基于絕緣套管的10 kV架空裸線接地故障監(jiān)測與防治技術研究

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

（1. 國網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 電氣與新能源學院，湖北宜昌 443000）

0 引言

在我國電力系統(tǒng)中，10 kV輸電線路是輸配電網實現(xiàn)電能傳輸?shù)闹黧w框架，主要承擔著110 kV或35 kV變電站的電力輸出，其安全運作事關大電網的穩(wěn)定運行。輸電線路跨越的區(qū)域和通道長度逐年增加，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途徑山地和林區(qū)。一般而言，配電線路多用在農村、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架空導線多為裸線，在樹木生長茂盛區(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題，導致一系列安全事故，如網損增大、人員傷亡、斷線等，極大地威脅著中壓配電系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。并且隨著配電網的規(guī)模不斷擴大，10 kV輸電線路跨越的地區(qū)和通道長度也在不斷增加，穿越林區(qū)和山地的輸電導線逐漸增多，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，嚴重影響輸電線路的穩(wěn)定運行，制約輸電效率。

針對樹障問題，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)境保護等要求，工作難以進行，即使砍伐樹木，問題也得不到根本解決；二是對輸電線路進行電纜改造，用電纜取代輸電裸線，此法成本高，不易推廣。考慮到樹障問題的區(qū)域性特點，可以采用重點防治的方式。對樹障區(qū)域進行絕緣套管改造，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，這些套管在安裝時不夠簡便，操作人員施工時的勞動強度較大，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生活，造成經濟損失，因此本研究選用卡扣式絕緣套管。卡扣式絕緣套管安裝方便快捷，勞動強度低，能夠帶電安裝。套管采用甲基乙烯基硅橡膠材質，絕緣性能優(yōu)秀，不易發(fā)生電場擊穿。同時有著良好的機械性能，能夠有效地減少樹障樹木對絕緣套管的磨損，防止輸電線路接地故障的發(fā)生。

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

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

1 架空裸導線樹障接地機理分析

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，用電負荷達到高峰,進一步加劇了電線的溫升，此時,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、風速等因素有關。導線弧垂的計算公式為：

圖1 樹閃故障示意圖

式中，f為導線的最大弧垂，w為導線比載，l為檔距，σ為導線最低點處的水平應力。

1.2 電弧數(shù)學模型

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

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

1.3 線路絕緣防護

輸電裸線發(fā)生接地故障時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，樹木的導電性增強，更加大故障時的短路電流，因此在不砍伐樹障的情況下，需要對架空裸線安裝絕緣套管，以起到防護作用，即使發(fā)生接地短路問題也能減小短路電流。

圖2 單相接地故障等效圖

2 絕緣套管設計與電流監(jiān)測方案

2.1 絕緣套管設計

目前的輸電導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，一般通過一次成型的方式制作而成。直筒式絕緣套管安裝時需將所要防護的架空導線的一端取下，將套管從一端套上，再將線路復原。這種絕緣套管使用時需要整體套設在導線上，然而由于導線為細長物，安裝時非常不方便。當作業(yè)線路較長時，不僅操作難度增大，還需對輸電線路停電，影響到配電網的穩(wěn)定運行的同時，還對居民的生產生活產生影響，造成經濟損失。而卡扣式絕緣套管雖然無需拆裝導線，但在安裝過程中，由于10 kV架空線路導線直徑較小，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。操作人員將一定長度的絕緣套管扣在輸電導線上后，還要將絕緣套管的卡扣從一端到另一端手動捏合，不僅費時費力，也需停電作業(yè)，同樣會對配電網造成影響。本研究設計的10 kV線路絕緣套管裝置在傳統(tǒng)絕緣套管的基礎上進行了改進，可以很好地解決這一問題，同時減輕操作人員的勞動強度。

作業(yè)輸電線路所在地區(qū)樹木生長茂盛，交錯纏繞樹枝會對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強度。并且套管安裝后輸電導線仍然會受到樹木的刮擦，套管安裝后應相對穩(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需操作人員另外配備熱縮槍，在空中作業(yè)時十分不便，同時也增加了操作人員的負重。而且兩者安裝時都需要將作業(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。卡扣式絕緣套管的管體沿軸線方向開口，以實現(xiàn)帶電作業(yè)，開口用卡扣和卡扣槽嵌合的方式實現(xiàn)套管的閉合。卡扣設計聯(lián)結緊密，能使絕緣套管不會因為熱脹冷縮、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)的輸電線路往往長達數(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。在每段套管間設有連接套筒，以保證套管的絕緣性，加強了絕緣套管對架空裸線的防護。連接套筒采用的尼龍材料硬度大，有一定的韌性，能適應安裝過程中的一系列操作。套筒結構及安裝效果如圖3所示。

圖3 連接套筒結構及安裝效果

2.2 10 kV配電線路接地故障定位

10 kV配電系統(tǒng)采用中性點不接地或經過消弧線圈接地方式，有利也有弊。針對故障難查找的問題，研究人員提出一些解決方案。當10 kV配電線路發(fā)生單相接地短路時，雖然配電網會發(fā)出接地信號，但還是不易找出故障。線路故障會造成用戶供電中斷，快速、準確的故障定位方法能縮短用戶的停電時間，減少因停電造成的損失。 故障定位方法一般分為兩類，一類是以測量故障線路的阻抗為基礎的阻抗法[7-8]，另一類是以測量故障或人工產生的行波為基礎的行波法[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方法有信號源方法[12]、首半波法[13]或暫態(tài)分析法[14]。這些理論成果向實際應用的轉化率不高，實用性產品較少，效果也不理想。要提高輸電線路的供電效率，就需要當配網發(fā)生單相接地故障時，能夠快速地有效診斷故障類型，確定故障位置，及時采取有效措施。

當樹木與輸電裸線接觸，線路發(fā)生單相接地故障時，電流經過樹木導入大地，故障線路以故障點為中心，線路兩端電流值因為植物的分流作用而呈現(xiàn)差異。因此對在易發(fā)生接地故障的樹障地區(qū)的輸電導線，可在線路兩端加上電流檢測單元，對輸電導線實時電流監(jiān)測，通過比較線路兩端電流值，掌握樹障區(qū)線路運行的輸電導線運行狀態(tài)。當線路兩端電流差值超過預設值時，可判斷其發(fā)生了接地故障，易于找到接地故障點，及時排除故障，查明樹障地區(qū)是否出現(xiàn)階段性惡化，同時考察絕緣套管的可靠性。同時可以對各個不同的樹障地區(qū)的輸電線路段采用電流監(jiān)測裝置，以監(jiān)測不同樹障區(qū)域發(fā)生單相接地的情況。

2.3 帶電流監(jiān)測功能的絕緣套管

將絕緣套管的電流監(jiān)測單元整合如圖4所示。絕緣套管和電流監(jiān)測裝置相結合，相當于給輸電線路加上了雙重保險，絕緣套管對輸電線路起到基礎性防護作用，而電流監(jiān)測裝置也起到評估套管可靠性的作用，杜絕了樹障隱患。電流監(jiān)測單元封裝在一個柱形套筒內，卡裝在整段絕緣套管的兩端，同時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的絕緣性能，對比了不同絕緣材質在5 mm、10 mm、15 mm距離下發(fā)生電壓擊穿時的電壓。對各種固體絕緣材料的樣品做了擊穿試驗，測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，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構。電極間的電介質選用變壓器油，俗稱方棚油。試驗交流頻率為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)

分別測試了各種材料的絕緣性能，用固體絕緣材料玻璃纖維增強塑料、聚四氟乙烯、硅橡膠、芳香聚酰胺制成厚度相同的樣本，電極間距分別設置為5 mm、10 mm、15 mm。各樣本用干燥器進行干燥，以完全去除水分，然后用乙醇仔細清洗[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，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較低。在考慮經濟因素時，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)異的化學穩(wěn)定性、電絕緣性和工作溫度范圍廣等優(yōu)點，在電氣絕緣領域得到了廣泛應用。甲基乙烯基硅橡膠是一種常見的硅橡膠，簡稱乙烯基硅橡膠，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械性能，能有效地防止樹枝對架空輸電導線的損害，與應用場景很好地契合。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，乙烯基的含量也會影響甲基乙烯基橡膠的絕緣性能，圖7為乙烯基相對含量對乙烯基硅橡膠絕緣性能的影響。由圖7中曲線可以看出，在乙烯基相對含量為3%時，能達到最佳的絕緣性能。所以選用乙烯基相對含量為3%的甲基乙烯基硅橡膠作為絕緣套管的制作材料。

圖7 乙烯基相對含量對MVSR絕緣性能的影響

3.2 電流監(jiān)測單元

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

監(jiān)測套管防護線路電流的監(jiān)測單元由四個模塊組成，如圖8所示。首先用電流互感器從輸電導線取得易于測量的直流小電流，再將從互感器流出的直流接入直流電流檢測模塊，將測得的電流數(shù)據(jù)輸送到NB-IoT數(shù)據(jù)傳輸模塊，NB-IoT模塊再通過廣域網的蜂窩數(shù)據(jù)將電流值發(fā)送給手機，實現(xiàn)電流數(shù)據(jù)的無線傳輸。手機可在應用軟件上實時監(jiān)測每相線路的電流數(shù)據(jù)，為判定線路故障提供依據(jù)，同時檢測絕緣套管的可靠性。

圖8 電流監(jiān)測單元

電流檢測模塊和NB-IoT數(shù)據(jù)傳輸模塊均采用12 V直流電源供電。考慮到帶電安裝的需求，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設備功耗可以做到非常小，很適合輸電導線電流監(jiān)測這類監(jiān)測裝置供能不易獲取的應用場景。并且使用NB-IoT無需重新建網，射頻和天線基本上都是復用的，間接地降低了線路改造的成本。

4 現(xiàn)場驗證試驗及應用案例

4.1 試驗

為檢測系統(tǒng)的運行情況，在試驗室搭建試驗平臺進行測試，如圖9所示。利用兩個鐵塔模型搭建一條輸電線路，在線路上鋪設兩段兩米長絕緣套管，套管間安裝連接套筒，整段套管兩端裝上電流監(jiān)測裝置，最后通過升流器（圖10）輸送大電流到線路上，模擬某相輸電導線。監(jiān)測結果如圖11所示。

圖9 電流監(jiān)測試驗圖示

圖10 電流監(jiān)測試驗所用升流器

圖11 電流監(jiān)測結果

4.2 應用場景的基本情況

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落，屬浙西中低山丘陵區(qū)。配網線路經常要從林區(qū)穿過，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行了試用，減少了對樹障的砍伐工作，有效節(jié)省作業(yè)人員絕緣套管安裝的時間。套管安裝后，減少了配電網的年短路故障次數(shù)。

5 結論與展望

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

除了上述優(yōu)勢，該裝置也存在一定的應用限制，希望通過今后的學習找到改進方法。本裝置電流檢測模塊的電源采用蓄電池組，在電量用盡后，需要更換電池。未來可考慮與無線取能相結合，通過輸電線路感應取電的方式給裝置供電。