基于絕緣套管的10 kV架空裸線接地故障監(jiān)測(cè)與防治技術(shù)研究

單知非， 姚榮華， 錢家陽(yáng)， 范春豐， 鄭永鏹，王騰飛， 馬周怡， 魏業(yè)文， 方豪

（1. 國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司桐廬縣供電公司，浙江杭州 311500；2. 三峽大學(xué) 電氣與新能源學(xué)院，湖北宜昌 443000）

0 引言

在我國(guó)電力系統(tǒng)中，10 kV輸電線路是輸配電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)電能傳輸?shù)闹黧w框架，主要承擔(dān)著110 kV或35 kV變電站的電力輸出，其安全運(yùn)作事關(guān)大電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。輸電線路跨越的區(qū)域和通道長(zhǎng)度逐年增加，覆蓋范圍也日益廣闊。由于不同地區(qū)地貌存在差異，輸電線路不可避免地會(huì)途徑山地和林區(qū)。一般而言，配電線路多用在農(nóng)村、城鎮(zhèn)、工廠的供電，覆蓋地區(qū)范圍廣，其穿行的地區(qū)多有樹木[1]，而傳統(tǒng)10 kV架空導(dǎo)線多為裸線，在樹木生長(zhǎng)茂盛區(qū)域易與樹木的樹枝交叉纏繞，引發(fā)短路或線路接地等問(wèn)題，導(dǎo)致一系列安全事故，如網(wǎng)損增大、人員傷亡、斷線等，極大地威脅著中壓配電系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。并且隨著配電網(wǎng)的規(guī)模不斷擴(kuò)大，10 kV輸電線路跨越的地區(qū)和通道長(zhǎng)度也在不斷增加，穿越林區(qū)和山地的輸電導(dǎo)線逐漸增多，線樹矛盾日益突出，10 kV線路單相接地故障頻發(fā)，甚至引發(fā)相間短路，嚴(yán)重影響輸電線路的穩(wěn)定運(yùn)行，制約輸電效率。

針對(duì)樹障問(wèn)題，目前主要有兩類方法：一是砍伐樹障，即砍伐大量樹木騰出輸電走廊，但由于環(huán)境保護(hù)等要求，工作難以進(jìn)行，即使砍伐樹木，問(wèn)題也得不到根本解決；二是對(duì)輸電線路進(jìn)行電纜改造，用電纜取代輸電裸線，此法成本高，不易推廣?？紤]到樹障問(wèn)題的區(qū)域性特點(diǎn)，可以采用重點(diǎn)防治的方式。對(duì)樹障區(qū)域進(jìn)行絕緣套管改造，即安裝絕緣套管，不僅成本較低，而且能夠帶電安裝，改造方便，施工周期短，不會(huì)影響居民用電，易于推廣。

絕緣套管有直筒式、纏繞式和熱縮式等種類，這些套管在安裝時(shí)不夠簡(jiǎn)便，操作人員施工時(shí)的勞動(dòng)強(qiáng)度較大，并且直筒式和熱縮式絕緣套管還需停電安裝，影響居民日常的生產(chǎn)生活，造成經(jīng)濟(jì)損失，因此本研究選用卡扣式絕緣套管?？凼浇^緣套管安裝方便快捷，勞動(dòng)強(qiáng)度低，能夠帶電安裝。套管采用甲基乙烯基硅橡膠材質(zhì)，絕緣性能優(yōu)秀，不易發(fā)生電場(chǎng)擊穿。同時(shí)有著良好的機(jī)械性能，能夠有效地減少樹障樹木對(duì)絕緣套管的磨損，防止輸電線路接地故障的發(fā)生。

我國(guó)10 kV配電網(wǎng)采用的是中性點(diǎn)不接地的運(yùn)行方式，當(dāng)10 kV輸電裸線通過(guò)樹木接地時(shí)，配電系統(tǒng)會(huì)發(fā)出接地信號(hào)，此時(shí)線路線電壓是兩相對(duì)稱狀態(tài)，可以不立刻跳閘，繼續(xù)運(yùn)行1 h～2 h[2]。若不及時(shí)找出故障地點(diǎn)排除故障，因未發(fā)生故障的兩相電壓升高，很有可能會(huì)在線路絕緣薄弱的環(huán)節(jié)發(fā)生電場(chǎng)擊穿，引發(fā)更為嚴(yán)重兩相接地短路，影響電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。傳統(tǒng)巡檢樹障隱患采用人工巡檢，不僅效率低下，且人力耗費(fèi)巨大。目前應(yīng)用較多的有無(wú)人機(jī)巡檢，巡檢效率和采集數(shù)據(jù)質(zhì)量高，但巡檢人員需提前培訓(xùn)，前期投入較大。

針對(duì)配電網(wǎng)線樹日益突出的問(wèn)題，本研究采用投資較低、區(qū)域重點(diǎn)防止的方式，對(duì)樹障所在區(qū)域的輸電裸線安裝絕緣套管。并且對(duì)目標(biāo)線路的兩端安裝電力監(jiān)測(cè)單元，監(jiān)測(cè)絕緣套管可靠性和目標(biāo)線路段，及時(shí)發(fā)現(xiàn)接地故障，以便及時(shí)排除故障，防止故障影響擴(kuò)大。單相接地故障和兩相接地故障占輸電線路故障的85%，對(duì)樹障區(qū)架空裸線的防護(hù)意義重大，能有效保障輸電線路的運(yùn)行效能和供電效率，提升配電網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定性和用戶用電滿意度。

1 架空裸導(dǎo)線樹障接地機(jī)理分析

1.1 架空裸線接地故障分析

在正常情況下，如果樹木的高度能夠滿足電力線路的安全要求的間隙距離，就不會(huì)發(fā)生樹閃的故障。但是，在氣溫較高，或線路覆冰較厚的情況下，導(dǎo)線弧垂增加，即使樹木高度h不再增加，也可能發(fā)生樹閃故障，特別是在夏季天氣炎熱時(shí)，用電負(fù)荷達(dá)到高峰,進(jìn)一步加劇了電線的溫升，此時(shí),電線的下垂程度比正常情況下大幅增加。圖1為樹閃故障示意圖。當(dāng)樹木與電力線之間的間隙距離d小于空氣臨界擊穿距離，就會(huì)發(fā)生樹閃故障。電線弧垂的大小與電線的工作電流、環(huán)境溫度、光線、風(fēng)速等因素有關(guān)。導(dǎo)線弧垂的計(jì)算公式為：

圖1 樹閃故障示意圖

式中，f為導(dǎo)線的最大弧垂，w為導(dǎo)線比載，l為檔距，σ為導(dǎo)線最低點(diǎn)處的水平應(yīng)力。

1.2 電弧數(shù)學(xué)模型

線路發(fā)生樹閃時(shí)會(huì)產(chǎn)生電弧。目前關(guān)于電弧模型的研究已經(jīng)有很多成果[3-6]，但各種電弧模型都是在一定假定前提下簡(jiǎn)化后得到的，而電弧的產(chǎn)生受到很多因素的影響。電弧數(shù)學(xué)模型的普遍形式如下：

式中：g為單位長(zhǎng)度電弧電導(dǎo)：e·i為單位長(zhǎng)度電弧的輸入功率；e為單位長(zhǎng)度電弧電壓，即弧柱中場(chǎng)強(qiáng)，i為電弧電流；τ為電弧的時(shí)間常數(shù)；p為單位長(zhǎng)度電弧的耗散功率。而目前關(guān)于配電網(wǎng)單相弧光接地模型的研究較少。

1.3 線路絕緣防護(hù)

輸電裸線發(fā)生接地故障時(shí)故障相線路的等效模型如圖2所示，其中ZL為線路阻抗，Rd為接地電阻。而線路阻抗是由輸電線路本身決定的，要想減小故障電流，就需提高接地電阻的阻值，特別是在雨雪天氣，樹木的導(dǎo)電性增強(qiáng)，更加大故障時(shí)的短路電流，因此在不砍伐樹障的情況下，需要對(duì)架空裸線安裝絕緣套管，以起到防護(hù)作用，即使發(fā)生接地短路問(wèn)題也能減小短路電流。

圖2 單相接地故障等效圖

2 絕緣套管設(shè)計(jì)與電流監(jiān)測(cè)方案

2.1 絕緣套管設(shè)計(jì)

目前的輸電導(dǎo)線絕緣套管有直筒式和卡扣式。傳統(tǒng)直筒式絕緣套管由柔性材料制成，一般通過(guò)一次成型的方式制作而成。直筒式絕緣套管安裝時(shí)需將所要防護(hù)的架空導(dǎo)線的一端取下，將套管從一端套上，再將線路復(fù)原。這種絕緣套管使用時(shí)需要整體套設(shè)在導(dǎo)線上，然而由于導(dǎo)線為細(xì)長(zhǎng)物，安裝時(shí)非常不方便。當(dāng)作業(yè)線路較長(zhǎng)時(shí)，不僅操作難度增大，還需對(duì)輸電線路停電，影響到配電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行的同時(shí)，還對(duì)居民的生產(chǎn)生活產(chǎn)生影響，造成經(jīng)濟(jì)損失。而卡扣式絕緣套管雖然無(wú)需拆裝導(dǎo)線，但在安裝過(guò)程中，由于10 kV架空線路導(dǎo)線直徑較小，與之配套的絕緣套管的直徑以及卡扣的尺寸也都較小，操作較為精細(xì)。操作人員將一定長(zhǎng)度的絕緣套管扣在輸電導(dǎo)線上后，還要將絕緣套管的卡扣從一端到另一端手動(dòng)捏合，不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，也需停電作業(yè)，同樣會(huì)對(duì)配電網(wǎng)造成影響。本研究設(shè)計(jì)的10 kV線路絕緣套管裝置在傳統(tǒng)絕緣套管的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，可以很好地解決這一問(wèn)題，同時(shí)減輕操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。

作業(yè)輸電線路所在地區(qū)樹木生長(zhǎng)茂盛，交錯(cuò)纏繞樹枝會(huì)對(duì)操作人員安裝絕緣套管造成一定的阻礙。因此需要一種便捷的安裝方式，以降低操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。并且套管安裝后輸電導(dǎo)線仍然會(huì)受到樹木的刮擦，套管安裝后應(yīng)相對(duì)穩(wěn)固。熱縮式絕緣套管和套筒式絕緣套管的密封性好，安裝后套管穩(wěn)固，不易脫落。但熱縮型套管安裝時(shí)需操作人員另外配備熱縮槍，在空中作業(yè)時(shí)十分不便，同時(shí)也增加了操作人員的負(fù)重。而且兩者安裝時(shí)都需要將作業(yè)線路停電，拆卸線路，從線路一頭開始安裝，不能做到帶電作業(yè)。纏繞式絕緣套管操作過(guò)程更為繁瑣，在單人操作的情況下不便安裝。綜上，卡扣式的安裝方式更具優(yōu)勢(shì)?？凼浇^緣套管的管體沿軸線方向開口，以實(shí)現(xiàn)帶電作業(yè)，開口用卡扣和卡扣槽嵌合的方式實(shí)現(xiàn)套管的閉合?？墼O(shè)計(jì)聯(lián)結(jié)緊密，能使絕緣套管不會(huì)因?yàn)闊崦浝淇s、紫外線照射以及高溫等情況而自行彈開，保證了套管良好的密封性。

穿越林區(qū)的輸電線路往往長(zhǎng)達(dá)數(shù)千米，套管不能一次性完成安裝，可以分成數(shù)段分別安裝。這樣在每段套管間就會(huì)形成間隙，使輸電線路出現(xiàn)絕緣薄弱的環(huán)節(jié)，影響套管整體的絕緣性能。在每段套管間設(shè)有連接套筒，以保證套管的絕緣性，加強(qiáng)了絕緣套管對(duì)架空裸線的防護(hù)。連接套筒采用的尼龍材料硬度大，有一定的韌性，能適應(yīng)安裝過(guò)程中的一系列操作。套筒結(jié)構(gòu)及安裝效果如圖3所示。

圖3 連接套筒結(jié)構(gòu)及安裝效果

2.2 10 kV配電線路接地故障定位

10 kV配電系統(tǒng)采用中性點(diǎn)不接地或經(jīng)過(guò)消弧線圈接地方式，有利也有弊。針對(duì)故障難查找的問(wèn)題，研究人員提出一些解決方案。當(dāng)10 kV配電線路發(fā)生單相接地短路時(shí)，雖然配電網(wǎng)會(huì)發(fā)出接地信號(hào)，但還是不易找出故障。線路故障會(huì)造成用戶供電中斷，快速、準(zhǔn)確的故障定位方法能縮短用戶的停電時(shí)間，減少因停電造成的損失。 故障定位方法一般分為兩類，一類是以測(cè)量故障線路的阻抗為基礎(chǔ)的阻抗法[7-8]，另一類是以測(cè)量故障或人工產(chǎn)生的行波為基礎(chǔ)的行波法[9-11]。單相接地故障可以利用接地選線裝置和故障指示器來(lái)查找。變電站一般都安裝了接地選線裝置，可為人工拉閘提供技術(shù)參考，然后在線路上安裝故障指示器，以此指示接地故障。目前比較可靠的接地故障檢測(cè)方法有信號(hào)源方法[12]、首半波法[13]或暫態(tài)分析法[14]。這些理論成果向?qū)嶋H應(yīng)用的轉(zhuǎn)化率不高，實(shí)用性產(chǎn)品較少，效果也不理想。要提高輸電線路的供電效率，就需要當(dāng)配網(wǎng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，能夠快速地有效診斷故障類型，確定故障位置，及時(shí)采取有效措施。

當(dāng)樹木與輸電裸線接觸，線路發(fā)生單相接地故障時(shí)，電流經(jīng)過(guò)樹木導(dǎo)入大地，故障線路以故障點(diǎn)為中心，線路兩端電流值因?yàn)橹参锏姆至髯饔枚尸F(xiàn)差異。因此對(duì)在易發(fā)生接地故障的樹障地區(qū)的輸電導(dǎo)線，可在線路兩端加上電流檢測(cè)單元，對(duì)輸電導(dǎo)線實(shí)時(shí)電流監(jiān)測(cè)，通過(guò)比較線路兩端電流值，掌握樹障區(qū)線路運(yùn)行的輸電導(dǎo)線運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)線路兩端電流差值超過(guò)預(yù)設(shè)值時(shí)，可判斷其發(fā)生了接地故障，易于找到接地故障點(diǎn)，及時(shí)排除故障，查明樹障地區(qū)是否出現(xiàn)階段性惡化，同時(shí)考察絕緣套管的可靠性。同時(shí)可以對(duì)各個(gè)不同的樹障地區(qū)的輸電線路段采用電流監(jiān)測(cè)裝置，以監(jiān)測(cè)不同樹障區(qū)域發(fā)生單相接地的情況。

2.3 帶電流監(jiān)測(cè)功能的絕緣套管

將絕緣套管的電流監(jiān)測(cè)單元整合如圖4所示。絕緣套管和電流監(jiān)測(cè)裝置相結(jié)合，相當(dāng)于給輸電線路加上了雙重保險(xiǎn)，絕緣套管對(duì)輸電線路起到基礎(chǔ)性防護(hù)作用，而電流監(jiān)測(cè)裝置也起到評(píng)估套管可靠性的作用，杜絕了樹障隱患。電流監(jiān)測(cè)單元封裝在一個(gè)柱形套筒內(nèi)，卡裝在整段絕緣套管的兩端，同時(shí)起到加固絕緣套管的作用。

圖4 樹障區(qū)10 kV架空線路防護(hù)整體方案圖示

3 新型絕緣套管研制

3.1 絕緣材料選擇

為比較不同絕緣材質(zhì)的絕緣性能，對(duì)比了不同絕緣材質(zhì)在5 mm、10 mm、15 mm距離下發(fā)生電壓擊穿時(shí)的電壓。對(duì)各種固體絕緣材料的樣品做了擊穿試驗(yàn)，測(cè)試各種材料的絕緣性能。

圖5為表面放電電極。為了模擬非均勻的高電場(chǎng)，表面放電的電極系統(tǒng)采用尖端角為60°的不銹鋼三角形和平面結(jié)構(gòu)。電極間的電介質(zhì)選用變壓器油，俗稱方棚油。試驗(yàn)交流頻率為50 Hz，最高電壓100 kV，電壓以2 kV/s速率逐漸升高，直至達(dá)到擊穿電壓。在相同的條件下，使試樣出現(xiàn)表面放電電壓15次。

圖5 放電電極系統(tǒng)

分別測(cè)試了各種材料的絕緣性能，用固體絕緣材料玻璃纖維增強(qiáng)塑料、聚四氟乙烯、硅橡膠、芳香聚酰胺制成厚度相同的樣本，電極間距分別設(shè)置為5 mm、10 mm、15 mm。各樣本用干燥器進(jìn)行干燥，以完全去除水分，然后用乙醇仔細(xì)清洗[15]。各種絕緣材料在不同電極間隙下的交流電壓擊穿特性如圖6所示。由圖6可以看出，在一定誤差范圍內(nèi)，所有樣品的電擊穿電壓相近。但是硅橡膠較其他的絕緣材料成本相對(duì)較低。在考慮經(jīng)濟(jì)因素時(shí)，可選用硅橡膠作為絕緣材料。

圖6 各種絕緣材料的擊穿電壓特性

在硅橡膠中，甲基乙烯基硅橡膠（乙烯基硅橡膠）具有優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性、電絕緣性和工作溫度范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，在電氣絕緣領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。甲基乙烯基硅橡膠是一種常見(jiàn)的硅橡膠，簡(jiǎn)稱乙烯基硅橡膠，許多其他的特種橡膠也由甲基乙烯基橡膠改良而制得。甲基乙烯基硅橡膠是由二甲基硅氧烷與少量乙烯基硅氧烷共聚而成，乙烯基含量一般為1%～5%。

甲基乙烯基硅橡膠有著良好的機(jī)械性能，能有效地防止樹枝對(duì)架空輸電導(dǎo)線的損害，與應(yīng)用場(chǎng)景很好地契合。此外甲基乙烯基硅橡膠具有較寬的使用溫度范圍，可在-60 ℃～260 ℃范圍內(nèi)保持良好彈性，具有優(yōu)良的耐寒性，所以一般用甲基乙烯基硅橡膠制作絕緣套管。

除此之外，乙烯基的含量也會(huì)影響甲基乙烯基橡膠的絕緣性能，圖7為乙烯基相對(duì)含量對(duì)乙烯基硅橡膠絕緣性能的影響。由圖7中曲線可以看出，在乙烯基相對(duì)含量為3%時(shí)，能達(dá)到最佳的絕緣性能。所以選用乙烯基相對(duì)含量為3%的甲基乙烯基硅橡膠作為絕緣套管的制作材料。

圖7 乙烯基相對(duì)含量對(duì)MVSR絕緣性能的影響

3.2 電流監(jiān)測(cè)單元

電流檢測(cè)裝置采用NB-IoT(Narrow Band Internet of Things)技術(shù),該技術(shù)是IoT領(lǐng)域基于蜂窩窄帶物聯(lián)網(wǎng)的一種新興技術(shù)，支持低功耗設(shè)備在廣域網(wǎng)的蜂窩數(shù)據(jù)連接，也被稱為低功耗廣域網(wǎng)。

監(jiān)測(cè)套管防護(hù)線路電流的監(jiān)測(cè)單元由四個(gè)模塊組成，如圖8所示。首先用電流互感器從輸電導(dǎo)線取得易于測(cè)量的直流小電流，再將從互感器流出的直流接入直流電流檢測(cè)模塊，將測(cè)得的電流數(shù)據(jù)輸送到NB-IoT數(shù)據(jù)傳輸模塊，NB-IoT模塊再通過(guò)廣域網(wǎng)的蜂窩數(shù)據(jù)將電流值發(fā)送給手機(jī)，實(shí)現(xiàn)電流數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸。手機(jī)可在應(yīng)用軟件上實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)每相線路的電流數(shù)據(jù)，為判定線路故障提供依據(jù)，同時(shí)檢測(cè)絕緣套管的可靠性。

圖8 電流監(jiān)測(cè)單元

電流檢測(cè)模塊和NB-IoT數(shù)據(jù)傳輸模塊均采用12 V直流電源供電?？紤]到帶電安裝的需求，采用卡扣式電流互感器。并且根據(jù)輸電線路額定電流的大小選用合適變比的電流互感器。

此外，NB-IoT設(shè)備功耗可以做到非常小，很適合輸電導(dǎo)線電流監(jiān)測(cè)這類監(jiān)測(cè)裝置供能不易獲取的應(yīng)用場(chǎng)景。并且使用NB-IoT無(wú)需重新建網(wǎng)，射頻和天線基本上都是復(fù)用的，間接地降低了線路改造的成本。

4 現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證試驗(yàn)及應(yīng)用案例

4.1 試驗(yàn)

為檢測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行情況，在試驗(yàn)室搭建試驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行測(cè)試，如圖9所示。利用兩個(gè)鐵塔模型搭建一條輸電線路，在線路上鋪設(shè)兩段兩米長(zhǎng)絕緣套管，套管間安裝連接套筒，整段套管兩端裝上電流監(jiān)測(cè)裝置，最后通過(guò)升流器（圖10）輸送大電流到線路上，模擬某相輸電導(dǎo)線。監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖11所示。

圖9 電流監(jiān)測(cè)試驗(yàn)圖示

圖10 電流監(jiān)測(cè)試驗(yàn)所用升流器

圖11 電流監(jiān)測(cè)結(jié)果

4.2 應(yīng)用場(chǎng)景的基本情況

桐廬縣地貌以丘陵山區(qū)為主，平原稀少，四周群山聳峙，山地與平原間則丘陵錯(cuò)落，屬浙西中低山丘陵區(qū)。配網(wǎng)線路經(jīng)常要從林區(qū)穿過(guò)，線樹矛盾突出，在陰雨天氣較易發(fā)生線路接地故障，影響供電效率及居民用電滿意度。

4.3 樹障區(qū)改造后的效果

該裝置在浙江省杭州市桐廬縣的某配電線路進(jìn)行了試用，減少了對(duì)樹障的砍伐工作，有效節(jié)省作業(yè)人員絕緣套管安裝的時(shí)間。套管安裝后，減少了配電網(wǎng)的年短路故障次數(shù)。

5 結(jié)論與展望

針對(duì)樹障地區(qū)10 kV架空裸線頻繁接地的問(wèn)題，研制了新型絕緣套管。套管安裝方便，能檢測(cè)線路電流，及時(shí)發(fā)現(xiàn)線路接地故障，間接地加強(qiáng)了絕緣套管的防護(hù)性能，提高了線路供電可靠性。

除了上述優(yōu)勢(shì)，該裝置也存在一定的應(yīng)用限制，希望通過(guò)今后的學(xué)習(xí)找到改進(jìn)方法。本裝置電流檢測(cè)模塊的電源采用蓄電池組，在電量用盡后，需要更換電池。未來(lái)可考慮與無(wú)線取能相結(jié)合，通過(guò)輸電線路感應(yīng)取電的方式給裝置供電。