10 kV配電線路故障排除的具體措施研究

孔儀瀟

（國網杭州供電公司，浙江 杭州 310000）

0 引 言

10 kV中壓配電線路主要用于城市、農村及工業區域的供電，其可靠性關系到企業生產和居民生活。受到自然因素、外力因素、設備因素的綜合影響，線路運行時容易出現各類故障。制定快速、可行的故障排除措施成為保障電力穩定性的必然路徑。當前，針對短路、斷線、雷擊等故障形式已經形成了較為豐富的檢查和定位方法，探索相關的新措施、新技術具有廣泛的工程應用價值。

1 10 kV配電線路常見故障分類及原因分析

1.1 10 kV配電線路常見故障分類

根據國家能源局和中國電力企業聯合會發布的《2021年全國電力可靠性年度報告》，全國10 kV供電系統的主要停電原因及占比如圖1所示。自然因素、外力因素、設備因素成為線路故障的主要原因，進一步可推知，配電線路常見的故障表現為線路短路、架空線路斷路、雷擊受損、設備老化等。

圖1 2021年全國10 kV供電系統故障停電原因及占比

1.2 典型故障原因分析

1.2.1 斷路故障原因分析

大風大雨、線路覆冰、外部施工因素、交通車輛破壞均可產生較大的作用力，一旦超過配電線路的承受能力，就會引起線路斷裂。

1.2.2 短路故障原因分析

短路分為單相接地短路、兩相接地短路、三相接地短路以及兩相間短路，成因包括動物活動、線路金屬性短路、隔離開關弧光短路以及雷擊閃絡等。例如，動物活動可能導致相間形成回路，進而引起短路；雷擊引起的線路電流過載可燒毀隔離開關的線夾，產生拉弧現象，引起相間短路[1]。

1.2.3 線路和設備老化

以線路老化為例，10 kV配電線路受到環境溫度、化學腐蝕以及線路絕緣體自然老化等因素的影響，出現絕緣效果下降或者完全失效，為線路安全埋下隱患。

2 10 kV配電線路典型故障排除措施

配電線路的故障類型多樣，其檢測原理、故障定位方法也存在較大的差異，文章主要介紹斷線和雷擊2種典型故障的主要排除措施。

2.1 斷線故障檢測與定位

2.1.1 斷線故障的判據

斷線分為單相斷線和多相斷線，排除此類故障的關鍵在于快速定位斷線的具體部位，并及時修復線路，恢復供電。當線路斷路之后，其序電流、相電流、電壓都會發生顯著的變化，為電力部門判斷故障類型提供了理論依據，文章介紹3種單相斷線故障的判據。

線路單相斷線之后，其負序電流（一種三相交流電中的無功電流）和正序電流將會發生較為顯著的變化，因而可將負序電流和正序電流作為主要判據[2]。

（1）負序電流判據。在系統中可設置針對負序電流的整定值，一旦線路負序電流超過該整定值，即可判斷為單相斷線。將負序電流的整定值記為Iset.2，線路k斷線后產生的負序電流記為I2'，則Iset.2的計算公式為

式中：Krel.2為可靠系數。

（2）正序電流判據。當10 kV線路單相斷線之后，線路上會產生顯著的正序電流變化，將這一變化量記為ΔI1'。根據ΔI1'設置整定值，作為單相斷線的正序電流判據，將整定值記為ΔIset.1。整定值ΔIset.1的計算公式為

式中：Krel.1為可靠系數。

（3）輔助性判據。單相斷線發生在A、B、C三相中的某一個，相電流會因此而出現明顯的差異。將斷線故障前的相電流記為IA、IB、IC，斷線之后的相電流分別記為I'A、I'B、I'C[3]。相電流的變化量記為ΔIA、ΔIB、ΔIC，則有

假設A相發生斷線故障，則相電流判據為

利用相電流輔助判斷的流程為測量A、C兩相電流及變化量，若有ΔIA＜0且ΔIC＜0，說明故障線路為單相斷線。再比較|ΔIA|和|ΔIC|，如果|ΔIA|＜|ΔIC|，則為C相斷線，反之則是A相斷路[4]。如果|ΔIA|=|ΔIC|，則是B相發生斷路。

2.1.2 斷線故障定位方法

在故障定位階段，可將線路劃分成若干個區段，通常斷線故障僅發生在某個單一區段上。電流變化與電壓呈正相關，因而可將電流判據轉化為電壓判據。工程應用階段，每個區段的關鍵節點上應設置可以將數據自動上傳至數據采集與監視控制（Supervisory Control And Data Acquisition，SCADA）系統的電壓互感器等電壓檢測裝置，為計算和分析提供數據源。當線路正常運行時，相鄰監測點雖然存在一定的壓降，但是這種電壓變化相對較小。如果發現相鄰監測點的零序電壓或相電壓產生了明顯的變化，說明2個監測點間的區段存在斷線。這一過程中要將負序電流判據、正序電流判據作為主要的參考依據，進行綜合判斷[5]。這種基于電流、電壓數據的故障定位方法具有較高的可靠性，能夠幫助技術人員快速定位故障區段。

2.2 架空配電線路雷擊故障排除措施

雷擊對配電線路及相關設備的主要危害方式為過電壓，具體又分為直擊雷過電壓和感應雷過電壓，因此針對雷擊故障的排除措施包括識別雷擊過電壓和定位發生雷擊的具體部位。

2.2.1 架空配電線路的雷擊過電壓辨識方法

信號頻譜分析方法是常見的架空配電線路雷擊過電壓辨識方法。過電壓會導致配電線路瞬時電壓幅值升高，并且雷擊所造成的電壓在頻率和相位上與線路正常電壓存在很大的差異，電流也會因此產生類似的變化，因此分析線路的頻譜變化可實現雷擊過電壓辨識。小波包理論能夠綜合分析電力信號，可借助該方法構建雷擊過電壓辨識模型。將電力波形信號記為x(t)，運用小波包分析法提取小波包能量，對該信號波形進行j層小波包分解，得到的表達式為

式中：i為波形信號頻率的指標；t為時間。

該波形信號的總能量可表示為

式中：Ex為信號波的能量；m和n為小波函數中的參數[6]。

2.2.2 架空配電線路的雷擊過電壓故障定位

（1）建立仿真模型。在辨識雷擊過電壓類型的基礎上，需進一步定位發生雷擊的位置，為設備和線路修復提供信息。存在如圖2所示的配電線路模型，在其主干線上設置4個電壓監測點，監測點按照從左到右進行編號，分別為監測點1、監測點2、監測點3、監測點4，F1為發生雷擊的位置。

圖2 配電線路模型

（2）故障定位仿真及結果。當線路發生雷擊時，過電壓會導致絕緣子閃絡，監測2和監測點3靠近雷擊位置，監測點1和監測點4距離雷擊位置較遠。從理論上講，監測點2和監測點3的過電壓波形相似度最高。于是可根據相鄰監測點的波形相似度判斷雷擊發生的位置。將雷擊點與水平線路的距離記為S，桿塔高度記為H，雷電電流幅值記為I0，則仿真結果如表1、表2、表3所示。

表1 不同雷電電流幅值下的測點過電壓波形相關系數

表2 不同水平距離下的測點過電壓波形相關系數

表3 不同桿塔高度條件下的測點過電壓波形相關系數

（3）討論。電壓波形相關系數的計算結果越大，說明波形的相似度越高，靠近雷擊部位的監測點相關系數值最大。表1固定了S和H這2個參數，以3種雷電電流幅值開展仿真，均表現為ρ2,3＞ρ1,2且ρ2,3＞ρ3,4。在表3中，固定I0和H這2個參數，改變S的取值，均表現為ρ2,3的計算結果最大。在表4中，固定I0和S這2個參數，改變H的取值，同樣表現為ρ2,3的計算結果最大。說明在不同條件下，靠近雷擊點兩側的監測點在過電壓波形上的相似度最高。根據這一原理，電力單位可通過計算波形相關系數確定雷擊發生的位置，指導檢修人員快速修復故障。

3 結 論

根據電力系統的供電可靠性調查結果，線路破損斷裂、短路、雷擊等故障屬于重點防控對象。文章主要分析了斷線故障和雷擊過電壓故障的檢測識別方法及發生區段定位方法。在斷線故障檢測中，將正負序電流和相電流作為判據，利用電壓檢測裝置獲取相鄰監測點的電壓差異，進而確定故障區段。在雷擊過電壓的故障識別中，采用小波包分解法獲取高頻能量和低頻能量，構造判別系數，進而區分直擊雷過電壓和感應雷過電壓，雷擊區段的定位采用過電壓波形相關性判斷。