基于中低壓輸電線路故障診斷方法的研究

陳堅

（國網溫州供電公司，浙江溫州 325000）

0.引言

作為輸配電網絡的重要組成部分，中低壓輸電線路在人們生產生活中起到直接性的能源支撐與用電保障作用。一旦線路出現故障問題，不僅會引發能源資源浪費、生產活動停滯、民生質量下降等問題，還可能造成嚴重的安全事故，進而擾亂社會整體的穩定秩序。同時，受到運行環境、電網結構、材料設備、社會治安等多方面因素的影響，中低壓輸電線路的故障風險始終居高不下。所以，有必要對線路故障的診斷方法展開探究討論。

1.中低壓輸電線路的故障概述

在中低壓輸電線路的日常運行過程中，常見有多種故障，如短路故障、斷路故障、接地故障、漏電故障、過載故障、覆冰故障、雷擊故障等。當這些故障發生時，輸電線路的運行穩態將被打破，進而引發一系列的事故問題，如設備損毀、電氣火災、大規模停電、供電不持續等。如此一來，不僅會對電力企業造成大量的經濟損失與運維壓力，還會嚴重影響用電用戶的生產生活質量，甚至引起重大的社會安全事故。從故障發生的原因來看，中低壓輸電線路的運行活動會受到多種因素影響。首先，若電網系統本身的工程質量、調度機制存在問題，如設備質量不達標、導線材料不合格、線路搭接不合理、超負荷供電等情況，將會導致輸電線路的實際運行能力與電網工作需求存在沖突，進而埋下過熱、過載、線損等故障隱患；其次，由于絕大部分輸電線路處在露天環境中，所以環境溫度、濕度的變化與雷雨、大風等極端天氣的出現，也會給線路帶來一定的故障風險。最后，動物侵襲、人為破壞、環境污染等因素，也可能引起中低壓輸電線路的故障問題[1]。

2.中低壓輸電線路故障診斷的實踐要求

故障診斷是中低壓輸電線路運維體系的重要環節，同時也是保證線路故障處理工作有效性的前提和基礎。在開展診斷實踐時，相關人員一方面要確保診斷方法的科學性、實用性，并盡可能夯實診斷技術的應用基礎。例如，絕大部分故障診斷工作涉及現場信息的采集需求，所以有必要預先在輸電線路及其所處環境中配置出足量的溫度、電流、電壓、氣象等檢測傳感裝置，并保證裝置性能處于較高水平。這樣一來，才能達到最佳的信息采集效果，為故障診斷的效率和精確性提供源頭性保障。另一方面，故障診斷應盡量做到精細、完整，即實現輸電線路故障類型、故障時間、故障點、故障程度等多方面的分析判定[2]。

3.中低壓輸電線路故障診斷的可用方法

3.1 紅外圖像處理法

紅外線作為一種自然產生的電磁波，能夠反映出物體的溫度狀態。當物體溫度發生改變時，其釋放出紅外線的強度也會隨之出現變化。所以，在不同時段使用專業成像設備對物體進行紅外圖像的采集，便能判斷其溫度性質的穩定與否。基于這一原理，便可以通過對中低壓輸電線路紅外線釋放情況的采集與分析，診斷其是否存在故障問題。具體來講，現階段在線路故障診斷中可使用的紅外圖像處理方法有以下3種：

（1）直接判斷法。現階段，在國際性或國家性的設計標準、工程規范等通用文件中，已經對電網中各類設備器件、線路材料、絕緣介質的工作溫度及允差范圍進行了標準化規定[3]。基于此，相關人員在使用專業設備完成紅外圖像采集與表面溫度測定后，可直接將檢測結果與相關文件中的標準溫度區間進行對比。在此基礎上，再結合輸電線路所處工作環境的空氣溫度及天氣情況，以及表面溫度異常時輸電線路的負荷狀態，便能完成線路故障的基本判斷。從實踐角度來看，這種方法具有技術難度低、判斷效率高、數據算量小的優勢，但通常只能評估線路是否存在運行異常，無法進一步確定故障的類型與程度。

（2）相對溫差法。在針對中低壓輸電線路實現紅外成像與表面溫度測算的基礎上，可在輸電線路中選擇若干診斷點，進行相對溫差的運算分析，具體公式為其中，τ1為異常點的溫升值，τ2為正常點的溫升值，T1為異常點的溫度值，T2為正常點的溫度值，T0為線路所處環境中其他參照物的溫度值。通常情況下，若求得的δt不超過30%，則可判斷輸電線路的異常溫度變化處在允許范圍內。但需要注意的是，30%并非標準值，而是相對常用的故障診斷均值，在具體實踐時相關人員還需以具體分析對象為準，如隔離開關的相對溫差允許范圍可提至35%以內，真空斷路器的相對溫差允許范圍則需要限制在20%以下。在此基礎上，若δt高于30%但未達到80%，可判斷中低壓輸電線路發生了故障問題，但發熱量相對較低，故障情況往往不嚴重；若δt在80%與95%之間，則可診斷判定為重大故障；若δt不低于95%，則說明被測線路或設備的運行狀態已嚴重惡化，即發生了緊急性的故障問題。

（3）溫度類比法。相關人員在線路故障的排查診斷時，可將線路網絡中多個工作條件基本相同的工作段或電力設備作為對比項，實施定時段、定部位的紅外圖像對比。在此前提下，若發現有線路工作段或設備元件與同組其他對比項存在明顯的表面溫度差異，則可判定其處于異常的運行狀態。

3.2 智能在線監測法

從工作原理來講，智能在線監測法主要以布設在中低壓電網或周圍環境中的傳感裝置作為信息采集端，對輸電線路、電力設備在運行過程中的電流值、電壓值、線損數據、工作溫度、空間參數等進行實時采集與動態上載[4]。然后，由主站監測系統對現場傳回的數據信息進行分析處理，進而實現線路故障的診斷識別。結合技術功能與實踐經驗來看，智能在線監測法可滿足多種故障類型的診斷需求。

例如，當中低壓輸電線路處在大風天氣下，線路會因空氣動力的大幅改變而出現舞動現象。此時，在風動與慣性的雙重作用下，舞動現象往往會持續很久，進而很容易導致導線、金具及桿塔受到負面影響，出現導線損傷、金具磨損、跳閘短路、桿塔傾倒等線路故障與安全事故，并引發大規模、長時間的輸電停滯問題。對此，布設于現場的傳感裝置可對中低壓輸電線路的風偏、跳線、仰角等空間參數進行實時的采集、記錄與上傳。這樣一來，主站監測系統便能結合相關數據對輸電線路的舞動幅度進行分析。然后，將監測區域內導線、桿塔、建筑物等的空間數據納入分析模型中，即可判斷出舞動幅度是否超限，以及導線、桿塔等是否會在舞動作用下發生碰撞或相間放電的情況，并由此得出最終的故障診斷結果。在此基礎上，主站監測系統在判定中低壓輸電線路存在故障后，還能通過終端設備及時向相關人員發出告警，從而有效引導其進入現場實施設備檢查與故障處理，以確保中低壓電網盡快恢復到正常的運行狀態[5]。

再如，覆冰故障是中低壓輸電線路在寒冷天氣下經常遭遇的故障問題。該故障發生時，輸電線路會因承重增加而出現弧垂變大的現象，進而導致導線與地面的距離大幅縮小，對線路的運行安全構成極大威脅。同時，覆冰還會對線路的風動抗性、導線質量產生負面影響，容易引發開裂、短路、斷路、異常線損等線路繼發故障。因此，通過智能在線監測法能夠達到定位精準、響應及時的故障識別診斷效果。具體實踐時，布置在現場環境的傳感裝置會對中低壓輸電線路的弧垂參數、風偏角度、工作溫度、外部環境溫度等數據信息進行采集，并實時傳回至主站監控系統處。其次，系統再調動建模分析、狀態運算等模塊，得出輸電線路覆冰的厚度、重量、比載等實際參數。最后，將實際參數與相關規范標準進行對比，即可判定輸電線路的覆冰情況是否超出標準范圍。若超標，系統則會向相關人員發出除冰告警，并在告警信息中體現具體的線路類型、故障段編號、故障點位置等信息，促使運維部門及時、高效地開展除冰工作，將覆冰故障的影響降至最低水平。

3.3 決策樹診斷法

決策樹是一種樹形的程序結構與分析邏輯，其主要由單個根節點和多個分支節點構成，整體結構具有自上而下、逐層細化的特點。在決策樹中，根節點對整體邏輯序列的判斷功能具有導向作用，而分支的內部節點、葉節點則代表判斷所需的判定條件與判定結果。由此，通過逐層分析和組合多個分支判定結果，便能推導出最終的整體性判斷結論。將這種方法應用到中低壓輸電線路的故障診斷中，能夠在多種故障因素和指標信息的支持下得到切實合理的分析結果。

例如，在線路覆冰故障的診斷實踐中，可編制如下決策樹程序：故障錄波→故障時間→是否處于易覆冰區域→是否配備傳感監測裝置→是否符合易覆冰條件→歷史故障信息→有無故障處理記錄→結束。其中，“是否處于易覆冰區域”可直接通過故障錄波中的區位信息進行判定；“是否符合易覆冰條件”需要以具體的監測機制為前提。若為智能在線監測，需要基于線路數據分析覆冰厚度、導線弧垂等具體幅度，并由此判斷有無覆冰。若為傳統影像監測，則需要調出故障發生30min內的現場影像，結合導線、設備、環境的外觀情況判斷有無覆冰；“是否符合易覆冰條件”是在現場無監測的情況下進行判定的，應包含氣象條件與地形條件兩個部分。其中，氣象條件主要可分出3個決策指標，即“溫度低于5℃”“環境濕度高于85%”與“環境風速在4m/s～15m/s的區間內”。地形條件主要可分出多個決策條件，如“埡口”“水汽增大型”“高山分水嶺”“地形抬升型”“峽谷風道型”等。在決策樹的支持下，相關人員便可逐步分析中低壓輸電線路所處的環境條件、運行狀態是否滿足覆冰故障的形成需求，以及既往覆冰隱患是否存在未有效處理的情況，進而完成線路故障的有效診斷。

3.4 行波故障診斷法

一般來講，當中低壓輸電線路的運行狀態出現異常時，其工作電流、工作電壓中的高頻分量比重將大幅增加。由此，通過對線路的高頻行波進行分析，便能達到良好的故障定位與診斷效果。從目前來看，在線路故障診斷中應用行波診斷方法時，可有單端檢測和雙端檢測兩種選擇，其中單端檢測還可具體分為A、C、E等多種類型。具體如下：

A類型的單端檢測法主要是將故障線路的一端作為檢測點，對暫態行波進行分析。實踐時，需要對行波由檢測點到故障點的兩次反射時間進行數據采集，便能運算得出測量點與故障點之間的距離，具體公式為Xs=1/2v·△t=1/2v（TS2-TS1）。其中，Xs為故障線路上檢測點與故障點的間距，v為行波的運動速度，TS1、TS2分別為行波一次、二次反射至檢測點的時間，△t為行波單次往返的時間；C類型的單端檢測法在原理上與A類型相似，但其用于故障定位的行波并非暫態行波，而是高壓脈沖信號，具體運算公式為S=v/2（t2-t1）=1/2△t·v。其中，S為檢測點與故障點的間距，t1、t2分別為脈沖發出與返回的時間，v為脈沖信號的運行速度，△t為脈沖往返的總時間；E類型的單端檢測法以故障線路的斷路器動作為應用基礎。當中低壓輸電線路發生故障時，其斷路器會出現合閘動作，進而引起浪涌現象。由此，便可通過采集分析合閘瞬間行波浪涌與行波在故障點處的反射浪涌之間的時間差，實現故障點的有效定位，具體公式為S=1/2△t·v=1/2v（i1-i2）。其中，S為檢測點與故障點的間距，△t為兩次浪涌的間隔時間，v為行波速度，i1、i2分別為斷路器動作時和故障點反射時的浪涌；雙端檢測法與E型單端檢測法相似，其主要在中低壓輸電線路的故障區域前后分別設置一個檢測點，然后再對故障時行波浪涌運動至兩點的時間信息進行采集運算，由此明確出具體的故障發生位置，運算公式為：

其中，L為2個檢測端點的間距，v為行波運行速度，SMF、SNF分別為M、N兩個檢測點與故障點F之間的距離，tm、tn分別為故障點行波浪涌至M、N2點的時間。

4.結論

由于長期暴露在外部環境中，且運行機制、工作結構較為復雜，所以中低壓輸電線路的穩定運行狀態很容易被打破，進而出現斷路、短路、過載、覆冰等一系列的故障問題。因此，在故障處理實踐時，需要做到全面排查、精準定位、科學診斷，以便為后續的維修保養工作提供有力導向。從目前來看，紅外圖像處理、智能在線監測、決策樹診斷、無線測溫等技術方法均能用于中低壓配電線路的故障診斷中，并能表現出良好的診斷效果。