10 kV電力系統安全運行要素研究

唐建軍

(國網四川省電力公司南充市高坪供電分公司 四川南充 637000)

在10 kV電力系統中，變電站將110 kV或35 kV高壓電壓轉換成10 kV 的電壓，然后通過輸電線路被輸送到不同的配電變壓器，進一步降低到400 V或230 V以供使用[1]。若運行安全產生問題，會產生潛在的人員危險和巨大的經濟損失。例如：福州市一小區發生電氣火災事故，據初步調查疑似因為10 kV 電纜維修不當，導致電纜損壞引發火災；長沙市一家商場由于10 kV電力系統接地電阻過大，導致漏電過大引起的電氣火災事故；臨沂市一家工廠因為10 kV電纜老化，絕緣性能下降引起的電弧放電導致發生爆炸事故。因此，分析10 kV電力系統的安全運行要素對保障電力系統安全運行具有重要意義。居民和商戶都要注重電路安全，應做到不違規接線改線、維修找專業操作人員作業、配電室等危險地帶按要求隔離、電纜的使用情況按時檢查維護等。

1 10 kV電力系統

根據電壓等級可將電力系統劃分低壓、中壓和高壓系統等，10 kV 電力系統通常被歸類為中壓系統，由國家電網公司、南方電網公司等大型電力企業負責建設和運營。在日常運行中常需要利用變電站進行電能轉換和分配，配電方式有環城網、輻射網、網狀網等。目前主要分布在城鄉中小型用電場所等，其用途包括輸送和分配電能，在商業和工業領域應用廣泛，如城市中心區域的供電、工廠和企業用電、高速公路路燈和交通信號燈的供電等。

1.1 10 kV電力系統特點

10 kV 電力系統具有電壓適中、安全性高、穩定性強、輸電效率高等特點，通常用于短至中等距離的電力傳輸，一般為10～50 km[2]。與低壓電力系統相比10 kV電力系統更穩定，可以支持更多的電力負載，具有比較成熟的技術和設備支持。輸電效率相對較高，低損耗電能能夠滿足相應電力負荷的需要。

1.2 10 kV電力系統安全運行標準

10 kV 電力系統的安全運行需要從設備、施工、維護、人工操作和監測保護等多個方面進行全面考慮，并遵守一系列相關的國家和行業標準。

設備需要能夠承受預設的電力負荷和環境的影響，在運行全程安全可靠，符合國家和行業標準，如變電站的開關設備需要符合《高壓交流開關設備和控制設備標準的共用技術要求》（GB/T 11022-2020）。

在施工和后續維護的過程中，技術人員要具備專業技能證書，深度掌握技術操作規程和應急預案，保證操作的安全和可靠，避免電力系統由于人為失誤造成的損傷。如變電站操作人員需要通過培訓考核，持有高壓電工作證和高壓操作證。變電站維護需要符合《變電站現場安全技術規程》（GB/T 17467-2020）和《電氣設備安裝工程施工及驗收規范》（GB 50150-2016）的標準。

2 10 kV電力系統安全運行要素和常見故障類型

2.1 10 kV電力系統安全運行要素

10 kV 電力系統安全運行要素包括設備、運行管理、人員素質、技術創新、消防安全、計劃管理、緊急預案等，要做好電力系統安全運行，必須各要素都入手，以確保電力系統運行的安全可靠性。

設備安全要素表現在電纜、電線、開關、變壓器、母線等相關設備必須選擇符合國家標準和規定的。在運行管理方面，電網部門需要對10 kV 電力系統進行實時常規監測，提前針對電力系統可能產生的故障情況制訂詳細的應急預案等。在操作人員的專業素養方面，不同電力領域工作人員必須經過專業培訓和考核。在技術創新方面，提高深度學習、數據挖掘、AI等數字技術應用頻度。在消防安全方面，必須加強消防設備的全面落實，科普消防設施滅火方法，對設備周圍的安全區域進行標識和劃分，保證安全區域內只允許經過培訓和授權的人員進入。

2.2 10 kV電力系統常見故障類型

10 kV 電力系統的安全問題主要分為機械故障和人工故障兩種。機械故障包括線路自身或環境因素引起的短路、開路、過載和接地故障；人工故障包括技術人員操作失誤、居民私接線或改線等[3]，這些因素都會降低整個供配電系統的運行質量，妨礙供配電系統工作。部分線路故障占比如圖1所示。

圖1 部分線路故障占比

電纜絕緣損壞、設備內部故障或線路接頭松動、老化最容易引起短路故障[4]。短路時兩個或多個電線之間或與其他導體發生直接接觸，線路電流過載、電壓下降、電線發熱，若未及時處理可能導致設備受損、發生火災和停電甚至危害生命等情況。例如：機器電源線絕緣材料老化、開裂并與機器外殼直接接觸，從而發生短路，使機器外殼充滿電荷。當操作人員作業時接觸設備并接地，電荷就會流過人體造成電擊傷害。

短路與過載有密切聯系，當電流超過設備或線路的額定電流時電路系統負載增加，電線中傳輸的電流較大，使電線過于熱化，熱化的電線導致銅線絕緣層損壞，形成一個短路環路，導致持續過載，以至于熔斷電線保護器，使電線損壞甚至失效。

開路故障包括離散型開路和線路故障導致自動跳閘。離散型開路指電路中某部分的電源電線中斷或損壞，導致電路中該部分的電氣設備斷電。線路故障導致自動跳閘是指當電力系統檢測到線路短路或過載等故障時自動跳閘切斷電路。兩種開路故障都會由于部分負載消失，使未斷電部分得到過多的電源電壓供應，電源電壓過高。過高的電源電壓可能損壞線路或設備的電子元件或電線，使其無法正常工作，甚至永久損壞。

接地故障指電氣設備或電路出現零線與設備或結構不良接觸或短路，導致漏電電流沿電氣設備外表面流回電源，通常在接地電容的幫助下形成回路，從而使設備帶有電壓。漏電故障指電氣設備或電路出現接觸電流路徑，使電流越過設備或電路外表面（如接地線或使用者身體），直接流回地面。接地和漏電故障都會使電器帶電，容易使人受到觸電傷害。

人為主觀造成的故障包括技術人員誤操作、居民用電不當等。例如：技術人員操作失誤導致絕緣子、導線等接觸不良，電流過大；未及時更換老化或損壞的絕緣子和電纜，或未對設備進行定期檢查和維護；在維修電力線路時，操作人員距離線路太近造成侵占安全距離現象，發生觸電事故；在工程不當施工可能會導致線路短路或接線錯誤等問題；居民私拉亂接電線到電力系統中可能會導致電線過載，引起火災和其他安全隱患；部分居民私自調整電表、違法搭建電線、違規使用電氣設備等，導致電線接觸不良、電線過載引起火災和其他安全隱患；在電力緊張的情況下，居民可能會違規使用電力。使用不符合規格的電氣設備，或同時使用多個高功率電氣設備，在停電時私自開啟備用發電機等。

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3 10 kV電力系統安全運行保障方法

要保障10 kV 電力系統的安全運行，主要需要確保電力線路和電力設備的安全性和穩定性，降低外界環境、設備故障、過載等各種因素的影響。需要對電力系統中的所有設備包括變電站、開關設備、電動機、變壓器等進行定期的維護和檢查，對電力系統進行風險評估和安全評估，隨時發現并排除潛在安全隱患。例如：某變電站的10 kV出線柜在運行時突發觸電事故，導致變電站的斷路器跳閘停電。通過分析發現是由于該出線柜的支柱絕緣老化導致，檢修部門及時更換絕緣材料并進行檢查。

3.1 3種配電網安全運行保障措施

10 kV 的配電網根據拓撲結構和應用范圍不同分為環城網、輻射網和網狀網。（1）環城網以城市為中心，應用于城市內通信、監控、物流、配送等需要點對點通信的場景。環城網路由簡單，網絡傳輸延遲小，但運行出現問題會影響整個網絡，甚至癱瘓。因此對10 kV的環城網運行檢查要做到早發現早根除，降低事故發生的概率，以事先預防為主。（2）輻射網以中心節點向外輻射為主要特征，傳輸距離遠，網絡擴展能力強，網絡節點多。因此，輻射網安全運行的管理重點在于分節點進行區域檢查，以化整為零的策略降低工作量，根據責任制分工到各操作人員身上，按照距離遠近分配檢查、維護任務。（3）網狀網與輻射網類似，但是各節點之間連接方式更多更復雜，通常應用于需要高度可靠性、高帶寬、大覆蓋的場景，如航天、軍工、智能交通等，具有靈活性強，能快速應對節點故障，但是構建和維護成本較高的特點。網狀網則更偏向于問題發生后的及時處理，其可以互相進行補充，不會即時斷電，因此對維修留有時間，不過定期的維護依舊不可忽視。

3.2 傳統安全運行保障措施

傳統安全運行保障措施更偏向人工檢查，主要以班組制度為主，班組制度對配電線路的巡視、維護、檢修等工作進行嚴格的規定。人工需要按照標準要求定期巡視和檢修保養電力系統，結合科學技術方面表現在對網絡設備、服務器、應用程序等軟件運行時產生的日志進行管理，分析潛在問題。對于居民異常用電的檢查方法較少，且施行困難工作量大。傳統方法主要針對修改電表的竊取電量的用戶，3 種異常用電識別比較方法如表1所示。

表1 異常用電核查方法

在組織人員定期對10 kV配電線路的設備進行檢查時，操作人員對巡視發現的問題，如電力設備老化、破損、安裝不穩定等需要先登記，然后根據匯總結果重新安排維修工作，效率較低。新線路維護周期和成本都少于老線路，因此在前期線路鋪設和實際施工過程中人工檢查和各項質量檢測試驗是新線路安全運行保障的重要前期工作。部分10 kV電力系統施工原則條目見表2。

表2 10 kV電力系統施工檢測表（部分）

3.3 結合高科技技術的安全運行措施優化

隨著科技發展，利用先進技術和設備對10 kV 電力系統的安全運行各方面進行升級優化刻不容緩，如引入智能巡線、無人機、紅外線監測等。使用智能巡檢機器人對線路和設備進行巡檢，配合現代化監測系統進行實時監測和故障預測，可以有效減少人工巡檢頻率，提升巡檢效率[5]。結合深度學習算法對10 kV電力系統進行可靠性評估，可以優化系統中設計不合理或系統薄弱環節，從而增強整個電力系統的安全性和可靠性。有研究基于貝葉斯網絡構建了10 kV電力系統可靠性評估網絡模型，可以根據歷史數據進行統計分析和數據挖掘，得到電力系統各負荷點的可靠性指標，從而評估出薄弱環節進行改進。

在故障定位方面，目前已通過紅外測溫技術檢測設備電氣接點、電氣器件缺陷、溫度異常等實現故障快速診斷。通過在系統中安裝可編程電子設備，實現精確測量、快速檢測和實時監控，有助于及時發現系統故障和異常。使用光纖光學電流差動保護技術，通過口袋式電場探測器等技術配合快速定位儀，精準、快速地定位故障點。有研究設計了10 kV配網線路故障定位方法，在進行故障定位精確度仿真實驗中，與傳統定位方法進行了對比，結果如圖2所示。

圖2 定位節點故障測試精確度結果

根據結果可知：在相同實驗條件下，傳統定位方法精確度在故障距離大于3 000 m后定位效果即不合格，波動較大且整體趨勢逐漸降低。而結合大數據算法和自動定位技術的新型精準定位方法精確度維持在0.98到趨近于1，極大降低了客觀因素的影響。

在電力管理系統方面，頻率穩定系統能夠監測并自動調整電力輸出，保持系統的穩定性和安全性[6]。在電力設備研發方面，相比于傳統的油浸開關，高電壓氣體絕緣開關設備具有更好的環保性和可靠性。在應急預防方面，通過大數據分析建立完善的應急預案，并算法生成響應措施，可以提升應急處理效率。

雖然高新技術可以帶來很多便利，但是操作人員的工作不可替代，因此在提升人工專業技術方面，可以使用在線學習平臺、虛擬現實等技術，為電力系統技術人員提供更加豐富、全面的安全知識和技能培訓。通過建立電力系統的數學模型和仿真實驗，提高不同情況背景下對專業技能的應用，有助于提升技術人員實際經驗和應變能力。

4 結語

10 kV 電力系統安全穩定地運行是滿足居民正常生活工作的重要保障。10 kV電力系統的高架線相較于其他高壓線路離地距離較近，城內架空-電纜混合電網范圍較廣，容易由于機械損傷或環境影響產生故障，因此電力企業需要定期對電力系統設施進行安全檢查和故障維修。當前，結合高新技術對電力系統進行全方位線上監控和故障預警成為電力系統安全運行保障的重要舉措。根據電力系統各節點實時數據進行大數據分析可以對存在隱患的線路區域定位排查，預先進行維護從而起到提前排除故障，減少斷電損失的重要作用。無人機巡查可以減少人工成本，作業簡便，安全性更高。選擇重要指標制定綜合評估體系，基于數據驅動進行電路診斷和評估，較人工檢查更高效、準確。把握10 kV電力系統運行安全要素，并針對其開展一系列的安全管理措施，也可為電力企業帶來更高的經濟效益。