10 kV配电线路故障及其自动化技术分析

鲁登旻

(国网四川省电力公司达州市蒲城供电分公司,四川 达州 636150)

0 引言

随着城市化进程的不断推进,电力需求量不断增加,配电网络规模也逐渐扩大。10 kV配电线路作为电力系统的重要组成部分,直接面向用户供电,其稳定性和可靠性对电力系统和用户具有重要影响,然而,由于环境、设备、人为等多种因素影响,配电线路常常出现故障,导致电力系统供电中断,影响用户正常用电。如何提高配电线路的稳定性和可靠性,成为电力行业亟待解决的问题。近年来,自动化技术在电力行业得到了广泛应用,对10 kV配电线路故障及其自动化技术进行分析,对于提高配电线路的稳定性和可靠性具有重要的现实意义。

1 10 kV配电线路故障概述

通过对已有文献进行梳理和评价,笔者发现10 kV配电线路的故障主要涉及自然因素、设备因素和人为因素等多个方面,常见的故障类型包括短路、断线、接地等。

1.1 10 kV配电线路短路故障分析

10 kV配电线路常见的短路故障有相间短路、对地短路、跨步电压短路、绝缘损坏短路、负载短路、误操作短路等类型。相间短路是指不同相的电流相互干扰,导致两相或三相电流不平衡,最终导致短路。对地短路是指电路中的某处断开,导致电流无法正常流过,从而引发短路。跨步电压短路是指当电路断开时,由于电荷移动导致电压分布不均,从而引发短路,这种故障通常发生在电路断路器瞬间闭合或断开时。绝缘损坏短路是指由于电路绝缘不良,导致电流不经负载而直接流过,从而引发短路。负载短路是指电路中的某个或多个器件与线路并联,导致电流分流,最终引发短路。误操作短路是指由于操作不当,导致电路出现异常情况,从而引发短路。

1.2 10 kV配电线路断线故障分析

常见的10 kV配电线路的断线故障原因主要有线路负载过大、线路老化、恶劣天气影响以及外力破坏等方面因素。具体表现在以下几个方面:一是用电负荷的急剧增加,导致线路承受的电流超过其设计能力;二是线路本身的缺陷,如线路规格过小、布局不合理等,导致线路在正常运行时容易出现断线故障;三是线路绝缘层破损、导体氧化腐蚀、螺栓松动等,导致线路的电阻增加、载流量下降,严重时会产生断线故障;四是恶劣天气对10 kV配电线路的影响较大,如风灾、雪灾、雷击等恶劣天气都可能导致线路断线故障;五是在施工过程中施工方法不当或施工质量控制不严格,导致线路在运行过程中出现断线故障;六是人为或由动物引起的外力破坏。

1.3 10 kV配电线路接地故障分析

10 kV配电线路接地故障分为瞬时性接地故障、永久性接地故障、断线接地故障、混线接地故障、雷电接地故障、毛线接地故障等类型。在10 kV配电线路中,接地故障是指电流或电压异常导致设备与大地之间的连接发生问题,这种故障可能会导致设备损坏、人员伤亡以及供电中断等后果。

2 自动化技术分析

自动化技术是利用计算机、电子、通信等技术,实现生产过程的自动检测、控制、优化和管理。在电力领域,自动化技术主要涉及变电、配电、用电等环节。自动化技术的应用可以有效提高配电线路的稳定性和可靠性,其中远程监控技术、智能巡检技术和故障定位技术是较为常见的自动化技术,可以对10 kV配电线路故障起到故障定位、隔离和恢复供电等方面的作用。此外,自动化技术的应用还可以优化电力系统的运行方式,提高供电的经济性和环保性。

2.1 远程监控技术

在配电线路中,电力设备、通信设备和控制系统共同组成了远程监控系统。其中,电力设备主要负责对线路运行状态的监测和数据的采集,通信设备负责将采集到的数据传输到监控中心或管理平台,控制系统负责对数据的处理和分析以及对设备的控制和调整。

在电力线路的运行过程中,可能会遇到各种故障,比如短路、过载、漏电等。这些故障不仅会影响电力线路的运行效果,还可能引发安全事故。而远程监控技术的出现,使得配电线路的运行状态可以实时监控,及时发现并处理这些故障。通过远程监控系统,管理人员可以实时了解配电线路的运行状态,及时发现并处理故障。同时,通过对采集到的数据进行分析和处理,还可以对电力线路的运行状态进行预测和维护,提前发现并解决问题,减少故障的发生。

2.2 智能巡检技术

智能巡检技术是通过无人机、智能巡检车等设备,定期对配电线路进行巡检,发现并处理潜在故障的配电线路运维管理的重要手段之一,该技术可以大大提高巡检的效率和精度。其中,无人机和智能巡检车是常见的智能巡检设备。

通过无人机搭载高清晰度摄像头、红外线扫描仪等设备,对配电线路进行全方位、高精度的拍摄和检测。然后通过对拍摄到的图像进行分析和处理,可以及时发现线路的潜在故障和隐患,如线路老化、绝缘损坏等。同时,无人机还可以进行实时的数据传输和远程控制,使得管理人员可以在第一时间了解线路的情况,并采取相应的处理措施。

智能巡检车则是一种集成了多种检测设备的车辆,通过智能巡检车搭载高清晰度摄像头、红外线扫描仪、超声波检测器等多种设备,实现对检测线路的外观、温度、绝缘等各个方面的监测。随后对检测到的数据进行分析和处理,及时发现线路的潜在故障和隐患,并进行相应的处理和维护。智能巡检车具有自动化、智能化、高效、准确的优点,可以实现对配电线路的全面监控和故障预警。同时,智能巡检车可以在不同的环境和条件下进行巡检,具有很好的适应性和灵活性。

2.3 故障定位技术

故障定位技术可以快速准确地确定故障位置,提高故障排除效率。在配电线路中,故障定位技术是通过对线路中的故障信号进行测量和解析,快速定位故障位置,从而有效地进行故障排除和修复。常见的方法包括阻抗法、行波法、和音频法等,在实际应用中,这些方法可以互相结合使用,提高故障定位的精度和效率。

2.3.1 阻抗法

阻抗法是通过测量电力系统中故障点到测量端之间的阻抗变化,来推测故障位置的方法。在实际应用中,阻抗法多以线路集中参数模型为基础,通过测量不同故障点的阻抗值,可以推测故障点所在的位置。对于短路故障,常见的故障类型包括单相短路、两相短路和三相短路。通过测量不同故障点的阻抗值,可以推测故障点所在的位置。例如在一条输电线路上,如果测量到某一段线路的阻抗值明显低于其他段,那么可以推测该段线路可能存在短路故障,进而对该段线路进行进一步的检修和维护。

2.3.2 行波法

行波法是基于行波检测原理实现的,利用测量行波在故障点和测量端之间往返的传播时间来确定故障位置[1]。当线路发生故障时,会产生行波信号,这些信号会在线路中传播。通过测量行波信号的到达时间和反射点的位置,可以准确确定故障点的位置。在实际应用中,行波法是比较先进和准确的故障定位方法之一。其优点是可以通过测量行波信号的传播速度和时间差来确定故障位置,不受线路复杂程度的影响;且测量精度高,可以在较短的时间内快速准确地定位故障位置。

2.3.3 音频法

音频法是通过听取线路中声音的变化来确定故障位置。当线路发生故障时,会产生特定的声音,这些声音可能来自故障点周围的放电声、设备故障的噪声等。通过音频设备可以捕捉到这些声音信号的强度、频率等特征的变化,从而确定故障位置。这种方法不需要在电力线路上附加任何设备,只需要将音频设备(如拾音器或传声器)放置在线路周围,捕捉这些声音的变化,从而确定故障位置。

3 故障分析系统设计

基于自动化技术,本文设计了一种10 kV配电线路故障分析系统,主要包括数据采集、数据处理和故障分析3个模块。

3.1 数据采集模块

数据采集模块通过智能传感器和实时监测设备获取10 kV配电线路的电流、电压、温度等参数,并识别数据源,如互联网、数据库、数据文件等,以及确定从哪些数据源中提取需要的数据。所有信号采集后,会通过数据采集模块,如嵌入式系统、PLC、单片机等设备,将这些信号转化为数字信号,并通过串口、以太网或其他通信方式发送到计算机或控制系统进行处理和显示。该模块的主要原理是通过传感器将这些参数转换成电信号或数字信号,然后通过数据采集模块将这些信号输入计算机或控制系统进行处理和分析。

3.1.1 电流的获取

通常使用电流互感器(CT)或电流传感器来采集10 kV配电线路的电流,这些设备基于法拉第电磁感应定律工作,将电流转换为感应电动势。法拉第电磁感应定律的公式为:

E=nΔΦ/Δt

(1)

公式中,E代表感应电动势,n代表感应线圈匝数,ΔΦ代表磁通量变化,Δt代表时间变化。然后通过测量该电动势来计算电流值。

3.1.2 电压的获取

电压的获取是通过在10 kV配电线路和大地之间建立一个电位差来实现的,这个电位差可以通过电压传感器进行测量。

3.1.3 温度的获取

温度参数的获取一般通过温度传感器来实现,常用的有热电阻、热电偶等。这些传感器将温度变化转化为电信号,数据采集模块通过测量这个电信号就能知道当前的温度。

3.2 数据处理模块

数据采集后,数据需要进行滤波、标度转换、补偿等处理,以便更准确地反映实际状态。再通过数据处理模块实现对采集到的数据进行处理和存储,提取出与故障相关的信息。其主要步骤为:第一步,数据抓取。在确定数据源后,通过程序自动化地从这些数据源中提取所需要的数据。第二步,数据清洗。对收集到的数据进行清洗和过滤,去掉无用的数据,对数据进行必要的加工,以提高数据的准确性和精度。第三步,数据存储。经过清洗的数据会被转换成结构化的数据格式,并存储在预先设定好的存储空间中,以便后续的分析和处理。第四步,数据处理。对数据进行各种处理,包括数据的滤波、去噪、协议转换等操作,以提高数据的准确性和精度。

3.3 故障分析模块

故障分析模块运用人工智能算法对故障进行诊断和预测。根据数据处理的结果,实现特定的应用功能,比如实时判断设备故障或安全风险等问题,提高生产过程的可控性和生产安全性。至于提取与故障相关的信息,这通常涉及对数据的特定分析。例如,如果发现某些数据(如设备运行参数)超过或低于正常范围,这可能预示着设备故障或潜在问题。系统可以设置设备运行的预警阈值,一旦监测数据超过或低于这个阈值,系统会发出告警信息,及时通知相关人员进行处理和维护[2]。此外,数据处理模块也可能通过模式识别、聚类分析等方法自动识别出故障模式或趋势,提前进行预警或预测,以避免故障的发生或减少故障带来的损失。如何自动地生成和筛选满足要求的测试用例是一项很有意义的工作[3],预测性维护已经在很多领域得到广泛应用[4]。

此外,故障分析模块还可以结合多种人工智能算法进行综合诊断和预测。例如,可以将模糊方法与神经网络相结合,或者将专家系统与神经网络相结合,以提高故障诊断和预测的准确性和可靠性。同时,也可以采用分布式人工智能技术,将诊断和预测任务分布到多个子系统上并行处理,提高整体效率。

4 结语

本文通过对10 kV配电线路故障及其自动化技术的研究,提出了一种基于自动化技术的故障分析系统。通过应用该系统,可以有效降低10 kV配电线路的故障率,提高电网的稳定性和可靠性,这将对保障电力系统和用户的正常运转具有重要意义。在未来的研究中,将进一步优化系统性能,提高故障诊断的准确性和效率。同时,将研究更多的自动化技术在电力系统的应用场景,为推动电力行业的创新发展作出贡献。