10 kV输电线路故障分析及其自动化技术分析

霍向飞

（神华国能哈密电厂，新疆 哈密 839000）

0 引言

目前，我国已经基本实现了10 kV输电网络的全覆盖，全国各地的人民群众均能享受优质、稳定的电能，大幅度提高了生活质量。但随着城市化的深入发展，特别是“智慧城市”的建设，导致城市的用电需求出现了不断增加的态势[1]。与之相比，10 kV输电网络能够承载的最大供电压力的增长速度缓慢，导致运行期间容易发生多种故障，在一定程度上影响了供电的稳定性和安全性。基于此，电力公司必须对10 kV输电线路常见的故障进行梳理、排除，并探索应用自动化监测技术的可行性。

1 10 kV输电线路常见故障类型

1.1 输电线路雷击故障

在我国南方某村落中，共设有3条10 kV输电线路（馈线），此外还设有60条支线，总长度达到65.649 km，几乎全部为架空线路。该村落的10 kV架空输电网络的输电方式相对单一，全部为单辐射形式，主要供电特点为半径长、T接口多、分支线路多、用户密集程度较低以及负荷集中度不足。据当地电力部门的统计，配网内共设有12台柱上开关、75台配变。该村落坐落于山区，与周边山脉形成了丘陵地带，加之阴雨天气较多，因此经常出现输电线路因雷击而出现故障的情况。根据近年来的资料记载，雷击故障类型主要分为以下2种：1） 常规雷电事故。线路闪络最为常见，一旦出现便容易导致村落配电网络输配电作业中断。与此同时，该地区10 kV配网存在较为严重的线路老化情况，导致部分电气设备的绝缘装置的绝缘性能无法承载雷电的冲击，导致雷电事故频繁发生。2） 该村落在2018年9月初发生的绝缘子闪络放电事件具有较强的代表性。经事后调查，故障是由P-15T设备积累的灰尘而引起闪络，导致相间短路故障，造成全村在4 h内无电供应，严重影响村内居民的正常生产生活。细查后发现，在该村落10 kV输电网络中，很多电气设备均缺少有效的防护设施，大多与空气直接接触。时间一久，部分绝缘子表面和内部均积累了大量灰尘，当空气湿度提高时，便形成了一层可导电的膜，最终引发闪络、设备防护层击穿或引发故障接地。

1.2 输电线路跳闸事故

1.2.1 自动断线装置越级跳闸故障

包括10 kV、110 kV在内的很多规模输电网络中均有可能出现越级跳闸故障，该故障是指输配电过程中，某一个区域出现了故障，需要即刻断开该区段内全部接入输配电网络的电气设备，从而达到隔绝故障、保护电气设备的目的。但本应断开（跳闸）的自动断线装置并未启动，而是由其他断路装置跳闸而即时切除了故障线路[2]。导致该类型故障的主要原因涉及历史因素，即在2014年之前，我国电力配件市场中存在多种类型的控制开关，在设计方式、原件保护技术方面均采用不同的技术工艺。当“统一性”不足的控制开关被放置于同一个输配电网络时，相互之间的通电原理、控制与被控制的逻辑关联性均会发生“互相抵触”的情况，最终导致越级跳闸现象（其本质是一种故障）。防止该故障再度发生的方式相对简单，即对线路使用的开关进行核查，保证开关在制作工艺、运行原理方面达成“逻辑性统一”，即可避免“抵触”，不会再度出现越级跳闸故障。

1.2.2 引线装置连接不牢

该类型的故障常常发生于农村10 kV输电网络中，多体现在线耳、线夹以及刀闸的固定牢固度不足，造成负载偏离正常值，从而导致发热问题。

1.3 外力因素引发故障

因外力作用而导致10 kV输电线路出现的故障是一类常见的故障，主要是线缆、线杆受到外力撞击后，出现输电结构受损。

1.3.1 恶劣天气引发

在上文所述的案例中，该村落地处山区，山林中存在大量野生的树木、竹子。由于10 kV架空导线与高大植物之间的安全距离不足，因此当出现规模较大的风雨天气时，竹子、树木可能发生断裂，在倾倒的过程中，直接压迫或压断线缆，进而造成跳闸等事故。

1.3.2 线路挂物引发

放风筝是一种传统的游戏，能够使人们身心愉悦。但在现代社会，很少能够找到地面、空中同时处于“空旷”的场所。因此，在现代社会中，放风筝的危险性也已经提高，稍有不慎便可导致风筝线、风筝缠绕在10 kV架空线缆中，从而引发故障。

2 10 kV输电线路故障自动化诊断分析处理技术梳理

2.1 基于重合器与过流脉冲计数分段器的10 kV输电线路故障自动处理技术

对上述问题进行处理时，可通过应用馈线自动化技术，完成对10 kV输电线路的自动化控制，进而及时分析并处理故障。该馈线自动化技术的主要原理为借助具备一定功能的开关完成简易自动化控制。此外，还应与电源侧前级的开关互相配合，使线路具备基础功能的同时，在遇到“输电线路失压”或“无电流流通”等情况时，还能自动分闸，达到隔离故障设备（线路段）或恢复供电的目的。这类具备自动化处理功能的开关控制一般具备以下2个功能：1） “电压-时间”特性。即通过加压、施压时间的长短来控制开关的动作。2） “过流脉冲计数”。在一段时间内，计算前级开关针对故障电流执行开闭操作的次数，当达到临界数量之后，表明该段电路问题频发，可能存在故障，需要对其进行隔离处理（可能并未实际发生故障），进而实现提前隔离潜在故障区的目的。

必须承认的是，尽管现代10 kV输电线路能够在一定程度上实现对故障的自动化分析及处理，但处理的程度相对有限，其原理实际上就是“人脑”与“电脑”的最大区别。具体来说，人工判断10 kV输电线路的故障时，可通过观察线路表面情况（例如上文提到的风筝等异物挂线而引发的故障），结合相关参数，进而做出相应的处理。但自动化控制系统仅依靠预先设置好的控制程序，分析相关数值是否接近、达到或者超过临界值，进而做出相应的反应。基于重合器与过流脉冲计数分段器的馈线自动化方式的运行原理为当10 kV输电线路出现故障且导致重合器跳闸后，分段器会维持在合闸的位置。经历故障电流的分段器过流脉冲计数器在数值技术方面会“加1”，一旦该数值达到预设标准值，则该分段器便不会在进行电流间隙分段作业；当重合器再次闭合，可将故障区段线路重新接入配电网络并恢复供电。如图1所示，是常见的10 kV配电网局部线路构成图，其中，A为重合器，B、C和D均为过电流脉冲计数分段器，初始计数次数均整定为2次。当输电线路处于正常运转状态时，重合器A、分段器开关B、分段器开关C以及分段器开关D均处于闭合状态，电流正常输送。当与B、D并联的C及之后电路出现故障时，A立刻跳闸，且分段器C计“过电流”1次，此时，计数值为“1”，尚未达到“整定2”的限制，因此所有分段器开关均保持合闸状态不变[3]。经过一段时间后，重合器A从断开状态转变为闭合状态，如果C的故障是一种瞬时性故障，且此时已经不影响正常输配电，则A的闭合过程不受任何影响，线路不存在任何“运行不畅”的情况。继续运行一段时间后，如果没有发生新的故障，则之前对C执行的“计数1次过电流”的数值会从“1”调整至“0”，即恢复至初始状态。如果C的故障具备长期性和永久性，则A同样需要进行重合，保证B、D的正常通电，但C及后续输电线路段会被暂时切断，待后续进行详细检查。

图1 基于重合器与过流脉冲计数分段器的10 kV输电线路故障自动处理示意图

2.2 10 kV输电线路防外力破坏智能视频预警监控装置

2.2.1 装置系统组成

某公司研制的10 kV输电线路防外力破坏智能视频预警监控装置的型号为TLKS-PMG-WP，属于输电线路在线监测系列产品，主要由前端、后端2个子系统构成：1） 前端。主要由激光越线传感器、高清图像识别传感器、摄像机、低功耗视频主机、语音喇叭以及供电系统组成。2） 后端。主要由计算机监控软件和服务器等电子计算机相关设备组成。

2.2.2 装置主要功能

该系统的主要功能如下：1） 以激光越线探测器作为核心元器件，可设置在输电线路走廊合适位置，对安全距离以下区域发生的一切情况进行监测。例如监控范围内发现违规施工情况，且相关器械已经越界，有可能导致10 kV线路受到外力侵害时，系统会自动发出越线警告。2） 能够有效地对输电线路外临近的一段区域进行智能视频监控。3） 具备较强的防盗探测报警功能，可检测非法攀爬铁塔、偷盗塔材的行为。4） 具备语音警示驱逐功能。5） 具备电源远程管理功能。6） 能够在低温条件下工作。7） 能够抵抗电磁干扰（通过了电磁测试），且具备专业的防雷、防水和防腐蚀设计（注：上述多种防干扰设计是指该系统本身，并不包括其监控的10 kV输电线路）。如果监测系统出现短路等故障时，系统可即时切断与电路的连接，并在一段时间后尝试重新接入电路。8） 装置运行控制系统建立在4G EVDO/WCDMA通信平台上，能够在许多恶劣环境（例如大风、强降雨、冰雹和暴雪等）下持续工作，整机长时间连续工作时间超过10 000 h[4]。9） 具备自动定时、自动接收视频监控装置采集的视频数据的功能，可远程设置视频数据的采集方式，并对时间进行跟踪纠正。具体来说，针对10 kV输电线路进行监控时，存在一个经常被人们忽略的问题，即时间是否统一，例如相邻的2个监控摄像头彼此之间有可能存在数十秒的时间误差。因此，一旦出现人为偷盗输电线路、电气设备等情况，在对比2个监控摄像头“同一时间”的监控影像时，有可能漏掉关键信息。基于此，自动化监控设备在联网的情况下，每间隔一段时间，便能对每个摄像头装置的时间进行追踪校正，将对应时间的监控信息修正至正确的时间段，避免出现错误。

2.2.3 装置相关技术参数

10 kV输电线路防外力破坏智能视频预警监控装置的技术参数见表1，该装置适用于大部分环境，可在手机客户端进行远程控制以及对参数进行实时调节，能够有效监测10 kV输电线路的外部态势，可及时预警，避免因机械操作、树木倒塌或人为偷盗等因素而导致10 kV输电线路受损（如果出现树木倒塌等非人力行为，则可将视频画面实时传递至10 kV输电线路视频监控中心，派遣专人及时前往处理）。

表1 10 kV输电线路防外力破坏智能视频预警监控装置相关技术参数

2.2.4 装置的实际应用举例分析

该装置自带图像视频检测手段以及多光谱雷达检测技术（可根据用户要求添加），应用于山区10 kV输电线路布设区域后，可实时监测输电线路周边的烟雾、火情，根据计算机监控软件预先设置的控制参数，系统可自动判断发生山火的可能性、山火发生线路以及10 kV杆塔的相关信息。一旦出现火情，系统就会迅速启动预警，并借助无限网络通信方式完成相关信息的传递，使有关部门在处理险情的过程中占据主动地位。

2.3 10 kV输电线路故障在线监测系统

上述10 kV输电线路防外力破坏智能视频预警监控装置主要防止外力对10 kV输电线路造成破坏。如果故障发生在线路内部，则该装置无法提供相关信息。基于此，还需要搭配10 kV输电线路内部故障在线检测系统。

该系统名称为Acrel-3000电能管理系统，层级分布情况如图2所示。实际上，该系统监控10 kV输电线路内部故障的原理与传统的传感器监测模式几乎一致，但提升之处在于，它利用通信管理机对一定范围内的所有监测装置进行统一管理。具体来说，线路中负责监测电气设备过载、温度的断开器装置按照一定顺序完成编码（可以是1、2、3……），当编号为3的断开装置启动时，就意味该装置对应的电气设备出现电压过高的故障（可能是短路，也可能是异常接地故障）。该信息会及时传递至计算机总控端，为事后查找故障具体原因提供证据。

图2 Acrel-3000电能管理系统构造原理图

3 结语

综上所述，10 kV输电线路的故障类型较为常见，解决以及排除故障的技术也相对固定，在技术层面并不具备难度。未来的发展方向为借助自动化监控系统，对分散在线路各处、具备各类功能的装置进行控制，待发生故障时自行处理并做好记录，进一步提升10 kV输电线路运行的稳定性。实现“自动化”的方式应分两步走：1） 运行监督方面的自动化，即通过Acrel-3000电能管理系统、10 kV输电线路防外力破坏智能视频预警监控装置等对输电线路的运行情况进行监督，在问题发生前便予以阻止。2） 既定问题处理方面的自动化，可通过编制程序控制代码，在发生故障时及时切断电源，避免故障范围扩大，经过一段时间后，评估故障是否消除，将已经稳定的设备重新接入并正常运转，全面保证电路的运行安全。