數據驅動的10 kV配電網跳閘次數優化研究

趙進良

（固原農村電力服務有限公司，寧夏 固原 756000）

0 引 言

當前，供電可靠性已成為電力系統建設和運行管理的重中之重。而10 kV配電網作為直接面向用戶的“最后一公里”，其跳閘次數直接關乎人們的獲電質量。近年來，我國北方多雷區10 kV配電網頻繁跳閘的問題日益突出，嚴重影響了農村地區的用電可靠性，且影響面越來越廣，僅憑經驗判斷和粗放式管理難以有效遏制跳閘次數過多的現狀。在新技術革新和智能化建設背景下，如何利用各類數據進行科學決策，以數據驅動配電網跳閘次數的持續優化，實現“既有網”供電質量提升，是電力企業面臨的新課題。

1 10 kV配電網跳閘次數影響因素分析

1.1 主要跳閘類型

10 kV配電網跳閘的主要類型包括雷擊跳閘、樹障跳閘以及過負荷跳閘。雷擊跳閘是由于雷電產生的過電壓作用在配電線路上，可導致絕緣擊穿而引起跳閘。我國北方多雷區，每逢雷季來臨時跳閘次數會明顯增多，有的地區雷擊引起的跳閘甚至可以占到年度跳閘總次數的50%以上。線路高度與跨距過大以及避雷裝置不足，都會加劇雷擊對線路的沖擊，進而導致跳閘。樹障跳閘是由于樹木未經管控生長靠近甚至直接接觸到線路而引起的，尤其在樹木生長迅速的區域更為常見。當遇到大風等惡劣天氣時，容易造成樹枝折斷甚至整棵樹倒塌壓在線路上，形成短路引起跳閘[1]。過負荷跳閘是因負載增長超過線路載流能力和配變容量而引起持續過載跳閘，或者因負載分布不均而使末端線路過載跳閘。

1.2 影響跳閘的關鍵因素

線路自身的參數直接決定著其負載能力（見表1）。當線路的截面較小或者中間存在瓶頸段時，就很容易發生過負荷跳閘。如果線路在歷史設計時參數選擇不合理，而現在又難以進行全線改造，會成為跳閘的影響因素。此外，負載分布的合理性是典型的跳閘影響因素。當負載過度集中在線路的末端時，中間和末端就較易發生過載跳閘；如果負載集中在中間，則兩端過載的概率會較小。合理規劃線路的負載分布可以有效減少跳閘次數[2]。自動化水平的高低直接影響著跳閘的范圍和供電恢復的時間，自動化裝置可以實現對故障點的精確定位和快速隔離，避免全線跳閘。自動分段開關也可以快速斷開故障區段，使大部分用戶得以繼續用電[3]。提高自動化水平可以極大地優化跳閘治理效果。

表1 不同參數線路的負載情況和運行狀態

2 基于數據的10 kV配電網跳閘計算分析

2.1 分析10 kV無避雷線線路中的電氣幾何模型

電氣幾何模型是一種將雷電放電特性和配電線路結構參數相結合的計算模型，可以用來判斷雷電對線路的影響。10 kV無避雷線的線路模型如圖1所示，展示了如何在沒有避雷線情況下，通過幾何繪制來計算配電線路的避雷屏蔽保護。在圖1中，rbm、rdm、rgm分別為避雷線、導線和大地的擊距。弧段CkAk、AkBk分別是以避雷線、導線為圓心，以擊距rbk、rdk為半徑的圓弧。BkDk與地面的距離為擊距rgk。CkAk、AkBk,BkDk分別代表了雷電先導對避雷線、導線和大地的臨界擊穿距離。如果雷電先導先到達導線的擊距弧段AkBk，則認為避雷線屏蔽失效，輸電線發生了繞擊。

圖1 10 kV無避雷線的線路模型

隨著雷電流的增加，弧段CkAk的長度也會相應增加。因此，這個模型可以用來表示在不同雷電流條件下，線路所受的電氣幾何影響范圍。在這個例子中，電氣幾何模型通過結合雷電參數和線路結構，直觀地描述出線路遭受雷擊的電氣影響范圍。這可以作為決定線路避雷保護參數的重要參考。

在單回三角形排列的線路中，橫擔長度與雙回塔類似，因此可以采用雙回塔的模型來分析10 kV配電線路的電氣幾何影響。當三角形排列線路的電氣幾何模型中的上下相線暴露部分相交在同一點時，線路遭到雷擊，可能會導致電壓升高，最終觸發10 kV線路跳閘。

為了提高線路的防雷效果，在制定防雷措施時應考慮到可能的雷擊對線路的感應影響。傳統的電氣幾何模型主要考慮雷電流強度，并使用單變量方程進行計算。這種計算考慮線路的高度差異，因此在線路高度差異較大時，可能會出現較大誤差。

考慮雷電流強度和線路高度兩大因素，通過雙變量方程建立電氣幾何模型，滿足多種工況的計算精度要求。計算避雷器的額定容量，其適用條件為雷電流強度在5～31 kA，線路高度在10～50 m。額定容量的計算公式為

式中：C為額定容量，W；I為雷電流，kA；h為線路高度，m；k為雷電沖擊電流波形的半衰期，通常情況下可以當作常數1計算。

2.2 雷跳閘率進行相關計算分析

在計算配電線路的防雷水平時，需要準確判斷絕緣子閃絡情況。為了準確判斷絕緣子是否發生閃絡，一般的做法是將絕緣子兩端的過電壓與絕緣子或氣隙的50%閃絡電壓進行比較。當過電壓達到絕緣子或氣隙50%閃絡電壓時，可以認為發生了閃絡。針對10 kV配電網，計算其波阻抗約為335 Ω，然后根據彼得遜法則，可以得到

式中：Ua為閃絡電壓，V；Z為波阻抗，Ω；L為絕緣子長度，m。

同時，需要考慮感應雷對線路的影響。當附近發生雷擊時，先導通道中的負電荷被中和，導致電場減弱，從而導致線路上束縛的電荷被釋放，形成感應雷電，進而引發過電壓現象。雷擊通道中的強大電磁場也會在導線上感應出高壓現象。靜電感應和電磁感應疊加形成非常高的過電壓。為準確計算感應雷對線路的影響，可以建立其過電壓計算模型。結合導線受到的靜電感應和電磁感應，可以得出感應雷過電壓的計算公式，然后根據線路參數計算感應雷過電壓值，并與防雷裝置的放電電壓進行對比，以確定防雷措施是否充分。

2.3 10 kV配電網中絕緣配置跳閘率所產生的影響

10 kV配電線路發生雷擊跳閘的主要原因是線路絕緣效果不佳，因此增強絕緣效果是減少跳閘的一個手段。目前，在10 kV線路絕緣配置上已經有了一定的研究成果；使用沖擊電壓耐受性更好的絕緣子，如復合型懸式絕緣子，可提高線路的抗雷沖擊能力；使用不平衡絕緣配置，在線路易受雷區增大第一串絕緣子數，可提高這些關鍵部位的防雷等級；使用絕緣橫擔或者絕緣塔頭，增大第一串絕緣子的離地間隙，可有效降低耐雷水平；不同絕緣子的防雷參數，如最小電弧距離，直接影響了線路的抗雷能力[4]。根據仿真結果，在相同線路條件下，復合型懸式絕緣子使線路直擊跳閘率降至5.57%，較瓷絕緣子的3.23%略高，但對感應雷起到更好防護，跳閘率只有14.2%。

3 10 kV配電網跳閘次數優化方法

3.1 使用無人機巡檢

使用無人機進行線路巡檢相比傳統的人工巡視具有一系列優勢。一是全天候快速巡檢，無人機可以不受天氣等條件因素的限制，進行全天候巡線。通常，無人機巡線需要2人操作，一人控制無人機飛行，另一人監視并分析地面屏幕圖像。二是實時傳輸圖像，無人機可以搭載可見光或紅外熱像儀，實時傳輸圖像，以觀察線路狀況。如果發現問題區段，無人機可以懸停細查或多次飛過以確定情況。三是紅外熱像儀檢測，紅外熱像儀可以檢測線路上的發熱點，尤其在清晨、黃昏或陰天時使用，圖像更為清晰。為了最大限度上減少逆光的影響，建議無人機巡線時最好從側向導線飛行。此外，可以提前固定鏡頭角度，或通過無人機改變航線來進行視角調整。還可以使用陀螺儀平臺實現自動瞄準和穩定成像，然后進行線路的精確分析。四是優化樹障管控，通過無人機巡視的高清可見光或紅外熱像，可以直觀地發現樹枝對線路的壓迫和潛在的短路隱患，從而指導科學修剪工作。無人機還可以監測修剪后的樹木生長情況，以確保線路的長期可靠性。此外，無人機還可用于樹障預警，一旦無人機檢測到樹枝距離線路達到預設限值，就能夠迅速反饋給控制中心，實時掌握樹障的動態情況，從而確保電力線路的安全運行，使得無人機成為線路巡檢的高效工具。

3.2 應用參數智能檢測裝置

參數智能檢測裝置能夠獲取線路的實時數據，并且結合線路歷史運行數據計算出線路瓶頸段、電壓參數以及電流參數，進而得到該段線路的穩態負載能力和瞬態過載能力。在此基礎上，通過收集該區域近年來的新用戶增長和用電量數據，結合本地經濟發展預測，可以模擬計算未來3～5年該線路負載的增長趨勢，形成以季度、月度、周等為周期的動態預測模型，可以通過動態預測模型對未來3～5年的線路進行改造。

3.3 提升自動化水平

提升自動化水平可以有效控制跳閘次數，具體措施如下：一是在主饋線路徑上的關鍵節點安裝自動開關，實現對主線路的分段控制；二是使用通信式保護裝置，實現對這些自動設備的遠程監控，同時逐步提高饋線自動化覆蓋率，使其達到80%以上；三是取代常開式斷路器，使用能夠自主判斷故障消除后的自動復位斷路器，實現故障點自我隔離、非故障區自動復電，縮小跳閘范圍[5]；四是在線路設定多個自動分段開關，正常情況下開關處于關閉狀態，當發生故障時，開關能夠快速斷開故障區域的兩端，避免全線停電；五是在線路中間位置設置無源監測設備，采集電流、電壓等參數，通過有源通信網絡實時上傳數據，實現線路運行狀態的遠程監測。

4 結 論

通過分析研究得出，數據驅動是優化10 kV配電網跳閘次數的重要手段，可以充分利用各種數據樣本建立合理的預測模型，指導跳閘治理。結合電氣幾何模型和雷擊跳閘率計算等，更直觀地闡述配電網跳閘的技術原理，提出了以強化線路巡檢、調整負載分布、提升自動化水平等為核心的跳閘治理策略，運用智能無人機、負載控制、自動故障隔離等技術手段實現配電網跳閘次數的有效控制，顯著提高供電可靠性。