基于绝缘套管的10 kV架空裸线接地故障监测与防治技术研究

单知非， 姚荣华， 钱家阳， 范春丰， 郑永镪，王腾飞， 马周怡， 魏业文， 方豪

（1. 国网浙江省电力有限公司桐庐县供电公司，浙江杭州 311500；2. 三峡大学 电气与新能源学院，湖北宜昌 443000）

0 引言

在我国电力系统中，10 kV输电线路是输配电网实现电能传输的主体框架，主要承担着110 kV或35 kV变电站的电力输出，其安全运作事关大电网的稳定运行。输电线路跨越的区域和通道长度逐年增加，覆盖范围也日益广阔。由于不同地区地貌存在差异，输电线路不可避免地会途径山地和林区。一般而言，配电线路多用在农村、城镇、工厂的供电，覆盖地区范围广，其穿行的地区多有树木[1]，而传统10 kV架空导线多为裸线，在树木生长茂盛区域易与树木的树枝交叉缠绕，引发短路或线路接地等问题，导致一系列安全事故，如网损增大、人员伤亡、断线等，极大地威胁着中压配电系统运行的稳定性。并且随着配电网的规模不断扩大，10 kV输电线路跨越的地区和通道长度也在不断增加，穿越林区和山地的输电导线逐渐增多，线树矛盾日益突出，10 kV线路单相接地故障频发，甚至引发相间短路，严重影响输电线路的稳定运行，制约输电效率。

针对树障问题，目前主要有两类方法：一是砍伐树障，即砍伐大量树木腾出输电走廊，但由于环境保护等要求，工作难以进行，即使砍伐树木，问题也得不到根本解决；二是对输电线路进行电缆改造，用电缆取代输电裸线，此法成本高，不易推广。考虑到树障问题的区域性特点，可以采用重点防治的方式。对树障区域进行绝缘套管改造，即安装绝缘套管，不仅成本较低，而且能够带电安装，改造方便，施工周期短，不会影响居民用电，易于推广。

绝缘套管有直筒式、缠绕式和热缩式等种类，这些套管在安装时不够简便，操作人员施工时的劳动强度较大，并且直筒式和热缩式绝缘套管还需停电安装，影响居民日常的生产生活，造成经济损失，因此本研究选用卡扣式绝缘套管。卡扣式绝缘套管安装方便快捷，劳动强度低，能够带电安装。套管采用甲基乙烯基硅橡胶材质，绝缘性能优秀，不易发生电场击穿。同时有着良好的机械性能，能够有效地减少树障树木对绝缘套管的磨损，防止输电线路接地故障的发生。

我国10 kV配电网采用的是中性点不接地的运行方式，当10 kV输电裸线通过树木接地时，配电系统会发出接地信号，此时线路线电压是两相对称状态，可以不立刻跳闸，继续运行1 h～2 h[2]。若不及时找出故障地点排除故障，因未发生故障的两相电压升高，很有可能会在线路绝缘薄弱的环节发生电场击穿，引发更为严重两相接地短路，影响电力系统稳定运行。传统巡检树障隐患采用人工巡检，不仅效率低下，且人力耗费巨大。目前应用较多的有无人机巡检，巡检效率和采集数据质量高，但巡检人员需提前培训，前期投入较大。

针对配电网线树日益突出的问题，本研究采用投资较低、区域重点防止的方式，对树障所在区域的输电裸线安装绝缘套管。并且对目标线路的两端安装电力监测单元，监测绝缘套管可靠性和目标线路段，及时发现接地故障，以便及时排除故障，防止故障影响扩大。单相接地故障和两相接地故障占输电线路故障的85%，对树障区架空裸线的防护意义重大，能有效保障输电线路的运行效能和供电效率，提升配电网运行稳定性和用户用电满意度。

1 架空裸导线树障接地机理分析

1.1 架空裸线接地故障分析

在正常情况下，如果树木的高度能够满足电力线路的安全要求的间隙距离，就不会发生树闪的故障。但是，在气温较高，或线路覆冰较厚的情况下，导线弧垂增加，即使树木高度h不再增加，也可能发生树闪故障，特别是在夏季天气炎热时，用电负荷达到高峰,进一步加剧了电线的温升，此时,电线的下垂程度比正常情况下大幅增加。图1为树闪故障示意图。当树木与电力线之间的间隙距离d小于空气临界击穿距离，就会发生树闪故障。电线弧垂的大小与电线的工作电流、环境温度、光线、风速等因素有关。导线弧垂的计算公式为：

图1 树闪故障示意图

式中，f为导线的最大弧垂，w为导线比载，l为档距，σ为导线最低点处的水平应力。

1.2 电弧数学模型

线路发生树闪时会产生电弧。目前关于电弧模型的研究已经有很多成果[3-6]，但各种电弧模型都是在一定假定前提下简化后得到的，而电弧的产生受到很多因素的影响。电弧数学模型的普遍形式如下：

式中：g为单位长度电弧电导：e·i为单位长度电弧的输入功率；e为单位长度电弧电压，即弧柱中场强，i为电弧电流；τ为电弧的时间常数；p为单位长度电弧的耗散功率。而目前关于配电网单相弧光接地模型的研究较少。

1.3 线路绝缘防护

输电裸线发生接地故障时故障相线路的等效模型如图2所示，其中ZL为线路阻抗，Rd为接地电阻。而线路阻抗是由输电线路本身决定的，要想减小故障电流，就需提高接地电阻的阻值，特别是在雨雪天气，树木的导电性增强，更加大故障时的短路电流，因此在不砍伐树障的情况下，需要对架空裸线安装绝缘套管，以起到防护作用，即使发生接地短路问题也能减小短路电流。

图2 单相接地故障等效图

2 绝缘套管设计与电流监测方案

2.1 绝缘套管设计

目前的输电导线绝缘套管有直筒式和卡扣式。传统直筒式绝缘套管由柔性材料制成，一般通过一次成型的方式制作而成。直筒式绝缘套管安装时需将所要防护的架空导线的一端取下，将套管从一端套上，再将线路复原。这种绝缘套管使用时需要整体套设在导线上，然而由于导线为细长物，安装时非常不方便。当作业线路较长时，不仅操作难度增大，还需对输电线路停电，影响到配电网的稳定运行的同时，还对居民的生产生活产生影响，造成经济损失。而卡扣式绝缘套管虽然无需拆装导线，但在安装过程中，由于10 kV架空线路导线直径较小，与之配套的绝缘套管的直径以及卡扣的尺寸也都较小，操作较为精细。操作人员将一定长度的绝缘套管扣在输电导线上后，还要将绝缘套管的卡扣从一端到另一端手动捏合，不仅费时费力，也需停电作业，同样会对配电网造成影响。本研究设计的10 kV线路绝缘套管装置在传统绝缘套管的基础上进行了改进，可以很好地解决这一问题，同时减轻操作人员的劳动强度。

作业输电线路所在地区树木生长茂盛，交错缠绕树枝会对操作人员安装绝缘套管造成一定的阻碍。因此需要一种便捷的安装方式，以降低操作人员的劳动强度。并且套管安装后输电导线仍然会受到树木的刮擦，套管安装后应相对稳固。热缩式绝缘套管和套筒式绝缘套管的密封性好，安装后套管稳固，不易脱落。但热缩型套管安装时需操作人员另外配备热缩枪，在空中作业时十分不便，同时也增加了操作人员的负重。而且两者安装时都需要将作业线路停电，拆卸线路，从线路一头开始安装，不能做到带电作业。缠绕式绝缘套管操作过程更为繁琐，在单人操作的情况下不便安装。综上，卡扣式的安装方式更具优势。卡扣式绝缘套管的管体沿轴线方向开口，以实现带电作业，开口用卡扣和卡扣槽嵌合的方式实现套管的闭合。卡扣设计联结紧密，能使绝缘套管不会因为热胀冷缩、紫外线照射以及高温等情况而自行弹开，保证了套管良好的密封性。

穿越林区的输电线路往往长达数千米，套管不能一次性完成安装，可以分成数段分别安装。这样在每段套管间就会形成间隙，使输电线路出现绝缘薄弱的环节，影响套管整体的绝缘性能。在每段套管间设有连接套筒，以保证套管的绝缘性，加强了绝缘套管对架空裸线的防护。连接套筒采用的尼龙材料硬度大，有一定的韧性，能适应安装过程中的一系列操作。套筒结构及安装效果如图3所示。

图3 连接套筒结构及安装效果

2.2 10 kV配电线路接地故障定位

10 kV配电系统采用中性点不接地或经过消弧线圈接地方式，有利也有弊。针对故障难查找的问题，研究人员提出一些解决方案。当10 kV配电线路发生单相接地短路时，虽然配电网会发出接地信号，但还是不易找出故障。线路故障会造成用户供电中断，快速、准确的故障定位方法能缩短用户的停电时间，减少因停电造成的损失。 故障定位方法一般分为两类，一类是以测量故障线路的阻抗为基础的阻抗法[7-8]，另一类是以测量故障或人工产生的行波为基础的行波法[9-11]。单相接地故障可以利用接地选线装置和故障指示器来查找。变电站一般都安装了接地选线装置，可为人工拉闸提供技术参考，然后在线路上安装故障指示器，以此指示接地故障。目前比较可靠的接地故障检测方法有信号源方法[12]、首半波法[13]或暂态分析法[14]。这些理论成果向实际应用的转化率不高，实用性产品较少，效果也不理想。要提高输电线路的供电效率，就需要当配网发生单相接地故障时，能够快速地有效诊断故障类型，确定故障位置，及时采取有效措施。

当树木与输电裸线接触，线路发生单相接地故障时，电流经过树木导入大地，故障线路以故障点为中心，线路两端电流值因为植物的分流作用而呈现差异。因此对在易发生接地故障的树障地区的输电导线，可在线路两端加上电流检测单元，对输电导线实时电流监测，通过比较线路两端电流值，掌握树障区线路运行的输电导线运行状态。当线路两端电流差值超过预设值时，可判断其发生了接地故障，易于找到接地故障点，及时排除故障，查明树障地区是否出现阶段性恶化，同时考察绝缘套管的可靠性。同时可以对各个不同的树障地区的输电线路段采用电流监测装置，以监测不同树障区域发生单相接地的情况。

2.3 带电流监测功能的绝缘套管

将绝缘套管的电流监测单元整合如图4所示。绝缘套管和电流监测装置相结合，相当于给输电线路加上了双重保险，绝缘套管对输电线路起到基础性防护作用，而电流监测装置也起到评估套管可靠性的作用，杜绝了树障隐患。电流监测单元封装在一个柱形套筒内，卡装在整段绝缘套管的两端，同时起到加固绝缘套管的作用。

图4 树障区10 kV架空线路防护整体方案图示

3 新型绝缘套管研制

3.1 绝缘材料选择

为比较不同绝缘材质的绝缘性能，对比了不同绝缘材质在5 mm、10 mm、15 mm距离下发生电压击穿时的电压。对各种固体绝缘材料的样品做了击穿试验，测试各种材料的绝缘性能。

图5为表面放电电极。为了模拟非均匀的高电场，表面放电的电极系统采用尖端角为60°的不锈钢三角形和平面结构。电极间的电介质选用变压器油，俗称方棚油。试验交流频率为50 Hz，最高电压100 kV，电压以2 kV/s速率逐渐升高，直至达到击穿电压。在相同的条件下，使试样出现表面放电电压15次。

图5 放电电极系统

分别测试了各种材料的绝缘性能，用固体绝缘材料玻璃纤维增强塑料、聚四氟乙烯、硅橡胶、芳香聚酰胺制成厚度相同的样本，电极间距分别设置为5 mm、10 mm、15 mm。各样本用干燥器进行干燥，以完全去除水分，然后用乙醇仔细清洗[15]。各种绝缘材料在不同电极间隙下的交流电压击穿特性如图6所示。由图6可以看出，在一定误差范围内，所有样品的电击穿电压相近。但是硅橡胶较其他的绝缘材料成本相对较低。在考虑经济因素时，可选用硅橡胶作为绝缘材料。

图6 各种绝缘材料的击穿电压特性

在硅橡胶中，甲基乙烯基硅橡胶（乙烯基硅橡胶）具有优异的化学稳定性、电绝缘性和工作温度范围广等优点，在电气绝缘领域得到了广泛应用。甲基乙烯基硅橡胶是一种常见的硅橡胶，简称乙烯基硅橡胶，许多其他的特种橡胶也由甲基乙烯基橡胶改良而制得。甲基乙烯基硅橡胶是由二甲基硅氧烷与少量乙烯基硅氧烷共聚而成，乙烯基含量一般为1%～5%。

甲基乙烯基硅橡胶有着良好的机械性能，能有效地防止树枝对架空输电导线的损害，与应用场景很好地契合。此外甲基乙烯基硅橡胶具有较宽的使用温度范围，可在-60 ℃～260 ℃范围内保持良好弹性，具有优良的耐寒性，所以一般用甲基乙烯基硅橡胶制作绝缘套管。

除此之外，乙烯基的含量也会影响甲基乙烯基橡胶的绝缘性能，图7为乙烯基相对含量对乙烯基硅橡胶绝缘性能的影响。由图7中曲线可以看出，在乙烯基相对含量为3%时，能达到最佳的绝缘性能。所以选用乙烯基相对含量为3%的甲基乙烯基硅橡胶作为绝缘套管的制作材料。

图7 乙烯基相对含量对MVSR绝缘性能的影响

3.2 电流监测单元

电流检测装置采用NB-IoT(Narrow Band Internet of Things)技术,该技术是IoT领域基于蜂窝窄带物联网的一种新兴技术，支持低功耗设备在广域网的蜂窝数据连接，也被称为低功耗广域网。

监测套管防护线路电流的监测单元由四个模块组成，如图8所示。首先用电流互感器从输电导线取得易于测量的直流小电流，再将从互感器流出的直流接入直流电流检测模块，将测得的电流数据输送到NB-IoT数据传输模块，NB-IoT模块再通过广域网的蜂窝数据将电流值发送给手机，实现电流数据的无线传输。手机可在应用软件上实时监测每相线路的电流数据，为判定线路故障提供依据，同时检测绝缘套管的可靠性。

图8 电流监测单元

电流检测模块和NB-IoT数据传输模块均采用12 V直流电源供电。考虑到带电安装的需求，采用卡扣式电流互感器。并且根据输电线路额定电流的大小选用合适变比的电流互感器。

此外，NB-IoT设备功耗可以做到非常小，很适合输电导线电流监测这类监测装置供能不易获取的应用场景。并且使用NB-IoT无需重新建网，射频和天线基本上都是复用的，间接地降低了线路改造的成本。

4 现场验证试验及应用案例

4.1 试验

为检测系统的运行情况，在试验室搭建试验平台进行测试，如图9所示。利用两个铁塔模型搭建一条输电线路，在线路上铺设两段两米长绝缘套管，套管间安装连接套筒，整段套管两端装上电流监测装置，最后通过升流器（图10）输送大电流到线路上，模拟某相输电导线。监测结果如图11所示。

图9 电流监测试验图示

图10 电流监测试验所用升流器

图11 电流监测结果

4.2 应用场景的基本情况

桐庐县地貌以丘陵山区为主，平原稀少，四周群山耸峙，山地与平原间则丘陵错落，属浙西中低山丘陵区。配网线路经常要从林区穿过，线树矛盾突出，在阴雨天气较易发生线路接地故障，影响供电效率及居民用电满意度。

4.3 树障区改造后的效果

该装置在浙江省杭州市桐庐县的某配电线路进行了试用，减少了对树障的砍伐工作，有效节省作业人员绝缘套管安装的时间。套管安装后，减少了配电网的年短路故障次数。

5 结论与展望

针对树障地区10 kV架空裸线频繁接地的问题，研制了新型绝缘套管。套管安装方便，能检测线路电流，及时发现线路接地故障，间接地加强了绝缘套管的防护性能，提高了线路供电可靠性。

除了上述优势，该装置也存在一定的应用限制，希望通过今后的学习找到改进方法。本装置电流检测模块的电源采用蓄电池组，在电量用尽后，需要更换电池。未来可考虑与无线取能相结合，通过输电线路感应取电的方式给装置供电。