fill the blank of rectifier unit differential protection.

rectifying transformer; electronic current transformer; differential protection of rectifying transformer; balance coefficient; shifting phase

姜睿智（1981-），男，工程师，主要研究方向为电力系统继电保护。