配网线路小电阻接地改造后跳闸率压减技术

孙 路，何林巍，陈晓博，熊晋树，沈 峰

(国网上海市电力公司青浦供电公司，上海 201799)

随着电容、电流的大幅增加，以及出于绝缘安全考虑，大部分配网系统都改为小电阻接地，然而系统小电阻接地改造后，任意一相接地即发生短路，线路随即跳闸[1-3]。小电阻接地改造以后，很多地区的线路雷击跳闸率大幅提升，外力破坏等引发的跳闸率也有所提升，这给配网线路的运行安全性带来了较大考验[4-5]。

针对配网线路小电阻接地改造后存在的线路跳闸等问题，提出了解决问题的新思路，具体表现如下：安装环状电感线圈，设计具备抗干扰能力的霍尔电流传感器；开发基于颜色轮廓模糊识别的图像处理技术的低成本视频监控系统；研制高分子植物油基稠性阻碍涂料；研发采用等电位独立电流注入法的故障指示器。

1 配网线路跳闸原因分析

通常线路跳闸原因可分为两大类。

(1)绝缘子或避雷器击穿闪络。对于35 kV以下的架空线路，由于其绝缘子爬距较短，绝缘余量较小，雷击过电压造成绝缘子闪络的概率很高。对于这类电压等级较低的线路，300～400 kV的感应雷过电压就足以造成其闪络故障[6-8]。为此，带有过电压保护器或保护间隙的防雷绝缘子产品应运而生，对降低中高压架空线路的雷击断线、雷击跳闸事故起到了很好的作用，然而绝缘子雷击闪络跳闸事故仍然很难完全杜绝。此外在正常运行中，部分绝缘子或避雷器会因为绝缘劣化、受潮开裂、前一次雷击电压应力冲击等问题击穿闪络，造成线路跳闸[9-10]。对此亟需可靠方便的带电检测技术，通过在线或人工带电测试的方法，及时找寻到缺陷绝缘子或避雷器，从而避免跳闸事故。

(2)线路异物搭接闪络。通常来自于吊车碰线或小动物入侵，对于主网目前采用全线视频在线监控，结合图像识别等技术，由于35 kV以下的配网，线路数量太多，不可能安装全线视频监控，更无法承担图像识别等智能化技术管控手段，另外无线摄像头的老化维修也需要极高的成本，对此急需适用于配网线路、能移动、寿命长、成本低、具备智能危险识别技术的视频监控系统。涉及小动物入侵的问题，很多驱鸟器、药物、鸟刺、防护套等设施，虽然起到了一定作用，但是都有各自的局限性，如果能有效果好、应用面广的技术，将对小动物破坏事故起到有力的遏制。

2 配网跳闸率压减技术

2.1 绝缘子、避雷器击穿闪络事故防范措施

对于绝缘子或避雷器绝缘劣化、受潮开裂等问题，解决问题思路如下。

(1) 研发就地安装的绝缘子、避雷器、闪络警示器等。依托性能可靠、成本低廉的特性，将其分布安装于每一个杆塔，一旦某处杆塔绝缘子闪络短路，就能立即发出醒目的指示，从而大大方便线路检修人员寻找故障点，缩短恢复送电时间；对于重点线路，警示器通过设置远传模块，直接与融合终端的上位机通信，进一步缩短故障查找时间。

(2) 研发手持式避雷器、绝缘子老化检测仪。当避雷器或绝缘子发生老化、存在裂纹污秽或遭受过雷击电压应力冲击时，其泄漏电流增大，通过检测仪内灵敏度极高的钳形互感器，可及时检测到异常的入地电流，从而找寻到缺陷绝缘子或避雷器，避免跳闸事故。

2.2 线路异物搭接闪络事故防范措施

对于线路异物搭接闪络，例如吊车碰线或小动物入侵，亟需适用于配网线路、能移动、寿命长，同时具备低成本智能危险识别技术的视频监控系统。此措施将采用全新的基于颜色轮廓模糊识别的图像处理技术，结合慢反射光伏供电系统，建立低成本、高可靠性的配网线路图像监控系统。颜色轮廓模糊识别技术能够在对系统网速要求较低的条件下，快速识别吊车等典型危险点，从而大幅提升配网领域的外力破坏监控智能化水平；漫反射光伏供电系统则借鉴自由曲面反射技术，规避了光伏电池板容易受阴影遮挡损坏的高额维护成本，降低了配网图像监控成本。

近些年鸟类、松鼠、蛇类的大量繁殖，对配网线路形成了严重的威胁，很多驱鸟器、药物、鸟刺、防护套等设施，虽然起到了一定作用，但是各自都有局限性。对此借鉴材料领域的创新科技，通过多学科交叉研究，研发出高分子植物油基稠性阻碍涂料，该涂料具备优异的防晒、防雨、抗氧化变质能力，具备低张力不干胶的力学特性，通过对横担、杆塔、拉线、接地引下线的局部涂覆，可使攀爬或停留的小动物受到黏滞却能挣脱，从而对小动物起到很好的防范效果。

3 配网跳闸率压减实施方案

3.1 绝缘子、避雷器击穿闪络事故防范方案

3.1.1 绝缘子、避雷器击穿闪络警示器设计

闪络警示器通过检测短路故障时横担周围工频电流产生的磁场来激发动作。本产品内设大截面环形感应线圈，当横担流过数百安培以上的工频电流时，就会在感应线圈上感应出数毫安的交流电势，利用该电势触发产品内部的晶闸管触发电路与场效应管积分电路，来驱动自闪LED发出醒目的闪光，告知巡视人员此处发生了短路故障。场效应管积分电路利用电容充电保持一段时间的导通状态，当到达设定时间后电容放电完毕，场效应管恢复截止，LED熄灭。整机电路原理简单可靠、抗干扰性好，电池寿命长，成本低廉，电路原理如图1所示，该方案放弃了传统技术的运放信号检测电路，采用“故障发生后再唤醒”的模式工作。在没有故障时，待机电流为零，无需设置繁琐昂贵的电源电路，不但极大降低了成本，也使产品的可靠性大幅提高。整机系统装置原理如图2所示。

图1 绝缘子、避雷器闪络警示器电路原理图

图2 整机系统装置原理示意图

当绝缘子正常无故障时，横担任意一点的电流为零。当某个绝缘子或避雷器击穿闪络后，横担会出现接地电流，但只要不引发工频续流，固然电流幅值较大，其持续时间却是微秒级的；若闪络引发工频短路电流，则该电流不止幅值大，持续时间也长达40 ms以上，因此可以明显地与雷击闪络电流区分开来。

闪络警示器采用一个截面较大的环状电感线圈，使其在安装时贴近横担或接地引下线，就能方便地感受到闪络的工频续流，从而发出告警，起到直观的警示效果。

3.1.2 绝缘子、避雷器老化检测仪设计

绝缘子、避雷器老化检测仪创新地采用了带有磁场、电场双重屏蔽功能的霍尔直流电流互感器来精确地检测流过绝缘子瓷套或避雷器的入地电流，其电路原理如图3所示。12 V直流电源通过阻容分压形成两组6 V稳定的直流电源，供运放的正负双电源工作，采用LF444或LF147型低噪声运放，对霍尔电流互感器(CT)输出的模拟信号线性比例放大，驱动模拟电压表显示对应的泄漏电流。

图3 绝缘子避雷器电路原理图

检测仪专门设计了具备抗干扰能力的霍尔电流互感器，如图4所示。在图4中，霍尔电流互感器1与误差校正电流互感器2平行放置，其一次导线穿孔同轴。屏蔽磁轭3由铁氧体与硅钢片双层复合构成，呈圆柱形，壁厚不低于5 mm，其中一段设置接地端，两端设有一次导线穿孔，并与霍尔电流互感器1和误差校正电流互感器2的导线穿孔同轴放置。误差校正电流互感器2的二次输出电流与霍尔电流互感器1的输出电流的差值除以设定的比例系数，再与霍尔电流互感器1的输出电流求和后，即为互感器二次电流输出值。

图4 霍尔电流互感器示意图

霍尔电流互感器利用能够兼容高、低频磁场的磁轭，屏蔽外界磁场干扰。该磁轭可使直流磁场、交流磁场均得到屏蔽，加上接地点的设置，可使磁轭内部维持一个对地的零电场环境，从而保证霍尔传感器的正常运行，此外还加上了误差校正电流互感器，它设置在更靠近外部强磁场干扰源的地方，通过其测得的电流与霍尔电流互感器的误差计算，实时修正霍尔电流互感器的输出数值，就可得到不受外界干扰的电流测试值，极大地提高了泄漏电流检测的安全性与准确性。

3.2 异物搭接闪络事故防范方案

3.2.1 基于颜色轮廓模糊识别的低成本视频监控系统

视频监控在各地广泛应用，但基于图像识别技术的危险源预判需要借助云平台，计算量与硬件配置成本均较高，为解决该问题，提出了新型的颜色轮廓模糊识别方法。首先借助基本RGB色系的颜色进行像素识别。像素的颜色由R(红色)、G(绿色)、B(蓝色)3种颜色按不同的比例混合而成，在24位真彩色位图中，R、G、B的取值范围为0～255，若3个基色分量确定了，则像素的颜色就完全确定了。然后按步骤可以先通过画面中黄色(吊车颜色)进行自适应搜索，发现黄色像素越限后启用轮廓模糊比对算法，进而使用较简单的方法。对于吊车等典型障碍物，只需较低的网速与硬件配置，即可实现低成本的配网线路外力破坏危险源识别。基于颜色轮廓模糊识别的危险源识别过程如图5所示。

图5 基于颜色轮廓模糊识别的危险源识别过程

光伏供电系统的早衰也是无线监控系统的一大顽疾，对此研发新型漫反射光伏供电系统，结合自由曲面反射技术，极大提高了光伏板的使用寿命与光电转换效率，降低了配网安装图像监控系统的成本，增加了配网大面积安装视频监控的可行性。

3.2.2 高分子植物油基稠性阻碍涂料研制

随着环境的改善，鸟类、松鼠等动物得以大量繁殖，对配电线路的安全运行造成了严重威胁。现有技术对防治小动物起到的效果微乎其微，对此借鉴材料领域的创新科技，通过多学科交叉研究，研发了高分子植物油基稠性阻碍涂料，如图6所示。该涂料具备优异的防晒、防雨、抗氧化变质能力，具备低张力不干胶的力学特性，通过在横担、杆塔、拉线、接地引下线等局部涂覆，可使攀爬或停留的小动物受到黏滞却能挣脱，起到了良好的小动物防范效果。

图6 植物油基稠性阻碍涂料

阻碍涂料的设计考虑以下几方面：首先需要形成高张力、高黏滞力的不干胶黏滞效果，能快速对入侵小动物黏滞；其次必须具备低剪切力，使小动物挣扎后不会拉丝缠绕，而是逐步分节脱离，保护小动物不受伤害；最后必须环保无害，具备较好的防雨抗氧化能力。为此采用植物油为基础，通过纤维素类增稠剂与油性不干胶的组合，实现阻碍涂料的效果。

3.3 故障指示器带电测试技术研究

指示器虽不能直接降低线路故障概率，但对于故障后的快速定位与抢修意义重大，现有技术的故障指示器，平均动作正确率仅50%左右，对于线路故障的定位帮助不大。为此必须研发故障指示器带电测试技术，通过不停电在线测试，及时剔除不良故障指示器，这对于跳闸后的快速恢复意义重大。

故障指示器带电测试技术采用等电位独立电流注入法，实现绝缘杆不停电操作，直接验证故障指示器的电流动作能力，特殊的屏蔽罩结构可模拟实际的低电压与故障电流注入，从而及时发现异常的故障指示器。

4 结语

对于小电阻接地改造后频繁出现的线路跳闸问题，提出了有针对性的解决措施，具体如下。

(1)安装环状电感线圈于贴近横杆或接地引下线处，以此感受闪络的工频续流并报警。

(2)设计了具备抗干扰能力的霍尔电流传感器。

(3)开发了基于颜色轮廓模糊识别的图像处理技术的低成本视频监控系统。

(4)研制了高分子植物油基稠性阻碍涂料。

(5)研发了采用等电位独立电流注入法的故障指示器。

本文提出的相关技术对跳闸率起到了显著的压减作用，克服了因小电阻接地改造造成的跳闸率不降反升的被动局面，极大地提高了配网运行的可靠性。