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【摘 要】與目前煤矿供电网络常用的三种防越级跳闸技术方式相比，基于纵联差动保护的防越级跳闸技术，是一种相对成熟且操作简单的技术方式。特点在于，这项技术可根据不同煤矿的生产规模、生产能力、生产水平，做出适当调整。在发生煤矿供电网故障时，第一时间排除故障，保障了煤矿供电系统的安全性、稳定性，为企业安全生产、有序管理提供了有力的保障，具有显著的经济效益和社会效益。
【关键词】煤矿；供电；防越级跳闸；保护应用
1. 导言
本文了分析了煤矿井下供电广泛存在的“越级跳闸”问题和防越级跳闸保护系统；介绍防越级跳闸保护系统主要构成部分及其所具有的独特优势，并结合某煤矿井下供电系统的实际情况进行了该煤矿供电防越级跳闸保护系统的方案设计，能够有效地避免越级跳闸的发生。
2. 原因分析
矿井电网存在“越级跳闸”的原因煤矿井下巷道狭窄，空气潮湿，在此环境下使用的电器设备、供电电缆和电缆接头容易发生漏电和短路事故。目前，我国煤炭企业电网多为多级辐射状的供电模式，其特点为供电线路短，延伸级数多，不同级别的短路电流很接近，一旦线路某处短路，短路电流可达数千安到上万安，短路点上面的各级开关都满足电流速断保护跳闸条件，当上级开关跳闸灵敏度高时上级开关跳闸，造成越级跳闸，甚至会直接造成地面变电站开关越级跳闸，特别是35 k V系统，造成全矿井停电的恶性事故，甚至会出现主扇停风事故。传统的三段式过电流保护无法兼顾保护动作快速性和选择性的要求，当井下供电系统发生故障时，普遍存在“越级跳闸”现象，造成恢复供电时间延长，直接影响井下的安全生产。在煤矿供电电网中，造成越级跳闸的主要原因主要有以下几种：1）短路保护难以整定。井下供电线路短、多级变电所级联导致拓扑结构复杂，短线路零秒的速断保护无保护区，在线路末端发生短路故障时，其上级开关及上几级开关感受的短路电流几乎差不多，各级开关的零秒速断保护无选择性跳闸而造成越级跳闸；井下供电系统没有时间级差，过流保护整定困难，在发生短路故障时，极易出现越级跳闸的情况。同时，井下防爆开关的拒动现象也时有发生，也极易造成越级跳闸现象的发生。目前的系统以短路保护为主保护，系统图上每个蓝色小方块代表一个短路保护。当采区变电所任何一条负荷线出现故障时，都有可能导致上一级变电所开关跳闸，即“越级跳闸”，导致停电范围扩大。2）传统意义上的光纤纵差保护不能解决所有问题。将传统的光纤纵差保护作为联络线的主保护，能够可靠解决部分“越级跳闸”问题，但对于三端线路及多端线路却不能解决。因为现有的光纤纵差模型全部是根据两端线路配置的，如果需要对多端线路进行光纤纵差处理，则存在技术上的难点而无法实现。
3. 煤矿供电防越级跳闸保护系统的应用实现
3.1数字式光纤差动保护原理
本文所采用的数字式光纤差动自动保护系统的保护原理可以 从瞬时采样值的电流差动保护和故障分量电流差动保护两大原理 进行分析。瞬时采样值的电流差动保护原理主要作用是判断有无发 生区内故障，是指按照一定判断依据而构成的差动保护，其自动方 程式可以表示成|i 表示线路两端电流采用的瞬时值，K 为制动系数、I 为整定值。当瞬时采用值电流差动保护采用判据窗>9时，制动保护效果最佳。
3.2差動保护运行存在问题及对策
该系统下差动保护运行过程中可能存在的问题有CT 饱和、CT 断线、同步化处理和误码校验、弱馈问题及电容电流问题。当系统出 现故障时，短路电流会有一定幅值的非周期分量，这会导致电流互 感器铁芯的磁密度值快速饱和，这种情况下，励磁的阻抗能力会减 弱，励磁电流增加，导致二次电流的波形畸变。具体表现在以下几 点：（1）发生严重故障后，CT 有一个线性传变区，在该区内能把一次 电流准确的传送到二次侧，并在该区存在的时间会随着故障的严重 程度减少。（2）对因故障电流中非周期分量引起的CT 饱和，励磁电 流和二次电流会出现正负半波波形不对称的问题，且差流波形会有 严重的偏移问题。（3）因稳态短路电流引起的CT 饱和，励磁电流和 二次电流的波形呈奇对称。可见，当CT 饱和时，会使得在电流差动 保护区内的保护延迟，而区外的保护误动。对此，该系统可以采用 CT 饱和识别技术来避免光纤差动保护误动问题的出现。 CT 断线上，与CT 饱和相比，CT 断线虽然不会导致光纤差动保 护误动问题，但是如果发生在区外故障时，会出现误动问题。对此， 可以使用较为成熟的CT 断线依据来检测CT 是否出现断线 问题上，如果在此情况下发生线路内部故障，就会使得弱馈侧的故障电流流入量减小，很可能会导致电流差动保护的拒动。对此，可以 在启动文件中设置一个低压辅助启动元件，一旦电压比该气动元件 定值低，就可启动，此时非弱馈侧的保护就会收到启动信号，进而驱 动电流差动的保护出口，达到切除故障的目的。
3.3小电流接地选线功能
基于数字式光纤差动技术设置的煤矿供电防越级跳闸保护系 统，其小电流接地选线方法可以采用消弧线圈并联中值电阻选线 法。该方法又可分为主动式选线和被动式选线，主动式选线主要是 通过改变系统的运行方式或结构，根据系统的该变量进行选线，有 消弧线圈并联中值电阻法、注入法和残留增量法。不过，后两者方法 在理论研究上的缺陷，使得其在实际应用价值不高，主要是采用消 弧线圈并联中值电阻法。消弧线圈并联中值电阻法是指发生单相接 地时，在消弧线圈的两端能快速并联一个中值电阻，增加故障线路 的零序电流，以正确选线。该方法的工作原理是：在系统处于正常状 态下，利用该方法打开可控开关，中值电阻不会投入系统，中性点的 消弧线圈会对补偿系统的容性电流进行跟踪，但受感性电流和容性 电流基本相等影响，其方向相反；当有单相电弧性接地故障出现时， 受消弧线圈的补偿作用影响，故障点的电流会快速减少，使得电弧 熄灭，故障消失；当出现永久性接地故障时，消弧线圈就会立即跟踪 补偿，系统稳定后，闭合可控开关让中值电阻投入的时间缩短，促使 非故障线路和故障线路的零序电流相区别，方便选线。
4 .结论
目前煤矿井下供电系统线路保护普遍面临着速断过流保护定值无法整定、失压保护零时延、漏电保护无法实现比较、保护器功能不全及通讯能力差等多个难题，导致煤矿井下供电出现欠压、漏电、过流、短路等故障，严重威胁井下供电其可靠性。尤其是广泛存在的“越级跳闸”，它是影响煤矿井下安全供电的一个重要因素，对井下供电系统安全及可靠运行造成严重的威胁。
参考文献：
[1]卢喜山， 张祖涛， 李卫涛. 煤矿供电系统基于纵联差动保护原理的防越级跳闸技术研究[J]. 煤矿机械， 2011， 32（4）：71-73.
[2]毛卫清. 煤矿供电系统防越级跳闸技术应用探讨[J]. 煤炭工程， 2013， 45（6）：15-17.
【关键词】煤矿；供电；防越级跳闸；保护应用
1. 导言
本文了分析了煤矿井下供电广泛存在的“越级跳闸”问题和防越级跳闸保护系统；介绍防越级跳闸保护系统主要构成部分及其所具有的独特优势，并结合某煤矿井下供电系统的实际情况进行了该煤矿供电防越级跳闸保护系统的方案设计，能够有效地避免越级跳闸的发生。
2. 原因分析
矿井电网存在“越级跳闸”的原因煤矿井下巷道狭窄，空气潮湿，在此环境下使用的电器设备、供电电缆和电缆接头容易发生漏电和短路事故。目前，我国煤炭企业电网多为多级辐射状的供电模式，其特点为供电线路短，延伸级数多，不同级别的短路电流很接近，一旦线路某处短路，短路电流可达数千安到上万安，短路点上面的各级开关都满足电流速断保护跳闸条件，当上级开关跳闸灵敏度高时上级开关跳闸，造成越级跳闸，甚至会直接造成地面变电站开关越级跳闸，特别是35 k V系统，造成全矿井停电的恶性事故，甚至会出现主扇停风事故。传统的三段式过电流保护无法兼顾保护动作快速性和选择性的要求，当井下供电系统发生故障时，普遍存在“越级跳闸”现象，造成恢复供电时间延长，直接影响井下的安全生产。在煤矿供电电网中，造成越级跳闸的主要原因主要有以下几种：1）短路保护难以整定。井下供电线路短、多级变电所级联导致拓扑结构复杂，短线路零秒的速断保护无保护区，在线路末端发生短路故障时，其上级开关及上几级开关感受的短路电流几乎差不多，各级开关的零秒速断保护无选择性跳闸而造成越级跳闸；井下供电系统没有时间级差，过流保护整定困难，在发生短路故障时，极易出现越级跳闸的情况。同时，井下防爆开关的拒动现象也时有发生，也极易造成越级跳闸现象的发生。目前的系统以短路保护为主保护，系统图上每个蓝色小方块代表一个短路保护。当采区变电所任何一条负荷线出现故障时，都有可能导致上一级变电所开关跳闸，即“越级跳闸”，导致停电范围扩大。2）传统意义上的光纤纵差保护不能解决所有问题。将传统的光纤纵差保护作为联络线的主保护，能够可靠解决部分“越级跳闸”问题，但对于三端线路及多端线路却不能解决。因为现有的光纤纵差模型全部是根据两端线路配置的，如果需要对多端线路进行光纤纵差处理，则存在技术上的难点而无法实现。
3. 煤矿供电防越级跳闸保护系统的应用实现
3.1数字式光纤差动保护原理
本文所采用的数字式光纤差动自动保护系统的保护原理可以 从瞬时采样值的电流差动保护和故障分量电流差动保护两大原理 进行分析。瞬时采样值的电流差动保护原理主要作用是判断有无发 生区内故障，是指按照一定判断依据而构成的差动保护，其自动方 程式可以表示成|i 表示线路两端电流采用的瞬时值，K 为制动系数、I 为整定值。当瞬时采用值电流差动保护采用判据窗>9时，制动保护效果最佳。
3.2差動保护运行存在问题及对策
该系统下差动保护运行过程中可能存在的问题有CT 饱和、CT 断线、同步化处理和误码校验、弱馈问题及电容电流问题。当系统出 现故障时，短路电流会有一定幅值的非周期分量，这会导致电流互 感器铁芯的磁密度值快速饱和，这种情况下，励磁的阻抗能力会减 弱，励磁电流增加，导致二次电流的波形畸变。具体表现在以下几 点：（1）发生严重故障后，CT 有一个线性传变区，在该区内能把一次 电流准确的传送到二次侧，并在该区存在的时间会随着故障的严重 程度减少。（2）对因故障电流中非周期分量引起的CT 饱和，励磁电 流和二次电流会出现正负半波波形不对称的问题，且差流波形会有 严重的偏移问题。（3）因稳态短路电流引起的CT 饱和，励磁电流和 二次电流的波形呈奇对称。可见，当CT 饱和时，会使得在电流差动 保护区内的保护延迟，而区外的保护误动。对此，该系统可以采用 CT 饱和识别技术来避免光纤差动保护误动问题的出现。 CT 断线上，与CT 饱和相比，CT 断线虽然不会导致光纤差动保 护误动问题，但是如果发生在区外故障时，会出现误动问题。对此， 可以使用较为成熟的CT 断线依据来检测CT 是否出现断线 问题上，如果在此情况下发生线路内部故障，就会使得弱馈侧的故障电流流入量减小，很可能会导致电流差动保护的拒动。对此，可以 在启动文件中设置一个低压辅助启动元件，一旦电压比该气动元件 定值低，就可启动，此时非弱馈侧的保护就会收到启动信号，进而驱 动电流差动的保护出口，达到切除故障的目的。
3.3小电流接地选线功能
基于数字式光纤差动技术设置的煤矿供电防越级跳闸保护系 统，其小电流接地选线方法可以采用消弧线圈并联中值电阻选线 法。该方法又可分为主动式选线和被动式选线，主动式选线主要是 通过改变系统的运行方式或结构，根据系统的该变量进行选线，有 消弧线圈并联中值电阻法、注入法和残留增量法。不过，后两者方法 在理论研究上的缺陷，使得其在实际应用价值不高，主要是采用消 弧线圈并联中值电阻法。消弧线圈并联中值电阻法是指发生单相接 地时，在消弧线圈的两端能快速并联一个中值电阻，增加故障线路 的零序电流，以正确选线。该方法的工作原理是：在系统处于正常状 态下，利用该方法打开可控开关，中值电阻不会投入系统，中性点的 消弧线圈会对补偿系统的容性电流进行跟踪，但受感性电流和容性 电流基本相等影响，其方向相反；当有单相电弧性接地故障出现时， 受消弧线圈的补偿作用影响，故障点的电流会快速减少，使得电弧 熄灭，故障消失；当出现永久性接地故障时，消弧线圈就会立即跟踪 补偿，系统稳定后，闭合可控开关让中值电阻投入的时间缩短，促使 非故障线路和故障线路的零序电流相区别，方便选线。
4 .结论
目前煤矿井下供电系统线路保护普遍面临着速断过流保护定值无法整定、失压保护零时延、漏电保护无法实现比较、保护器功能不全及通讯能力差等多个难题，导致煤矿井下供电出现欠压、漏电、过流、短路等故障，严重威胁井下供电其可靠性。尤其是广泛存在的“越级跳闸”，它是影响煤矿井下安全供电的一个重要因素，对井下供电系统安全及可靠运行造成严重的威胁。
参考文献：
[1]卢喜山， 张祖涛， 李卫涛. 煤矿供电系统基于纵联差动保护原理的防越级跳闸技术研究[J]. 煤矿机械， 2011， 32（4）：71-73.
[2]毛卫清. 煤矿供电系统防越级跳闸技术应用探讨[J]. 煤炭工程， 2013， 45（6）：15-17.