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摘要：本文作者依据多年从事供电管理的经验，总结了引起矿井供电系统越级跳闸的原因，并以姚桥煤矿主井6kV配电站下井线路姚11为例，详细介绍了光纤纵差保护改造的实施经验。将数字化变电站这一最新技术引入矿井供电系统，再配合光纤纵差保护，极大提升了矿井供电系统继电保护水平，为解决矿井供电系统越级跳闸提供了解决方案。
关键词：越级跳闸光纤差动保护 数字化变电站
中图分类号： U223.6 文献标识码： A 文章编号：
1概述
煤矿供电系统呈现出一个单侧电源辐射状电网，随着矿井开采年限的增加，开采深度及开采范围随之增大，使得供电距离越来越远，采区变电所距电源点越来越远,中间经过的供电级数也随之增加（3-6级），保护整定时限和定值配合难度加大，而电力部门对电源保护的时限和定值已经限定，造成井下供电系统末级变电所整定值过小，保护时限过短，使得越级跳闸事故频发。
2越级跳闸原因分析
越级跳闸是指供电系统中发生故障时，超出故障范围以外的开关发生跳闸停电，导致非故障线路停电，致使故障停电影响范围扩大的现象。造成煤矿电网越级跳闸的原因主要有以下几点：
2.1整定方法不合理
部分煤矿电网运行人员由于技术水平受限，进行线路继电保护整定计算时，一般是参照线路流过的最大负荷电流或者线路的安全电流而非短路电流，依据现场的运行经验进行整定，然后再根据实际的保护动作情况进行再调整，继电保护整定形成了主观上的不断尝试与摸索的过程。甚至也存在这样的情况：由于某些原因，部分地方电力系统供电部门只给煤矿电网提供进线保护定值，并且不提供整定过程，煤矿电网运行人员无从准确得到上级系统的短路参数数据，在进行煤矿电网线路保护整定计算时，只能依靠最大负荷电流或者与进线开关保护定值反配合进行整定。
如果速断保护按躲过最大负荷电流整定时，整定值比按短路电流整定得到的值要小得多，一旦线路上某点发生短路故障，该线路及沿线上级保护装置速断保护均会启动，造成越级跳闸，如图1所示。
图1整定方法不合理导致越级跳闸示意图
2.2短线路造成保护定值无法区分
短线路造成越级的原因从本质上讲归结于两点：①线路本身的阻抗值较小，②背侧系统与线路的阻抗比很大（系统内阻抗基数大）。由于这两点特征，短线路上发生短路时，短路电流随短路点位置的变化的曲线变化趋势很平缓，始末端短路电流差值很小。
如果按躲过线路末端最大短路电流整定，由于可靠系数的存在以及大小运行方式的差异，一般经过校验会发现，保护灵敏度小于1，即速断保护在小方式下没有保护范围，线路过短会导致大方式下保护也没有保护范围，达不到保护安装的初衷。为保证速断保护有一定的保护范围（即保证灵敏度），速断保护可以根据灵敏度的要求进行整定。这样虽然保证了小方式下有保护范围，但造成在大方式下（甚至小方式下）短路越级跳闸的后果，如图2所示。
图2短线路导致越级跳闸示意图
2.3系统的运行方式差异较大
系统运行方式差异较大时，会导致系统在按大方式下线路末端三相短路电流进行保护整定后的保护定值要大于系统在小方式下线路首端的两相短路电流，即灵敏度小于1。为保证小方式下速断保护有保护范围，造成在大方式下（甚至小方式下）短路越级跳闸的后果，如图3所示。
图3运行方式差异大导致越级跳闸示意图
2.4 CT变比选择不合适
继电保护对CT的基本要求就是CT能够如实的反映系统一次电流的波形，尤其是在故障时，不但要求反映故障电流的大小，还要求能够准确反映电流的相位和变化趋势。传统的CT是依靠电磁感应原理实现一、二次电流的变换，但由于铁芯本身的磁饱和特性，当系统一次侧的电流超过CT的线性变换范围时，将导致二次输出电流发生畸变，正弦波将变成平顶的波形，即含有大量的非周期分量和谐波分量，导致二次输出电流严重失真，影响继电保护装置动作性能。
3解决方案
3.1基于光纤电流差动保护防越级跳闸
以姚桥煤矿主井6kV配电站下井线路姚11为例，对此线路进行光纤纵差保护论述。
首先若按电流三段保护整定方式，整定值计算如下：
I段：现整定值若按躲末端三相最大短路电流整定
灵敏度校验：
，不满足要求。
为此现整定值按同一灵敏系数法整定
但由整定值表可以看出线路末端大方式下三相短路电流为10.2948kA>6591.2A，存在越级跳闸问题。
II段：现整定值若按与下级电流速断保护配合整定
灵敏度校验：
，不满足要求。
为此现整定值按线路末端故障有足够灵敏度整定
时限取0.15s。
由上述整定计算过程可知，若线路姚11采用阶段式电流保护，线路存在越级跳闸问题，这是阶段式电流保护的局限性所致，为此将主保护设为点对点光纤纵差保护，后备保护设为过流II段保护，当保护区内发生故障时，故障电流达到整定值则差动保护动作；如差动保护拒动，则始端后备保护动作。
3.2基于数字化变电站技术防越级跳闸
当矿井电网存在越级跳闸线路多时，采用光纤电流差动保护防越级跳闸，投资成本大，而且不便于对越级跳闸线路的集中管理，采用数字化变电站技术防越级跳闸，实现线路数字信息共享。
防越级跳闸原理：配置变电站进出线主保护为差动保护，且配置各变电站母线实现母线差动。优点：1）全矿保护信息共享；2）可解决短路防越级、漏电无选择性问题；3）电磁兼容性强，抗干扰能力强；4）功能升级软件化，节约投资；5）基于智能电网架构第三代数字化变电站。
作者簡介：张辉男 工程师 2002年7月毕业于中国矿业大学，现在中煤大屯能源股份有限公司机电管理部从事供电管理工作。
关键词：越级跳闸光纤差动保护 数字化变电站
中图分类号： U223.6 文献标识码： A 文章编号：
1概述
煤矿供电系统呈现出一个单侧电源辐射状电网，随着矿井开采年限的增加，开采深度及开采范围随之增大，使得供电距离越来越远，采区变电所距电源点越来越远,中间经过的供电级数也随之增加（3-6级），保护整定时限和定值配合难度加大，而电力部门对电源保护的时限和定值已经限定，造成井下供电系统末级变电所整定值过小，保护时限过短，使得越级跳闸事故频发。
2越级跳闸原因分析
越级跳闸是指供电系统中发生故障时，超出故障范围以外的开关发生跳闸停电，导致非故障线路停电，致使故障停电影响范围扩大的现象。造成煤矿电网越级跳闸的原因主要有以下几点：
2.1整定方法不合理
部分煤矿电网运行人员由于技术水平受限，进行线路继电保护整定计算时，一般是参照线路流过的最大负荷电流或者线路的安全电流而非短路电流，依据现场的运行经验进行整定，然后再根据实际的保护动作情况进行再调整，继电保护整定形成了主观上的不断尝试与摸索的过程。甚至也存在这样的情况：由于某些原因，部分地方电力系统供电部门只给煤矿电网提供进线保护定值，并且不提供整定过程，煤矿电网运行人员无从准确得到上级系统的短路参数数据，在进行煤矿电网线路保护整定计算时，只能依靠最大负荷电流或者与进线开关保护定值反配合进行整定。
如果速断保护按躲过最大负荷电流整定时，整定值比按短路电流整定得到的值要小得多，一旦线路上某点发生短路故障，该线路及沿线上级保护装置速断保护均会启动，造成越级跳闸，如图1所示。
图1整定方法不合理导致越级跳闸示意图
2.2短线路造成保护定值无法区分
短线路造成越级的原因从本质上讲归结于两点：①线路本身的阻抗值较小，②背侧系统与线路的阻抗比很大（系统内阻抗基数大）。由于这两点特征，短线路上发生短路时，短路电流随短路点位置的变化的曲线变化趋势很平缓，始末端短路电流差值很小。
如果按躲过线路末端最大短路电流整定，由于可靠系数的存在以及大小运行方式的差异，一般经过校验会发现，保护灵敏度小于1，即速断保护在小方式下没有保护范围，线路过短会导致大方式下保护也没有保护范围，达不到保护安装的初衷。为保证速断保护有一定的保护范围（即保证灵敏度），速断保护可以根据灵敏度的要求进行整定。这样虽然保证了小方式下有保护范围，但造成在大方式下（甚至小方式下）短路越级跳闸的后果，如图2所示。
图2短线路导致越级跳闸示意图
2.3系统的运行方式差异较大
系统运行方式差异较大时，会导致系统在按大方式下线路末端三相短路电流进行保护整定后的保护定值要大于系统在小方式下线路首端的两相短路电流，即灵敏度小于1。为保证小方式下速断保护有保护范围，造成在大方式下（甚至小方式下）短路越级跳闸的后果，如图3所示。
图3运行方式差异大导致越级跳闸示意图
2.4 CT变比选择不合适
继电保护对CT的基本要求就是CT能够如实的反映系统一次电流的波形，尤其是在故障时，不但要求反映故障电流的大小，还要求能够准确反映电流的相位和变化趋势。传统的CT是依靠电磁感应原理实现一、二次电流的变换，但由于铁芯本身的磁饱和特性，当系统一次侧的电流超过CT的线性变换范围时，将导致二次输出电流发生畸变，正弦波将变成平顶的波形，即含有大量的非周期分量和谐波分量，导致二次输出电流严重失真，影响继电保护装置动作性能。
3解决方案
3.1基于光纤电流差动保护防越级跳闸
以姚桥煤矿主井6kV配电站下井线路姚11为例，对此线路进行光纤纵差保护论述。
首先若按电流三段保护整定方式，整定值计算如下：
I段：现整定值若按躲末端三相最大短路电流整定
灵敏度校验：
，不满足要求。
为此现整定值按同一灵敏系数法整定
但由整定值表可以看出线路末端大方式下三相短路电流为10.2948kA>6591.2A，存在越级跳闸问题。
II段：现整定值若按与下级电流速断保护配合整定
灵敏度校验：
，不满足要求。
为此现整定值按线路末端故障有足够灵敏度整定
时限取0.15s。
由上述整定计算过程可知，若线路姚11采用阶段式电流保护，线路存在越级跳闸问题，这是阶段式电流保护的局限性所致，为此将主保护设为点对点光纤纵差保护，后备保护设为过流II段保护，当保护区内发生故障时，故障电流达到整定值则差动保护动作；如差动保护拒动，则始端后备保护动作。
3.2基于数字化变电站技术防越级跳闸
当矿井电网存在越级跳闸线路多时，采用光纤电流差动保护防越级跳闸，投资成本大，而且不便于对越级跳闸线路的集中管理，采用数字化变电站技术防越级跳闸，实现线路数字信息共享。
防越级跳闸原理：配置变电站进出线主保护为差动保护，且配置各变电站母线实现母线差动。优点：1）全矿保护信息共享；2）可解决短路防越级、漏电无选择性问题；3）电磁兼容性强，抗干扰能力强；4）功能升级软件化，节约投资；5）基于智能电网架构第三代数字化变电站。
作者簡介：张辉男 工程师 2002年7月毕业于中国矿业大学，现在中煤大屯能源股份有限公司机电管理部从事供电管理工作。