10 kV电力系统安全运行要素研究

唐建军

(国网四川省电力公司南充市高坪供电分公司 四川南充 637000)

在10 kV电力系统中，变电站将110 kV或35 kV高压电压转换成10 kV 的电压，然后通过输电线路被输送到不同的配电变压器，进一步降低到400 V或230 V以供使用[1]。若运行安全产生问题，会产生潜在的人员危险和巨大的经济损失。例如：福州市一小区发生电气火灾事故，据初步调查疑似因为10 kV 电缆维修不当，导致电缆损坏引发火灾；长沙市一家商场由于10 kV电力系统接地电阻过大，导致漏电过大引起的电气火灾事故；临沂市一家工厂因为10 kV电缆老化，绝缘性能下降引起的电弧放电导致发生爆炸事故。因此，分析10 kV电力系统的安全运行要素对保障电力系统安全运行具有重要意义。居民和商户都要注重电路安全，应做到不违规接线改线、维修找专业操作人员作业、配电室等危险地带按要求隔离、电缆的使用情况按时检查维护等。

1 10 kV电力系统

根据电压等级可将电力系统划分低压、中压和高压系统等，10 kV 电力系统通常被归类为中压系统，由国家电网公司、南方电网公司等大型电力企业负责建设和运营。在日常运行中常需要利用变电站进行电能转换和分配，配电方式有环城网、辐射网、网状网等。目前主要分布在城乡中小型用电场所等，其用途包括输送和分配电能，在商业和工业领域应用广泛，如城市中心区域的供电、工厂和企业用电、高速公路路灯和交通信号灯的供电等。

1.1 10 kV电力系统特点

10 kV 电力系统具有电压适中、安全性高、稳定性强、输电效率高等特点，通常用于短至中等距离的电力传输，一般为10～50 km[2]。与低压电力系统相比10 kV电力系统更稳定，可以支持更多的电力负载，具有比较成熟的技术和设备支持。输电效率相对较高，低损耗电能能够满足相应电力负荷的需要。

1.2 10 kV电力系统安全运行标准

10 kV 电力系统的安全运行需要从设备、施工、维护、人工操作和监测保护等多个方面进行全面考虑，并遵守一系列相关的国家和行业标准。

设备需要能够承受预设的电力负荷和环境的影响，在运行全程安全可靠，符合国家和行业标准，如变电站的开关设备需要符合《高压交流开关设备和控制设备标准的共用技术要求》（GB/T 11022-2020）。

在施工和后续维护的过程中，技术人员要具备专业技能证书，深度掌握技术操作规程和应急预案，保证操作的安全和可靠，避免电力系统由于人为失误造成的损伤。如变电站操作人员需要通过培训考核，持有高压电工作证和高压操作证。变电站维护需要符合《变电站现场安全技术规程》（GB/T 17467-2020）和《电气设备安装工程施工及验收规范》（GB 50150-2016）的标准。

2 10 kV电力系统安全运行要素和常见故障类型

2.1 10 kV电力系统安全运行要素

10 kV 电力系统安全运行要素包括设备、运行管理、人员素质、技术创新、消防安全、计划管理、紧急预案等，要做好电力系统安全运行，必须各要素都入手，以确保电力系统运行的安全可靠性。

设备安全要素表现在电缆、电线、开关、变压器、母线等相关设备必须选择符合国家标准和规定的。在运行管理方面，电网部门需要对10 kV 电力系统进行实时常规监测，提前针对电力系统可能产生的故障情况制订详细的应急预案等。在操作人员的专业素养方面，不同电力领域工作人员必须经过专业培训和考核。在技术创新方面，提高深度学习、数据挖掘、AI等数字技术应用频度。在消防安全方面，必须加强消防设备的全面落实，科普消防设施灭火方法，对设备周围的安全区域进行标识和划分，保证安全区域内只允许经过培训和授权的人员进入。

2.2 10 kV电力系统常见故障类型

10 kV 电力系统的安全问题主要分为机械故障和人工故障两种。机械故障包括线路自身或环境因素引起的短路、开路、过载和接地故障；人工故障包括技术人员操作失误、居民私接线或改线等[3]，这些因素都会降低整个供配电系统的运行质量，妨碍供配电系统工作。部分线路故障占比如图1所示。

图1 部分线路故障占比

电缆绝缘损坏、设备内部故障或线路接头松动、老化最容易引起短路故障[4]。短路时两个或多个电线之间或与其他导体发生直接接触，线路电流过载、电压下降、电线发热，若未及时处理可能导致设备受损、发生火灾和停电甚至危害生命等情况。例如：机器电源线绝缘材料老化、开裂并与机器外壳直接接触，从而发生短路，使机器外壳充满电荷。当操作人员作业时接触设备并接地，电荷就会流过人体造成电击伤害。

短路与过载有密切联系，当电流超过设备或线路的额定电流时电路系统负载增加，电线中传输的电流较大，使电线过于热化，热化的电线导致铜线绝缘层损坏，形成一个短路环路，导致持续过载，以至于熔断电线保护器，使电线损坏甚至失效。

开路故障包括离散型开路和线路故障导致自动跳闸。离散型开路指电路中某部分的电源电线中断或损坏，导致电路中该部分的电气设备断电。线路故障导致自动跳闸是指当电力系统检测到线路短路或过载等故障时自动跳闸切断电路。两种开路故障都会由于部分负载消失，使未断电部分得到过多的电源电压供应，电源电压过高。过高的电源电压可能损坏线路或设备的电子元件或电线，使其无法正常工作，甚至永久损坏。

接地故障指电气设备或电路出现零线与设备或结构不良接触或短路，导致漏电电流沿电气设备外表面流回电源，通常在接地电容的帮助下形成回路，从而使设备带有电压。漏电故障指电气设备或电路出现接触电流路径，使电流越过设备或电路外表面（如接地线或使用者身体），直接流回地面。接地和漏电故障都会使电器带电，容易使人受到触电伤害。

人为主观造成的故障包括技术人员误操作、居民用电不当等。例如：技术人员操作失误导致绝缘子、导线等接触不良，电流过大；未及时更换老化或损坏的绝缘子和电缆，或未对设备进行定期检查和维护；在维修电力线路时，操作人员距离线路太近造成侵占安全距离现象，发生触电事故；在工程不当施工可能会导致线路短路或接线错误等问题；居民私拉乱接电线到电力系统中可能会导致电线过载，引起火灾和其他安全隐患；部分居民私自调整电表、违法搭建电线、违规使用电气设备等，导致电线接触不良、电线过载引起火灾和其他安全隐患；在电力紧张的情况下，居民可能会违规使用电力。使用不符合规格的电气设备，或同时使用多个高功率电气设备，在停电时私自开启备用发电机等。

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3 10 kV电力系统安全运行保障方法

要保障10 kV 电力系统的安全运行，主要需要确保电力线路和电力设备的安全性和稳定性，降低外界环境、设备故障、过载等各种因素的影响。需要对电力系统中的所有设备包括变电站、开关设备、电动机、变压器等进行定期的维护和检查，对电力系统进行风险评估和安全评估，随时发现并排除潜在安全隐患。例如：某变电站的10 kV出线柜在运行时突发触电事故，导致变电站的断路器跳闸停电。通过分析发现是由于该出线柜的支柱绝缘老化导致，检修部门及时更换绝缘材料并进行检查。

3.1 3种配电网安全运行保障措施

10 kV 的配电网根据拓扑结构和应用范围不同分为环城网、辐射网和网状网。（1）环城网以城市为中心，应用于城市内通信、监控、物流、配送等需要点对点通信的场景。环城网路由简单，网络传输延迟小，但运行出现问题会影响整个网络，甚至瘫痪。因此对10 kV的环城网运行检查要做到早发现早根除，降低事故发生的概率，以事先预防为主。（2）辐射网以中心节点向外辐射为主要特征，传输距离远，网络扩展能力强，网络节点多。因此，辐射网安全运行的管理重点在于分节点进行区域检查，以化整为零的策略降低工作量，根据责任制分工到各操作人员身上，按照距离远近分配检查、维护任务。（3）网状网与辐射网类似，但是各节点之间连接方式更多更复杂，通常应用于需要高度可靠性、高带宽、大覆盖的场景，如航天、军工、智能交通等，具有灵活性强，能快速应对节点故障，但是构建和维护成本较高的特点。网状网则更偏向于问题发生后的及时处理，其可以互相进行补充，不会即时断电，因此对维修留有时间，不过定期的维护依旧不可忽视。

3.2 传统安全运行保障措施

传统安全运行保障措施更偏向人工检查，主要以班组制度为主，班组制度对配电线路的巡视、维护、检修等工作进行严格的规定。人工需要按照标准要求定期巡视和检修保养电力系统，结合科学技术方面表现在对网络设备、服务器、应用程序等软件运行时产生的日志进行管理，分析潜在问题。对于居民异常用电的检查方法较少，且施行困难工作量大。传统方法主要针对修改电表的窃取电量的用户，3 种异常用电识别比较方法如表1所示。

表1 异常用电核查方法

在组织人员定期对10 kV配电线路的设备进行检查时，操作人员对巡视发现的问题，如电力设备老化、破损、安装不稳定等需要先登记，然后根据汇总结果重新安排维修工作，效率较低。新线路维护周期和成本都少于老线路，因此在前期线路铺设和实际施工过程中人工检查和各项质量检测试验是新线路安全运行保障的重要前期工作。部分10 kV电力系统施工原则条目见表2。

表2 10 kV电力系统施工检测表（部分）

3.3 结合高科技技术的安全运行措施优化

随着科技发展，利用先进技术和设备对10 kV 电力系统的安全运行各方面进行升级优化刻不容缓，如引入智能巡线、无人机、红外线监测等。使用智能巡检机器人对线路和设备进行巡检，配合现代化监测系统进行实时监测和故障预测，可以有效减少人工巡检频率，提升巡检效率[5]。结合深度学习算法对10 kV电力系统进行可靠性评估，可以优化系统中设计不合理或系统薄弱环节，从而增强整个电力系统的安全性和可靠性。有研究基于贝叶斯网络构建了10 kV电力系统可靠性评估网络模型，可以根据历史数据进行统计分析和数据挖掘，得到电力系统各负荷点的可靠性指标，从而评估出薄弱环节进行改进。

在故障定位方面，目前已通过红外测温技术检测设备电气接点、电气器件缺陷、温度异常等实现故障快速诊断。通过在系统中安装可编程电子设备，实现精确测量、快速检测和实时监控，有助于及时发现系统故障和异常。使用光纤光学电流差动保护技术，通过口袋式电场探测器等技术配合快速定位仪，精准、快速地定位故障点。有研究设计了10 kV配网线路故障定位方法，在进行故障定位精确度仿真实验中，与传统定位方法进行了对比，结果如图2所示。

图2 定位节点故障测试精确度结果

根据结果可知：在相同实验条件下，传统定位方法精确度在故障距离大于3 000 m后定位效果即不合格，波动较大且整体趋势逐渐降低。而结合大数据算法和自动定位技术的新型精准定位方法精确度维持在0.98到趋近于1，极大降低了客观因素的影响。

在电力管理系统方面，频率稳定系统能够监测并自动调整电力输出，保持系统的稳定性和安全性[6]。在电力设备研发方面，相比于传统的油浸开关，高电压气体绝缘开关设备具有更好的环保性和可靠性。在应急预防方面，通过大数据分析建立完善的应急预案，并算法生成响应措施，可以提升应急处理效率。

虽然高新技术可以带来很多便利，但是操作人员的工作不可替代，因此在提升人工专业技术方面，可以使用在线学习平台、虚拟现实等技术，为电力系统技术人员提供更加丰富、全面的安全知识和技能培训。通过建立电力系统的数学模型和仿真实验，提高不同情况背景下对专业技能的应用，有助于提升技术人员实际经验和应变能力。

4 结语

10 kV 电力系统安全稳定地运行是满足居民正常生活工作的重要保障。10 kV电力系统的高架线相较于其他高压线路离地距离较近，城内架空-电缆混合电网范围较广，容易由于机械损伤或环境影响产生故障，因此电力企业需要定期对电力系统设施进行安全检查和故障维修。当前，结合高新技术对电力系统进行全方位线上监控和故障预警成为电力系统安全运行保障的重要举措。根据电力系统各节点实时数据进行大数据分析可以对存在隐患的线路区域定位排查，预先进行维护从而起到提前排除故障，减少断电损失的重要作用。无人机巡查可以减少人工成本，作业简便，安全性更高。选择重要指标制定综合评估体系，基于数据驱动进行电路诊断和评估，较人工检查更高效、准确。把握10 kV电力系统运行安全要素，并针对其开展一系列的安全管理措施，也可为电力企业带来更高的经济效益。