10kV配电线路故障排除的具体措施研究.pdf

Telecom Power Technology 229 Oct.10,2023,Vol.40 No.19 2023 年 10 月 10 日第 40 卷第 19 期运营维护技术DOI：10.19399/ki.tpt.2023.19.07510 kV 配电线路故障排除的具体措施研究孔仪潇（国网杭州供电公司，浙江 杭州 310000）摘要：为了提升10 kV配电线路的供电可靠性，调查其常见的故障形式和原因，发现故障的主要表现为断线、短路、线路和设备老化以及雷击受损。研究过程针对断线和雷击过电压 2 种发生率较高的问题制定排查处理措施，一方面建立相关的故障判据，另一方面探索故障定位的具体方法，为线路快速恢复供电创造条件。研究结果显示，对于线路破损断裂，可将负序电流、正序电流、相电流变化作为判断依据，通过设置电压监测装置实现故障区段定位；对于雷击过电压问题，引入小波包分解法，识别直击雷过电压和感应雷过电压，通过相邻监测点的波形相关性确定大致的雷击位置。关键词：10 kV 配电线路；故障分类；原因分析；排除措施Study on the Specific Measures of 10 kV Distribution Line Fault EliminationKONG Yixiao(State Grid Hangzhou Power Supply Company,Hangzhou 310000,China)Abstract:In order to improve the reliability of power supply for 10 kV distribution lines,the common fault types and causes were investigated.It was found that the main faults were broken lines,short circuits,aging lines and equipment,and lightning damage.In the course of study,the measure of checking and dealing with the problem of high frequency of broken wire and lightning over-voltage is made,on the one hand,the relevant fault criterion is established,on the other hand,the specific method of fault location is explored,to create conditions for the rapid restoration of power supply lines.The results show that the fault location can be achieved by setting up voltage monitoring device based on the changes of negative sequence current,positive sequence current and phase current.In order to eliminate the problem of lightning overvoltage,a wavelet packet decomposition method is introduced to identify the direct lightning overvoltage and the induced lightning overvoltage.Keywords:10 kV distribution lines;fault classification;cause analysis;elimination measures0 引 言10 kV 中压配电线路主要用于城市、农村及工业区域的供电，其可靠性关系到企业生产和居民生活。受到自然因素、外力因素、设备因素的综合影响，线路运行时容易出现各类故障。制定快速、可行的故障排除措施成为保障电力稳定性的必然路径。当前，针对短路、断线、雷击等故障形式已经形成了较为丰富的检查和定位方法，探索相关的新措施、新技术具有广泛的工程应用价值。1 10kV 配电线路常见故障分类及原因分析1.1 10kV 配电线路常见故障分类根据国家能源局和中国电力企业联合会发布的2021 年全国电力可靠性年度报告，全国 10 kV供电系统的主要停电原因及占比如图 1 所示。自然因素、外力因素、设备因素成为线路故障的主要原因，进一步可推知，配电线路常见的故障表现为线路短路、架空线路断路、雷击受损、设备老化等。故障停电原因一级分类自然因素大风大雨自然灾害雷害凝冻其他气候因素异物短路交通车辆破坏动物因素外部防拖工影响其他外力因素设备老化产品质量不合格19.779.335.820.222.505.792.542.022.286.9216.531.836.3210.114.103.92100.00主网影响用广影响运行维护其他共计外力因素设备因素故障停电原因二级分类占比/%图 1 2021 年全国 10 kV 供电系统故障停电原因及占比1.2 典型故障原因分析1.2.1 断路故障原因分析大风大雨、线路覆冰、外部施工因素、交通车辆破坏均可产生较大的作用力，一旦超过配电线路的收稿日期：2023-08-11作者简介：孔仪潇（1990），男，浙江杭州人，本科，工程师，主要研究方向为电气工程及其自动化。2023 年 10 月 10 日第 40 卷第 19 期Oct.10,2023,Vol.40 No.19Telecom Power Technology 230 承受能力，就会引起线路断裂。1.2.2 短路故障原因分析短路分为单相接地短路、两相接地短路、三相接地短路以及两相间短路，成因包括动物活动、线路金属性短路、隔离开关弧光短路以及雷击闪络等。例如，动物活动可能导致相间形成回路，进而引起短路；雷击引起的线路电流过载可烧毁隔离开关的线夹，产生拉弧现象，引起相间短路1。1.2.3 线路和设备老化以线路老化为例，10 kV 配电线路受到环境温度、化学腐蚀以及线路绝缘体自然老化等因素的影响，出现绝缘效果下降或者完全失效，为线路安全埋下隐患。2 10kV 配电线路典型故障排除措施配电线路的故障类型多样，其检测原理、故障定位方法也存在较大的差异，文章主要介绍断线和雷击 2 种典型故障的主要排除措施。2.1 断线故障检测与定位2.1.1 断线故障的判据断线分为单相断线和多相断线，排除此类故障的关键在于快速定位断线的具体部位，并及时修复线路，恢复供电。当线路断路之后，其序电流、相电流、电压都会发生显著的变化，为电力部门判断故障类型提供了理论依据，文章介绍 3 种单相断线故障的判据。线路单相断线之后，其负序电流（一种三相交流电中的无功电流）和正序电流将会发生较为显著的变化，因而可将负序电流和正序电流作为主要判据2。（1）负序电流判据。在系统中可设置针对负序电流的整定值，一旦线路负序电流超过该整定值，即可判断为单相断线。将负序电流的整定值记为 Iset.2，线路 k 断线后产生的负序电流记为 I2，则 Iset.2的计算公式为 Iset.2=Krel.2I2（1）式中：Krel.2为可靠系数。（2）正序电流判据。当10 kV线路单相断线之后，线路上会产生显著的正序电流变化，将这一变化量记为 I1。根据 I1 设置整定值，作为单相断线的正序电流判据，将整定值记为 Iset.1。整定值 Iset.1的计算公式为 Iset.1=Krel.1I1（2）式中：Krel.1为可靠系数。（3）辅助性判据。单相断线发生在 A、B、C 三相中的某一个，相电流会因此而出现明显的差异。将断线故障前的相电流记为 IA、IB、IC，断线之后的相电流分别记为 IA、IB、IC3。相电流的变化量记为IA、IB、IC，则有 AAABBBCCC=IIIIIIIII（3）假设 A 相发生断线故障，则相电流判据为 AABBCC0.1340.134IIIIII=（4）利用相电流辅助判断的流程为测量 A、C 两相电流及变化量，若有 IA 0 且 IC 0，说明故障线路为单相断线。再比较|IA|和|IC|，如果|IA|IC|，则为 C 相断线，反之则是 A 相断路4。如果|IA|=|IC|，则是 B 相发生断路。2.1.2 断线故障定位方法在故障定位阶段，可将线路划分成若干个区段，通常断线故障仅发生在某个单一区段上。电流变化与电压呈正相关，因而可将电流判据转化为电压判据。工程应用阶段，每个区段的关键节点上应设置可以将数据自动上传至数据采集与监视控制（Supervisory Control And Data Acquisition，SCADA）系统的电压互感器等电压检测装置，为计算和分析提供数据源。当线路正常运行时，相邻监测点虽然存在一定的压降，但是这种电压变化相对较小。如果发现相邻监测点的零序电压或相电压产生了明显的变化，说明 2 个监测点间的区段存在断线。这一过程中要将负序电流判据、正序电流判据作为主要的参考依据，进行综合判断5。这种基于电流、电压数据的故障定位方法具有较高的可靠性，能够帮助技术人员快速定位故障区段。2.2 架空配电线路雷击故障排除措施雷击对配电线路及相关设备的主要危害方式为过电压，具体又分为直击雷过电压和感应雷过电压，因此针对雷击故障的排除措施包括识别雷击过电压和定位发生雷击的具体部位。2.2.1 架空配电线路的雷击过电压辨识方法信号频谱分析方法是常见的架空配电线路雷击过电压辨识方法。过电压会导致配电线路瞬时电压幅 2023 年 10 月 10 日第 40 卷第 19 期 231 Telecom Power TechnologyOct.10,2023,Vol.40 No.19 孔仪潇：10kV 配电线路故障排除的 具体措施研究值升高，并且雷击所造成的电压在频率和相位上与线路正常电压存在很大的差异，电流也会因此产生类似的变化，因此分析线路的频谱变化可实现雷击过电压辨识。小波包理论能够综合分析电力信号，可借助该方法构建雷击过电压辨识模型。将电力波形信号记为x(t)，运用小波包分析法提取小波包能量，对该信号波形进行 j 层小波包分解，得到的表达式为 ()()21j0jiix tx t=（5）式中：i 为波形信号频率的指标；t 为时间。该波形信号的总能量可表示为 ()()()21j021212jj00ddjiijjmnxmnExttxt xtt=+=（6）式中：Ex为信号波的能量；m 和 n 为小波函数中的参数6。2.2.2 架空配电线路的雷击过电压故障定位（1）建立仿真模型。在辨识雷击过电压类型的基础上，需进一步定位发生雷击的位置，为设备和线路修复提供信息。存在如图 2 所示的配电线路模型，在其主干线上设置 4 个电压监测点，监测点按照从左到右进行编号，分别为监测点1、监测点2、监测点3、监测点 4，F1为发生雷击的位置。F1 M N 监测点1监测点2监测点3 监测点4 图 2 配电线路模型（2）故障定位仿真及结果。当线路发生雷击时，过电压会导致绝缘子闪络，监测 2 和监测点 3 靠近雷击位置，监测点 1 和监测点 4 距离雷击位置较远。从理论上讲，监测点 2 和监测点 3 的过电压波形相似度最高。于是可根据相邻监测点的波形相似度判断雷击发生的位置。将雷击点与水平线路的距离记为 S，杆塔高度记为 H，雷电电流幅值记为 I0，则仿真结果如表 1、表 2、表 3 所示。表 1 不同雷电电流幅值下的测点过电压波形相关系数仿真条件雷电电流幅值 I0/kA监测点 1 和监测点 2 的 电压波形相关系数 1,2监测点 2 和监测点 3 的 电压波形相关系数 2,3监测点 3 和监测点 4 的 电压波形相关系数 3,4S=60 m，H=15 m100.5910.6670.046200.6930.9910.473300.7650.9940.731表 2 不同水平距离下的测点过电压波形相关系数仿真条件雷击点与配电线路水平距离 S/m监测点 1 和监测点 2 的 电压波形相关系数 1,2监测点 2 和监测点 3 的 电压波形相关系数 2,3监测点 3 和监测点 4 的 电压波形相关系数 3,4I0=30 kA，H=15 m300.8090.9970.784650.7760.9960.7311000.5510.9960.789表 3 不同杆塔高度条件下的测点过电压波形相关系数仿真条件雷击点与配电线路水平距离 H/m监测点 1 和监测点 2 的 电压波形相关系数 1,2监测点 2 和监测点 3 的 电压波形相关系数 2,3监测点 3 和监测点 4 的 电压波形相关系数 3,4I0=30 kA，S=60 m100.6940.9900.474120.7490.9930.551150.7660.9950.730（3）讨论。电压波形相关系数的计算结果越大，说明波形的相似度越高，靠近雷击部位的监测点相关系数值最大。表 1 固定了 S 和 H 这 2 个参数，以 3种雷电电流幅值开展仿真，均表现为 2,3 1,2且 2,3 3,4。在表 3 中，固定 I0和 H 这 2 个参数，改变S 的取值，均表现为 2,3的计算结果最大。在表 4 中，固定 I0和 S 这 2 个参数，改变 H 的取值，同样表现为 2,3的计算结果最大。说明在不同条件下，靠近雷击点两侧的监测点在过电压波形上的相似度最高。根据这一原理，电力单位可通过计算波形相关系数确定雷击发生的位置，指导检修人员快速修复故障。3 结 论根据电力系统的供电可靠性调查结果，线路破损断裂、短路、雷击等故障属于重点防控对象。文章（下转第 235 页）2023 年 10 月 10 日第 40 卷第 19 期 235 Telecom Power TechnologyOct.10,2023,Vol.40 No.19 韩 笑，等：基于可靠性理论的 变电主设备维修决策方法关工作人员的一项重要课题。将可靠性理论引入应用能够为变电设备安全提供良好的保障，在提高相关人员工作效率的基础上保障电网的可靠运行。参考文献：1 李艳丰，刘保辉，马庆丰，等.基于条件生成式对抗网络和 AlexNet-BiLSTM 模型的变电设备缺陷检测 J.东北电力技术，2023，44（7）：7-14.2 张 滇.基于红外图像处理的输变电设备故障智能检测方法 J.光源与照明，2023（6）：171-173.3 王丽蓉，华 雄，伍艺佳，等.基于金字塔特征自适应的变电设备缺陷检测 J.工业控制计算机，2023，36（6）：78-79.4 张颖慧，宋 琦，吕修桐，等.输变电设备的在线监测技术应用 J.电子技术，2023，52（6）：154-155.5 何 旭.变电设备的运维及检修一体化管控策略分析 J.集成电路应用，2023，40（6）：172-173.6 黄道春，范建斌，王 平，等.极端环境条件下输变电设备空气间隙绝缘特性研究现状及展望 J.高电压技术，2023，49（5）：1892-1906.7 何 旭.变电设备检修试验中的问题与对策分析 J.集成电路应用，2023，40（5）：252-253.8 贝浩波.电力系统中的变电运行安全管理与变电设备的维护研究 J.电器工业，2023（5）：53-56.9 杨阿兰.变电运维设备故障处理措施 J.清洗世界，2023，39（3）：188-190.10 李新海，曾庆祝，凌 霞，等.变电设备缺陷的检测方法研究J.微型电脑应用，2023，39（3）：40-42.11 麦晓庆，张天湖，王 亮，等.基于 NLP 的变电主设备缺陷文本自动化挖掘算法J.信息技术，2022，46（9）：151-156.12 江海涛，崔艳军，张尔乐，等.物联网技术在特高压主设备智慧管控平台中的应用 J.电工电气，2021（12）：60-64.主要分析了断线故障和雷击过电压故障的检测识别方法及发生区段定位方法。在断线故障检测中，将正负序电流和相电流作为判据，利用电压检测装置获取相邻监测点的电压差异，进而确定故障区段。在雷击过电压的故障识别中，采用小波包分解法获取高频能量和低频能量，构造判别系数，进而区分直击雷过电压和感应雷过电压，雷击区段的定位采用过电压波形相关性判断。参考文献：1 程范贤.10kV 配电线路的故障排除以及原因分析 J.电气技术与经济，2022（5）：125-127.2 赵世杰.10kV 配电线路的接地故障及快速定位方法研究 J.电子制作，2020（24）：90-91.3 陈 阳.10kV 配电线路常见故障类型及防范措施 J.冶金与材料，2021，41（2）：158-159.4 吴 烊，郑向荣，詹 盛.电力输配电线路的运行维护及故障排除J.光源与照明，2022（12）：180-182.5 庄剑锋.输配电线路常见故障排除技术分析 J.大众用电，2022，37（12）：45-46.6 刘致君，汪进锋，焦彦军.新标准下 10 kV 单避雷线配电线路雷击跳闸率理论与仿真计算 J.电瓷避雷器，2020（5）：68-74.（上接第 231 页）