10 kV輸電線路故障分析及其自動化技術分析

霍向飛

（神華國能哈密電廠，新疆 哈密 839000）

0 引言

目前，我國已經基本實現了10 kV輸電網絡的全覆蓋，全國各地的人民群眾均能享受優質、穩定的電能，大幅度提高了生活質量。但隨著城市化的深入發展，特別是“智慧城市”的建設，導致城市的用電需求出現了不斷增加的態勢[1]。與之相比，10 kV輸電網絡能夠承載的最大供電壓力的增長速度緩慢，導致運行期間容易發生多種故障，在一定程度上影響了供電的穩定性和安全性。基于此，電力公司必須對10 kV輸電線路常見的故障進行梳理、排除，并探索應用自動化監測技術的可行性。

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，共設有3條10 kV輸電線路（饋線），此外還設有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架空輸電網絡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。據當地電力部門的統計，配網內共設有12臺柱上開關、75臺配變。該村落坐落于山區，與周邊山脈形成了丘陵地帶，加之陰雨天氣較多，因此經常出現輸電線路因雷擊而出現故障的情況。根據近年來的資料記載，雷擊故障類型主要分為以下2種：1） 常規雷電事故。線路閃絡最為常見，一旦出現便容易導致村落配電網絡輸配電作業中斷。與此同時，該地區10 kV配網存在較為嚴重的線路老化情況，導致部分電氣設備的絕緣裝置的絕緣性能無法承載雷電的沖擊，導致雷電事故頻繁發生。2） 該村落在2018年9月初發生的絕緣子閃絡放電事件具有較強的代表性。經事后調查，故障是由P-15T設備積累的灰塵而引起閃絡，導致相間短路故障，造成全村在4 h內無電供應，嚴重影響村內居民的正常生產生活。細查后發現，在該村落10 kV輸電網絡中，很多電氣設備均缺少有效的防護設施，大多與空氣直接接觸。時間一久，部分絕緣子表面和內部均積累了大量灰塵，當空氣濕度提高時，便形成了一層可導電的膜，最終引發閃絡、設備防護層擊穿或引發故障接地。

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在內的很多規模輸電網絡中均有可能出現越級跳閘故障，該故障是指輸配電過程中，某一個區域出現了故障，需要即刻斷開該區段內全部接入輸配電網絡的電氣設備，從而達到隔絕故障、保護電氣設備的目的。但本應斷開（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，在設計方式、原件保護技術方面均采用不同的技術工藝。當“統一性”不足的控制開關被放置于同一個輸配電網絡時，相互之間的通電原理、控制與被控制的邏輯關聯性均會發生“互相抵觸”的情況，最終導致越級跳閘現象（其本質是一種故障）。防止該故障再度發生的方式相對簡單，即對線路使用的開關進行核查，保證開關在制作工藝、運行原理方面達成“邏輯性統一”，即可避免“抵觸”，不會再度出現越級跳閘故障。

1.2.2 引線裝置連接不牢

該類型的故障常常發生于農村10 kV輸電網絡中，多體現在線耳、線夾以及刀閘的固定牢固度不足，造成負載偏離正常值，從而導致發熱問題。

1.3 外力因素引發故障

因外力作用而導致10 kV輸電線路出現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，出現輸電結構受損。

1.3.1 惡劣天氣引發

在上文所述的案例中，該村落地處山區，山林中存在大量野生的樹木、竹子。由于10 kV架空導線與高大植物之間的安全距離不足，因此當出現規模較大的風雨天氣時，竹子、樹木可能發生斷裂，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

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

2 10 kV輸電線路故障自動化診斷分析處理技術梳理

2.1 基于重合器與過流脈沖計數分段器的10 kV輸電線路故障自動處理技術

對上述問題進行處理時，可通過應用饋線自動化技術，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。該饋線自動化技術的主要原理為借助具備一定功能的開關完成簡易自動化控制。此外，還應與電源側前級的開關互相配合，使線路具備基礎功能的同時，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，達到隔離故障設備（線路段）或恢復供電的目的。這類具備自動化處理功能的開關控制一般具備以下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的動作。2） “過流脈沖計數”。在一段時間內，計算前級開關針對故障電流執行開閉操作的次數，當達到臨界數量之后，表明該段電路問題頻發，可能存在故障，需要對其進行隔離處理（可能并未實際發生故障），進而實現提前隔離潛在故障區的目的。

必須承認的是，盡管現代10 kV輸電線路能夠在一定程度上實現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（例如上文提到的風箏等異物掛線而引發的故障），結合相關參數，進而做出相應的處理。但自動化控制系統僅依靠預先設置好的控制程序，分析相關數值是否接近、達到或者超過臨界值，進而做出相應的反應?；谥睾掀髋c過流脈沖計數分段器的饋線自動化方式的運行原理為當10 kV輸電線路出現故障且導致重合器跳閘后，分段器會維持在合閘的位置。經歷故障電流的分段器過流脈沖計數器在數值技術方面會“加1”，一旦該數值達到預設標準值，則該分段器便不會在進行電流間隙分段作業；當重合器再次閉合，可將故障區段線路重新接入配電網絡并恢復供電。如圖1所示，是常見的10 kV配電網局部線路構成圖，其中，A為重合器，B、C和D均為過電流脈沖計數分段器，初始計數次數均整定為2次。當輸電線路處于正常運轉狀態時，重合器A、分段器開關B、分段器開關C以及分段器開關D均處于閉合狀態，電流正常輸送。當與B、D并聯的C及之后電路出現故障時，A立刻跳閘，且分段器C計“過電流”1次，此時，計數值為“1”，尚未達到“整定2”的限制，因此所有分段器開關均保持合閘狀態不變[3]。經過一段時間后，重合器A從斷開狀態轉變為閉合狀態，如果C的故障是一種瞬時性故障，且此時已經不影響正常輸配電，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。繼續運行一段時間后，如果沒有發生新的故障，則之前對C執行的“計數1次過電流”的數值會從“1”調整至“0”，即恢復至初始狀態。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及后續輸電線路段會被暫時切斷，待后續進行詳細檢查。

圖1 基于重合器與過流脈沖計數分段器的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警監控裝置

2.2.1 裝置系統組成

某公司研制的10 kV輸電線路防外力破壞智能視頻預警監控裝置的型號為TLKS-PMG-WP，屬于輸電線路在線監測系列產品，主要由前端、后端2個子系統構成：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組成。2） 后端。主要由計算機監控軟件和服務器等電子計算機相關設備組成。

2.2.2 裝置主要功能

該系統的主要功能如下：1） 以激光越線探測器作為核心元器件，可設置在輸電線路走廊合適位置，對安全距離以下區域發生的一切情況進行監測。例如監控范圍內發現違規施工情況，且相關器械已經越界，有可能導致10 kV線路受到外力侵害時，系統會自動發出越線警告。2） 能夠有效地對輸電線路外臨近的一段區域進行智能視頻監控。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），且具備專業的防雷、防水和防腐蝕設計（注：上述多種防干擾設計是指該系統本身，并不包括其監控的10 kV輸電線路）。如果監測系統出現短路等故障時，系統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） 裝置運行控制系統建立在4G EVDO/WCDMA通信平臺上，能夠在許多惡劣環境（例如大風、強降雨、冰雹和暴雪等）下持續工作，整機長時間連續工作時間超過10 000 h[4]。9） 具備自動定時、自動接收視頻監控裝置采集的視頻數據的功能，可遠程設置視頻數據的采集方式，并對時間進行跟蹤糾正。具體來說，針對10 kV輸電線路進行監控時，存在一個經常被人們忽略的問題，即時間是否統一，例如相鄰的2個監控攝像頭彼此之間有可能存在數十秒的時間誤差。因此，一旦出現人為偷盜輸電線路、電氣設備等情況，在對比2個監控攝像頭“同一時間”的監控影像時，有可能漏掉關鍵信息?；诖?，自動化監控設備在聯網的情況下，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，將對應時間的監控信息修正至正確的時間段，避免出現錯誤。

2.2.3 裝置相關技術參數

10 kV輸電線路防外力破壞智能視頻預警監控裝置的技術參數見表1，該裝置適用于大部分環境，可在手機客戶端進行遠程控制以及對參數進行實時調節，能夠有效監測10 kV輸電線路的外部態勢，可及時預警，避免因機械操作、樹木倒塌或人為偷盜等因素而導致10 kV輸電線路受損（如果出現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警監控裝置相關技術參數

2.2.4 裝置的實際應用舉例分析

該裝置自帶圖像視頻檢測手段以及多光譜雷達檢測技術（可根據用戶要求添加），應用于山區10 kV輸電線路布設區域后，可實時監測輸電線路周邊的煙霧、火情，根據計算機監控軟件預先設置的控制參數，系統可自動判斷發生山火的可能性、山火發生線路以及10 kV桿塔的相關信息。一旦出現火情，系統就會迅速啟動預警，并借助無限網絡通信方式完成相關信息的傳遞，使有關部門在處理險情的過程中占據主動地位。

2.3 10 kV輸電線路故障在線監測系統

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

該系統名稱為Acrel-3000電能管理系統，層級分布情況如圖2所示。實際上，該系統監控10 kV輸電線路內部故障的原理與傳統的傳感器監測模式幾乎一致，但提升之處在于，它利用通信管理機對一定范圍內的所有監測裝置進行統一管理。具體來說，線路中負責監測電氣設備過載、溫度的斷開器裝置按照一定順序完成編碼（可以是1、2、3……），當編號為3的斷開裝置啟動時，就意味該裝置對應的電氣設備出現電壓過高的故障（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。

圖2 Acrel-3000電能管理系統構造原理圖

3 結語

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