数据驱动的10 kV配电网跳闸次数优化研究

赵进良

（固原农村电力服务有限公司，宁夏 固原 756000）

0 引 言

当前，供电可靠性已成为电力系统建设和运行管理的重中之重。而10 kV配电网作为直接面向用户的“最后一公里”，其跳闸次数直接关乎人们的获电质量。近年来，我国北方多雷区10 kV配电网频繁跳闸的问题日益突出，严重影响了农村地区的用电可靠性，且影响面越来越广，仅凭经验判断和粗放式管理难以有效遏制跳闸次数过多的现状。在新技术革新和智能化建设背景下，如何利用各类数据进行科学决策，以数据驱动配电网跳闸次数的持续优化，实现“既有网”供电质量提升，是电力企业面临的新课题。

1 10 kV配电网跳闸次数影响因素分析

1.1 主要跳闸类型

10 kV配电网跳闸的主要类型包括雷击跳闸、树障跳闸以及过负荷跳闸。雷击跳闸是由于雷电产生的过电压作用在配电线路上，可导致绝缘击穿而引起跳闸。我国北方多雷区，每逢雷季来临时跳闸次数会明显增多，有的地区雷击引起的跳闸甚至可以占到年度跳闸总次数的50%以上。线路高度与跨距过大以及避雷装置不足，都会加剧雷击对线路的冲击，进而导致跳闸。树障跳闸是由于树木未经管控生长靠近甚至直接接触到线路而引起的，尤其在树木生长迅速的区域更为常见。当遇到大风等恶劣天气时，容易造成树枝折断甚至整棵树倒塌压在线路上，形成短路引起跳闸[1]。过负荷跳闸是因负载增长超过线路载流能力和配变容量而引起持续过载跳闸，或者因负载分布不均而使末端线路过载跳闸。

1.2 影响跳闸的关键因素

线路自身的参数直接决定着其负载能力（见表1）。当线路的截面较小或者中间存在瓶颈段时，就很容易发生过负荷跳闸。如果线路在历史设计时参数选择不合理，而现在又难以进行全线改造，会成为跳闸的影响因素。此外，负载分布的合理性是典型的跳闸影响因素。当负载过度集中在线路的末端时，中间和末端就较易发生过载跳闸；如果负载集中在中间，则两端过载的概率会较小。合理规划线路的负载分布可以有效减少跳闸次数[2]。自动化水平的高低直接影响着跳闸的范围和供电恢复的时间，自动化装置可以实现对故障点的精确定位和快速隔离，避免全线跳闸。自动分段开关也可以快速断开故障区段，使大部分用户得以继续用电[3]。提高自动化水平可以极大地优化跳闸治理效果。

表1 不同参数线路的负载情况和运行状态

2 基于数据的10 kV配电网跳闸计算分析

2.1 分析10 kV无避雷线线路中的电气几何模型

电气几何模型是一种将雷电放电特性和配电线路结构参数相结合的计算模型，可以用来判断雷电对线路的影响。10 kV无避雷线的线路模型如图1所示，展示了如何在没有避雷线情况下，通过几何绘制来计算配电线路的避雷屏蔽保护。在图1中，rbm、rdm、rgm分别为避雷线、导线和大地的击距。弧段CkAk、AkBk分别是以避雷线、导线为圆心，以击距rbk、rdk为半径的圆弧。BkDk与地面的距离为击距rgk。CkAk、AkBk,BkDk分别代表了雷电先导对避雷线、导线和大地的临界击穿距离。如果雷电先导先到达导线的击距弧段AkBk，则认为避雷线屏蔽失效，输电线发生了绕击。

图1 10 kV无避雷线的线路模型

随着雷电流的增加，弧段CkAk的长度也会相应增加。因此，这个模型可以用来表示在不同雷电流条件下，线路所受的电气几何影响范围。在这个例子中，电气几何模型通过结合雷电参数和线路结构，直观地描述出线路遭受雷击的电气影响范围。这可以作为决定线路避雷保护参数的重要参考。

在单回三角形排列的线路中，横担长度与双回塔类似，因此可以采用双回塔的模型来分析10 kV配电线路的电气几何影响。当三角形排列线路的电气几何模型中的上下相线暴露部分相交在同一点时，线路遭到雷击，可能会导致电压升高，最终触发10 kV线路跳闸。

为了提高线路的防雷效果，在制定防雷措施时应考虑到可能的雷击对线路的感应影响。传统的电气几何模型主要考虑雷电流强度，并使用单变量方程进行计算。这种计算考虑线路的高度差异，因此在线路高度差异较大时，可能会出现较大误差。

考虑雷电流强度和线路高度两大因素，通过双变量方程建立电气几何模型，满足多种工况的计算精度要求。计算避雷器的额定容量，其适用条件为雷电流强度在5～31 kA，线路高度在10～50 m。额定容量的计算公式为

式中：C为额定容量，W；I为雷电流，kA；h为线路高度，m；k为雷电冲击电流波形的半衰期，通常情况下可以当作常数1计算。

2.2 雷跳闸率进行相关计算分析

在计算配电线路的防雷水平时，需要准确判断绝缘子闪络情况。为了准确判断绝缘子是否发生闪络，一般的做法是将绝缘子两端的过电压与绝缘子或气隙的50%闪络电压进行比较。当过电压达到绝缘子或气隙50%闪络电压时，可以认为发生了闪络。针对10 kV配电网，计算其波阻抗约为335 Ω，然后根据彼得逊法则，可以得到

式中：Ua为闪络电压，V；Z为波阻抗，Ω；L为绝缘子长度，m。

同时，需要考虑感应雷对线路的影响。当附近发生雷击时，先导通道中的负电荷被中和，导致电场减弱，从而导致线路上束缚的电荷被释放，形成感应雷电，进而引发过电压现象。雷击通道中的强大电磁场也会在导线上感应出高压现象。静电感应和电磁感应叠加形成非常高的过电压。为准确计算感应雷对线路的影响，可以建立其过电压计算模型。结合导线受到的静电感应和电磁感应，可以得出感应雷过电压的计算公式，然后根据线路参数计算感应雷过电压值，并与防雷装置的放电电压进行对比，以确定防雷措施是否充分。

2.3 10 kV配电网中绝缘配置跳闸率所产生的影响

10 kV配电线路发生雷击跳闸的主要原因是线路绝缘效果不佳，因此增强绝缘效果是减少跳闸的一个手段。目前，在10 kV线路绝缘配置上已经有了一定的研究成果；使用冲击电压耐受性更好的绝缘子，如复合型悬式绝缘子，可提高线路的抗雷冲击能力；使用不平衡绝缘配置，在线路易受雷区增大第一串绝缘子数，可提高这些关键部位的防雷等级；使用绝缘横担或者绝缘塔头，增大第一串绝缘子的离地间隙，可有效降低耐雷水平；不同绝缘子的防雷参数，如最小电弧距离，直接影响了线路的抗雷能力[4]。根据仿真结果，在相同线路条件下，复合型悬式绝缘子使线路直击跳闸率降至5.57%，较瓷绝缘子的3.23%略高，但对感应雷起到更好防护，跳闸率只有14.2%。

3 10 kV配电网跳闸次数优化方法

3.1 使用无人机巡检

使用无人机进行线路巡检相比传统的人工巡视具有一系列优势。一是全天候快速巡检，无人机可以不受天气等条件因素的限制，进行全天候巡线。通常，无人机巡线需要2人操作，一人控制无人机飞行，另一人监视并分析地面屏幕图像。二是实时传输图像，无人机可以搭载可见光或红外热像仪，实时传输图像，以观察线路状况。如果发现问题区段，无人机可以悬停细查或多次飞过以确定情况。三是红外热像仪检测，红外热像仪可以检测线路上的发热点，尤其在清晨、黄昏或阴天时使用，图像更为清晰。为了最大限度上减少逆光的影响，建议无人机巡线时最好从侧向导线飞行。此外，可以提前固定镜头角度，或通过无人机改变航线来进行视角调整。还可以使用陀螺仪平台实现自动瞄准和稳定成像，然后进行线路的精确分析。四是优化树障管控，通过无人机巡视的高清可见光或红外热像，可以直观地发现树枝对线路的压迫和潜在的短路隐患，从而指导科学修剪工作。无人机还可以监测修剪后的树木生长情况，以确保线路的长期可靠性。此外，无人机还可用于树障预警，一旦无人机检测到树枝距离线路达到预设限值，就能够迅速反馈给控制中心，实时掌握树障的动态情况，从而确保电力线路的安全运行，使得无人机成为线路巡检的高效工具。

3.2 应用参数智能检测装置

参数智能检测装置能够获取线路的实时数据，并且结合线路历史运行数据计算出线路瓶颈段、电压参数以及电流参数，进而得到该段线路的稳态负载能力和瞬态过载能力。在此基础上，通过收集该区域近年来的新用户增长和用电量数据，结合本地经济发展预测，可以模拟计算未来3～5年该线路负载的增长趋势，形成以季度、月度、周等为周期的动态预测模型，可以通过动态预测模型对未来3～5年的线路进行改造。

3.3 提升自动化水平

提升自动化水平可以有效控制跳闸次数，具体措施如下：一是在主馈线路径上的关键节点安装自动开关，实现对主线路的分段控制；二是使用通信式保护装置，实现对这些自动设备的远程监控，同时逐步提高馈线自动化覆盖率，使其达到80%以上；三是取代常开式断路器，使用能够自主判断故障消除后的自动复位断路器，实现故障点自我隔离、非故障区自动复电，缩小跳闸范围[5]；四是在线路设定多个自动分段开关，正常情况下开关处于关闭状态，当发生故障时，开关能够快速断开故障区域的两端，避免全线停电；五是在线路中间位置设置无源监测设备，采集电流、电压等参数，通过有源通信网络实时上传数据，实现线路运行状态的远程监测。

4 结 论

通过分析研究得出，数据驱动是优化10 kV配电网跳闸次数的重要手段，可以充分利用各种数据样本建立合理的预测模型，指导跳闸治理。结合电气几何模型和雷击跳闸率计算等，更直观地阐述配电网跳闸的技术原理，提出了以强化线路巡检、调整负载分布、提升自动化水平等为核心的跳闸治理策略，运用智能无人机、负载控制、自动故障隔离等技术手段实现配电网跳闸次数的有效控制，显著提高供电可靠性。