基于中低压输电线路故障诊断方法的研究

陈坚

（国网温州供电公司，浙江温州 325000）

0.引言

作为输配电网络的重要组成部分，中低压输电线路在人们生产生活中起到直接性的能源支撑与用电保障作用。一旦线路出现故障问题，不仅会引发能源资源浪费、生产活动停滞、民生质量下降等问题，还可能造成严重的安全事故，进而扰乱社会整体的稳定秩序。同时，受到运行环境、电网结构、材料设备、社会治安等多方面因素的影响，中低压输电线路的故障风险始终居高不下。所以，有必要对线路故障的诊断方法展开探究讨论。

1.中低压输电线路的故障概述

在中低压输电线路的日常运行过程中，常见有多种故障，如短路故障、断路故障、接地故障、漏电故障、过载故障、覆冰故障、雷击故障等。当这些故障发生时，输电线路的运行稳态将被打破，进而引发一系列的事故问题，如设备损毁、电气火灾、大规模停电、供电不持续等。如此一来，不仅会对电力企业造成大量的经济损失与运维压力，还会严重影响用电用户的生产生活质量，甚至引起重大的社会安全事故。从故障发生的原因来看，中低压输电线路的运行活动会受到多种因素影响。首先，若电网系统本身的工程质量、调度机制存在问题，如设备质量不达标、导线材料不合格、线路搭接不合理、超负荷供电等情况，将会导致输电线路的实际运行能力与电网工作需求存在冲突，进而埋下过热、过载、线损等故障隐患；其次，由于绝大部分输电线路处在露天环境中，所以环境温度、湿度的变化与雷雨、大风等极端天气的出现，也会给线路带来一定的故障风险。最后，动物侵袭、人为破坏、环境污染等因素，也可能引起中低压输电线路的故障问题[1]。

2.中低压输电线路故障诊断的实践要求

故障诊断是中低压输电线路运维体系的重要环节，同时也是保证线路故障处理工作有效性的前提和基础。在开展诊断实践时，相关人员一方面要确保诊断方法的科学性、实用性，并尽可能夯实诊断技术的应用基础。例如，绝大部分故障诊断工作涉及现场信息的采集需求，所以有必要预先在输电线路及其所处环境中配置出足量的温度、电流、电压、气象等检测传感装置，并保证装置性能处于较高水平。这样一来，才能达到最佳的信息采集效果，为故障诊断的效率和精确性提供源头性保障。另一方面，故障诊断应尽量做到精细、完整，即实现输电线路故障类型、故障时间、故障点、故障程度等多方面的分析判定[2]。

3.中低压输电线路故障诊断的可用方法

3.1 红外图像处理法

红外线作为一种自然产生的电磁波，能够反映出物体的温度状态。当物体温度发生改变时，其释放出红外线的强度也会随之出现变化。所以，在不同时段使用专业成像设备对物体进行红外图像的采集，便能判断其温度性质的稳定与否。基于这一原理，便可以通过对中低压输电线路红外线释放情况的采集与分析，诊断其是否存在故障问题。具体来讲，现阶段在线路故障诊断中可使用的红外图像处理方法有以下3种：

（1）直接判断法。现阶段，在国际性或国家性的设计标准、工程规范等通用文件中，已经对电网中各类设备器件、线路材料、绝缘介质的工作温度及允差范围进行了标准化规定[3]。基于此，相关人员在使用专业设备完成红外图像采集与表面温度测定后，可直接将检测结果与相关文件中的标准温度区间进行对比。在此基础上，再结合输电线路所处工作环境的空气温度及天气情况，以及表面温度异常时输电线路的负荷状态，便能完成线路故障的基本判断。从实践角度来看，这种方法具有技术难度低、判断效率高、数据算量小的优势，但通常只能评估线路是否存在运行异常，无法进一步确定故障的类型与程度。

（2）相对温差法。在针对中低压输电线路实现红外成像与表面温度测算的基础上，可在输电线路中选择若干诊断点，进行相对温差的运算分析，具体公式为其中，τ1为异常点的温升值，τ2为正常点的温升值，T1为异常点的温度值，T2为正常点的温度值，T0为线路所处环境中其他参照物的温度值。通常情况下，若求得的δt不超过30%，则可判断输电线路的异常温度变化处在允许范围内。但需要注意的是，30%并非标准值，而是相对常用的故障诊断均值，在具体实践时相关人员还需以具体分析对象为准，如隔离开关的相对温差允许范围可提至35%以内，真空断路器的相对温差允许范围则需要限制在20%以下。在此基础上，若δt高于30%但未达到80%，可判断中低压输电线路发生了故障问题，但发热量相对较低，故障情况往往不严重；若δt在80%与95%之间，则可诊断判定为重大故障；若δt不低于95%，则说明被测线路或设备的运行状态已严重恶化，即发生了紧急性的故障问题。

（3）温度类比法。相关人员在线路故障的排查诊断时，可将线路网络中多个工作条件基本相同的工作段或电力设备作为对比项，实施定时段、定部位的红外图像对比。在此前提下，若发现有线路工作段或设备元件与同组其他对比项存在明显的表面温度差异，则可判定其处于异常的运行状态。

3.2 智能在线监测法

从工作原理来讲，智能在线监测法主要以布设在中低压电网或周围环境中的传感装置作为信息采集端，对输电线路、电力设备在运行过程中的电流值、电压值、线损数据、工作温度、空间参数等进行实时采集与动态上载[4]。然后，由主站监测系统对现场传回的数据信息进行分析处理，进而实现线路故障的诊断识别。结合技术功能与实践经验来看，智能在线监测法可满足多种故障类型的诊断需求。

例如，当中低压输电线路处在大风天气下，线路会因空气动力的大幅改变而出现舞动现象。此时，在风动与惯性的双重作用下，舞动现象往往会持续很久，进而很容易导致导线、金具及杆塔受到负面影响，出现导线损伤、金具磨损、跳闸短路、杆塔倾倒等线路故障与安全事故，并引发大规模、长时间的输电停滞问题。对此，布设于现场的传感装置可对中低压输电线路的风偏、跳线、仰角等空间参数进行实时的采集、记录与上传。这样一来，主站监测系统便能结合相关数据对输电线路的舞动幅度进行分析。然后，将监测区域内导线、杆塔、建筑物等的空间数据纳入分析模型中，即可判断出舞动幅度是否超限，以及导线、杆塔等是否会在舞动作用下发生碰撞或相间放电的情况，并由此得出最终的故障诊断结果。在此基础上，主站监测系统在判定中低压输电线路存在故障后，还能通过终端设备及时向相关人员发出告警，从而有效引导其进入现场实施设备检查与故障处理，以确保中低压电网尽快恢复到正常的运行状态[5]。

再如，覆冰故障是中低压输电线路在寒冷天气下经常遭遇的故障问题。该故障发生时，输电线路会因承重增加而出现弧垂变大的现象，进而导致导线与地面的距离大幅缩小，对线路的运行安全构成极大威胁。同时，覆冰还会对线路的风动抗性、导线质量产生负面影响，容易引发开裂、短路、断路、异常线损等线路继发故障。因此，通过智能在线监测法能够达到定位精准、响应及时的故障识别诊断效果。具体实践时，布置在现场环境的传感装置会对中低压输电线路的弧垂参数、风偏角度、工作温度、外部环境温度等数据信息进行采集，并实时传回至主站监控系统处。其次，系统再调动建模分析、状态运算等模块，得出输电线路覆冰的厚度、重量、比载等实际参数。最后，将实际参数与相关规范标准进行对比，即可判定输电线路的覆冰情况是否超出标准范围。若超标，系统则会向相关人员发出除冰告警，并在告警信息中体现具体的线路类型、故障段编号、故障点位置等信息，促使运维部门及时、高效地开展除冰工作，将覆冰故障的影响降至最低水平。

3.3 决策树诊断法

决策树是一种树形的程序结构与分析逻辑，其主要由单个根节点和多个分支节点构成，整体结构具有自上而下、逐层细化的特点。在决策树中，根节点对整体逻辑序列的判断功能具有导向作用，而分支的内部节点、叶节点则代表判断所需的判定条件与判定结果。由此，通过逐层分析和组合多个分支判定结果，便能推导出最终的整体性判断结论。将这种方法应用到中低压输电线路的故障诊断中，能够在多种故障因素和指标信息的支持下得到切实合理的分析结果。

例如，在线路覆冰故障的诊断实践中，可编制如下决策树程序：故障录波→故障时间→是否处于易覆冰区域→是否配备传感监测装置→是否符合易覆冰条件→历史故障信息→有无故障处理记录→结束。其中，“是否处于易覆冰区域”可直接通过故障录波中的区位信息进行判定；“是否符合易覆冰条件”需要以具体的监测机制为前提。若为智能在线监测，需要基于线路数据分析覆冰厚度、导线弧垂等具体幅度，并由此判断有无覆冰。若为传统影像监测，则需要调出故障发生30min内的现场影像，结合导线、设备、环境的外观情况判断有无覆冰；“是否符合易覆冰条件”是在现场无监测的情况下进行判定的，应包含气象条件与地形条件两个部分。其中，气象条件主要可分出3个决策指标，即“温度低于5℃”“环境湿度高于85%”与“环境风速在4m/s～15m/s的区间内”。地形条件主要可分出多个决策条件，如“垭口”“水汽增大型”“高山分水岭”“地形抬升型”“峡谷风道型”等。在决策树的支持下，相关人员便可逐步分析中低压输电线路所处的环境条件、运行状态是否满足覆冰故障的形成需求，以及既往覆冰隐患是否存在未有效处理的情况，进而完成线路故障的有效诊断。

3.4 行波故障诊断法

一般来讲，当中低压输电线路的运行状态出现异常时，其工作电流、工作电压中的高频分量比重将大幅增加。由此，通过对线路的高频行波进行分析，便能达到良好的故障定位与诊断效果。从目前来看，在线路故障诊断中应用行波诊断方法时，可有单端检测和双端检测两种选择，其中单端检测还可具体分为A、C、E等多种类型。具体如下：

A类型的单端检测法主要是将故障线路的一端作为检测点，对暂态行波进行分析。实践时，需要对行波由检测点到故障点的两次反射时间进行数据采集，便能运算得出测量点与故障点之间的距离，具体公式为Xs=1/2v·△t=1/2v（TS2-TS1）。其中，Xs为故障线路上检测点与故障点的间距，v为行波的运动速度，TS1、TS2分别为行波一次、二次反射至检测点的时间，△t为行波单次往返的时间；C类型的单端检测法在原理上与A类型相似，但其用于故障定位的行波并非暂态行波，而是高压脉冲信号，具体运算公式为S=v/2（t2-t1）=1/2△t·v。其中，S为检测点与故障点的间距，t1、t2分别为脉冲发出与返回的时间，v为脉冲信号的运行速度，△t为脉冲往返的总时间；E类型的单端检测法以故障线路的断路器动作为应用基础。当中低压输电线路发生故障时，其断路器会出现合闸动作，进而引起浪涌现象。由此，便可通过采集分析合闸瞬间行波浪涌与行波在故障点处的反射浪涌之间的时间差，实现故障点的有效定位，具体公式为S=1/2△t·v=1/2v（i1-i2）。其中，S为检测点与故障点的间距，△t为两次浪涌的间隔时间，v为行波速度，i1、i2分别为断路器动作时和故障点反射时的浪涌；双端检测法与E型单端检测法相似，其主要在中低压输电线路的故障区域前后分别设置一个检测点，然后再对故障时行波浪涌运动至两点的时间信息进行采集运算，由此明确出具体的故障发生位置，运算公式为：

其中，L为2个检测端点的间距，v为行波运行速度，SMF、SNF分别为M、N两个检测点与故障点F之间的距离，tm、tn分别为故障点行波浪涌至M、N2点的时间。

4.结论

由于长期暴露在外部环境中，且运行机制、工作结构较为复杂，所以中低压输电线路的稳定运行状态很容易被打破，进而出现断路、短路、过载、覆冰等一系列的故障问题。因此，在故障处理实践时，需要做到全面排查、精准定位、科学诊断，以便为后续的维修保养工作提供有力导向。从目前来看，红外图像处理、智能在线监测、决策树诊断、无线测温等技术方法均能用于中低压配电线路的故障诊断中，并能表现出良好的诊断效果。