基于中低壓輸電線(xiàn)路故障診斷方法的研究

陳堅(jiān)

（國(guó)網(wǎng)溫州供電公司，浙江溫州 325000）

0.引言

作為輸配電網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分，中低壓輸電線(xiàn)路在人們生產(chǎn)生活中起到直接性的能源支撐與用電保障作用。一旦線(xiàn)路出現(xiàn)故障問(wèn)題，不僅會(huì)引發(fā)能源資源浪費(fèi)、生產(chǎn)活動(dòng)停滯、民生質(zhì)量下降等問(wèn)題，還可能造成嚴(yán)重的安全事故，進(jìn)而擾亂社會(huì)整體的穩(wěn)定秩序。同時(shí)，受到運(yùn)行環(huán)境、電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、材料設(shè)備、社會(huì)治安等多方面因素的影響，中低壓輸電線(xiàn)路的故障風(fēng)險(xiǎn)始終居高不下。所以，有必要對(duì)線(xiàn)路故障的診斷方法展開(kāi)探究討論。

1.中低壓輸電線(xiàn)路的故障概述

在中低壓輸電線(xiàn)路的日常運(yùn)行過(guò)程中，常見(jiàn)有多種故障，如短路故障、斷路故障、接地故障、漏電故障、過(guò)載故障、覆冰故障、雷擊故障等。當(dāng)這些故障發(fā)生時(shí)，輸電線(xiàn)路的運(yùn)行穩(wěn)態(tài)將被打破，進(jìn)而引發(fā)一系列的事故問(wèn)題，如設(shè)備損毀、電氣火災(zāi)、大規(guī)模停電、供電不持續(xù)等。如此一來(lái)，不僅會(huì)對(duì)電力企業(yè)造成大量的經(jīng)濟(jì)損失與運(yùn)維壓力，還會(huì)嚴(yán)重影響用電用戶(hù)的生產(chǎn)生活質(zhì)量，甚至引起重大的社會(huì)安全事故。從故障發(fā)生的原因來(lái)看，中低壓輸電線(xiàn)路的運(yùn)行活動(dòng)會(huì)受到多種因素影響。首先，若電網(wǎng)系統(tǒng)本身的工程質(zhì)量、調(diào)度機(jī)制存在問(wèn)題，如設(shè)備質(zhì)量不達(dá)標(biāo)、導(dǎo)線(xiàn)材料不合格、線(xiàn)路搭接不合理、超負(fù)荷供電等情況，將會(huì)導(dǎo)致輸電線(xiàn)路的實(shí)際運(yùn)行能力與電網(wǎng)工作需求存在沖突，進(jìn)而埋下過(guò)熱、過(guò)載、線(xiàn)損等故障隱患；其次，由于絕大部分輸電線(xiàn)路處在露天環(huán)境中，所以環(huán)境溫度、濕度的變化與雷雨、大風(fēng)等極端天氣的出現(xiàn)，也會(huì)給線(xiàn)路帶來(lái)一定的故障風(fēng)險(xiǎn)。最后，動(dòng)物侵襲、人為破壞、環(huán)境污染等因素，也可能引起中低壓輸電線(xiàn)路的故障問(wèn)題[1]。

2.中低壓輸電線(xiàn)路故障診斷的實(shí)踐要求

故障診斷是中低壓輸電線(xiàn)路運(yùn)維體系的重要環(huán)節(jié)，同時(shí)也是保證線(xiàn)路故障處理工作有效性的前提和基礎(chǔ)。在開(kāi)展診斷實(shí)踐時(shí)，相關(guān)人員一方面要確保診斷方法的科學(xué)性、實(shí)用性，并盡可能夯實(shí)診斷技術(shù)的應(yīng)用基礎(chǔ)。例如，絕大部分故障診斷工作涉及現(xiàn)場(chǎng)信息的采集需求，所以有必要預(yù)先在輸電線(xiàn)路及其所處環(huán)境中配置出足量的溫度、電流、電壓、氣象等檢測(cè)傳感裝置，并保證裝置性能處于較高水平。這樣一來(lái)，才能達(dá)到最佳的信息采集效果，為故障診斷的效率和精確性提供源頭性保障。另一方面，故障診斷應(yīng)盡量做到精細(xì)、完整，即實(shí)現(xiàn)輸電線(xiàn)路故障類(lèi)型、故障時(shí)間、故障點(diǎn)、故障程度等多方面的分析判定[2]。

3.中低壓輸電線(xiàn)路故障診斷的可用方法

3.1 紅外圖像處理法

紅外線(xiàn)作為一種自然產(chǎn)生的電磁波，能夠反映出物體的溫度狀態(tài)。當(dāng)物體溫度發(fā)生改變時(shí)，其釋放出紅外線(xiàn)的強(qiáng)度也會(huì)隨之出現(xiàn)變化。所以，在不同時(shí)段使用專(zhuān)業(yè)成像設(shè)備對(duì)物體進(jìn)行紅外圖像的采集，便能判斷其溫度性質(zhì)的穩(wěn)定與否?；谶@一原理，便可以通過(guò)對(duì)中低壓輸電線(xiàn)路紅外線(xiàn)釋放情況的采集與分析，診斷其是否存在故障問(wèn)題。具體來(lái)講，現(xiàn)階段在線(xiàn)路故障診斷中可使用的紅外圖像處理方法有以下3種：

（1）直接判斷法。現(xiàn)階段，在國(guó)際性或國(guó)家性的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、工程規(guī)范等通用文件中，已經(jīng)對(duì)電網(wǎng)中各類(lèi)設(shè)備器件、線(xiàn)路材料、絕緣介質(zhì)的工作溫度及允差范圍進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化規(guī)定[3]?；诖?，相關(guān)人員在使用專(zhuān)業(yè)設(shè)備完成紅外圖像采集與表面溫度測(cè)定后，可直接將檢測(cè)結(jié)果與相關(guān)文件中的標(biāo)準(zhǔn)溫度區(qū)間進(jìn)行對(duì)比。在此基礎(chǔ)上，再結(jié)合輸電線(xiàn)路所處工作環(huán)境的空氣溫度及天氣情況，以及表面溫度異常時(shí)輸電線(xiàn)路的負(fù)荷狀態(tài)，便能完成線(xiàn)路故障的基本判斷。從實(shí)踐角度來(lái)看，這種方法具有技術(shù)難度低、判斷效率高、數(shù)據(jù)算量小的優(yōu)勢(shì)，但通常只能評(píng)估線(xiàn)路是否存在運(yùn)行異常，無(wú)法進(jìn)一步確定故障的類(lèi)型與程度。

（2）相對(duì)溫差法。在針對(duì)中低壓輸電線(xiàn)路實(shí)現(xiàn)紅外成像與表面溫度測(cè)算的基礎(chǔ)上，可在輸電線(xiàn)路中選擇若干診斷點(diǎn)，進(jìn)行相對(duì)溫差的運(yùn)算分析，具體公式為其中，τ1為異常點(diǎn)的溫升值，τ2為正常點(diǎn)的溫升值，T1為異常點(diǎn)的溫度值，T2為正常點(diǎn)的溫度值，T0為線(xiàn)路所處環(huán)境中其他參照物的溫度值。通常情況下，若求得的δt不超過(guò)30%，則可判斷輸電線(xiàn)路的異常溫度變化處在允許范圍內(nèi)。但需要注意的是，30%并非標(biāo)準(zhǔn)值，而是相對(duì)常用的故障診斷均值，在具體實(shí)踐時(shí)相關(guān)人員還需以具體分析對(duì)象為準(zhǔn)，如隔離開(kāi)關(guān)的相對(duì)溫差允許范圍可提至35%以?xún)?nèi)，真空斷路器的相對(duì)溫差允許范圍則需要限制在20%以下。在此基礎(chǔ)上，若δt高于30%但未達(dá)到80%，可判斷中低壓輸電線(xiàn)路發(fā)生了故障問(wèn)題，但發(fā)熱量相對(duì)較低，故障情況往往不嚴(yán)重；若δt在80%與95%之間，則可診斷判定為重大故障；若δt不低于95%，則說(shuō)明被測(cè)線(xiàn)路或設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)已嚴(yán)重惡化，即發(fā)生了緊急性的故障問(wèn)題。

（3）溫度類(lèi)比法。相關(guān)人員在線(xiàn)路故障的排查診斷時(shí)，可將線(xiàn)路網(wǎng)絡(luò)中多個(gè)工作條件基本相同的工作段或電力設(shè)備作為對(duì)比項(xiàng)，實(shí)施定時(shí)段、定部位的紅外圖像對(duì)比。在此前提下，若發(fā)現(xiàn)有線(xiàn)路工作段或設(shè)備元件與同組其他對(duì)比項(xiàng)存在明顯的表面溫度差異，則可判定其處于異常的運(yùn)行狀態(tài)。

3.2 智能在線(xiàn)監(jiān)測(cè)法

從工作原理來(lái)講，智能在線(xiàn)監(jiān)測(cè)法主要以布設(shè)在中低壓電網(wǎng)或周?chē)h(huán)境中的傳感裝置作為信息采集端，對(duì)輸電線(xiàn)路、電力設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中的電流值、電壓值、線(xiàn)損數(shù)據(jù)、工作溫度、空間參數(shù)等進(jìn)行實(shí)時(shí)采集與動(dòng)態(tài)上載[4]。然后，由主站監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)傳回的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析處理，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)線(xiàn)路故障的診斷識(shí)別。結(jié)合技術(shù)功能與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，智能在線(xiàn)監(jiān)測(cè)法可滿(mǎn)足多種故障類(lèi)型的診斷需求。

例如，當(dāng)中低壓輸電線(xiàn)路處在大風(fēng)天氣下，線(xiàn)路會(huì)因空氣動(dòng)力的大幅改變而出現(xiàn)舞動(dòng)現(xiàn)象。此時(shí)，在風(fēng)動(dòng)與慣性的雙重作用下，舞動(dòng)現(xiàn)象往往會(huì)持續(xù)很久，進(jìn)而很容易導(dǎo)致導(dǎo)線(xiàn)、金具及桿塔受到負(fù)面影響，出現(xiàn)導(dǎo)線(xiàn)損傷、金具磨損、跳閘短路、桿塔傾倒等線(xiàn)路故障與安全事故，并引發(fā)大規(guī)模、長(zhǎng)時(shí)間的輸電停滯問(wèn)題。對(duì)此，布設(shè)于現(xiàn)場(chǎng)的傳感裝置可對(duì)中低壓輸電線(xiàn)路的風(fēng)偏、跳線(xiàn)、仰角等空間參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的采集、記錄與上傳。這樣一來(lái)，主站監(jiān)測(cè)系統(tǒng)便能結(jié)合相關(guān)數(shù)據(jù)對(duì)輸電線(xiàn)路的舞動(dòng)幅度進(jìn)行分析。然后，將監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)導(dǎo)線(xiàn)、桿塔、建筑物等的空間數(shù)據(jù)納入分析模型中，即可判斷出舞動(dòng)幅度是否超限，以及導(dǎo)線(xiàn)、桿塔等是否會(huì)在舞動(dòng)作用下發(fā)生碰撞或相間放電的情況，并由此得出最終的故障診斷結(jié)果。在此基礎(chǔ)上，主站監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在判定中低壓輸電線(xiàn)路存在故障后，還能通過(guò)終端設(shè)備及時(shí)向相關(guān)人員發(fā)出告警，從而有效引導(dǎo)其進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施設(shè)備檢查與故障處理，以確保中低壓電網(wǎng)盡快恢復(fù)到正常的運(yùn)行狀態(tài)[5]。

再如，覆冰故障是中低壓輸電線(xiàn)路在寒冷天氣下經(jīng)常遭遇的故障問(wèn)題。該故障發(fā)生時(shí)，輸電線(xiàn)路會(huì)因承重增加而出現(xiàn)弧垂變大的現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致導(dǎo)線(xiàn)與地面的距離大幅縮小，對(duì)線(xiàn)路的運(yùn)行安全構(gòu)成極大威脅。同時(shí)，覆冰還會(huì)對(duì)線(xiàn)路的風(fēng)動(dòng)抗性、導(dǎo)線(xiàn)質(zhì)量產(chǎn)生負(fù)面影響，容易引發(fā)開(kāi)裂、短路、斷路、異常線(xiàn)損等線(xiàn)路繼發(fā)故障。因此，通過(guò)智能在線(xiàn)監(jiān)測(cè)法能夠達(dá)到定位精準(zhǔn)、響應(yīng)及時(shí)的故障識(shí)別診斷效果。具體實(shí)踐時(shí)，布置在現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的傳感裝置會(huì)對(duì)中低壓輸電線(xiàn)路的弧垂參數(shù)、風(fēng)偏角度、工作溫度、外部環(huán)境溫度等數(shù)據(jù)信息進(jìn)行采集，并實(shí)時(shí)傳回至主站監(jiān)控系統(tǒng)處。其次，系統(tǒng)再調(diào)動(dòng)建模分析、狀態(tài)運(yùn)算等模塊，得出輸電線(xiàn)路覆冰的厚度、重量、比載等實(shí)際參數(shù)。最后，將實(shí)際參數(shù)與相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比，即可判定輸電線(xiàn)路的覆冰情況是否超出標(biāo)準(zhǔn)范圍。若超標(biāo)，系統(tǒng)則會(huì)向相關(guān)人員發(fā)出除冰告警，并在告警信息中體現(xiàn)具體的線(xiàn)路類(lèi)型、故障段編號(hào)、故障點(diǎn)位置等信息，促使運(yùn)維部門(mén)及時(shí)、高效地開(kāi)展除冰工作，將覆冰故障的影響降至最低水平。

3.3 決策樹(shù)診斷法

決策樹(shù)是一種樹(shù)形的程序結(jié)構(gòu)與分析邏輯，其主要由單個(gè)根節(jié)點(diǎn)和多個(gè)分支節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，整體結(jié)構(gòu)具有自上而下、逐層細(xì)化的特點(diǎn)。在決策樹(shù)中，根節(jié)點(diǎn)對(duì)整體邏輯序列的判斷功能具有導(dǎo)向作用，而分支的內(nèi)部節(jié)點(diǎn)、葉節(jié)點(diǎn)則代表判斷所需的判定條件與判定結(jié)果。由此，通過(guò)逐層分析和組合多個(gè)分支判定結(jié)果，便能推導(dǎo)出最終的整體性判斷結(jié)論。將這種方法應(yīng)用到中低壓輸電線(xiàn)路的故障診斷中，能夠在多種故障因素和指標(biāo)信息的支持下得到切實(shí)合理的分析結(jié)果。

例如，在線(xiàn)路覆冰故障的診斷實(shí)踐中，可編制如下決策樹(shù)程序：故障錄波→故障時(shí)間→是否處于易覆冰區(qū)域→是否配備傳感監(jiān)測(cè)裝置→是否符合易覆冰條件→歷史故障信息→有無(wú)故障處理記錄→結(jié)束。其中，“是否處于易覆冰區(qū)域”可直接通過(guò)故障錄波中的區(qū)位信息進(jìn)行判定；“是否符合易覆冰條件”需要以具體的監(jiān)測(cè)機(jī)制為前提。若為智能在線(xiàn)監(jiān)測(cè)，需要基于線(xiàn)路數(shù)據(jù)分析覆冰厚度、導(dǎo)線(xiàn)弧垂等具體幅度，并由此判斷有無(wú)覆冰。若為傳統(tǒng)影像監(jiān)測(cè)，則需要調(diào)出故障發(fā)生30min內(nèi)的現(xiàn)場(chǎng)影像，結(jié)合導(dǎo)線(xiàn)、設(shè)備、環(huán)境的外觀情況判斷有無(wú)覆冰；“是否符合易覆冰條件”是在現(xiàn)場(chǎng)無(wú)監(jiān)測(cè)的情況下進(jìn)行判定的，應(yīng)包含氣象條件與地形條件兩個(gè)部分。其中，氣象條件主要可分出3個(gè)決策指標(biāo)，即“溫度低于5℃”“環(huán)境濕度高于85%”與“環(huán)境風(fēng)速在4m/s～15m/s的區(qū)間內(nèi)”。地形條件主要可分出多個(gè)決策條件，如“埡口”“水汽增大型”“高山分水嶺”“地形抬升型”“峽谷風(fēng)道型”等。在決策樹(shù)的支持下，相關(guān)人員便可逐步分析中低壓輸電線(xiàn)路所處的環(huán)境條件、運(yùn)行狀態(tài)是否滿(mǎn)足覆冰故障的形成需求，以及既往覆冰隱患是否存在未有效處理的情況，進(jìn)而完成線(xiàn)路故障的有效診斷。

3.4 行波故障診斷法

一般來(lái)講，當(dāng)中低壓輸電線(xiàn)路的運(yùn)行狀態(tài)出現(xiàn)異常時(shí)，其工作電流、工作電壓中的高頻分量比重將大幅增加。由此，通過(guò)對(duì)線(xiàn)路的高頻行波進(jìn)行分析，便能達(dá)到良好的故障定位與診斷效果。從目前來(lái)看，在線(xiàn)路故障診斷中應(yīng)用行波診斷方法時(shí)，可有單端檢測(cè)和雙端檢測(cè)兩種選擇，其中單端檢測(cè)還可具體分為A、C、E等多種類(lèi)型。具體如下：

A類(lèi)型的單端檢測(cè)法主要是將故障線(xiàn)路的一端作為檢測(cè)點(diǎn)，對(duì)暫態(tài)行波進(jìn)行分析。實(shí)踐時(shí)，需要對(duì)行波由檢測(cè)點(diǎn)到故障點(diǎn)的兩次反射時(shí)間進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，便能運(yùn)算得出測(cè)量點(diǎn)與故障點(diǎn)之間的距離，具體公式為Xs=1/2v·△t=1/2v（TS2-TS1）。其中，Xs為故障線(xiàn)路上檢測(cè)點(diǎn)與故障點(diǎn)的間距，v為行波的運(yùn)動(dòng)速度，TS1、TS2分別為行波一次、二次反射至檢測(cè)點(diǎn)的時(shí)間，△t為行波單次往返的時(shí)間；C類(lèi)型的單端檢測(cè)法在原理上與A類(lèi)型相似，但其用于故障定位的行波并非暫態(tài)行波，而是高壓脈沖信號(hào)，具體運(yùn)算公式為S=v/2（t2-t1）=1/2△t·v。其中，S為檢測(cè)點(diǎn)與故障點(diǎn)的間距，t1、t2分別為脈沖發(fā)出與返回的時(shí)間，v為脈沖信號(hào)的運(yùn)行速度，△t為脈沖往返的總時(shí)間；E類(lèi)型的單端檢測(cè)法以故障線(xiàn)路的斷路器動(dòng)作為應(yīng)用基礎(chǔ)。當(dāng)中低壓輸電線(xiàn)路發(fā)生故障時(shí)，其斷路器會(huì)出現(xiàn)合閘動(dòng)作，進(jìn)而引起浪涌現(xiàn)象。由此，便可通過(guò)采集分析合閘瞬間行波浪涌與行波在故障點(diǎn)處的反射浪涌之間的時(shí)間差，實(shí)現(xiàn)故障點(diǎn)的有效定位，具體公式為S=1/2△t·v=1/2v（i1-i2）。其中，S為檢測(cè)點(diǎn)與故障點(diǎn)的間距，△t為兩次浪涌的間隔時(shí)間，v為行波速度，i1、i2分別為斷路器動(dòng)作時(shí)和故障點(diǎn)反射時(shí)的浪涌；雙端檢測(cè)法與E型單端檢測(cè)法相似，其主要在中低壓輸電線(xiàn)路的故障區(qū)域前后分別設(shè)置一個(gè)檢測(cè)點(diǎn)，然后再對(duì)故障時(shí)行波浪涌運(yùn)動(dòng)至兩點(diǎn)的時(shí)間信息進(jìn)行采集運(yùn)算，由此明確出具體的故障發(fā)生位置，運(yùn)算公式為：

其中，L為2個(gè)檢測(cè)端點(diǎn)的間距，v為行波運(yùn)行速度，SMF、SNF分別為M、N兩個(gè)檢測(cè)點(diǎn)與故障點(diǎn)F之間的距離，tm、tn分別為故障點(diǎn)行波浪涌至M、N2點(diǎn)的時(shí)間。

4.結(jié)論

由于長(zhǎng)期暴露在外部環(huán)境中，且運(yùn)行機(jī)制、工作結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，所以中低壓輸電線(xiàn)路的穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)很容易被打破，進(jìn)而出現(xiàn)斷路、短路、過(guò)載、覆冰等一系列的故障問(wèn)題。因此，在故障處理實(shí)踐時(shí)，需要做到全面排查、精準(zhǔn)定位、科學(xué)診斷，以便為后續(xù)的維修保養(yǎng)工作提供有力導(dǎo)向。從目前來(lái)看，紅外圖像處理、智能在線(xiàn)監(jiān)測(cè)、決策樹(shù)診斷、無(wú)線(xiàn)測(cè)溫等技術(shù)方法均能用于中低壓配電線(xiàn)路的故障診斷中，并能表現(xiàn)出良好的診斷效果。