10 kV電力系統(tǒng)安全運(yùn)行要素研究

唐建軍

(國網(wǎng)四川省電力公司南充市高坪供電分公司 四川南充 637000)

在10 kV電力系統(tǒng)中，變電站將110 kV或35 kV高壓電壓轉(zhuǎn)換成10 kV 的電壓，然后通過輸電線路被輸送到不同的配電變壓器，進(jìn)一步降低到400 V或230 V以供使用[1]。若運(yùn)行安全產(chǎn)生問題，會(huì)產(chǎn)生潛在的人員危險(xiǎn)和巨大的經(jīng)濟(jì)損失。例如：福州市一小區(qū)發(fā)生電氣火災(zāi)事故，據(jù)初步調(diào)查疑似因?yàn)?0 kV 電纜維修不當(dāng)，導(dǎo)致電纜損壞引發(fā)火災(zāi)；長沙市一家商場由于10 kV電力系統(tǒng)接地電阻過大，導(dǎo)致漏電過大引起的電氣火災(zāi)事故；臨沂市一家工廠因?yàn)?0 kV電纜老化，絕緣性能下降引起的電弧放電導(dǎo)致發(fā)生爆炸事故。因此，分析10 kV電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行要素對保障電力系統(tǒng)安全運(yùn)行具有重要意義。居民和商戶都要注重電路安全，應(yīng)做到不違規(guī)接線改線、維修找專業(yè)操作人員作業(yè)、配電室等危險(xiǎn)地帶按要求隔離、電纜的使用情況按時(shí)檢查維護(hù)等。

1 10 kV電力系統(tǒng)

根據(jù)電壓等級可將電力系統(tǒng)劃分低壓、中壓和高壓系統(tǒng)等，10 kV 電力系統(tǒng)通常被歸類為中壓系統(tǒng)，由國家電網(wǎng)公司、南方電網(wǎng)公司等大型電力企業(yè)負(fù)責(zé)建設(shè)和運(yùn)營。在日常運(yùn)行中常需要利用變電站進(jìn)行電能轉(zhuǎn)換和分配，配電方式有環(huán)城網(wǎng)、輻射網(wǎng)、網(wǎng)狀網(wǎng)等。目前主要分布在城鄉(xiāng)中小型用電場所等，其用途包括輸送和分配電能，在商業(yè)和工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，如城市中心區(qū)域的供電、工廠和企業(yè)用電、高速公路路燈和交通信號燈的供電等。

1.1 10 kV電力系統(tǒng)特點(diǎn)

10 kV 電力系統(tǒng)具有電壓適中、安全性高、穩(wěn)定性強(qiáng)、輸電效率高等特點(diǎn)，通常用于短至中等距離的電力傳輸，一般為10～50 km[2]。與低壓電力系統(tǒng)相比10 kV電力系統(tǒng)更穩(wěn)定，可以支持更多的電力負(fù)載，具有比較成熟的技術(shù)和設(shè)備支持。輸電效率相對較高，低損耗電能能夠滿足相應(yīng)電力負(fù)荷的需要。

1.2 10 kV電力系統(tǒng)安全運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)

10 kV 電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行需要從設(shè)備、施工、維護(hù)、人工操作和監(jiān)測保護(hù)等多個(gè)方面進(jìn)行全面考慮，并遵守一系列相關(guān)的國家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

設(shè)備需要能夠承受預(yù)設(shè)的電力負(fù)荷和環(huán)境的影響，在運(yùn)行全程安全可靠，符合國家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，如變電站的開關(guān)設(shè)備需要符合《高壓交流開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)的共用技術(shù)要求》（GB/T 11022-2020）。

在施工和后續(xù)維護(hù)的過程中，技術(shù)人員要具備專業(yè)技能證書，深度掌握技術(shù)操作規(guī)程和應(yīng)急預(yù)案，保證操作的安全和可靠，避免電力系統(tǒng)由于人為失誤造成的損傷。如變電站操作人員需要通過培訓(xùn)考核，持有高壓電工作證和高壓操作證。變電站維護(hù)需要符合《變電站現(xiàn)場安全技術(shù)規(guī)程》（GB/T 17467-2020）和《電氣設(shè)備安裝工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》（GB 50150-2016）的標(biāo)準(zhǔn)。

2 10 kV電力系統(tǒng)安全運(yùn)行要素和常見故障類型

2.1 10 kV電力系統(tǒng)安全運(yùn)行要素

10 kV 電力系統(tǒng)安全運(yùn)行要素包括設(shè)備、運(yùn)行管理、人員素質(zhì)、技術(shù)創(chuàng)新、消防安全、計(jì)劃管理、緊急預(yù)案等，要做好電力系統(tǒng)安全運(yùn)行，必須各要素都入手，以確保電力系統(tǒng)運(yùn)行的安全可靠性。

設(shè)備安全要素表現(xiàn)在電纜、電線、開關(guān)、變壓器、母線等相關(guān)設(shè)備必須選擇符合國家標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定的。在運(yùn)行管理方面，電網(wǎng)部門需要對10 kV 電力系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)常規(guī)監(jiān)測，提前針對電力系統(tǒng)可能產(chǎn)生的故障情況制訂詳細(xì)的應(yīng)急預(yù)案等。在操作人員的專業(yè)素養(yǎng)方面，不同電力領(lǐng)域工作人員必須經(jīng)過專業(yè)培訓(xùn)和考核。在技術(shù)創(chuàng)新方面，提高深度學(xué)習(xí)、數(shù)據(jù)挖掘、AI等數(shù)字技術(shù)應(yīng)用頻度。在消防安全方面，必須加強(qiáng)消防設(shè)備的全面落實(shí)，科普消防設(shè)施滅火方法，對設(shè)備周圍的安全區(qū)域進(jìn)行標(biāo)識和劃分，保證安全區(qū)域內(nèi)只允許經(jīng)過培訓(xùn)和授權(quán)的人員進(jìn)入。

2.2 10 kV電力系統(tǒng)常見故障類型

10 kV 電力系統(tǒng)的安全問題主要分為機(jī)械故障和人工故障兩種。機(jī)械故障包括線路自身或環(huán)境因素引起的短路、開路、過載和接地故障；人工故障包括技術(shù)人員操作失誤、居民私接線或改線等[3]，這些因素都會(huì)降低整個(gè)供配電系統(tǒng)的運(yùn)行質(zhì)量，妨礙供配電系統(tǒng)工作。部分線路故障占比如圖1所示。

圖1 部分線路故障占比

電纜絕緣損壞、設(shè)備內(nèi)部故障或線路接頭松動(dòng)、老化最容易引起短路故障[4]。短路時(shí)兩個(gè)或多個(gè)電線之間或與其他導(dǎo)體發(fā)生直接接觸，線路電流過載、電壓下降、電線發(fā)熱，若未及時(shí)處理可能導(dǎo)致設(shè)備受損、發(fā)生火災(zāi)和停電甚至危害生命等情況。例如：機(jī)器電源線絕緣材料老化、開裂并與機(jī)器外殼直接接觸，從而發(fā)生短路，使機(jī)器外殼充滿電荷。當(dāng)操作人員作業(yè)時(shí)接觸設(shè)備并接地，電荷就會(huì)流過人體造成電擊傷害。

短路與過載有密切聯(lián)系，當(dāng)電流超過設(shè)備或線路的額定電流時(shí)電路系統(tǒng)負(fù)載增加，電線中傳輸?shù)碾娏鬏^大，使電線過于熱化，熱化的電線導(dǎo)致銅線絕緣層損壞，形成一個(gè)短路環(huán)路，導(dǎo)致持續(xù)過載，以至于熔斷電線保護(hù)器，使電線損壞甚至失效。

開路故障包括離散型開路和線路故障導(dǎo)致自動(dòng)跳閘。離散型開路指電路中某部分的電源電線中斷或損壞，導(dǎo)致電路中該部分的電氣設(shè)備斷電。線路故障導(dǎo)致自動(dòng)跳閘是指當(dāng)電力系統(tǒng)檢測到線路短路或過載等故障時(shí)自動(dòng)跳閘切斷電路。兩種開路故障都會(huì)由于部分負(fù)載消失，使未斷電部分得到過多的電源電壓供應(yīng)，電源電壓過高。過高的電源電壓可能損壞線路或設(shè)備的電子元件或電線，使其無法正常工作，甚至永久損壞。

接地故障指電氣設(shè)備或電路出現(xiàn)零線與設(shè)備或結(jié)構(gòu)不良接觸或短路，導(dǎo)致漏電電流沿電氣設(shè)備外表面流回電源，通常在接地電容的幫助下形成回路，從而使設(shè)備帶有電壓。漏電故障指電氣設(shè)備或電路出現(xiàn)接觸電流路徑，使電流越過設(shè)備或電路外表面（如接地線或使用者身體），直接流回地面。接地和漏電故障都會(huì)使電器帶電，容易使人受到觸電傷害。

人為主觀造成的故障包括技術(shù)人員誤操作、居民用電不當(dāng)?shù)?。例如：技術(shù)人員操作失誤導(dǎo)致絕緣子、導(dǎo)線等接觸不良，電流過大；未及時(shí)更換老化或損壞的絕緣子和電纜，或未對設(shè)備進(jìn)行定期檢查和維護(hù)；在維修電力線路時(shí)，操作人員距離線路太近造成侵占安全距離現(xiàn)象，發(fā)生觸電事故；在工程不當(dāng)施工可能會(huì)導(dǎo)致線路短路或接線錯(cuò)誤等問題；居民私拉亂接電線到電力系統(tǒng)中可能會(huì)導(dǎo)致電線過載，引起火災(zāi)和其他安全隱患；部分居民私自調(diào)整電表、違法搭建電線、違規(guī)使用電氣設(shè)備等，導(dǎo)致電線接觸不良、電線過載引起火災(zāi)和其他安全隱患；在電力緊張的情況下，居民可能會(huì)違規(guī)使用電力。使用不符合規(guī)格的電氣設(shè)備，或同時(shí)使用多個(gè)高功率電氣設(shè)備，在停電時(shí)私自開啟備用發(fā)電機(jī)等。

以便于OA學(xué)術(shù)資源的發(fā)現(xiàn)、獲取、利用為出發(fā)點(diǎn)，依托目前部分院校圖書館數(shù)字資源加工室，對資源進(jìn)行科學(xué)高效、規(guī)范統(tǒng)一的組織管理是提高OA學(xué)術(shù)資源利用效率的有效措施?？紤]到軍隊(duì)網(wǎng)絡(luò)安全的特殊性和軍隊(duì)院校圖書館OA學(xué)術(shù)資源管理實(shí)際，筆者從軍網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)兩方面就軍隊(duì)院校圖書館OA學(xué)術(shù)資源的組織展開論述。

3 10 kV電力系統(tǒng)安全運(yùn)行保障方法

要保障10 kV 電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行，主要需要確保電力線路和電力設(shè)備的安全性和穩(wěn)定性，降低外界環(huán)境、設(shè)備故障、過載等各種因素的影響。需要對電力系統(tǒng)中的所有設(shè)備包括變電站、開關(guān)設(shè)備、電動(dòng)機(jī)、變壓器等進(jìn)行定期的維護(hù)和檢查，對電力系統(tǒng)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評估和安全評估，隨時(shí)發(fā)現(xiàn)并排除潛在安全隱患。例如：某變電站的10 kV出線柜在運(yùn)行時(shí)突發(fā)觸電事故，導(dǎo)致變電站的斷路器跳閘停電。通過分析發(fā)現(xiàn)是由于該出線柜的支柱絕緣老化導(dǎo)致，檢修部門及時(shí)更換絕緣材料并進(jìn)行檢查。

3.1 3種配電網(wǎng)安全運(yùn)行保障措施

10 kV 的配電網(wǎng)根據(jù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和應(yīng)用范圍不同分為環(huán)城網(wǎng)、輻射網(wǎng)和網(wǎng)狀網(wǎng)。（1）環(huán)城網(wǎng)以城市為中心，應(yīng)用于城市內(nèi)通信、監(jiān)控、物流、配送等需要點(diǎn)對點(diǎn)通信的場景。環(huán)城網(wǎng)路由簡單，網(wǎng)絡(luò)傳輸延遲小，但運(yùn)行出現(xiàn)問題會(huì)影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，甚至癱瘓。因此對10 kV的環(huán)城網(wǎng)運(yùn)行檢查要做到早發(fā)現(xiàn)早根除，降低事故發(fā)生的概率，以事先預(yù)防為主。（2）輻射網(wǎng)以中心節(jié)點(diǎn)向外輻射為主要特征，傳輸距離遠(yuǎn)，網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展能力強(qiáng)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)多。因此，輻射網(wǎng)安全運(yùn)行的管理重點(diǎn)在于分節(jié)點(diǎn)進(jìn)行區(qū)域檢查，以化整為零的策略降低工作量，根據(jù)責(zé)任制分工到各操作人員身上，按照距離遠(yuǎn)近分配檢查、維護(hù)任務(wù)。（3）網(wǎng)狀網(wǎng)與輻射網(wǎng)類似，但是各節(jié)點(diǎn)之間連接方式更多更復(fù)雜，通常應(yīng)用于需要高度可靠性、高帶寬、大覆蓋的場景，如航天、軍工、智能交通等，具有靈活性強(qiáng)，能快速應(yīng)對節(jié)點(diǎn)故障，但是構(gòu)建和維護(hù)成本較高的特點(diǎn)。網(wǎng)狀網(wǎng)則更偏向于問題發(fā)生后的及時(shí)處理，其可以互相進(jìn)行補(bǔ)充，不會(huì)即時(shí)斷電，因此對維修留有時(shí)間，不過定期的維護(hù)依舊不可忽視。

3.2 傳統(tǒng)安全運(yùn)行保障措施

傳統(tǒng)安全運(yùn)行保障措施更偏向人工檢查，主要以班組制度為主，班組制度對配電線路的巡視、維護(hù)、檢修等工作進(jìn)行嚴(yán)格的規(guī)定。人工需要按照標(biāo)準(zhǔn)要求定期巡視和檢修保養(yǎng)電力系統(tǒng)，結(jié)合科學(xué)技術(shù)方面表現(xiàn)在對網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、服務(wù)器、應(yīng)用程序等軟件運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的日志進(jìn)行管理，分析潛在問題。對于居民異常用電的檢查方法較少，且施行困難工作量大。傳統(tǒng)方法主要針對修改電表的竊取電量的用戶，3 種異常用電識別比較方法如表1所示。

表1 異常用電核查方法

在組織人員定期對10 kV配電線路的設(shè)備進(jìn)行檢查時(shí)，操作人員對巡視發(fā)現(xiàn)的問題，如電力設(shè)備老化、破損、安裝不穩(wěn)定等需要先登記，然后根據(jù)匯總結(jié)果重新安排維修工作，效率較低。新線路維護(hù)周期和成本都少于老線路，因此在前期線路鋪設(shè)和實(shí)際施工過程中人工檢查和各項(xiàng)質(zhì)量檢測試驗(yàn)是新線路安全運(yùn)行保障的重要前期工作。部分10 kV電力系統(tǒng)施工原則條目見表2。

表2 10 kV電力系統(tǒng)施工檢測表（部分）

3.3 結(jié)合高科技技術(shù)的安全運(yùn)行措施優(yōu)化

隨著科技發(fā)展，利用先進(jìn)技術(shù)和設(shè)備對10 kV 電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行各方面進(jìn)行升級優(yōu)化刻不容緩，如引入智能巡線、無人機(jī)、紅外線監(jiān)測等。使用智能巡檢機(jī)器人對線路和設(shè)備進(jìn)行巡檢，配合現(xiàn)代化監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測和故障預(yù)測，可以有效減少人工巡檢頻率，提升巡檢效率[5]。結(jié)合深度學(xué)習(xí)算法對10 kV電力系統(tǒng)進(jìn)行可靠性評估，可以優(yōu)化系統(tǒng)中設(shè)計(jì)不合理或系統(tǒng)薄弱環(huán)節(jié)，從而增強(qiáng)整個(gè)電力系統(tǒng)的安全性和可靠性。有研究基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建了10 kV電力系統(tǒng)可靠性評估網(wǎng)絡(luò)模型，可以根據(jù)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和數(shù)據(jù)挖掘，得到電力系統(tǒng)各負(fù)荷點(diǎn)的可靠性指標(biāo)，從而評估出薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行改進(jìn)。

在故障定位方面，目前已通過紅外測溫技術(shù)檢測設(shè)備電氣接點(diǎn)、電氣器件缺陷、溫度異常等實(shí)現(xiàn)故障快速診斷。通過在系統(tǒng)中安裝可編程電子設(shè)備，實(shí)現(xiàn)精確測量、快速檢測和實(shí)時(shí)監(jiān)控，有助于及時(shí)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)故障和異常。使用光纖光學(xué)電流差動(dòng)保護(hù)技術(shù)，通過口袋式電場探測器等技術(shù)配合快速定位儀，精準(zhǔn)、快速地定位故障點(diǎn)。有研究設(shè)計(jì)了10 kV配網(wǎng)線路故障定位方法，在進(jìn)行故障定位精確度仿真實(shí)驗(yàn)中，與傳統(tǒng)定位方法進(jìn)行了對比，結(jié)果如圖2所示。

圖2 定位節(jié)點(diǎn)故障測試精確度結(jié)果

根據(jù)結(jié)果可知：在相同實(shí)驗(yàn)條件下，傳統(tǒng)定位方法精確度在故障距離大于3 000 m后定位效果即不合格，波動(dòng)較大且整體趨勢逐漸降低。而結(jié)合大數(shù)據(jù)算法和自動(dòng)定位技術(shù)的新型精準(zhǔn)定位方法精確度維持在0.98到趨近于1，極大降低了客觀因素的影響。

在電力管理系統(tǒng)方面，頻率穩(wěn)定系統(tǒng)能夠監(jiān)測并自動(dòng)調(diào)整電力輸出，保持系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性[6]。在電力設(shè)備研發(fā)方面，相比于傳統(tǒng)的油浸開關(guān)，高電壓氣體絕緣開關(guān)設(shè)備具有更好的環(huán)保性和可靠性。在應(yīng)急預(yù)防方面，通過大數(shù)據(jù)分析建立完善的應(yīng)急預(yù)案，并算法生成響應(yīng)措施，可以提升應(yīng)急處理效率。

雖然高新技術(shù)可以帶來很多便利，但是操作人員的工作不可替代，因此在提升人工專業(yè)技術(shù)方面，可以使用在線學(xué)習(xí)平臺、虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)，為電力系統(tǒng)技術(shù)人員提供更加豐富、全面的安全知識和技能培訓(xùn)。通過建立電力系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型和仿真實(shí)驗(yàn)，提高不同情況背景下對專業(yè)技能的應(yīng)用，有助于提升技術(shù)人員實(shí)際經(jīng)驗(yàn)和應(yīng)變能力。

4 結(jié)語

10 kV 電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定地運(yùn)行是滿足居民正常生活工作的重要保障。10 kV電力系統(tǒng)的高架線相較于其他高壓線路離地距離較近，城內(nèi)架空-電纜混合電網(wǎng)范圍較廣，容易由于機(jī)械損傷或環(huán)境影響產(chǎn)生故障，因此電力企業(yè)需要定期對電力系統(tǒng)設(shè)施進(jìn)行安全檢查和故障維修。當(dāng)前，結(jié)合高新技術(shù)對電力系統(tǒng)進(jìn)行全方位線上監(jiān)控和故障預(yù)警成為電力系統(tǒng)安全運(yùn)行保障的重要舉措。根據(jù)電力系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析可以對存在隱患的線路區(qū)域定位排查，預(yù)先進(jìn)行維護(hù)從而起到提前排除故障，減少斷電損失的重要作用。無人機(jī)巡查可以減少人工成本，作業(yè)簡便，安全性更高。選擇重要指標(biāo)制定綜合評估體系，基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)進(jìn)行電路診斷和評估，較人工檢查更高效、準(zhǔn)確。把握10 kV電力系統(tǒng)運(yùn)行安全要素，并針對其開展一系列的安全管理措施，也可為電力企業(yè)帶來更高的經(jīng)濟(jì)效益。