數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的10 kV配電網(wǎng)跳閘次數(shù)優(yōu)化研究

趙進(jìn)良

（固原農(nóng)村電力服務(wù)有限公司，寧夏 固原 756000）

0 引 言

當(dāng)前，供電可靠性已成為電力系統(tǒng)建設(shè)和運(yùn)行管理的重中之重。而10 kV配電網(wǎng)作為直接面向用戶的“最后一公里”，其跳閘次數(shù)直接關(guān)乎人們的獲電質(zhì)量。近年來，我國(guó)北方多雷區(qū)10 kV配電網(wǎng)頻繁跳閘的問題日益突出，嚴(yán)重影響了農(nóng)村地區(qū)的用電可靠性，且影響面越來越廣，僅憑經(jīng)驗(yàn)判斷和粗放式管理難以有效遏制跳閘次數(shù)過多的現(xiàn)狀。在新技術(shù)革新和智能化建設(shè)背景下，如何利用各類數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)決策，以數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)配電網(wǎng)跳閘次數(shù)的持續(xù)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)“既有網(wǎng)”供電質(zhì)量提升，是電力企業(yè)面臨的新課題。

1 10 kV配電網(wǎng)跳閘次數(shù)影響因素分析

1.1 主要跳閘類型

10 kV配電網(wǎng)跳閘的主要類型包括雷擊跳閘、樹障跳閘以及過負(fù)荷跳閘。雷擊跳閘是由于雷電產(chǎn)生的過電壓作用在配電線路上，可導(dǎo)致絕緣擊穿而引起跳閘。我國(guó)北方多雷區(qū)，每逢雷季來臨時(shí)跳閘次數(shù)會(huì)明顯增多，有的地區(qū)雷擊引起的跳閘甚至可以占到年度跳閘總次數(shù)的50%以上。線路高度與跨距過大以及避雷裝置不足，都會(huì)加劇雷擊對(duì)線路的沖擊，進(jìn)而導(dǎo)致跳閘。樹障跳閘是由于樹木未經(jīng)管控生長(zhǎng)靠近甚至直接接觸到線路而引起的，尤其在樹木生長(zhǎng)迅速的區(qū)域更為常見。當(dāng)遇到大風(fēng)等惡劣天氣時(shí)，容易造成樹枝折斷甚至整棵樹倒塌壓在線路上，形成短路引起跳閘[1]。過負(fù)荷跳閘是因負(fù)載增長(zhǎng)超過線路載流能力和配變?nèi)萘慷鸪掷m(xù)過載跳閘，或者因負(fù)載分布不均而使末端線路過載跳閘。

1.2 影響跳閘的關(guān)鍵因素

線路自身的參數(shù)直接決定著其負(fù)載能力（見表1）。當(dāng)線路的截面較小或者中間存在瓶頸段時(shí)，就很容易發(fā)生過負(fù)荷跳閘。如果線路在歷史設(shè)計(jì)時(shí)參數(shù)選擇不合理，而現(xiàn)在又難以進(jìn)行全線改造，會(huì)成為跳閘的影響因素。此外，負(fù)載分布的合理性是典型的跳閘影響因素。當(dāng)負(fù)載過度集中在線路的末端時(shí)，中間和末端就較易發(fā)生過載跳閘；如果負(fù)載集中在中間，則兩端過載的概率會(huì)較小。合理規(guī)劃線路的負(fù)載分布可以有效減少跳閘次數(shù)[2]。自動(dòng)化水平的高低直接影響著跳閘的范圍和供電恢復(fù)的時(shí)間，自動(dòng)化裝置可以實(shí)現(xiàn)對(duì)故障點(diǎn)的精確定位和快速隔離，避免全線跳閘。自動(dòng)分段開關(guān)也可以快速斷開故障區(qū)段，使大部分用戶得以繼續(xù)用電[3]。提高自動(dòng)化水平可以極大地優(yōu)化跳閘治理效果。

表1 不同參數(shù)線路的負(fù)載情況和運(yùn)行狀態(tài)

2 基于數(shù)據(jù)的10 kV配電網(wǎng)跳閘計(jì)算分析

2.1 分析10 kV無避雷線線路中的電氣幾何模型

電氣幾何模型是一種將雷電放電特性和配電線路結(jié)構(gòu)參數(shù)相結(jié)合的計(jì)算模型，可以用來判斷雷電對(duì)線路的影響。10 kV無避雷線的線路模型如圖1所示，展示了如何在沒有避雷線情況下，通過幾何繪制來計(jì)算配電線路的避雷屏蔽保護(hù)。在圖1中，rbm、rdm、rgm分別為避雷線、導(dǎo)線和大地的擊距。弧段CkAk、AkBk分別是以避雷線、導(dǎo)線為圓心，以擊距rbk、rdk為半徑的圓弧。BkDk與地面的距離為擊距rgk。CkAk、AkBk,BkDk分別代表了雷電先導(dǎo)對(duì)避雷線、導(dǎo)線和大地的臨界擊穿距離。如果雷電先導(dǎo)先到達(dá)導(dǎo)線的擊距弧段AkBk，則認(rèn)為避雷線屏蔽失效，輸電線發(fā)生了繞擊。

圖1 10 kV無避雷線的線路模型

隨著雷電流的增加，弧段CkAk的長(zhǎng)度也會(huì)相應(yīng)增加。因此，這個(gè)模型可以用來表示在不同雷電流條件下，線路所受的電氣幾何影響范圍。在這個(gè)例子中，電氣幾何模型通過結(jié)合雷電參數(shù)和線路結(jié)構(gòu)，直觀地描述出線路遭受雷擊的電氣影響范圍。這可以作為決定線路避雷保護(hù)參數(shù)的重要參考。

在單回三角形排列的線路中，橫擔(dān)長(zhǎng)度與雙回塔類似，因此可以采用雙回塔的模型來分析10 kV配電線路的電氣幾何影響。當(dāng)三角形排列線路的電氣幾何模型中的上下相線暴露部分相交在同一點(diǎn)時(shí)，線路遭到雷擊，可能會(huì)導(dǎo)致電壓升高，最終觸發(fā)10 kV線路跳閘。

為了提高線路的防雷效果，在制定防雷措施時(shí)應(yīng)考慮到可能的雷擊對(duì)線路的感應(yīng)影響。傳統(tǒng)的電氣幾何模型主要考慮雷電流強(qiáng)度，并使用單變量方程進(jìn)行計(jì)算。這種計(jì)算考慮線路的高度差異，因此在線路高度差異較大時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)較大誤差。

考慮雷電流強(qiáng)度和線路高度兩大因素，通過雙變量方程建立電氣幾何模型，滿足多種工況的計(jì)算精度要求。計(jì)算避雷器的額定容量，其適用條件為雷電流強(qiáng)度在5～31 kA，線路高度在10～50 m。額定容量的計(jì)算公式為

式中：C為額定容量，W；I為雷電流，kA；h為線路高度，m；k為雷電沖擊電流波形的半衰期，通常情況下可以當(dāng)作常數(shù)1計(jì)算。

2.2 雷跳閘率進(jìn)行相關(guān)計(jì)算分析

在計(jì)算配電線路的防雷水平時(shí)，需要準(zhǔn)確判斷絕緣子閃絡(luò)情況。為了準(zhǔn)確判斷絕緣子是否發(fā)生閃絡(luò)，一般的做法是將絕緣子兩端的過電壓與絕緣子或氣隙的50%閃絡(luò)電壓進(jìn)行比較。當(dāng)過電壓達(dá)到絕緣子或氣隙50%閃絡(luò)電壓時(shí)，可以認(rèn)為發(fā)生了閃絡(luò)。針對(duì)10 kV配電網(wǎng)，計(jì)算其波阻抗約為335 Ω，然后根據(jù)彼得遜法則，可以得到

式中：Ua為閃絡(luò)電壓，V；Z為波阻抗，Ω；L為絕緣子長(zhǎng)度，m。

同時(shí)，需要考慮感應(yīng)雷對(duì)線路的影響。當(dāng)附近發(fā)生雷擊時(shí)，先導(dǎo)通道中的負(fù)電荷被中和，導(dǎo)致電場(chǎng)減弱，從而導(dǎo)致線路上束縛的電荷被釋放，形成感應(yīng)雷電，進(jìn)而引發(fā)過電壓現(xiàn)象。雷擊通道中的強(qiáng)大電磁場(chǎng)也會(huì)在導(dǎo)線上感應(yīng)出高壓現(xiàn)象。靜電感應(yīng)和電磁感應(yīng)疊加形成非常高的過電壓。為準(zhǔn)確計(jì)算感應(yīng)雷對(duì)線路的影響，可以建立其過電壓計(jì)算模型。結(jié)合導(dǎo)線受到的靜電感應(yīng)和電磁感應(yīng)，可以得出感應(yīng)雷過電壓的計(jì)算公式，然后根據(jù)線路參數(shù)計(jì)算感應(yīng)雷過電壓值，并與防雷裝置的放電電壓進(jìn)行對(duì)比，以確定防雷措施是否充分。

2.3 10 kV配電網(wǎng)中絕緣配置跳閘率所產(chǎn)生的影響

10 kV配電線路發(fā)生雷擊跳閘的主要原因是線路絕緣效果不佳，因此增強(qiáng)絕緣效果是減少跳閘的一個(gè)手段。目前，在10 kV線路絕緣配置上已經(jīng)有了一定的研究成果；使用沖擊電壓耐受性更好的絕緣子，如復(fù)合型懸式絕緣子，可提高線路的抗雷沖擊能力；使用不平衡絕緣配置，在線路易受雷區(qū)增大第一串絕緣子數(shù)，可提高這些關(guān)鍵部位的防雷等級(jí)；使用絕緣橫擔(dān)或者絕緣塔頭，增大第一串絕緣子的離地間隙，可有效降低耐雷水平；不同絕緣子的防雷參數(shù)，如最小電弧距離，直接影響了線路的抗雷能力[4]。根據(jù)仿真結(jié)果，在相同線路條件下，復(fù)合型懸式絕緣子使線路直擊跳閘率降至5.57%，較瓷絕緣子的3.23%略高，但對(duì)感應(yīng)雷起到更好防護(hù)，跳閘率只有14.2%。

3 10 kV配電網(wǎng)跳閘次數(shù)優(yōu)化方法

3.1 使用無人機(jī)巡檢

使用無人機(jī)進(jìn)行線路巡檢相比傳統(tǒng)的人工巡視具有一系列優(yōu)勢(shì)。一是全天候快速巡檢，無人機(jī)可以不受天氣等條件因素的限制，進(jìn)行全天候巡線。通常，無人機(jī)巡線需要2人操作，一人控制無人機(jī)飛行，另一人監(jiān)視并分析地面屏幕圖像。二是實(shí)時(shí)傳輸圖像，無人機(jī)可以搭載可見光或紅外熱像儀，實(shí)時(shí)傳輸圖像，以觀察線路狀況。如果發(fā)現(xiàn)問題區(qū)段，無人機(jī)可以懸停細(xì)查或多次飛過以確定情況。三是紅外熱像儀檢測(cè)，紅外熱像儀可以檢測(cè)線路上的發(fā)熱點(diǎn)，尤其在清晨、黃昏或陰天時(shí)使用，圖像更為清晰。為了最大限度上減少逆光的影響，建議無人機(jī)巡線時(shí)最好從側(cè)向?qū)Ь€飛行。此外，可以提前固定鏡頭角度，或通過無人機(jī)改變航線來進(jìn)行視角調(diào)整。還可以使用陀螺儀平臺(tái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)瞄準(zhǔn)和穩(wěn)定成像，然后進(jìn)行線路的精確分析。四是優(yōu)化樹障管控，通過無人機(jī)巡視的高清可見光或紅外熱像，可以直觀地發(fā)現(xiàn)樹枝對(duì)線路的壓迫和潛在的短路隱患，從而指導(dǎo)科學(xué)修剪工作。無人機(jī)還可以監(jiān)測(cè)修剪后的樹木生長(zhǎng)情況，以確保線路的長(zhǎng)期可靠性。此外，無人機(jī)還可用于樹障預(yù)警，一旦無人機(jī)檢測(cè)到樹枝距離線路達(dá)到預(yù)設(shè)限值，就能夠迅速反饋給控制中心，實(shí)時(shí)掌握樹障的動(dòng)態(tài)情況，從而確保電力線路的安全運(yùn)行，使得無人機(jī)成為線路巡檢的高效工具。

3.2 應(yīng)用參數(shù)智能檢測(cè)裝置

參數(shù)智能檢測(cè)裝置能夠獲取線路的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并且結(jié)合線路歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)計(jì)算出線路瓶頸段、電壓參數(shù)以及電流參數(shù)，進(jìn)而得到該段線路的穩(wěn)態(tài)負(fù)載能力和瞬態(tài)過載能力。在此基礎(chǔ)上，通過收集該區(qū)域近年來的新用戶增長(zhǎng)和用電量數(shù)據(jù)，結(jié)合本地經(jīng)濟(jì)發(fā)展預(yù)測(cè)，可以模擬計(jì)算未來3～5年該線路負(fù)載的增長(zhǎng)趨勢(shì)，形成以季度、月度、周等為周期的動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)模型，可以通過動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)模型對(duì)未來3～5年的線路進(jìn)行改造。

3.3 提升自動(dòng)化水平

提升自動(dòng)化水平可以有效控制跳閘次數(shù)，具體措施如下：一是在主饋線路徑上的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)安裝自動(dòng)開關(guān)，實(shí)現(xiàn)對(duì)主線路的分段控制；二是使用通信式保護(hù)裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)這些自動(dòng)設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控，同時(shí)逐步提高饋線自動(dòng)化覆蓋率，使其達(dá)到80%以上；三是取代常開式斷路器，使用能夠自主判斷故障消除后的自動(dòng)復(fù)位斷路器，實(shí)現(xiàn)故障點(diǎn)自我隔離、非故障區(qū)自動(dòng)復(fù)電，縮小跳閘范圍[5]；四是在線路設(shè)定多個(gè)自動(dòng)分段開關(guān)，正常情況下開關(guān)處于關(guān)閉狀態(tài)，當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，開關(guān)能夠快速斷開故障區(qū)域的兩端，避免全線停電；五是在線路中間位置設(shè)置無源監(jiān)測(cè)設(shè)備，采集電流、電壓等參數(shù)，通過有源通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)上傳數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)線路運(yùn)行狀態(tài)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。

4 結(jié) 論

通過分析研究得出，數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)是優(yōu)化10 kV配電網(wǎng)跳閘次數(shù)的重要手段，可以充分利用各種數(shù)據(jù)樣本建立合理的預(yù)測(cè)模型，指導(dǎo)跳閘治理。結(jié)合電氣幾何模型和雷擊跳閘率計(jì)算等，更直觀地闡述配電網(wǎng)跳閘的技術(shù)原理，提出了以強(qiáng)化線路巡檢、調(diào)整負(fù)載分布、提升自動(dòng)化水平等為核心的跳閘治理策略，運(yùn)用智能無人機(jī)、負(fù)載控制、自動(dòng)故障隔離等技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)跳閘次數(shù)的有效控制，顯著提高供電可靠性。