煤矿井下变压器短路保护计算公式的探讨

[摘要]本文对煤矿井下10kV变压器短路保护计算公式进行对比和探讨，分析了地面车间终端变压器和煤矿井下变压器保护设定范围的不同，针对煤矿井下供电系统中，变压器瞬时速断电流保护计算公式，分析了可靠系数、需用系数的作用和影响，方便理清思路，规范计算。

[关键词]煤矿；变压器；保护

引言

煤矿井下环境特殊，对供电系统的安全可靠性要求高，必须严格按照有关规定进行供电系统的设计和计算。关于变压器的短路保护计算，地面供电系统和煤矿井下供电系统在保护要求和计算公式上有很大的不同。同样是煤矿井下变压器短路保护计算公式，在《煤矿电工手册》（以下简称《手册》）和《煤矿井下供电的三大保护细则》（以下简称《细则》）中的计算公式也有细节上的差别，那么在实际应用中，我们应该怎么去规范计算呢？本文通过基本的分析，提出自己的观点，作为同行业人员的参考。

1.井上下变压器短路保护对比

1.1地面供电系统中6-10kV终端变压器短路保护整定规则

地面6-10kV／0.4kV变压器一般采用微机综合保护装置对变压器进行保护。变压器高压侧中性点不接地，变压器的低压侧是三相四线制供电。电流速断保护接在相电流上的保护整定电流按躲过外部短路故障（最大运行方式变压器低压母线三相短路）时，流过保护的最大短路电流整定。同时还应考虑躲过变压器励磁涌流，使变压器能够正常启动。校验保护灵敏系数时，采用保护安装处（变压器高压侧）两相短路故障时流过电流互感器的最小短路电流进行校验。可以认为，变压器电流速断保护是不考虑变压器低压侧两相短路故障的。

1.2煤矿井下10kV变压器短路保护整定规则

地面6-10kV／0.69（1.2）kV变压器内部以及低压侧出线端发生的短路故障，是用高压配电箱来切除的。因此，电流速断保护整定电流按大于变压器的尖峰负荷电流（一般在大负荷启动时），小于低压侧出线端的最小两相短路电流整定。校验保护灵敏系数时，采用变压器低压侧两相短路故障时流过保护安装处（变压器高压侧）电流互感器的最小短路电流进行校验。可以认为，变压器电流速断保护必须在变压器低压侧两相短路故障情况下，可靠动作。

1.3两者的对比

对继电保护装置的要求，根据不同的需求，往往有所侧重。无论地面还是煤矿井下，变压器都是供电系统中最关健的设备，对其保护装置的灵敏度都有很高的要求。通过对比可以得出以下结论：（1）保护范围不同。对地面车间终端变压器，电流I段（无时限电流速断保护）可以不考虑低压侧的最小两相短路故障，而把这种保护功能放在电流II段（定时限过电流保护），经一定时间延时来切除故障。而对煤矿井变压器，电流I段（无时限电流速断保护）必须在低压侧的最小两相短路故障情况下可靠动作。（2）两者的差别，反映出煤矿井下对电流保护“确保可靠性和快速性，兼顾选择性”的特点。（3）煤矿井下，在变压器低压侧短路故障时，某些情况下会失去选择性，造成高压侧保护动作与低压侧故障，即所谓的越级跳闸。（4）煤矿井下变压器保护计算中也应考虑变压器励磁涌流的影响，使变压器能够正常启动运行。

2.煤矿井下变压器短路保护整定计算公式的对比说明

《细则》中针对新型电子式高压综合保护器，对原有电磁式过电流继电器保护装置的计算公式进行了改进，主要是考虑电子式保护装置硬件性能更好，有较高的灵敏性和可靠性，因此，取消了原有公式中“1.2～1.4”的可靠系数。《手册》中则认为，新型高压真空配电箱尽管采用的是电子式过流保护装置，性能各异，但整定计算的原则是一样的，也没有另行列出计算公式。

《细则》相对于《手册》，计算公式中最大的不同是引入了需用系数，不管是电磁式还是电子式的保护装置，在其余电气设备的额定电流求和后，引入需用系数加以调节。考虑到需用系数通常小于1，计算结果应该相对引入需用系数前有所减小。

3.整定系数对计算结果的影响

3.1整定系数

继电保护计算公式中引入整定系数，使整定计算结果符合电力系统正常运行及故障状态下的规律，达到正确整定的目的。整定系数应根据保护装置的构成原理、检测精度、动作速度、整定条件以及电力系统运行特性等因素来选择。整定系数的引入，使计算公式有一点的弹性，有更好的适用性。对于变压器短路保护计算公式，有可靠系数和需用系数两个整定系数。

3.2可靠系数

由于计算、测量、调试及继电器等各项误差的影响，使保护整定值偏离预定数值可能引起动作，为此，整定计算公式中引入可靠系数。采用电子式保护装置的变压器瞬时速断电流保护计算，应该引入可靠系数，主要理由如下。（1）计算过程中，电动机的启动电流，其它负荷的工作电流和工作状态，都有变化的因素，不可能绝对精确，需要引入可靠系数加以平衡。（2）煤矿井下变压器瞬时速断电流保护延伸至变压器二次侧，变压器二次侧低压开关瞬时速断保护计算公式与变压器原理相同，如果出于配合的需要，想有所调节，需要引入可靠系数。（3）煤矿井下变压器瞬时速断电流保护是一个下限值，考虑变压器起动时励磁涌流的影响，实际整定值不可能太小，去掉可靠系数没有实际意义。

3.3需用系数

需用系数是用电设备组实际从电网吸收的最大负荷与该用电设备组的额定总容量的比值。煤矿井下变压器瞬时速断电流保护计算公式中，不建议引入需用系数，主要有以下考虑。（1）需用系数的意义是用电设备组的最大负荷达不到用电设备组标称的总容量，所以在负荷统计和负荷计算中应该引入需用系数以反映实际情况。但在保护计算中，应该考虑到最极限的情况，用电设备或用电设备组是有可能达到甚至短时间段超过额定值运行，即保护计算应该考虑到极端情况，不应该因为这种可能的情况不存在或存在几率小就不考虑。（2）煤矿井下设备规格比较清楚，为方便煤矿技术人员计算，用电设备组的总电流一般采用电动机的额定电流相累加，非常方便。如果引入需用系数，会降低保护计算实现的便利性。（3）在实际应用中，计算公式引入调节系数过多（超过两个），会是计算过程难度加大。因为有可靠系数的存在，不建议再引入需用系数。

4.结论

本文结合实际，对煤矿井下变压器瞬时速断电流保护计算公式进行了探讨，分析了保护原理的特点，对计算公式提出了自己的看法：

（1）速断保护延伸至变压器二次侧，保护装置应在变压器二次侧出线端最小两相短路情况下可靠动作。保护可靠性很高，但会丧失一部分选择性。

（2）计算公式中不应该取消可靠系数，同时也不应该引入需用系数。

（3）针对电磁式保护的计算公式，适用于电子式保护装置的整定计算，没必要引入新公式。

需要说明的是，无论采用哪种公式计算，对计算结果没有本质的影响。本文对公式的理解，仅供相关从业人员参考。《手册》和《细则》均印发于上世纪90年代，在煤矿系统作为标准和依据长时间使用，应该引起大家更多关注。