黃應(yīng)龍

?

設(shè)備及自動(dòng)化

大型整流變壓器繼電保護(hù)配置探討

黃應(yīng)龍

闡述了整流變壓器繼電保護(hù)配置原則，指出有色冶金系統(tǒng)大型整流變壓器按照GB50673—2011《有色金屬冶煉廠電力設(shè)計(jì)規(guī)范》配置繼電保護(hù)存在的問(wèn)題，結(jié)合當(dāng)前微機(jī)保護(hù)發(fā)展水平，提出設(shè)計(jì)大型整流變壓器主保護(hù)和后備保護(hù)的新思路，使整流變壓器的保護(hù)更加完善。

有色冶金； 整流變壓器； 微機(jī)保護(hù)； 主保護(hù)； 后備保護(hù)

0 前言

有色金屬冶煉行業(yè)近年來(lái)在降低能耗、減少污染、提高效率方面取得了長(zhǎng)足的發(fā)展，涌現(xiàn)出了不少新技術(shù)、新工藝。特別是電能消耗大的電解鋅工藝，單系列電鋅生產(chǎn)規(guī)模由過(guò)去的5萬(wàn)t/a發(fā)展到了15萬(wàn)t/a，電能消耗由4 100 kWh/t降至2 800 kWh/t以下。新工藝采用大極板技術(shù)，單系列直流電壓400 V，直流電流達(dá)240 kA，使得整流變壓器的功率越來(lái)越大，結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，價(jià)格更加昂貴。而為了確保整流變壓器故障時(shí)迅速切斷電源，保護(hù)整流設(shè)備不受到損害，保證生產(chǎn)的連續(xù)性，對(duì)整流變壓器的保護(hù)也有了更高的要求。

1 整流變壓器繼電保護(hù)配置原則

整流變壓器是有色金屬冶煉電解的重要設(shè)備，出現(xiàn)故障將對(duì)生產(chǎn)和安全產(chǎn)生重大影響，因此，整流變壓器必須配置完善的繼電保護(hù)。整流變壓器的故障類(lèi)型與電力變壓器類(lèi)似，GB/T14285—2006《繼電保護(hù)和安全自動(dòng)裝置規(guī)程》中，對(duì)電力變壓器繼電保護(hù)要求，整流變壓器的下列故障及異常運(yùn)行方式應(yīng)裝設(shè)相應(yīng)的保護(hù)裝置：

(1)繞組及其引出線的相間短路和中性點(diǎn)直接接地的接地短路；

(2)繞組的匝間短路；

(3)外部相間短路引起的過(guò)電流；

(4)中性點(diǎn)直接接地電力網(wǎng)中外部接地短路引起的過(guò)電流及中性點(diǎn)過(guò)電壓；

(5)過(guò)負(fù)荷；

(6)油面降低；

(7)變壓器油溫、繞組溫度過(guò)高及郵箱壓力過(guò)高產(chǎn)生瓦斯或冷卻系統(tǒng)故障。

2 整流變壓器繼電保護(hù)現(xiàn)狀

根據(jù)整流變壓器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，GB50673—2011《有色金屬冶煉廠電力設(shè)計(jì)規(guī)范》要求對(duì)整流變壓器裝設(shè)瓦斯保護(hù)、第一套過(guò)電流保護(hù)、第二套過(guò)電流保護(hù)、過(guò)負(fù)荷保護(hù)、單相接地短路保護(hù)。

2.1 瓦斯保護(hù)

用以反應(yīng)變壓器油箱內(nèi)故障，即繞組的相間短路、接地短路、匝間短路和油面降低。

2.2 第一套過(guò)電流保護(hù)(瞬動(dòng)過(guò)電流保護(hù))

整流變壓器和電力變壓器一樣，對(duì)其內(nèi)部、套管及引出線的短路故障，應(yīng)裝設(shè)保護(hù)裝置作為主保護(hù)。大型整流變壓器通常采用“調(diào)壓變壓器+整流變壓器”共油箱式組合結(jié)構(gòu)，整流變壓器二次側(cè)為多繞組、大電流，很難像電力變壓器那樣采用差動(dòng)保護(hù)作主保護(hù)，而電流速斷保護(hù)靈敏度又滿足不了要求，因此只能裝設(shè)瞬動(dòng)過(guò)電流保護(hù)替代。第一套過(guò)電流保護(hù)裝設(shè)在調(diào)壓變壓器一次側(cè)，按躲開(kāi)變壓器的勵(lì)磁涌流、大于變壓器的額定電流整定，且不考慮繼電器的返回系數(shù)。保護(hù)動(dòng)作電流按下式進(jìn)行計(jì)算：

(1)

式中：Kk為可靠系數(shù)，取1.5～3；Kjx為接線系數(shù)；Keb為電流互感器變比；Ile為變壓器一次側(cè)額定電流；Idz為繼電器動(dòng)作電流。

保護(hù)裝置的靈敏系數(shù)按下式確定：

(2)

式中Id取第二套保護(hù)用電流互感之前(即調(diào)壓變二次側(cè))的兩相短路電流值，且按調(diào)壓變壓器實(shí)際所在的無(wú)勵(lì)磁調(diào)壓段的最低調(diào)壓級(jí)和在系統(tǒng)最小運(yùn)行方式下的短路容量進(jìn)行計(jì)算，KLm≥2。

2.3 第二套過(guò)電流保護(hù)(帶時(shí)限過(guò)電流保護(hù))

當(dāng)整流變壓器處于低電壓運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，整流變壓器二次側(cè)短路電流將顯著減少，第一套過(guò)電流保護(hù)有可能靈敏度不夠而拒絕動(dòng)作。因此，必須在調(diào)壓變壓器與整流變壓器之間設(shè)置第二套過(guò)電流保護(hù)裝置，以保護(hù)整流變壓器。第二套過(guò)電流保護(hù)為延時(shí)過(guò)電流保護(hù)，動(dòng)作電流應(yīng)按式(1)計(jì)算，但可靠系數(shù)Kk取1.1～1.5，并計(jì)算繼電器返回系數(shù)，延時(shí)整定值取0.3～0.5 s,合閘后將延時(shí)取消。

保護(hù)裝置的靈敏系數(shù)按式(2)計(jì)算，但式中Id對(duì)第二套保護(hù)取整流變壓器二次側(cè)一組繞組的兩相短路電流，且按調(diào)壓變壓器實(shí)際所在的無(wú)勵(lì)磁調(diào)壓段的最低調(diào)壓級(jí)和在系統(tǒng)最小運(yùn)行方式下的短路容量進(jìn)行計(jì)算，應(yīng)滿足KLm≥1.5。

2.4 過(guò)負(fù)荷保護(hù)

保護(hù)經(jīng)延時(shí)作用于信號(hào)或斷路器跳閘，動(dòng)作電流應(yīng)按第二套過(guò)電流保護(hù)整定值計(jì)算方法計(jì)算，但可靠系數(shù)Kk取1.05，延時(shí)整定值取9～10 s。

2.5 單相接地短路保護(hù)

當(dāng)一次側(cè)為中性點(diǎn)直接接地時(shí)，整流變壓器中性點(diǎn)裝設(shè)零序過(guò)電流保護(hù)和零序過(guò)電壓保護(hù)，保護(hù)動(dòng)作于斷路器跳閘。

3 整流變壓器繼電保護(hù)存在的問(wèn)題

依據(jù)目前整流變壓器繼電保護(hù)配置現(xiàn)狀，對(duì)照整流變壓器繼電保護(hù)配置原則要求，筆者認(rèn)為GB50673—2011《有色金屬冶煉廠電力設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)整流變壓器繼電保護(hù)規(guī)定存在以下問(wèn)題：

(1)調(diào)壓—整流變壓器主保護(hù)和后備保護(hù)均存缺陷。若將第一套過(guò)電流保護(hù)看成主保護(hù)，第二套過(guò)電流保護(hù)看成后備保護(hù)，則主保護(hù)不能覆蓋整個(gè)整流變壓器的內(nèi)部故障。而第二套過(guò)電流保護(hù)用電流互感器裝設(shè)在調(diào)壓變壓器的二次側(cè)或整流變壓器的一次側(cè)，不能反應(yīng)調(diào)壓變壓器故障，因此，調(diào)壓變壓器沒(méi)有后備保護(hù)。

(2)調(diào)壓—整流變壓器沒(méi)有配置后備保護(hù)。若將第一套過(guò)電流保護(hù)和第二套過(guò)電流保護(hù)都看成主保護(hù)，那么調(diào)壓變壓器和整流變壓器的主保護(hù)配置較為完整，但調(diào)壓變壓器和整流變壓器都沒(méi)有設(shè)置后備保護(hù)。

4 整流變壓器繼電保護(hù)的解決方案

大型整流變壓器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、運(yùn)行工況差，相比電力變壓器更易發(fā)生故障，若繼電保護(hù)配置存在缺陷，發(fā)生故障時(shí)，越級(jí)跳閘或保護(hù)存在死區(qū)拒動(dòng)，導(dǎo)致整個(gè)整流系統(tǒng)事故停電或整流機(jī)組損壞，會(huì)造成巨大經(jīng)濟(jì)損失，特別是電解鋅工序全部停電后，陰極板會(huì)反溶產(chǎn)生氫氣，甚至釀成火災(zāi)爆炸特大事故。因此，大型整流變壓器繼電保護(hù)不應(yīng)低于普通電力變壓器繼電保護(hù)的要求，然而按照GB50673—2011《有色冶煉廠電力設(shè)計(jì)規(guī)范》配置大型整流變壓器繼電保護(hù)存在上述明顯的缺陷。針對(duì)這一缺陷，結(jié)合當(dāng)前微機(jī)保護(hù)的特點(diǎn)，提出兩種大型整流變壓器繼電保護(hù)配置方案。

方案一：主保護(hù)由調(diào)壓變壓器差動(dòng)保護(hù)與第二套過(guò)電流保護(hù)組成，將第一套過(guò)電流保護(hù)作為后備保護(hù)。保護(hù)配置詳見(jiàn)圖1。

圖1 方案一

大型整流變壓器采用“調(diào)壓變壓器+整流變壓器”共油箱式組合結(jié)構(gòu)，整流變壓器二次側(cè)接線非常復(fù)雜，不宜設(shè)置差動(dòng)保護(hù)。但調(diào)壓變壓器的結(jié)構(gòu)類(lèi)似于三繞組電力變壓器，只是流過(guò)的諧波電流特別大，如果差動(dòng)保護(hù)具備諧波制動(dòng)和波形分析功能，完全可以克服諧波電流對(duì)差動(dòng)保護(hù)產(chǎn)生的影響，將差動(dòng)保護(hù)作為調(diào)壓變壓器的主保護(hù)。而微機(jī)保護(hù)的發(fā)展和普及，使這一設(shè)想成為可能。因?yàn)椋C(jī)保護(hù)增加了強(qiáng)大的軟件功能，與傳統(tǒng)繼電器繼電保護(hù)相比，具有很強(qiáng)的運(yùn)算能力、綜合分析能力和判斷能力，通過(guò)軟件的設(shè)計(jì)完全可以開(kāi)發(fā)出滿足特殊要求的調(diào)壓變壓器差動(dòng)保護(hù)，差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作整定值范圍可為0.5～1.0 Ie。利用第二套過(guò)電流保護(hù)作為整流變壓器的主保護(hù)，第一套過(guò)電流保護(hù)改為帶時(shí)限過(guò)電流保護(hù)作為調(diào)壓—整流變壓器的后備保護(hù)，動(dòng)作時(shí)限取0.5 s。這種保護(hù)配置方案層次分明，簡(jiǎn)單可靠，動(dòng)作響應(yīng)快，優(yōu)先推廣采用。

方案二：主保護(hù)由第一套、第二套過(guò)電流保護(hù)組成，增加第三套過(guò)電流保護(hù)作為后備保護(hù)。該方案的保護(hù)配置見(jiàn)圖2。

第一套、第二套過(guò)電流保護(hù)共同構(gòu)成“調(diào)壓—整流變壓器”的主保護(hù)，保護(hù)范圍能覆蓋“調(diào)壓—整流變壓器”整個(gè)內(nèi)部故障，新增第三套過(guò)電流保護(hù)作為“調(diào)壓—整流變壓器”的后備保護(hù)，其動(dòng)作值可按1.05～1.2 Ie整定。這種方式保護(hù)配置更簡(jiǎn)單，但主保護(hù)靈敏度不如差動(dòng)保護(hù)，導(dǎo)致匝間短路故障不能反應(yīng)，僅靠瓦斯保護(hù)反應(yīng)匝間短路，可靠性不如方案一。而微機(jī)保護(hù)可以在工程師操作站上很方便地對(duì)保護(hù)進(jìn)行在線投退、定值修改，因此，第一套過(guò)電流保護(hù)，可設(shè)置兩組整定值，其中一組不考慮勵(lì)磁涌流的影響，以降低整定值，提高靈敏度，機(jī)組投入正常運(yùn)行后切換為該定值。對(duì)于第二套、第三套過(guò)電流保護(hù)，可按實(shí)際運(yùn)行電流設(shè)置幾組較低保護(hù)定值，隨運(yùn)行工況進(jìn)行切換，確保保護(hù)可靠動(dòng)作。

圖2 方案二

5 結(jié)束語(yǔ)

GB50673—2011《有色金屬冶煉廠電力設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)整流變壓器繼電保護(hù)的規(guī)定存在缺陷，不能很好地保護(hù)大型整流變壓器。因此在工程設(shè)計(jì)中，可根據(jù)當(dāng)前微機(jī)保護(hù)的優(yōu)點(diǎn)并結(jié)合整流變壓器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將差動(dòng)保護(hù)改進(jìn)后應(yīng)用到整流變壓器的保護(hù)中；也可根據(jù)整流變壓器的運(yùn)行工況，設(shè)置若干組保護(hù)整定值，進(jìn)行在線切換，以確保大型整流機(jī)組的繼電保護(hù)滿足可靠性、速動(dòng)性、選擇性和靈敏性的要求。

[1] 熊為群，陶然.繼電保護(hù)自動(dòng)裝置及二次回路[M].北京： 中國(guó)電力出版社, 1999.

[2] 催家佩，孟慶炎，陳永芳，等.電力系統(tǒng)繼電保護(hù)與安全自動(dòng)裝置整定計(jì)算[M].北京：中國(guó)電力出版社, 1990.

[3] GB/T14285—200，繼電保護(hù)和安全自動(dòng)裝置規(guī)程[S].

[4] GB50673—2011，有色金屬冶煉廠電力設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

日本沒(méi)稀土卻是儲(chǔ)備稀土最多的國(guó)家

稀土有工業(yè)“黃金”和“維生素”之稱(chēng)，由于其具有優(yōu)良的光電磁等物理特性，能與其他材料組成性能各異、品種繁多的新型材料，其最顯著的功能就是大幅度提高其他產(chǎn)品的質(zhì)量和性能。比如大幅度提高用于制造坦克、飛機(jī)、導(dǎo)彈的鋼材、鋁合金、鎂合金、鈦合金的戰(zhàn)術(shù)性能。而且，稀土同樣是電子、激光、核工業(yè)、超導(dǎo)等諸多高科技的潤(rùn)滑劑。稀土科技一旦用于軍事，必然帶來(lái)軍事科技的躍升。從一定意義上說(shuō)，美軍在冷戰(zhàn)后幾次局部戰(zhàn)爭(zhēng)中壓倒性控制，正緣于稀土科技領(lǐng)域的超人一等。

由于日本國(guó)內(nèi)稀土資源極為貧乏，資源儲(chǔ)備成為其保障長(zhǎng)期資源供給的首要措施。目前，日本資源儲(chǔ)備可分為石油、液化石油氣和稀有金屬三大儲(chǔ)備，其中稀有金屬儲(chǔ)備包括稀土在內(nèi)的10種必須儲(chǔ)備的稀有金屬。日本資源儲(chǔ)備分為國(guó)家儲(chǔ)備和民間儲(chǔ)備兩個(gè)層次，且日本對(duì)于礦產(chǎn)資源的民間儲(chǔ)備體系的建立要早于國(guó)家儲(chǔ)備體系。早在1974年，日本通產(chǎn)省就已出臺(tái)相關(guān)政策，選定部分有條件儲(chǔ)備的礦產(chǎn)資源作為戰(zhàn)略資源進(jìn)行儲(chǔ)備。在隨后的1976年，日本通過(guò)設(shè)立“特殊金屬儲(chǔ)備協(xié)會(huì)”這一社團(tuán)法人，采取“政府出資、民間管理”的形式進(jìn)行礦產(chǎn)資源的民間儲(chǔ)備。

近年來(lái)， 由于海外國(guó)家對(duì)于稀土出口呈現(xiàn)出逐漸加強(qiáng)管控的態(tài)勢(shì)，使日本國(guó)內(nèi)稀土供給的穩(wěn)定性存在挑戰(zhàn)。為了降低國(guó)內(nèi)稀土資源長(zhǎng)期供給風(fēng)險(xiǎn)，日本政府在2006年發(fā)布《國(guó)家能源資源戰(zhàn)略新規(guī)劃》，將稀土、鉑、銦3種稀有金屬列入儲(chǔ)備對(duì)象，即將稀有金屬儲(chǔ)備種類(lèi)擴(kuò)展至10種。

為了保證戰(zhàn)時(shí)國(guó)防經(jīng)濟(jì)的正常運(yùn)行，日本建立了規(guī)模巨大的民用和戰(zhàn)略能源儲(chǔ)備。日本戰(zhàn)略石油儲(chǔ)備達(dá)到161 d，用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)衡量屬于“很安全”的級(jí)別。日本建立了國(guó)內(nèi)60 d消費(fèi)量的稀有金屬儲(chǔ)備，其中國(guó)家儲(chǔ)備42 d，民間儲(chǔ)備18 d。主要是鎳、鉻、鎢、鈷、鉬、釩、錳等稀有金屬，其進(jìn)口依賴(lài)度超過(guò)90%。

日本將大量的稀土資源用于填補(bǔ)國(guó)家戰(zhàn)略?xún)?chǔ)備，目前，日本是世界上稀土資源儲(chǔ)備最多的國(guó)家。

除了建立有效的儲(chǔ)備體系外，日本還通過(guò)鼓勵(lì)資源回收利用以及替代材料研發(fā)兩方面政策來(lái)降低對(duì)稀土資源的進(jìn)口依賴(lài)。在2001年以來(lái)出臺(tái)的有關(guān)環(huán)境、資源綜合利用、廢棄物處理等一系列法律的基礎(chǔ)上，日本在2010年發(fā)布的科學(xué)技術(shù)白皮書(shū)中提到要開(kāi)發(fā)稀土高效回收系統(tǒng)、稀土替代材料，還通過(guò)設(shè)立環(huán)境廢物管理研究基金優(yōu)先資助稀土回收提煉研究，這項(xiàng)研究的核心就是從“城市礦山” 中收集和循環(huán)利用稀土資源。

“城市礦山”的開(kāi)采是日本稀土資源戰(zhàn)略近些年來(lái)的一個(gè)側(cè)重點(diǎn)?！俺鞘械V山”是對(duì)廢棄的電子產(chǎn)品中所含有的金、鉑等貴金屬以及鈀、銦等稀有金屬的一個(gè)形象比喻，因?yàn)楹芏喑鞘欣锬切U棄產(chǎn)品所含的資源總量之大 已經(jīng)相當(dāng)于一個(gè)“礦山”的含量。而因?yàn)樵谫Y源回收再利用技術(shù)上的飛速進(jìn)步，這些“城市礦山”對(duì)于日本來(lái)說(shuō)不亞于甚至超過(guò)天然礦藏。

2010年年底，日本企業(yè)從國(guó)外大量收購(gòu)做精密儀器剩下的碎玻璃和工業(yè)垃圾，以從中提取稀土。國(guó)外的廢玻璃為何卻成了日本人眼中的寶貝？唯技術(shù)先進(jìn)，別無(wú)它途。自上世紀(jì)60年代起，日本就開(kāi)始在如何提高對(duì)稀土資源的利用效率上動(dòng)腦筋。 1967年，日本一家公司就開(kāi)發(fā)出“溶媒萃取分離法”并將其運(yùn)用于工業(yè)化生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)了將稀土內(nèi)十幾種性質(zhì)相近元素進(jìn)行分離的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。如今，日本產(chǎn)業(yè)界已有近50年的稀土提取與應(yīng)用的技術(shù)積累。

(長(zhǎng)沙有色冶金設(shè)計(jì)研究院有限公司, 湖南 長(zhǎng)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

黃應(yīng)龍(1963—)，男，湖南益陽(yáng)人，高級(jí)工程師，現(xiàn)任長(zhǎng)沙有色冶金設(shè)計(jì)研究院有限公司電力室主任。

2015-- 03-- 15

TF083.2

B

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