配網線路小電阻接地改造后跳閘率壓減技術

孫 路，何林巍，陳曉博，熊晉樹，沈 峰

(國網上海市電力公司青浦供電公司，上海 201799)

隨著電容、電流的大幅增加，以及出于絕緣安全考慮，大部分配網系統都改為小電阻接地，然而系統小電阻接地改造后，任意一相接地即發生短路，線路隨即跳閘[1-3]。小電阻接地改造以后，很多地區的線路雷擊跳閘率大幅提升，外力破壞等引發的跳閘率也有所提升，這給配網線路的運行安全性帶來了較大考驗[4-5]。

針對配網線路小電阻接地改造后存在的線路跳閘等問題，提出了解決問題的新思路，具體表現如下：安裝環狀電感線圈，設計具備抗干擾能力的霍爾電流傳感器；開發基于顏色輪廓模糊識別的圖像處理技術的低成本視頻監控系統；研制高分子植物油基稠性阻礙涂料；研發采用等電位獨立電流注入法的故障指示器。

1 配網線路跳閘原因分析

通常線路跳閘原因可分為兩大類。

(1)絕緣子或避雷器擊穿閃絡。對于35 kV以下的架空線路，由于其絕緣子爬距較短，絕緣余量較小，雷擊過電壓造成絕緣子閃絡的概率很高。對于這類電壓等級較低的線路，300～400 kV的感應雷過電壓就足以造成其閃絡故障[6-8]。為此，帶有過電壓保護器或保護間隙的防雷絕緣子產品應運而生，對降低中高壓架空線路的雷擊斷線、雷擊跳閘事故起到了很好的作用，然而絕緣子雷擊閃絡跳閘事故仍然很難完全杜絕。此外在正常運行中，部分絕緣子或避雷器會因為絕緣劣化、受潮開裂、前一次雷擊電壓應力沖擊等問題擊穿閃絡，造成線路跳閘[9-10]。對此亟需可靠方便的帶電檢測技術，通過在線或人工帶電測試的方法，及時找尋到缺陷絕緣子或避雷器，從而避免跳閘事故。

(2)線路異物搭接閃絡。通常來自于吊車碰線或小動物入侵，對于主網目前采用全線視頻在線監控，結合圖像識別等技術，由于35 kV以下的配網，線路數量太多，不可能安裝全線視頻監控，更無法承擔圖像識別等智能化技術管控手段，另外無線攝像頭的老化維修也需要極高的成本，對此急需適用于配網線路、能移動、壽命長、成本低、具備智能危險識別技術的視頻監控系統。涉及小動物入侵的問題，很多驅鳥器、藥物、鳥刺、防護套等設施，雖然起到了一定作用，但是都有各自的局限性，如果能有效果好、應用面廣的技術，將對小動物破壞事故起到有力的遏制。

2 配網跳閘率壓減技術

2.1 絕緣子、避雷器擊穿閃絡事故防范措施

對于絕緣子或避雷器絕緣劣化、受潮開裂等問題，解決問題思路如下。

(1) 研發就地安裝的絕緣子、避雷器、閃絡警示器等。依托性能可靠、成本低廉的特性，將其分布安裝于每一個桿塔，一旦某處桿塔絕緣子閃絡短路，就能立即發出醒目的指示，從而大大方便線路檢修人員尋找故障點，縮短恢復送電時間；對于重點線路，警示器通過設置遠傳模塊，直接與融合終端的上位機通信，進一步縮短故障查找時間。

(2) 研發手持式避雷器、絕緣子老化檢測儀。當避雷器或絕緣子發生老化、存在裂紋污穢或遭受過雷擊電壓應力沖擊時，其泄漏電流增大，通過檢測儀內靈敏度極高的鉗形互感器，可及時檢測到異常的入地電流，從而找尋到缺陷絕緣子或避雷器，避免跳閘事故。

2.2 線路異物搭接閃絡事故防范措施

對于線路異物搭接閃絡，例如吊車碰線或小動物入侵，亟需適用于配網線路、能移動、壽命長，同時具備低成本智能危險識別技術的視頻監控系統。此措施將采用全新的基于顏色輪廓模糊識別的圖像處理技術，結合慢反射光伏供電系統，建立低成本、高可靠性的配網線路圖像監控系統。顏色輪廓模糊識別技術能夠在對系統網速要求較低的條件下，快速識別吊車等典型危險點，從而大幅提升配網領域的外力破壞監控智能化水平；漫反射光伏供電系統則借鑒自由曲面反射技術，規避了光伏電池板容易受陰影遮擋損壞的高額維護成本，降低了配網圖像監控成本。

近些年鳥類、松鼠、蛇類的大量繁殖，對配網線路形成了嚴重的威脅，很多驅鳥器、藥物、鳥刺、防護套等設施，雖然起到了一定作用，但是各自都有局限性。對此借鑒材料領域的創新科技，通過多學科交叉研究，研發出高分子植物油基稠性阻礙涂料，該涂料具備優異的防曬、防雨、抗氧化變質能力，具備低張力不干膠的力學特性，通過對橫擔、桿塔、拉線、接地引下線的局部涂覆，可使攀爬或停留的小動物受到黏滯卻能掙脫，從而對小動物起到很好的防范效果。

3 配網跳閘率壓減實施方案

3.1 絕緣子、避雷器擊穿閃絡事故防范方案

3.1.1 絕緣子、避雷器擊穿閃絡警示器設計

閃絡警示器通過檢測短路故障時橫擔周圍工頻電流產生的磁場來激發動作。本產品內設大截面環形感應線圈，當橫擔流過數百安培以上的工頻電流時，就會在感應線圈上感應出數毫安的交流電勢，利用該電勢觸發產品內部的晶閘管觸發電路與場效應管積分電路，來驅動自閃LED發出醒目的閃光，告知巡視人員此處發生了短路故障。場效應管積分電路利用電容充電保持一段時間的導通狀態，當到達設定時間后電容放電完畢，場效應管恢復截止，LED熄滅。整機電路原理簡單可靠、抗干擾性好，電池壽命長，成本低廉，電路原理如圖1所示，該方案放棄了傳統技術的運放信號檢測電路，采用“故障發生后再喚醒”的模式工作。在沒有故障時，待機電流為零，無需設置繁瑣昂貴的電源電路，不但極大降低了成本，也使產品的可靠性大幅提高。整機系統裝置原理如圖2所示。

圖1 絕緣子、避雷器閃絡警示器電路原理圖

圖2 整機系統裝置原理示意圖

當絕緣子正常無故障時，橫擔任意一點的電流為零。當某個絕緣子或避雷器擊穿閃絡后，橫擔會出現接地電流，但只要不引發工頻續流，固然電流幅值較大，其持續時間卻是微秒級的；若閃絡引發工頻短路電流，則該電流不止幅值大，持續時間也長達40 ms以上，因此可以明顯地與雷擊閃絡電流區分開來。

閃絡警示器采用一個截面較大的環狀電感線圈，使其在安裝時貼近橫擔或接地引下線，就能方便地感受到閃絡的工頻續流，從而發出告警，起到直觀的警示效果。

3.1.2 絕緣子、避雷器老化檢測儀設計

絕緣子、避雷器老化檢測儀創新地采用了帶有磁場、電場雙重屏蔽功能的霍爾直流電流互感器來精確地檢測流過絕緣子瓷套或避雷器的入地電流，其電路原理如圖3所示。12 V直流電源通過阻容分壓形成兩組6 V穩定的直流電源，供運放的正負雙電源工作，采用LF444或LF147型低噪聲運放，對霍爾電流互感器(CT)輸出的模擬信號線性比例放大，驅動模擬電壓表顯示對應的泄漏電流。

圖3 絕緣子避雷器電路原理圖

檢測儀專門設計了具備抗干擾能力的霍爾電流互感器，如圖4所示。在圖4中，霍爾電流互感器1與誤差校正電流互感器2平行放置，其一次導線穿孔同軸。屏蔽磁軛3由鐵氧體與硅鋼片雙層復合構成，呈圓柱形，壁厚不低于5 mm，其中一段設置接地端，兩端設有一次導線穿孔，并與霍爾電流互感器1和誤差校正電流互感器2的導線穿孔同軸放置。誤差校正電流互感器2的二次輸出電流與霍爾電流互感器1的輸出電流的差值除以設定的比例系數，再與霍爾電流互感器1的輸出電流求和后，即為互感器二次電流輸出值。

圖4 霍爾電流互感器示意圖

霍爾電流互感器利用能夠兼容高、低頻磁場的磁軛，屏蔽外界磁場干擾。該磁軛可使直流磁場、交流磁場均得到屏蔽，加上接地點的設置，可使磁軛內部維持一個對地的零電場環境，從而保證霍爾傳感器的正常運行，此外還加上了誤差校正電流互感器，它設置在更靠近外部強磁場干擾源的地方，通過其測得的電流與霍爾電流互感器的誤差計算，實時修正霍爾電流互感器的輸出數值，就可得到不受外界干擾的電流測試值，極大地提高了泄漏電流檢測的安全性與準確性。

3.2 異物搭接閃絡事故防范方案

3.2.1 基于顏色輪廓模糊識別的低成本視頻監控系統

視頻監控在各地廣泛應用，但基于圖像識別技術的危險源預判需要借助云平臺，計算量與硬件配置成本均較高，為解決該問題，提出了新型的顏色輪廓模糊識別方法。首先借助基本RGB色系的顏色進行像素識別。像素的顏色由R(紅色)、G(綠色)、B(藍色)3種顏色按不同的比例混合而成，在24位真彩色位圖中，R、G、B的取值范圍為0～255，若3個基色分量確定了，則像素的顏色就完全確定了。然后按步驟可以先通過畫面中黃色(吊車顏色)進行自適應搜索，發現黃色像素越限后啟用輪廓模糊比對算法，進而使用較簡單的方法。對于吊車等典型障礙物，只需較低的網速與硬件配置，即可實現低成本的配網線路外力破壞危險源識別。基于顏色輪廓模糊識別的危險源識別過程如圖5所示。

圖5 基于顏色輪廓模糊識別的危險源識別過程

光伏供電系統的早衰也是無線監控系統的一大頑疾，對此研發新型漫反射光伏供電系統，結合自由曲面反射技術，極大提高了光伏板的使用壽命與光電轉換效率，降低了配網安裝圖像監控系統的成本，增加了配網大面積安裝視頻監控的可行性。

3.2.2 高分子植物油基稠性阻礙涂料研制

隨著環境的改善，鳥類、松鼠等動物得以大量繁殖，對配電線路的安全運行造成了嚴重威脅。現有技術對防治小動物起到的效果微乎其微，對此借鑒材料領域的創新科技，通過多學科交叉研究，研發了高分子植物油基稠性阻礙涂料，如圖6所示。該涂料具備優異的防曬、防雨、抗氧化變質能力，具備低張力不干膠的力學特性，通過在橫擔、桿塔、拉線、接地引下線等局部涂覆，可使攀爬或停留的小動物受到黏滯卻能掙脫，起到了良好的小動物防范效果。

圖6 植物油基稠性阻礙涂料

阻礙涂料的設計考慮以下幾方面：首先需要形成高張力、高黏滯力的不干膠黏滯效果，能快速對入侵小動物黏滯；其次必須具備低剪切力，使小動物掙扎后不會拉絲纏繞，而是逐步分節脫離，保護小動物不受傷害；最后必須環保無害，具備較好的防雨抗氧化能力。為此采用植物油為基礎，通過纖維素類增稠劑與油性不干膠的組合，實現阻礙涂料的效果。

3.3 故障指示器帶電測試技術研究

指示器雖不能直接降低線路故障概率，但對于故障后的快速定位與搶修意義重大，現有技術的故障指示器，平均動作正確率僅50%左右，對于線路故障的定位幫助不大。為此必須研發故障指示器帶電測試技術，通過不停電在線測試，及時剔除不良故障指示器，這對于跳閘后的快速恢復意義重大。

故障指示器帶電測試技術采用等電位獨立電流注入法，實現絕緣桿不停電操作，直接驗證故障指示器的電流動作能力，特殊的屏蔽罩結構可模擬實際的低電壓與故障電流注入，從而及時發現異常的故障指示器。

4 結語

對于小電阻接地改造后頻繁出現的線路跳閘問題，提出了有針對性的解決措施，具體如下。

(1)安裝環狀電感線圈于貼近橫桿或接地引下線處，以此感受閃絡的工頻續流并報警。

(2)設計了具備抗干擾能力的霍爾電流傳感器。

(3)開發了基于顏色輪廓模糊識別的圖像處理技術的低成本視頻監控系統。

(4)研制了高分子植物油基稠性阻礙涂料。

(5)研發了采用等電位獨立電流注入法的故障指示器。

本文提出的相關技術對跳閘率起到了顯著的壓減作用，克服了因小電阻接地改造造成的跳閘率不降反升的被動局面，極大地提高了配網運行的可靠性。