10 kV輸電線路故障分析及其自動化技術(shù)分析

霍向飛

（神華國能哈密電廠，新疆 哈密 839000）

0 引言

目前，我國已經(jīng)基本實現(xiàn)了10 kV輸電網(wǎng)絡(luò)的全覆蓋，全國各地的人民群眾均能享受優(yōu)質(zhì)、穩(wěn)定的電能，大幅度提高了生活質(zhì)量。但隨著城市化的深入發(fā)展，特別是“智慧城市”的建設(shè)，導(dǎo)致城市的用電需求出現(xiàn)了不斷增加的態(tài)勢[1]。與之相比，10 kV輸電網(wǎng)絡(luò)能夠承載的最大供電壓力的增長速度緩慢，導(dǎo)致運行期間容易發(fā)生多種故障，在一定程度上影響了供電的穩(wěn)定性和安全性?；诖?，電力公司必須對10 kV輸電線路常見的故障進行梳理、排除，并探索應(yīng)用自動化監(jiān)測技術(shù)的可行性。

1 10 kV輸電線路常見故障類型

1.1 輸電線路雷擊故障

在我國南方某村落中，共設(shè)有3條10 kV輸電線路（饋線），此外還設(shè)有60條支線，總長度達到65.649 km，幾乎全部為架空線路。該村落的10 kV架空輸電網(wǎng)絡(luò)的輸電方式相對單一，全部為單輻射形式，主要供電特點為半徑長、T接口多、分支線路多、用戶密集程度較低以及負荷集中度不足。據(jù)當(dāng)?shù)仉娏Σ块T的統(tǒng)計，配網(wǎng)內(nèi)共設(shè)有12臺柱上開關(guān)、75臺配變。該村落坐落于山區(qū)，與周邊山脈形成了丘陵地帶，加之陰雨天氣較多，因此經(jīng)常出現(xiàn)輸電線路因雷擊而出現(xiàn)故障的情況。根據(jù)近年來的資料記載，雷擊故障類型主要分為以下2種：1） 常規(guī)雷電事故。線路閃絡(luò)最為常見，一旦出現(xiàn)便容易導(dǎo)致村落配電網(wǎng)絡(luò)輸配電作業(yè)中斷。與此同時，該地區(qū)10 kV配網(wǎng)存在較為嚴重的線路老化情況，導(dǎo)致部分電氣設(shè)備的絕緣裝置的絕緣性能無法承載雷電的沖擊，導(dǎo)致雷電事故頻繁發(fā)生。2） 該村落在2018年9月初發(fā)生的絕緣子閃絡(luò)放電事件具有較強的代表性。經(jīng)事后調(diào)查，故障是由P-15T設(shè)備積累的灰塵而引起閃絡(luò)，導(dǎo)致相間短路故障，造成全村在4 h內(nèi)無電供應(yīng)，嚴重影響村內(nèi)居民的正常生產(chǎn)生活。細查后發(fā)現(xiàn)，在該村落10 kV輸電網(wǎng)絡(luò)中，很多電氣設(shè)備均缺少有效的防護設(shè)施，大多與空氣直接接觸。時間一久，部分絕緣子表面和內(nèi)部均積累了大量灰塵，當(dāng)空氣濕度提高時，便形成了一層可導(dǎo)電的膜，最終引發(fā)閃絡(luò)、設(shè)備防護層擊穿或引發(fā)故障接地。

1.2 輸電線路跳閘事故

1.2.1 自動斷線裝置越級跳閘故障

包括10 kV、110 kV在內(nèi)的很多規(guī)模輸電網(wǎng)絡(luò)中均有可能出現(xiàn)越級跳閘故障，該故障是指輸配電過程中，某一個區(qū)域出現(xiàn)了故障，需要即刻斷開該區(qū)段內(nèi)全部接入輸配電網(wǎng)絡(luò)的電氣設(shè)備，從而達到隔絕故障、保護電氣設(shè)備的目的。但本應(yīng)斷開（跳閘）的自動斷線裝置并未啟動，而是由其他斷路裝置跳閘而即時切除了故障線路[2]。導(dǎo)致該類型故障的主要原因涉及歷史因素，即在2014年之前，我國電力配件市場中存在多種類型的控制開關(guān)，在設(shè)計方式、原件保護技術(shù)方面均采用不同的技術(shù)工藝。當(dāng)“統(tǒng)一性”不足的控制開關(guān)被放置于同一個輸配電網(wǎng)絡(luò)時，相互之間的通電原理、控制與被控制的邏輯關(guān)聯(lián)性均會發(fā)生“互相抵觸”的情況，最終導(dǎo)致越級跳閘現(xiàn)象（其本質(zhì)是一種故障）。防止該故障再度發(fā)生的方式相對簡單，即對線路使用的開關(guān)進行核查，保證開關(guān)在制作工藝、運行原理方面達成“邏輯性統(tǒng)一”，即可避免“抵觸”，不會再度出現(xiàn)越級跳閘故障。

1.2.2 引線裝置連接不牢

該類型的故障常常發(fā)生于農(nóng)村10 kV輸電網(wǎng)絡(luò)中，多體現(xiàn)在線耳、線夾以及刀閘的固定牢固度不足，造成負載偏離正常值，從而導(dǎo)致發(fā)熱問題。

1.3 外力因素引發(fā)故障

因外力作用而導(dǎo)致10 kV輸電線路出現(xiàn)的故障是一類常見的故障，主要是線纜、線桿受到外力撞擊后，出現(xiàn)輸電結(jié)構(gòu)受損。

1.3.1 惡劣天氣引發(fā)

在上文所述的案例中，該村落地處山區(qū)，山林中存在大量野生的樹木、竹子。由于10 kV架空導(dǎo)線與高大植物之間的安全距離不足，因此當(dāng)出現(xiàn)規(guī)模較大的風(fēng)雨天氣時，竹子、樹木可能發(fā)生斷裂，在傾倒的過程中，直接壓迫或壓斷線纜，進而造成跳閘等事故。

1.3.2 線路掛物引發(fā)

放風(fēng)箏是一種傳統(tǒng)的游戲，能夠使人們身心愉悅。但在現(xiàn)代社會，很少能夠找到地面、空中同時處于“空曠”的場所。因此，在現(xiàn)代社會中，放風(fēng)箏的危險性也已經(jīng)提高，稍有不慎便可導(dǎo)致風(fēng)箏線、風(fēng)箏纏繞在10 kV架空線纜中，從而引發(fā)故障。

2 10 kV輸電線路故障自動化診斷分析處理技術(shù)梳理

2.1 基于重合器與過流脈沖計數(shù)分段器的10 kV輸電線路故障自動處理技術(shù)

對上述問題進行處理時，可通過應(yīng)用饋線自動化技術(shù)，完成對10 kV輸電線路的自動化控制，進而及時分析并處理故障。該饋線自動化技術(shù)的主要原理為借助具備一定功能的開關(guān)完成簡易自動化控制。此外，還應(yīng)與電源側(cè)前級的開關(guān)互相配合，使線路具備基礎(chǔ)功能的同時，在遇到“輸電線路失壓”或“無電流流通”等情況時，還能自動分閘，達到隔離故障設(shè)備（線路段）或恢復(fù)供電的目的。這類具備自動化處理功能的開關(guān)控制一般具備以下2個功能：1） “電壓-時間”特性。即通過加壓、施壓時間的長短來控制開關(guān)的動作。2） “過流脈沖計數(shù)”。在一段時間內(nèi)，計算前級開關(guān)針對故障電流執(zhí)行開閉操作的次數(shù)，當(dāng)達到臨界數(shù)量之后，表明該段電路問題頻發(fā)，可能存在故障，需要對其進行隔離處理（可能并未實際發(fā)生故障），進而實現(xiàn)提前隔離潛在故障區(qū)的目的。

必須承認的是，盡管現(xiàn)代10 kV輸電線路能夠在一定程度上實現(xiàn)對故障的自動化分析及處理，但處理的程度相對有限，其原理實際上就是“人腦”與“電腦”的最大區(qū)別。具體來說，人工判斷10 kV輸電線路的故障時，可通過觀察線路表面情況（例如上文提到的風(fēng)箏等異物掛線而引發(fā)的故障），結(jié)合相關(guān)參數(shù)，進而做出相應(yīng)的處理。但自動化控制系統(tǒng)僅依靠預(yù)先設(shè)置好的控制程序，分析相關(guān)數(shù)值是否接近、達到或者超過臨界值，進而做出相應(yīng)的反應(yīng)?；谥睾掀髋c過流脈沖計數(shù)分段器的饋線自動化方式的運行原理為當(dāng)10 kV輸電線路出現(xiàn)故障且導(dǎo)致重合器跳閘后，分段器會維持在合閘的位置。經(jīng)歷故障電流的分段器過流脈沖計數(shù)器在數(shù)值技術(shù)方面會“加1”，一旦該數(shù)值達到預(yù)設(shè)標準值，則該分段器便不會在進行電流間隙分段作業(yè)；當(dāng)重合器再次閉合，可將故障區(qū)段線路重新接入配電網(wǎng)絡(luò)并恢復(fù)供電。如圖1所示，是常見的10 kV配電網(wǎng)局部線路構(gòu)成圖，其中，A為重合器，B、C和D均為過電流脈沖計數(shù)分段器，初始計數(shù)次數(shù)均整定為2次。當(dāng)輸電線路處于正常運轉(zhuǎn)狀態(tài)時，重合器A、分段器開關(guān)B、分段器開關(guān)C以及分段器開關(guān)D均處于閉合狀態(tài)，電流正常輸送。當(dāng)與B、D并聯(lián)的C及之后電路出現(xiàn)故障時，A立刻跳閘，且分段器C計“過電流”1次，此時，計數(shù)值為“1”，尚未達到“整定2”的限制，因此所有分段器開關(guān)均保持合閘狀態(tài)不變[3]。經(jīng)過一段時間后，重合器A從斷開狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)殚]合狀態(tài)，如果C的故障是一種瞬時性故障，且此時已經(jīng)不影響正常輸配電，則A的閉合過程不受任何影響，線路不存在任何“運行不暢”的情況。繼續(xù)運行一段時間后，如果沒有發(fā)生新的故障，則之前對C執(zhí)行的“計數(shù)1次過電流”的數(shù)值會從“1”調(diào)整至“0”，即恢復(fù)至初始狀態(tài)。如果C的故障具備長期性和永久性，則A同樣需要進行重合，保證B、D的正常通電，但C及后續(xù)輸電線路段會被暫時切斷，待后續(xù)進行詳細檢查。

圖1 基于重合器與過流脈沖計數(shù)分段器的10 kV輸電線路故障自動處理示意圖

2.2 10 kV輸電線路防外力破壞智能視頻預(yù)警監(jiān)控裝置

2.2.1 裝置系統(tǒng)組成

某公司研制的10 kV輸電線路防外力破壞智能視頻預(yù)警監(jiān)控裝置的型號為TLKS-PMG-WP，屬于輸電線路在線監(jiān)測系列產(chǎn)品，主要由前端、后端2個子系統(tǒng)構(gòu)成：1） 前端。主要由激光越線傳感器、高清圖像識別傳感器、攝像機、低功耗視頻主機、語音喇叭以及供電系統(tǒng)組成。2） 后端。主要由計算機監(jiān)控軟件和服務(wù)器等電子計算機相關(guān)設(shè)備組成。

2.2.2 裝置主要功能

該系統(tǒng)的主要功能如下：1） 以激光越線探測器作為核心元器件，可設(shè)置在輸電線路走廊合適位置，對安全距離以下區(qū)域發(fā)生的一切情況進行監(jiān)測。例如監(jiān)控范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)違規(guī)施工情況，且相關(guān)器械已經(jīng)越界，有可能導(dǎo)致10 kV線路受到外力侵害時，系統(tǒng)會自動發(fā)出越線警告。2） 能夠有效地對輸電線路外臨近的一段區(qū)域進行智能視頻監(jiān)控。3） 具備較強的防盜探測報警功能，可檢測非法攀爬鐵塔、偷盜塔材的行為。4） 具備語音警示驅(qū)逐功能。5） 具備電源遠程管理功能。6） 能夠在低溫條件下工作。7） 能夠抵抗電磁干擾（通過了電磁測試），且具備專業(yè)的防雷、防水和防腐蝕設(shè)計（注：上述多種防干擾設(shè)計是指該系統(tǒng)本身，并不包括其監(jiān)控的10 kV輸電線路）。如果監(jiān)測系統(tǒng)出現(xiàn)短路等故障時，系統(tǒng)可即時切斷與電路的連接，并在一段時間后嘗試重新接入電路。8） 裝置運行控制系統(tǒng)建立在4G EVDO/WCDMA通信平臺上，能夠在許多惡劣環(huán)境（例如大風(fēng)、強降雨、冰雹和暴雪等）下持續(xù)工作，整機長時間連續(xù)工作時間超過10 000 h[4]。9） 具備自動定時、自動接收視頻監(jiān)控裝置采集的視頻數(shù)據(jù)的功能，可遠程設(shè)置視頻數(shù)據(jù)的采集方式，并對時間進行跟蹤糾正。具體來說，針對10 kV輸電線路進行監(jiān)控時，存在一個經(jīng)常被人們忽略的問題，即時間是否統(tǒng)一，例如相鄰的2個監(jiān)控攝像頭彼此之間有可能存在數(shù)十秒的時間誤差。因此，一旦出現(xiàn)人為偷盜輸電線路、電氣設(shè)備等情況，在對比2個監(jiān)控攝像頭“同一時間”的監(jiān)控影像時，有可能漏掉關(guān)鍵信息。基于此，自動化監(jiān)控設(shè)備在聯(lián)網(wǎng)的情況下，每間隔一段時間，便能對每個攝像頭裝置的時間進行追蹤校正，將對應(yīng)時間的監(jiān)控信息修正至正確的時間段，避免出現(xiàn)錯誤。

2.2.3 裝置相關(guān)技術(shù)參數(shù)

10 kV輸電線路防外力破壞智能視頻預(yù)警監(jiān)控裝置的技術(shù)參數(shù)見表1，該裝置適用于大部分環(huán)境，可在手機客戶端進行遠程控制以及對參數(shù)進行實時調(diào)節(jié)，能夠有效監(jiān)測10 kV輸電線路的外部態(tài)勢，可及時預(yù)警，避免因機械操作、樹木倒塌或人為偷盜等因素而導(dǎo)致10 kV輸電線路受損（如果出現(xiàn)樹木倒塌等非人力行為，則可將視頻畫面實時傳遞至10 kV輸電線路視頻監(jiān)控中心，派遣專人及時前往處理）。

表1 10 kV輸電線路防外力破壞智能視頻預(yù)警監(jiān)控裝置相關(guān)技術(shù)參數(shù)

2.2.4 裝置的實際應(yīng)用舉例分析

該裝置自帶圖像視頻檢測手段以及多光譜雷達檢測技術(shù)（可根據(jù)用戶要求添加），應(yīng)用于山區(qū)10 kV輸電線路布設(shè)區(qū)域后，可實時監(jiān)測輸電線路周邊的煙霧、火情，根據(jù)計算機監(jiān)控軟件預(yù)先設(shè)置的控制參數(shù)，系統(tǒng)可自動判斷發(fā)生山火的可能性、山火發(fā)生線路以及10 kV桿塔的相關(guān)信息。一旦出現(xiàn)火情，系統(tǒng)就會迅速啟動預(yù)警，并借助無限網(wǎng)絡(luò)通信方式完成相關(guān)信息的傳遞，使有關(guān)部門在處理險情的過程中占據(jù)主動地位。

2.3 10 kV輸電線路故障在線監(jiān)測系統(tǒng)

上述10 kV輸電線路防外力破壞智能視頻預(yù)警監(jiān)控裝置主要防止外力對10 kV輸電線路造成破壞。如果故障發(fā)生在線路內(nèi)部，則該裝置無法提供相關(guān)信息?；诖?，還需要搭配10 kV輸電線路內(nèi)部故障在線檢測系統(tǒng)。

該系統(tǒng)名稱為Acrel-3000電能管理系統(tǒng)，層級分布情況如圖2所示。實際上，該系統(tǒng)監(jiān)控10 kV輸電線路內(nèi)部故障的原理與傳統(tǒng)的傳感器監(jiān)測模式幾乎一致，但提升之處在于，它利用通信管理機對一定范圍內(nèi)的所有監(jiān)測裝置進行統(tǒng)一管理。具體來說，線路中負責(zé)監(jiān)測電氣設(shè)備過載、溫度的斷開器裝置按照一定順序完成編碼（可以是1、2、3……），當(dāng)編號為3的斷開裝置啟動時，就意味該裝置對應(yīng)的電氣設(shè)備出現(xiàn)電壓過高的故障（可能是短路，也可能是異常接地故障）。該信息會及時傳遞至計算機總控端，為事后查找故障具體原因提供證據(jù)。

圖2 Acrel-3000電能管理系統(tǒng)構(gòu)造原理圖

3 結(jié)語

綜上所述，10 kV輸電線路的故障類型較為常見，解決以及排除故障的技術(shù)也相對固定，在技術(shù)層面并不具備難度。未來的發(fā)展方向為借助自動化監(jiān)控系統(tǒng)，對分散在線路各處、具備各類功能的裝置進行控制，待發(fā)生故障時自行處理并做好記錄，進一步提升10 kV輸電線路運行的穩(wěn)定性。實現(xiàn)“自動化”的方式應(yīng)分兩步走：1） 運行監(jiān)督方面的自動化，即通過Acrel-3000電能管理系統(tǒng)、10 kV輸電線路防外力破壞智能視頻預(yù)警監(jiān)控裝置等對輸電線路的運行情況進行監(jiān)督，在問題發(fā)生前便予以阻止。2） 既定問題處理方面的自動化，可通過編制程序控制代碼，在發(fā)生故障時及時切斷電源，避免故障范圍擴大，經(jīng)過一段時間后，評估故障是否消除，將已經(jīng)穩(wěn)定的設(shè)備重新接入并正常運轉(zhuǎn)，全面保證電路的運行安全。